武冰冰，蔡海兵，程 樺

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽淮南 232001)

凍結法是利用人工制冷技術，使地層中的水結冰，把天然巖土變成凍土，增加其強度和穩(wěn)定性，隔絕地下水與地下工程的聯系，以便在凍結壁的保護下進行地下工程施工的特殊施工技術。凍結法最初的應用領域是礦井建設工程，之后，凍結法先后在德國、比利時、美國、法國、奧地利、荷蘭、前蘇聯、日本等國家城市地下工程中得到了普遍應用［1］。20世紀90年代以來，隨著我國地鐵建設的快速發(fā)展，在北京、上海、廣州和南京等城市地鐵隧道工程的建設和修復中，凍結法的應用已取得了很好的效果［2-4］。

1 工程概況

深圳地鐵5號線民治站—五和站區(qū)間位于寶安區(qū)民治村，線路整體呈東西走向，區(qū)間起點布置于民治大道東側，線路出民治站后與平南鐵路平行前進，在布龍路與五和南路交界處進入五和站。左線起訖里程為DK21+822.6～DK23+819.5，長鏈 7.066 m，右線起訖里程為DK21+761.4～DK23+819.5，短鏈0.468 m，左線長度2 004 m，右線長度2 058 m。隧道采用盾構法施工，為單圓盾構，盾構機外徑6.28 m，隧道襯砌采用6塊管片錯縫拼裝而成，管片環(huán)寬1.5 m，外徑6.0 m，厚度0.3 m，隧道內徑5.4 m，隧道頂部覆土厚度7.5～27.3 m。

左線盾構出洞段采用凍結法加固。以盾構出洞方向為軸心，把其周圍的土臨時加固成1個3 m長、12.7 m寬、12.7 m高的凍土墻，能承受一定的水土壓力，保證盾構機順利通過洞門。

本區(qū)地質構造主要表現為燕山期花崗巖巖漿侵入作用，花崗巖在風化作用下形成殘積層，其上為坡積層、沖洪積層、地表為人工填土層。本場地地質構造簡單，勘察未發(fā)現斷層，基巖中發(fā)育有構造節(jié)理，構造穩(wěn)定性較好。

盾構始發(fā)洞門處地層屬砂質黏性土，其滲透系數0.5 m/d，地下水位埋深2.00～3.40 m。另外，距盾構始發(fā)3 m處有排水箱涵(2 m×3.5 m)。由于排水箱涵水量常年較大，是排水的主干流，此處地下水豐富，洞門施工難度較大。

2 施工方案比選

目前，盾構始發(fā)洞門的土體加固施工中，主要的施工方法有旋噴樁加固地層法和凍結地層加固法，它們在不同的地層均有成功案例，施工工藝均能滿足相應地質條件下圍護結構質量和其他技術要求［6～8］。

2.1 旋噴樁加固地層法

旋噴樁是利用鉆機將旋噴注漿管及噴頭鉆置于樁底設計高程，將預先配制好的漿液通過高壓發(fā)生裝置使液流獲得巨大能量后，從注漿管邊的噴嘴中高速噴射出來，形成一股能量高度集中的液流，直接破壞土體，噴射過程中，鉆桿邊旋轉邊提升，使?jié){液與土體充分攪拌混合，在土中形成一定直徑的柱狀固結體，從而使地層得到加固。旋噴加固體不能承受較大的水平荷載、且多層土中同一旋噴固結體的直徑有差別。此處若采用旋噴樁加固，加固區(qū)在掘進方向只有3 m，達不到加固強度。另外，水泥用量較大和冒漿多影響施工場地，污染環(huán)境，同時不適于對防水要求高的工程，故不適合本次洞門加固工程。

2.2 凍結地層加固法

結合本盾構始發(fā)的地質特點和在現場具體操作情況，采取凍結法加固地層適應于本工程。凍結法是利用人工制冷技術，使地層中的水凍結，把天然巖土變成凍土，增加其強度和穩(wěn)定性，隔絕地下水與地下工程的聯系，以便在凍結壁的保護下進行地下工程施工的特殊施工技術。其實質是利用人工制冷臨時改變巖土性質以固結地層。采取凍結法既能滿足工期需求，又能保證工程安全。因而通過比較上述兩種工法的技術特點，結合本盾構始發(fā)工況，確定采用凍結施工方法。凍結法是以確保盾構穿越上覆土層的穩(wěn)定為基礎，在具體施工中采用低溫鹽水循環(huán)的方式降低土體的溫度為核心技術手段，通過降低加固區(qū)域土體的溫度，使其變成具有一定強度的凍土，從而進行盾構始發(fā)。

3 凍結方案設計

3.1 凍結加固方案

根據盾構始發(fā)的工程特點，凍結加固方案為:凍結板塊+門形棚拱綜合凍結方案。方案包括2個凍土板塊。其一是前凍結板塊，位于洞口前方靠近槽壁，其作用是保證安全始發(fā)，它具有凍結過程吸收變形和調整減小凍脹力的機制。其二是后凍結板塊，位于盾構機完全始發(fā)后的刀盤前，它具有封堵洞口保證盾構機停滯時前方土體穩(wěn)定功能。兩個凍結板塊之間為凍結棚拱，其作用是保證盾構機進入正常工況。

3.2 凍結帷幕厚度設計(圖1)

凍土墻平均溫度取-10℃，抗剪強度均取1.6 MPa，抗彎拉強度取2.0 MPa，抗彎拉安全系數取3.0，抗剪安全系數取2.0。

始發(fā)洞口的中心埋深為+48.86 m，地面高程為+63.85 m。當開洞直徑為6.5 m時，開洞口的底緣深度為16.31 m。應用重液理論計算水土壓力時，其出洞口的水土壓力為

式中 P——計算點的水土壓力，MPa;

H——計算點深度，m。

計算得凍土墻所受最大靜止水土壓力為:P=0.212 MPa

圖1 凍土加固體、荷載、計算模型示意

凍土板塊需具備一定的厚度和強度，以起到破壁時的封水和穩(wěn)定作用。凍土加固體的厚度可依照板塊公式計算(其參數及結果列入表1)。

表1 按日本計算公式的參數取值與計算結果

按我國建筑結構靜力計算公式驗算，其公式為

計算得凍土墻厚度為1.4 m，計算參數與計算結果見表2。

表2 按建筑結構靜力計算公式的參數取值與計算結果

凍土板塊與連續(xù)墻的膠結范圍應超過3.0 m，本設計的膠結范圍超過洞口3.5 m，以保證足夠的密封長度。

工作井開洞口周邊凍土墻承受的最大剪應力為

計算得凍土墻厚度為0.2 m，計算參數與計算結果見表3。

表3 剪切強度驗算

設計出洞口的凍土板塊厚度取3.0 m，封頭凍土墻與盾構始發(fā)洞口四周的工作井地連墻搭接寬度取3.0 m。

拱棚厚度經理論計算后取為2.5 m，根據曲梁理論計算拱棚內最大拉應力為0.241 MPa，滿足要求。

3.3 凍結孔布置及參數設計(含測溫孔)

凍結孔科學合理布置是方案取得良好凍結效果的基礎，本方案的凍結孔布置如圖2所示。

圖2 凍結孔和測溫孔平面布置

整個凍結區(qū)域共設計布置凍結孔3排，共計53個。第1排20孔(包括角部增加的2個孔)，第2排17孔，第3排16孔。以地面高程+63.85 m計算，1、2、3排孔深度21.3 m，0.0～8.7 m為保溫段，不凍結。實際鉆孔是在端頭井結構外側的高臺上(高度約3 m)，因此實際鉆孔深度比設計值深3 m。地面測溫孔深度與附近凍結孔深度一致，每個地面測溫孔在凍結壁內布置3個溫度測點，位置分別為凍結壁中部和離凍結壁上、下邊界0.5 m處，洞口測溫孔深度為進入凍土0.3～0.5 m，應避開凍結孔位置，且洞口測溫孔深度不應打到凍結孔。須拔除測溫管采用凍結管材，其余測溫管φ42 mm×3 mm焊管，對焊連接。

圖4 凍結10 d凍結壁發(fā)展

3.4 凍結溫度場數值計算

(1)計算模型

根據凍結孔平面布置圖建立數值計算模型，凍結孔3排，共53個凍結孔。在ANSYS程序當中，有限元的網格是由程序自己來完成的，用戶所要做的就是通過給出一些參數與命令來對程序實行“宏觀調控”，網格劃分對模擬結果與模擬速度起著關鍵性的作用。為了合理地劃分單元，使計算結果趨于精確，本計算模型中距凍結管較遠的區(qū)域單元劃分較疏，距凍結管較近的區(qū)域單元劃分較密(圖3)。由于凍結溫度場是一個非線性瞬態(tài)的并伴隨著相變發(fā)生的問題，因此數值模擬中一般選取低階的熱單元，本模型采用四節(jié)點四邊形的二維實體熱單元PLANE55來進行網絡劃分。

圖3 數值計算模型網絡劃分示意

(2)荷載及初始條件

①荷載條件

數值計算中，將每一根凍結管視為模型中的單一節(jié)點來處理，因此施加于分析模型中的荷載即為節(jié)點的溫度荷載。

②初始條件

土體初始溫度+17℃。

凍結壁隨凍結天數的發(fā)展動態(tài)如圖4～圖6所示。

圖5 凍結15 d凍結壁發(fā)展

圖6 凍結30 d凍結壁發(fā)展

由上述計算結果可知，積極凍結10 d，除少數相鄰凍結孔未交圈外，大部分相鄰凍結孔均基本交圈，已形成一定厚度的凍結壁。凍結15 d后，凍結壁形狀已發(fā)展形成，凍結壁有效厚度達到2.8 m。凍結30 d后(設計積極凍結天數)，凍結壁有效厚度達到3.5 m，大于原設計凍結壁厚度(3 m)，凍結壁平均溫度達到-15.3℃，低于原設計凍結壁平均溫度(-10℃)?？芍?，凍結孔設計參數滿足在積極凍結期內形成設計凍結壁厚度的要求。

4 凍結施工

4.1 凍結管施工

(1)鉆孔施工

鉆孔深度為21.3 m左右，其中地面以下 0.0～8.68 m為保溫段。凍結孔鉆孔長度1 257 m，6個測溫孔的鉆孔長度為118 m，總共鉆孔長度為1 375 m。

(2)凍結管加工

凍結管采用φ108 mm×5 mm低碳鋼無縫鋼管，45°坡口內接箍對焊接。需要拔除的測溫管同凍結管。不需要拔除的測溫管采用φ48 mm×3.5 mm焊接鋼管，對接焊。供液管選用鋼管，采用焊接連接。

所有凍結管和測溫管在地面按設計尺寸加工成形，凍結管在下放前均進行氣密性試驗，合格后方可下管，所有凍結管氣密性試驗的合格率為100%。

(3)凍結孔施工質量要求

根據施工基準點，按凍結孔施工圖布置凍結孔?？孜黄畈粦笥?0 mm。凍結孔鉆進深度應不小于設計深度。

鉆孔的偏斜率控制在5‰以內，凍結管和測溫管耐壓不低于0.8 MPa。

①孔位測斜

利用經緯儀結合燈光對每個成孔進行測斜，偏斜率控制在150 mm以內。由于地下有回填土石和孤石，有些凍結孔偏斜過大，但因凍結孔當初設計間距較小，沒有再打補孔。

②密封試驗

向成孔凍結管內注水進行凍結管密封試驗，試驗壓力控制在0.8 MPa，30 min內壓力無變化為合格。如果密封試驗不合格，則需要打補孔或者在該凍結孔內下放小直徑的套管。

所有凍結管下放完畢后，對盾構區(qū)域內的凍結管用千斤頂進行松孔，同時對所有凍結孔進行復壓試驗。

4.2 凍結系統安裝施工

凍結施工工序:鉆孔施工，同時加工凍結管→凍結系統安裝施工→定時檢測凍結站運轉狀況。

(1)凍結系統安裝流程:設備安裝→凍結站管路安裝。

①設備安裝:設備基礎放樣→施工設備基礎(或錨固地腳螺栓)→設備就位、調平、固定→敷設電纜→安裝電控系統→冷凍機試漏→冷凍機充氟、加油→冷卻水池注水→化鹽水→制冷系統試運轉→鹽水箱和冷凍機低溫容器及管路保溫。

②凍結站管路安裝:主管路放樣→安裝管架→安裝主管路→安裝分支管路→安裝壓力與溫度測點→管路試漏→鹽水管路保溫。

(2)在凍結過程中，定時檢測鹽水溫度、鹽水流量和凍土墻擴展情況，必要時調整凍結系統運行參數。凍結系統運轉正常后進入積極凍結，要求1周內鹽水溫度降至-20℃以下。

4.3 凍結效果分析

對土體溫度監(jiān)測自凍結開機之日起，每日監(jiān)測1次。圖7、圖8為2號和4號測溫孔內測點溫度變化曲線。從圖中可以看出，凍結初期，測點溫度下降很快，最大每天下降2～3℃。土體溫度降至0℃附近時，由于土中的水結冰而釋放出大量的潛熱，測點溫度則表現為一定時間內在0℃附近波動。之后土體溫度繼續(xù)下降，下降的幅度減緩，平均每天下降0.5～1℃。

圖7 2號測溫孔降溫曲線

圖8 4號測溫孔降溫曲線

測溫孔的降溫曲線同時還對比了實測數據和ANSYS軟件模擬數據的效果(系列1:實測數據;系列2:ANSYS模擬數據)，2號、4號測溫孔實測數據繪制出的降溫曲線與ANSYS軟件模擬數據繪制出的降溫曲線趨向大致相同。通過觀察2條曲線的擬合程度反映出數值模擬的效果還是很理想的。

4.4 凍結管拔除施工

(1)起拔

用2臺20 t的千斤頂進行試拔，拔起0.5 m左右時，便可停止循環(huán)熱鹽水，用壓風將管內鹽水排出。然后用吊車快速拔出凍結管。拔管時注意凍結管與掛鉤要成一線，凍結管不能蹩勁，拔管時要常轉動凍結管，凍結管不能硬拔，如拔不動時，要繼續(xù)循環(huán)熱鹽水解凍，直至拔起凍結管。

(2)拔管順序

依次拔第1排、第2排、第3排凍結管，每拔除1根凍結管要及時用黃土把孔給填實，防止盾構推進過程中漿液從融化的凍結孔中溢出。

在隧道兩側的凍結管暫時不拔，待盾構穿過最后一道凍土墻后，再拔除該處凍結管并充填。

5 結論

盾構始發(fā)洞門的土體加固，通過施工方案的比選，擬采用凍結法。而后通過ANSYS軟件建立模型，進行數值模擬，模擬結果證明凍結法的可行性。

在施工過程中，由于地質狀況的特殊性，給鉆孔工作帶來了很大的難度。凍結加固工程的順利完成，本工程實踐中所采取的施工方案和施工工藝以及所積累的相關經驗，可為今后類似地質條件的隧道盾構提供有效的參考價值。

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