馬建軍

(北京鐵路局， 天津　300241)

人工地層凍結(jié)法(簡稱凍結(jié)法)是利用人工制冷技術(shù)通過埋設(shè)在地層中的凍結(jié)管帶走地層中的熱量，使地層中的水結(jié)冰，把天然巖土變成凍土，形成具有較高強度和穩(wěn)定性的凍土帷幕，隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系，以便在凍土帷幕的保護下進行地下工程施工的特殊方法。

凍結(jié)法主要適用于松散不穩(wěn)定的沖積層和裂隙發(fā)育的含水巖層，以及淤泥、松軟泥巖和飽和含水和水頭特別高的地層。

1　工程概況

長三角地區(qū)某城市地鐵1號線A站南端頭盾構(gòu)始發(fā)井采用冷凍法加固，于2011年11月7日開始冷凍，12月25日停止冷凍并開始拔管，冷凍時間約為50 d左右，待冷凍管拔除后于12月30日開始盾構(gòu)始發(fā)掘進，3月2日至6日進行注漿施工。在端頭井冷凍范圍共布設(shè)了2排地表監(jiān)測點，測點布置如圖1所示。

圖1　監(jiān)測點布置示意

2　地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)資料，地層層序及地層描述如下。

①1-1淤泥：為河道內(nèi)浮泥，灰黑色，流塑，夾少許煤渣、磚塊等垃圾，分布于場地東側(cè)河道內(nèi)。

①1雜填土層：雜色，松散，由黏性土夾雜碎石、碎磚等建筑垃圾組成，為現(xiàn)代人工堆積而成；其中道路地段有約0.30 m厚的瀝青路面及墊層，除河道外全場區(qū)均有分布。

②1黏土層：灰黃—褐黃色，硬塑，含鐵錳質(zhì)結(jié)核，夾青灰色條紋，切面有光澤，干強度及韌性高，無搖振反應，場區(qū)內(nèi)均有分布。

③2粉質(zhì)黏土層：褐黃、灰黃色，可塑，略夾薄層粉土，切面稍有光澤，干強度及韌性中等，無搖震反應。

③3粉土夾粉質(zhì)黏土層：灰色，中密，飽和，夾薄層粉質(zhì)黏土，局部相變?yōu)榉凵埃忻鏌o光澤，干強度低，韌性低，搖振反應迅速；粉質(zhì)黏土為灰色，軟塑；場區(qū)內(nèi)大多分布。

④粉砂層：灰色，中密，飽和，含云母碎片，局部夾薄層粉質(zhì)黏土；礦物成分主要為石英，長石次之，顆粒級配較差；場區(qū)內(nèi)大多分布。

⑥1-1粉質(zhì)黏土層：暗綠—灰黃色，可塑(局部硬塑)，含鐵錳結(jié)核，局部相變?yōu)轲ね粒忻嫔杂泄鉂?，干強度及韌性中等，無搖震反應；場區(qū)內(nèi)均有分布。

⑥1黏土層：灰黃色，硬塑(局部可塑)，含鐵錳結(jié)核，切面有光澤，干強度及韌性高，無搖震反應，場區(qū)內(nèi)均有分布。

⑥2-1粉質(zhì)黏土夾粉土層：灰黃色，可塑，切面稍有光澤，干強度及韌性中等，無搖震反應，局部粉土含量較大。

⑥2粉質(zhì)黏土層：灰黃色，可塑，含氧化鐵斑點及鐵錳質(zhì)結(jié)核，局部夾薄層中密粉土，切面稍有光澤，干強度及韌性中等，無搖震反應；場區(qū)內(nèi)大多分布。

⑥3粉土層：灰黃、灰色，中密，飽和，夾薄層粉質(zhì)黏土，切面粗糙，無光澤，干強度及韌性低，搖震反應迅速。

其中，A站南端頭本次盾構(gòu)始發(fā)主要涉及的地層由上至下依次為②1黏土、③2粉質(zhì)黏土層、③3粉土夾粉質(zhì)黏土層、④粉砂層以及⑥1-1粉質(zhì)黏土層。

3　水文地質(zhì)條件

本次盾構(gòu)始發(fā)主要涉及以下地下水。

上層滯水：上層滯水含水層主要埋藏在淺部①1層中，①1層由黏性土夾雜碎石組成，水位埋深雖很淺(1～2 m)，但滲透性差，對本工程建設(shè)產(chǎn)生的不利影響較小。

微承壓水：主要分布于③3層粉土夾粉質(zhì)黏土及④粉砂層中，其中③3粉土夾粉質(zhì)黏土層土性以粉性土為主，夾少量黏性土，富水性中等，粉砂層以砂性土為主，富水性良好。

此外，場地南側(cè)分布有一南北向市政河流，寬度約8.0 m，駁岸由漿砌塊石構(gòu)筑而成，勘察期間測得水深2.3 m，河底高程為-1.70 m。加固區(qū)隧道埋深17.7 m，加固區(qū)上部河岸邊拋石埋深0～6 m，距離隧道頂部5.6 m。拋石埋置區(qū)域地層透水性較強，淺層地下水與河水相通。

4　融沉注漿概況

整個注漿工作3月2日開始至6日結(jié)束，注漿壓力基本保持在0.18～0.22 MPa之間，注漿量由初始的1.3 m3逐漸減少至0.4 m3。

5　融沉注漿機理

凍土融化后產(chǎn)生融沉，主要由融化沉降和壓縮沉降兩部分組成。融化沉降是指凍土融化后的土體由于冰變成水體積減小產(chǎn)生的融化性沉降，這種沉降量和外界的壓力無關(guān)；壓縮沉降是指融化區(qū)域的土層在一定壓力的作用下發(fā)生排水固結(jié)，導致土層的壓縮沉降，這種沉降量和外界的壓力成正比。因此，從融沉定義上理解，影響融沉量的主要內(nèi)因有：土的熱學、物理、力學性質(zhì)等；主要外因有：溫度、溫度梯度和壓力等。

對于地鐵盾構(gòu)端頭井這種地下結(jié)構(gòu)來說，凍土融化后由于土層體積的減小會在地下結(jié)構(gòu)周圍產(chǎn)生較多的建筑空隙，同時土體的融沉、固結(jié)運動會對地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負摩擦力，而這種負摩擦力往往是不均勻的壓力，容易對地下結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響。而融沉注漿的目的就是要在凍土融化后利用漿液及時充填建筑空隙，并改善融土的工程性質(zhì)，提高土層強度和抗?jié)B能力。在融沉注漿過程中，凍土中的冰化成水后體積縮小，在充填建筑空隙后，漿液進一步對融土體進行擠壓，漿液注入到融土的孔隙中，從而取代排出其中的空氣和水，將土顆粒膠結(jié)起來，增強了融土的強度和抗?jié)B能力。融沉注漿通常采用較小的注漿壓力，但由于土體凍融后土層結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，注漿時仍能使融土產(chǎn)生水力劈裂，形成網(wǎng)狀漿脈，通過漿脈擠壓土體并形成漿脈骨架加固土體。

簡單的說，融沉注漿其實是一個依靠漿液填充凍土融化空隙、擠壓融土、繼而發(fā)生劈裂的過程。

6　監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

由地表沉降監(jiān)測歷時曲線圖可以得知(如圖2)：

圖2　地表沉降歷時曲線

(1)整個冷凍法施工凍結(jié)期間，地表沉降基本控制在±4 mm，沉降控制較好；后續(xù)因盾構(gòu)掘進施工，大部分地表監(jiān)測點呈明顯上隆或下沉狀態(tài)，控制在-4～8 mm以內(nèi)。

(2)冷凍前，地表沉降稍有小幅下沉，下沉控制在2 mm以內(nèi)，初步分析主要受冷凍管施工鉆孔影響，臨近地層有一定的損失，反應到地表則呈現(xiàn)輕微的下降。

(3)冷凍前期，上覆地表基本呈凍脹上隆的趨勢，待冷凍施工持續(xù)約20 d后，后續(xù)地表沉降逐漸趨于收斂穩(wěn)定。

(4)在拔管施工期間，地表并未出現(xiàn)明顯的隆沉下沉狀態(tài)，地表沉降基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，初步分析可能是拔管后立即進行了盾構(gòu)的掘進施工，拔管到盾構(gòu)始發(fā)的工序轉(zhuǎn)換較快，加上施工時正處冬季，氣溫較低，多方面因素導致拔管后地表的消融沉降相應滯后，短期未出現(xiàn)顯著的下沉，待盾構(gòu)掘進通過后，短期內(nèi)地表呈現(xiàn)明顯的上隆及下沉可能是冷凍法地表融沉，盾構(gòu)掘進施工后綜合影響的結(jié)果。

(5)在盾構(gòu)掘進期間，1月至2月底，整個端頭井地表基本呈平緩下沉趨勢，初步分析可能隨著地層內(nèi)部氣溫的持續(xù)回升，融沉效應以及盾構(gòu)掘進擾動的土層固結(jié)沉降作用下，地層在此階段呈下降的趨勢。同時，由于盾構(gòu)通過時及時的注漿充填了盾尾孔隙，加上端頭井區(qū)域無其他附加荷載，該階段地層基本呈平緩下降的趨勢，即平均下降速率較小。

(6)在融沉注漿前期，漿液迅速的充填融化空隙后，因持續(xù)的注漿影響，漿液體積不斷膨脹，漿體壓力也隨著注漿上升，當漿體壓力達到一定程度時，漿液會沿著融土的最小應力面發(fā)生劈裂流動。受融土地層不均勻性的影響，地表會表現(xiàn)短期內(nèi)出現(xiàn)大多地表隆起的現(xiàn)象，而土體經(jīng)過凍融循環(huán)擾動后，其工程力學性能降低，特別是融沉注漿發(fā)生的劈裂作用會進一步擾動土層，融土的強度繼續(xù)降低，又會出現(xiàn)地表短期局部下沉的現(xiàn)象。注漿后，隨著孔隙壓力的降低，注漿所形成的網(wǎng)狀漿脈骨架以及漿液和融土的固結(jié)能大為提高。因此，在融沉注漿后一段時間表現(xiàn)為地表沉降逐漸趨于穩(wěn)定。

7　結(jié)論

(1)在整個凍結(jié)法施工過程中，地表沉降基本控制在±8 mm以內(nèi)，滿足《旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程》(DG/TJ08-902-2006)中地表沉降10～-30 mm的控制要求；

(2)凍結(jié)法施工導致后期融沉的主要原因是凍土內(nèi)水分遷移，前期如產(chǎn)生過大的凍脹量，也難免會在后期產(chǎn)生較大的融沉。因此，需要在凍結(jié)期間盡量控制前期凍脹引起的水分遷移；此外，在后期拔管解凍后需要及時進行注漿，以控制后續(xù)土層融沉現(xiàn)象。本著少量多次的原則，注漿過程中當?shù)乇沓霈F(xiàn)上抬時應適當減小注漿壓力，采取間歇注漿的方法，盡量減小對土層的擾動，以控制后期的固結(jié)沉降。

(3)場地南側(cè)有一條市政河流，勘察資料顯示淺層地下水和河流相通，凍土帷幕的末端凍結(jié)加固效果必將不甚理想，筆者建議在類似地下工程采用凍結(jié)法加固時，可根據(jù)現(xiàn)場情況在河道和加固段之間設(shè)置一段隔水圍堰，避免河流對凍結(jié)加固體的直接沖刷，進一步降低凍結(jié)法施工的風險。

[1]苗立新.凍結(jié)法在盾構(gòu)接收端頭土體加固中的應用[J].鐵道工程學報,2011(9)

[2]岳豐田.地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固融沉注漿研究[J].巖土力學,2008,29(8)

[3]李繼宏.冷凍法在廣州地鐵基坑施工中的應用[J].隧道建設(shè),2002(2)

[4]徐成家.盾構(gòu)法隧道始發(fā)段引起的地表沉降分析[J].鐵道勘察,2009(6)

[5]鮑永亮.地鐵隧道旁通道凍結(jié)法施工監(jiān)測分析[J].鐵道工程學報,2009(3)