人工凍結(jié)法在地鐵建設(shè)中的應(yīng)用與發(fā)展

張 婷，楊 平

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210037)

地下鐵道具有運(yùn)量大、速度快等特點(diǎn)，已成為解決市區(qū)擁堵的主要手段，而地鐵建設(shè)對(duì)增強(qiáng)中心城市的區(qū)域輻射功能、完善綜合交通體系、提升城市建設(shè)品質(zhì)和公共交通服務(wù)水平有重要意義。地鐵隧道多位于城區(qū)、鬧市區(qū)，周邊建筑物和管線密集，沿海、沿江地區(qū)還常穿越軟土或富水砂層等復(fù)雜地層。這種復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境給地鐵建設(shè)提出新的挑戰(zhàn)，尤其是跨越江河賦予隧道水下施工更高的技術(shù)要求。地鐵施工除正常貫通外，必須解決兩個(gè)問題:一是安全通過不良地層，避免涌水、坍塌現(xiàn)象，二是隧道施工應(yīng)妥善保護(hù)周圍建筑物、構(gòu)筑物。

目前地鐵建設(shè)面臨一些問題:如地面無(wú)法加固時(shí)聯(lián)絡(luò)通道的安全施工、盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)潛在的涌砂涌水、隧道涌水與塌陷后的事故修復(fù)及盾構(gòu)隧道穿越江河底部或長(zhǎng)距離推進(jìn)時(shí)盾尾刷更換等問題，人工凍結(jié)法在解決上述問題方面有很大優(yōu)勢(shì)［1－3］，已在我國(guó)地鐵建設(shè)中得到大量應(yīng)用，但有關(guān)理論和技術(shù)研究還待于進(jìn)一步深入。

1 人工凍結(jié)法在地鐵聯(lián)絡(luò)通道中的應(yīng)用

聯(lián)絡(luò)通道是地鐵隧道之間的橫向連接道，解決已有隧道的對(duì)接問題，供緊急情況乘客轉(zhuǎn)移使用;常位于區(qū)間隧道中部或線路最低處，多與集、排水泵站合并建設(shè)，擔(dān)負(fù)集、排水、防火等作用［4］。修建聯(lián)絡(luò)通道時(shí)需要對(duì)地層加固，常用加固方法有管棚法、深層攪拌法和人工凍結(jié)法等;施工中開挖土方量不大，最大威脅來(lái)自地下水，在其它工法加固效果不明顯時(shí)人工凍結(jié)法成為施工聯(lián)絡(luò)通道的唯一選擇，已在北京、天津、上海、南京和蘇州等地軟弱土層及含水砂層中被成功運(yùn)用。

南京地鐵1號(hào)線共有6個(gè)聯(lián)絡(luò)通道，平均埋深15.5m，地層以粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主，除一個(gè)采用頂管法施工外，其余五個(gè)聯(lián)絡(luò)通道均采用人工凍結(jié)法加固，其中新模范馬路－南京站、張府園－新街口站聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí)在地面旋噴加固失敗后采用人工凍結(jié)法。后續(xù)地鐵2號(hào)線、3號(hào)線和10號(hào)線汲取施工經(jīng)驗(yàn)，很多聯(lián)絡(luò)通道直接采用人工凍結(jié)法。

南京地鐵2號(hào)線中和村站－油坊橋盾構(gòu)井1#聯(lián)絡(luò)通道地處粉質(zhì)黏土與粉砂交互層，地下水豐富，線間距20m，凈距13.8m，施工難度較大，比選各種加固方法后采用“雙隧道打凍結(jié)管，中間交叉1.5m，每條隧道內(nèi)各安放冷凍機(jī)組同時(shí)凍結(jié)”的施工方案，凍結(jié)壁整體性好，通過監(jiān)測(cè)未發(fā)現(xiàn)施工薄弱環(huán)節(jié)［5］。

武漢地鐵2號(hào)線越江隧道共有5條聯(lián)絡(luò)通道，其中3號(hào)聯(lián)絡(luò)通道距地面50m、處于長(zhǎng)江正中心下方，是全國(guó)最深的聯(lián)絡(luò)通道，承受巨大的水壓力，其施工難度及工程安全性遠(yuǎn)超隧道施工，開挖前把聯(lián)絡(luò)通道四周全部?jī)鼋Y(jié)，在凍結(jié)壁保護(hù)下開挖內(nèi)圈地層施工聯(lián)絡(luò)通道，目前2號(hào)線已進(jìn)入設(shè)備安裝和裝修階段［6］。

蘇州軌道交通1號(hào)線共25個(gè)聯(lián)絡(luò)通道，其中24個(gè)受地質(zhì)與周圍環(huán)境限制需暗挖法施工。如玉山公園站～蘇州樂園站區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道及泵站線間距13.79m，開挖面土層為④－2粉砂夾粉土和⑤－3粉質(zhì)黏土層，采用“隧道內(nèi)水平凍結(jié)加固土體、礦山法開挖構(gòu)筑”施工方案。

地鐵聯(lián)絡(luò)通道水平凍結(jié)加固的關(guān)鍵技術(shù)如下:

(1)確定詳盡的地層參數(shù)與合理的凍結(jié)方案。包括凍結(jié)孔布置，設(shè)計(jì)鹽水溫度 (一般為－25～－30℃)、控制單孔流量不小于5m3/h、終孔間距Lmax≤1000mm，積極凍結(jié)時(shí)間為45 d。

(2)隧道內(nèi)應(yīng)有支撐與應(yīng)急防護(hù)門。防護(hù)門具有一定的密閉性，能靈活開關(guān)，關(guān)閉后能承受水土壓力，有效阻止聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí)涌水、涌砂，防護(hù)門開啟狀態(tài)不影響正常開挖和砌筑工作。

(3)制定切實(shí)可行的凍結(jié)監(jiān)測(cè) (溫度場(chǎng)發(fā)展、管片與應(yīng)力鋼架受力情況、地層凍脹融沉變形)、聯(lián)絡(luò)通道施工完畢后的解凍、融沉跟蹤注漿和凍結(jié)孔填充措施。

2 人工凍結(jié)法在盾構(gòu)隧道端頭加固中的應(yīng)用

盾構(gòu)法是施工地鐵隧道的一種機(jī)械化方法，盾構(gòu)隧道端頭土體加固是盾構(gòu)機(jī)安全始發(fā)與接收的重要保證，加固成敗已成為盾構(gòu)法施工風(fēng)險(xiǎn)最大的環(huán)節(jié)。端頭常用加固方法有降水、地基加固和人工凍結(jié)法:降水法可有效疏干地下水，常被用作盾構(gòu)端頭加固的輔助措施;地基加固法通過添加黏結(jié)料預(yù)加固，但工程地質(zhì)條件的多變性、不穩(wěn)定性無(wú)法確保化學(xué)加固體整體質(zhì)量;人工凍結(jié)法在端頭加固可將凍結(jié)壁與盾構(gòu)工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)完全膠結(jié)，開鑿洞門后凍結(jié)壁具有較強(qiáng)的自立性與封水性，已成為富水地層盾構(gòu)隧道端頭加固的首選方法。人工凍結(jié)加固端頭分垂直凍結(jié)和水平凍結(jié)。

2.1 垂直凍結(jié)技術(shù)

在盾構(gòu)進(jìn)出洞凍結(jié)法土體加固中，我國(guó)最早引入垂直凍結(jié)技術(shù)。當(dāng)?shù)貙雍瘦^高、穩(wěn)定性差，垂直凍結(jié)加固體強(qiáng)度及封水性能滿足盾構(gòu)進(jìn)、出洞的穩(wěn)定要求，且地面允許施工時(shí)強(qiáng)度較高、凍土體積相對(duì)較小，對(duì)周圍環(huán)境影響較小。

南京地鐵1號(hào)線張府園車站南端頭井采用地下連續(xù)墻圍護(hù)、深層攪拌樁以及壓密注漿加固，盾構(gòu)出洞鑿除洞門過程中出現(xiàn)涌砂險(xiǎn)情，采用雙液漿堵水后仍有流砂，引起局部地面沉降;后采用垂直凍結(jié)形成與地連墻密貼的凍結(jié)壁，成為南京首次實(shí)施地下工程人工凍結(jié)法的范例［7］。

南京地鐵10號(hào)線綠博園站為松花江路站～綠博園站區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)站，盾構(gòu)始發(fā)前對(duì)綠博園東端頭地基進(jìn)行組合加固，加固范圍長(zhǎng)9m、寬28.8m;其中洞門上下3m為強(qiáng)加固區(qū)，上方3m以外為弱加固區(qū)，靠近洞門處增設(shè)一排垂直凍結(jié)管補(bǔ)強(qiáng)加固。

隨著軟土地區(qū)地鐵盾構(gòu)隧道數(shù)量增多，類似上述化學(xué)加固與垂直凍結(jié)補(bǔ)強(qiáng)加固的工程實(shí)例將越來(lái)越多。凍結(jié)補(bǔ)強(qiáng)加固時(shí)，對(duì)人工凍結(jié)法的技術(shù)要求一般如下:凍結(jié)管距槽壁0.4m，孔間距0.8m，孔深到洞門以下2m，凍結(jié)管采用Φ127×3.5mm鋼管;凍結(jié)壁厚度為1.2m，平均溫度取－10℃。

上海軌道交通13號(hào)線世博園區(qū)專用交通聯(lián)絡(luò)線淡水路站－馬當(dāng)路站區(qū)間隧道馬當(dāng)路站始端頭已進(jìn)行高壓旋噴加固，盾構(gòu)底部為微含承壓水的⑤1－2層灰色粉質(zhì)黏土，盾構(gòu)出洞風(fēng)險(xiǎn)較大后來(lái)采用“單排孔液氮快速凍結(jié)”的垂直凍結(jié)法補(bǔ)充加固方案［8］。

2.2 水平凍結(jié)技術(shù)

鬧市區(qū)地鐵隧道所處地面建筑林立、管網(wǎng)密布，端頭加固施工場(chǎng)地受限，通過洞內(nèi)水平凍結(jié)可解決該類難題。施工中將洞門板塊凍結(jié)并延長(zhǎng)外圈凍結(jié)深度，使凍結(jié)加固體包裹盾構(gòu)機(jī)身，這種杯型凍結(jié)壁封水性較好，并能承受洞門后地層水土壓力。

北京地鐵熱－八線大北窯車站南隧道實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首例水平法凍結(jié)施工，水平距離45m，拱頂水平凍結(jié)壁有效提高了隧道頂部地層穩(wěn)定性，證明水平凍結(jié)法是暗挖隧道軟弱含水地層中封水的有效方法［9］。

上海古北路站－中山公園站區(qū)間隧道，盾構(gòu)進(jìn)洞口頂部1.4m處有一污水箱涵，加固時(shí)在箱涵底部形成強(qiáng)度高、封閉性良好的水平杯形凍結(jié)壁，確保盾構(gòu)順利進(jìn)洞并不影響上部箱涵的穩(wěn)定性［10］。

南京地鐵2號(hào)線逸仙橋站－大行宮路站區(qū)間隧道，盾構(gòu)從逸仙橋站西端井出洞，站點(diǎn)所處中山東路道路和龍?bào)粗新穼俪鞘懈傻溃嚵髁俊⑷肆髁枯^大，受地面環(huán)境限制，無(wú)法從地上進(jìn)行土體加固施工，施工中采用地下水平杯型凍結(jié)法加固土體。

南京地鐵2號(hào)線集慶門車站盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)，端頭曾采用三軸攪拌樁進(jìn)行加固，冷縫采用高壓旋噴樁處理但無(wú)法形成完整加固體，后采用三軸深攪樁延長(zhǎng)加固長(zhǎng)度6～12.3m，在原加固區(qū)兩側(cè)采用三軸深攪樁形成止水帷幕，對(duì)原加固區(qū)使用壓密注漿補(bǔ)充加固，通過探孔發(fā)現(xiàn)隧道底板以下砂層中仍然有水、砂涌出，最終也采用水平杯型凍結(jié)法［11］。

蘇州軌道交通2號(hào)線Ⅱ－TS－05標(biāo)天筑路站～蘇州火車站站區(qū)間盾構(gòu)進(jìn)出洞端頭地基加固加固中，靠近車站端頭采用單排φ800@600雙管旋噴樁，攪拌樁采用三軸φ850@600;后因不具備施工降水井條件也采用水平凍結(jié)法加固［12］。

不管是采用垂直凍結(jié)還是水平凍結(jié)，目的都為提高盾構(gòu)始發(fā)或到達(dá)時(shí)洞門外地層的自穩(wěn)能力，地層凍結(jié)后開鑿洞門的時(shí)機(jī)與凍結(jié)壁質(zhì)量關(guān)系密切。關(guān)鍵技術(shù)如下:

(1)確保凍結(jié)孔的成孔質(zhì)量，嚴(yán)格控制凍結(jié)孔塌孔、凍結(jié)管偏斜，使凍結(jié)壁形成局限在預(yù)定范圍并滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)為開鑿洞門確定的控制指標(biāo)主要包括凍結(jié)壁厚度 (滿足設(shè)計(jì)要求)、平均溫度 (≤ －10℃)、探孔溫度 (≤地層起始凍結(jié)溫度)、去回路鹽水溫差 (≤1.5℃)、凍結(jié)壁與槽壁界面溫度(≤ －5℃)。

(3)做好凍結(jié)溫度場(chǎng)與凍脹融沉變形監(jiān)測(cè)工作。

(4)凍結(jié)壁解凍與跟蹤注漿。

3 人工凍結(jié)法對(duì)地鐵隧道涌水、坍塌等事故的修復(fù)

世界地鐵建設(shè)史上也曾發(fā)生過隧道修建過程中涌水、坍塌等隧道損毀事故，多采用施工難度較小的“改線修復(fù)”方案，但很多情況下受規(guī)劃線路影響需進(jìn)行隧道原位修復(fù)，即對(duì)隧道周圍土體進(jìn)行加固，在保護(hù)原有完好隧道基礎(chǔ)上撤除破損隧道結(jié)構(gòu)并原位重建。

上海軌道交通4號(hào)線浦東南路站－南浦大橋站區(qū)間隧道中間風(fēng)井聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí)發(fā)生流砂事故，導(dǎo)致隧道塌陷;在補(bǔ)充詳勘、充分論證基礎(chǔ)上最終選擇原位修復(fù)方案，連接段采用人工凍結(jié)加固暗挖施工，并設(shè)置安全門和備用液氮罐等應(yīng)急措施［13］。

南京地鐵2號(hào)線中和新村站～元通站右線盾構(gòu)到達(dá)元通站150m處出現(xiàn)突發(fā)性涌水、涌砂，造成已成型的部分區(qū)間隧道局部坍塌，修復(fù)工程主要由明挖基坑區(qū)域和礦山法凍結(jié)暗挖區(qū)域組成。暗挖區(qū)位于隧道破壞臨界點(diǎn)附近;對(duì)切割點(diǎn)附近的隧道(破壞隧道與完好隧道連接部分)進(jìn)行垂直分期凍結(jié)封堵、填充和加固，在垂直凍結(jié)塞保護(hù)下進(jìn)行充水隧道內(nèi)的排水和清淤工作。

上海軌道交通11號(hào)線支線建設(shè)中被京滬高鐵工程從地面施工的預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土樁 (PHC樁)擊穿，修復(fù)中采用液氮快速凍結(jié)，積極凍結(jié)10d，側(cè)墻厚度達(dá)2.3m、平均溫度－31.9℃，頂板厚度為6.7m、平均溫度－16.44℃;從鉆孔施工到結(jié)構(gòu)澆注完成歷時(shí)35d，實(shí)現(xiàn)了快速施工［14］。

上海地鐵2號(hào)線陸家嘴站－南京東路站區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道排水管與隧道管片接口處出現(xiàn)漏水、冒泥，通過注漿法緊急處理后采用液氮凍結(jié)對(duì)隧道內(nèi)排水管口出水點(diǎn)周圍的土體進(jìn)行局部封水凍結(jié)，再開挖并處理了原排水管［15－16］。

這類修復(fù)基本是在保護(hù)原未破損隧道基礎(chǔ)上進(jìn)行的，要求完好隧道與修復(fù)隧道盡量早日貫通，在不具備明挖、礦山法施工條件不足時(shí)，人工凍結(jié)法為修復(fù)工程提供了技術(shù)保證，尤其是液氮凍結(jié)施工速度快、安全性較高，在隧道搶險(xiǎn)修復(fù)中已被大量應(yīng)用。

隧道凍結(jié)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)與普通人工凍結(jié)工程基本一致，凍結(jié)壁力學(xué)性能由凍結(jié)壁平均溫度與厚度共同確定;凍結(jié)管的布置及液氮消耗量與凍結(jié)壁厚度及地層條件有關(guān)，液氮凍結(jié)拔管對(duì)熱水循環(huán)要求相對(duì)較高。

4 人工凍結(jié)法在更換盾尾刷中的應(yīng)用

盾構(gòu)隧道穿越江河時(shí)，地層復(fù)雜多變，承壓水壓力大，盾尾滲漏時(shí)有發(fā)生，使江河底部盾構(gòu)隧道風(fēng)險(xiǎn)加大;另外盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)距離掘進(jìn)時(shí)，常因盾尾密封油脂加注量不足或盾尾密封刷磨損使盾尾刷失效。

盾尾刷是盾構(gòu)機(jī)的生命線，容易損壞卻難以修復(fù)，正常掘進(jìn)時(shí)盾尾刷位于安裝管片背后而無(wú)法更換，因此在可預(yù)見的情況下需提前選擇停機(jī)位更換盾尾刷。更換盾尾刷時(shí)確保管片拆卸后盾尾的密封止水性能較為關(guān)鍵。關(guān)于地下水處理，目前仍以漿液凝固與人工凍結(jié)為主，前者以噴漿并增大同步注漿量來(lái)縮短漿液凝固時(shí)間為依據(jù)，但是化學(xué)加固體的不均勻性難以有效克服盾尾漏漿涌水現(xiàn)象，風(fēng)險(xiǎn)較大;而人工凍結(jié)壁的封水性能已被廣大工程驗(yàn)證。

廣州地鐵天－華區(qū)間左線盾構(gòu)累計(jì)掘進(jìn)5484環(huán)后盾尾嚴(yán)重漏漿，隧道埋深14m，隧道范圍內(nèi)為花崗巖殘積層，頂部為淤泥層，上方局部有砂層，地層較軟弱，采取對(duì)盾尾第一、二道尾刷更換措施，加固時(shí)以改變注漿配比以加快漿液凝固為主，并對(duì)盾尾漏漿點(diǎn)采用海綿條封堵［17］。

杭州慶春路過江隧道兩臺(tái)盾構(gòu)進(jìn)入江底承壓水層后，均出現(xiàn)不同程度的盾尾漏漿涌水現(xiàn)象，采用液氮凍結(jié)法封堵盾尾外側(cè)地下水，在凍結(jié)壁 (設(shè)計(jì)厚度1.8m，平均溫度－15℃)保護(hù)下更換并增設(shè)盾尾刷，這種長(zhǎng)距離液氮凍結(jié)用于高承壓含水層中更換盾尾刷在國(guó)內(nèi)尚屬首次［18］。

液氮凍結(jié)更換盾尾刷關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個(gè)方面:

(1)選擇合適的盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置。預(yù)測(cè)盾尾刷破損的大致位置，提前選擇相對(duì)穩(wěn)定地層進(jìn)行盾尾刷更換 (軟土地層中盾構(gòu)機(jī)受自重影響，停機(jī)容易引起低頭現(xiàn)象)，若確實(shí)需要在不穩(wěn)定地層更換，則應(yīng)做好盾尾封水工作。

(2)確定凍結(jié)孔位置、數(shù)量、孔深及分組情況，并設(shè)測(cè)溫孔監(jiān)測(cè)凍結(jié)壁發(fā)展情況。

(3)長(zhǎng)距離液氮輸送絕熱保溫與回氣系統(tǒng)密封有助于減小液氮管路輸送能耗。供氮干管可采用2層10 mm厚的聚乙烯保溫材料和3層密封薄膜交替包裹，各支管采用2層10 mm厚的聚乙烯保溫材料外加1層密封薄膜包裹。

(4)控溫焊接技術(shù)。液氮凍結(jié)加固與焊接新尾刷的施焊條件相悖，焊接時(shí)對(duì)盾尾鋼板和未拆除管片接觸處應(yīng)進(jìn)行噴水降溫，防止焊接高溫融化凍結(jié)壁。

(5)強(qiáng)制解凍與恢復(fù)掘進(jìn)技術(shù)。盾尾刷更換完畢，沿管片內(nèi)壁環(huán)形布置熱水循環(huán)盤管進(jìn)行強(qiáng)制解凍 (0.75m3電加熱熱水循環(huán)箱、0.5m3循環(huán)水泵、水溫60℃以上)。凍結(jié)壁與盾構(gòu)機(jī)接觸部位融化后，檢查盾尾間隙 (長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)引起盾尾偏移，可能出現(xiàn)盾構(gòu)間隙過大或過小)，必要時(shí)輔以注漿措施，確保后續(xù)工作安全時(shí)方可恢復(fù)掘進(jìn)。

鹽水凍結(jié)相對(duì)液氮凍結(jié)而言，耗時(shí)較長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性較好，在工期允許、可預(yù)見的盾尾刷更換工程中也可利用常規(guī)人工制冷技術(shù) (鹽水凍結(jié))加固地層達(dá)到封水目的。

低溫鹽水凍結(jié)更換盾尾刷方法關(guān)鍵技術(shù)在于:兩個(gè)特殊管片環(huán)的制作與安裝:一是凍結(jié)管片特殊環(huán) (管片內(nèi)預(yù)埋有凍結(jié)管和測(cè)溫管)，位于普通環(huán)前方;二是用于盾尾刷更換操作的更換特殊環(huán)，位于凍結(jié)環(huán)前方，停機(jī)更換前，依次安裝普通環(huán)與特殊環(huán)。連接凍結(jié)管路與凍結(jié)設(shè)備，使盾尾刷后地層形成與盾構(gòu)密貼的凍結(jié)壁;在凍結(jié)壁保護(hù)下逐個(gè)更換盾尾刷并注入防水油脂;全部更換完畢后強(qiáng)制解凍，恢復(fù)盾構(gòu)正常掘進(jìn)。

5 展望

人工凍結(jié)法成功解決了困擾地鐵施工的眾多難題，在封水方面具有獨(dú)到優(yōu)勢(shì)，但仍有諸多問題需要進(jìn)一步深入研究。

(1)目前，人工凍結(jié)研究多集中在原狀地層凍結(jié)，隨水泥土加固后再輔以凍結(jié)加固工程增多，含水率、密度、水泥型號(hào)和外摻劑等因素對(duì)水泥土熱物理參數(shù)、凍結(jié)水泥土力學(xué)特性、凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響值得進(jìn)一步研究。

(2)特殊環(huán)境條件下可考慮采用水泥土抑制凍脹融沉，應(yīng)進(jìn)一步開展水泥土抑制凍脹融沉凍結(jié)技術(shù)研究。

(3)近年來(lái)類似隧道修復(fù)和更換盾尾刷等特殊凍結(jié)技術(shù)應(yīng)用而生，如何將基本凍結(jié)理論與特殊凍結(jié)有機(jī)結(jié)合，研究特殊凍結(jié)溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)及水分場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律，并使特殊凍結(jié)規(guī)范化很有必要。

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