楊 光

中國(guó)電建集團(tuán)有限公司北方區(qū)域總部，北京 100000

人工凍結(jié)是一種先進(jìn)的地層加固方法，具有較強(qiáng)的封水性能，且地層可復(fù)原性好、繞障性強(qiáng)、施工方便，適用于各種地層條件。近年來(lái)，隨著我國(guó)地鐵建設(shè)規(guī)模的增大，人工凍結(jié)技術(shù)在地鐵施工中的應(yīng)用逐漸增多，其可使開挖空間周圍一定范圍內(nèi)的軟弱地層形成高強(qiáng)度人工凍土，提供可靠的臨時(shí)支護(hù)與隔水帷幕，凍結(jié)壁連續(xù)性、整體性好，地鐵施工時(shí)可根據(jù)工程需要靈活布置凍結(jié)孔、調(diào)節(jié)制冷媒介，為實(shí)際工程安全作業(yè)保駕護(hù)航。

1 人工凍結(jié)技術(shù)發(fā)展情況

凍結(jié)法（Artificial Ground Freezing,AGF）也被稱為人工凍結(jié)技術(shù)，即人為制造低溫環(huán)境，通過將土體內(nèi)自由水的溫度降至0℃以下，自由水結(jié)成冰后黏結(jié)土體，形成凍結(jié)土體。凍土強(qiáng)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、隔水性能好，可起到較好的支護(hù)、隔水作用，適應(yīng)復(fù)雜地層條件施工作業(yè)。

凍結(jié)法的應(yīng)用源于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)式凍結(jié)機(jī)械的產(chǎn)生使工程凍結(jié)成為可能，并開始應(yīng)用于工程建設(shè)中。19世紀(jì)80年代，德國(guó)工程師波茨舒創(chuàng)立凍結(jié)法原理，并申請(qǐng)專利，在阿爾巴里德煤礦井筒施工中成功運(yùn)用。20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了人工凍結(jié)法的廣泛應(yīng)用，包括建筑地基、礦井建設(shè)、地鐵工程、輸洪隧道等領(lǐng)域。

我國(guó)自20世紀(jì)50年代開始引入凍結(jié)法，首次試用是在開灤林西礦風(fēng)井，施工效果良好，此后在全國(guó)各地礦井工程中得到了廣泛應(yīng)用，積累了大量的施工經(jīng)驗(yàn)。直至70年代，凍結(jié)法在我國(guó)城市建設(shè)中得到了推廣，在北京、沈陽(yáng)、上海、廣州地鐵工程中均實(shí)現(xiàn)了成功應(yīng)用。文章主要圍繞人工凍結(jié)技術(shù)在地鐵施工中的應(yīng)用展開詳細(xì)分析。

2 人工凍結(jié)施工原理與方法

2.1 施工原理

人工凍結(jié)，實(shí)質(zhì)上是利用低溫環(huán)境改變土體特性的地層加固技術(shù)。人工凍結(jié)施工，需要在地層中鋪設(shè)管道，安裝凍結(jié)機(jī)械與相應(yīng)循環(huán)系統(tǒng)，通過制冷媒介可吸收土體熱量，松散含水巖土成凍土后形成人工開挖所需臨時(shí)固結(jié)體，達(dá)到地層加固的目的，并創(chuàng)造無(wú)水施工環(huán)境。凍結(jié)系統(tǒng)示意圖（鹽水）如圖1所示。

圖1 凍結(jié)系統(tǒng)示意圖

完成凍結(jié)施工后可開挖隧道，剛性支護(hù)工作結(jié)束后可停止制冷，隨著時(shí)間的推進(jìn)，人工凍層逐步解凍，恢復(fù)巖土初始狀態(tài)。在人工凍結(jié)技術(shù)的運(yùn)用下，凍土的形成并非一成不變，土體內(nèi)自由水的變化可分為5個(gè)階段，如圖2所示。

圖2 凍土中自由水凍結(jié)曲線

2.2 施工方法

近年來(lái)，我國(guó)人工凍結(jié)常用的有低溫鹽水法和液氮凍結(jié)法兩種施工方法，具體分析如下。

（1）低溫鹽水法：間接凍結(jié)法，將制冷物質(zhì)（氨、氟利昂）注入制冷壓縮機(jī)內(nèi)，通過循環(huán)做功將鹽水降至0℃以下，采用凍結(jié)管將低溫鹽水送至巖層內(nèi)，實(shí)現(xiàn)土體凍結(jié)。低溫鹽水法主要包括氨循環(huán)系統(tǒng)、鹽水循環(huán)系統(tǒng)以及冷卻水循環(huán)系統(tǒng)三大循環(huán)工作系統(tǒng)，其可以獲得-35～-20℃的低溫鹽水，2～3個(gè)月內(nèi)凍結(jié)巖土。

（2）液氮凍結(jié)法：此種凍結(jié)法主要是通過壓強(qiáng)將液氮抽入地層內(nèi)，并做好熱尾氣的處理，液氮溫度可低至-190℃，以此快速形成凍結(jié)壁，凍結(jié)時(shí)間短則幾個(gè)小時(shí)，多則幾十個(gè)小時(shí)。因此，液氮冷凍法具有凍結(jié)速度快、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，可用于搶險(xiǎn)堵水情況，但是液氮提取較為復(fù)雜，成本偏高。

2.3 施工工藝

在地鐵工程中，人工凍結(jié)施工工藝可總結(jié)為“三大階段、四大工序”，具體如下所述。

（1）三大階段：擴(kuò)展凍結(jié)、凍結(jié)保護(hù)、解除凍結(jié)階段。在完成前期準(zhǔn)備工作后開始凍結(jié)施工，并將人工凍結(jié)壁擴(kuò)大至設(shè)計(jì)所需厚度；凍結(jié)壁強(qiáng)度、厚度達(dá)標(biāo)后，進(jìn)入正常施工階段；完成施工后，停止制冷，逐步恢復(fù)初始土溫。

（2）四大工序：①做好施工準(zhǔn)備工作，包括建立制冷站、水電系統(tǒng)等，完成凍結(jié)鉆孔量測(cè)工作，及時(shí)安裝制冷機(jī)械、凍結(jié)管線；②凍結(jié)管試漏，并安裝集配液圈；③落實(shí)凍結(jié)期溫度監(jiān)測(cè)與維護(hù)工作，完成開挖襯砌工作；④完成作業(yè)后拆除設(shè)備，融沉注漿等。

目前，人工凍結(jié)已經(jīng)成為主要的地層加固技術(shù)，結(jié)合相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)可將其優(yōu)點(diǎn)歸納如下：凍結(jié)帷幕形狀靈活多變，可適應(yīng)不同場(chǎng)地條件，施工方便；不同工程地質(zhì)條件不同，但是只要含有一定量的水就可以采用凍結(jié)法，如軟土、不穩(wěn)定土層、流砂，以及高地壓、高水壓條件均可適用；凍土強(qiáng)度高、滲透性低，可提供支護(hù)、隔水作用，且此方法對(duì)環(huán)境無(wú)污染，噪聲小。

3 人工凍結(jié)技術(shù)在地鐵施工中的應(yīng)用案例

3.1 工程概況

文章以某地鐵區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道施工為例展開分析。此項(xiàng)目左右線里程分別為DK29+181.000、DK29+200.250，線間距13356mm。聯(lián)絡(luò)通道左右線長(zhǎng)度分別為69.653m、69.649m，隧道中心埋深為17m，隧道管片采用鋼管片，隧道內(nèi)徑為5.4m，管片厚度為300mm。隧道初次支護(hù)采用C25P6混凝土，厚度為250mm；二次襯砌采用C35P10混凝土，厚度為400mm；臨時(shí)支護(hù)層與永久結(jié)構(gòu)層間設(shè)防水層；結(jié)構(gòu)層底部左、右線各預(yù)埋1根DN250球墨鑄鐵管作為排水管。結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

3.2 工程條件

該項(xiàng)目聯(lián)絡(luò)通道基本處于粉土、粉砂層，泵房處于粉砂層、中砂層；場(chǎng)地內(nèi)淺層地下水主要是孔隙潛水、承壓水，結(jié)合水文資料分析考慮承壓水頭高度為12m（高程為80.48～81.77m）。場(chǎng)地周邊無(wú)重要建筑物，左線外側(cè)分布有部分市政管道，與聯(lián)絡(luò)通道中心最小距離為19m。

3.3 施工方案

結(jié)合該項(xiàng)目聯(lián)絡(luò)通道特點(diǎn)與地層情況，經(jīng)綜合分析決定采用水平凍結(jié)加固土體、礦山暗挖法開挖構(gòu)筑的施工方案，具體如下：聯(lián)絡(luò)通道混凝土管片打設(shè)水平凍結(jié)孔，將隧道周邊土體凍結(jié)，形成不透水凍結(jié)壁；在凍結(jié)壁的保護(hù)下，采用礦山暗挖法開挖隧道內(nèi)土體，進(jìn)行二次支護(hù)，壁后充填注漿、融沉跟蹤注漿。此次凍結(jié)方案由專業(yè)凍結(jié)設(shè)計(jì)單位負(fù)責(zé)，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 凍結(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.4 凍結(jié)加固施工

（1）水平凍結(jié)孔施工。該項(xiàng)目布置凍結(jié)孔、測(cè)溫孔以及卸壓孔，具體如下所述。①凍結(jié)孔布置：該項(xiàng)目正常布置采用水平孔，當(dāng)孔位無(wú)法滿足要求時(shí)，采用斜孔，終孔孔位為設(shè)計(jì)圈徑；上、右行隧道之間是凍結(jié)壁受力不利位置，此處應(yīng)適當(dāng)加密凍結(jié)布設(shè)孔。聯(lián)絡(luò)通道各布置凍結(jié)孔69個(gè)，凍結(jié)站側(cè)、對(duì)側(cè)分別為56個(gè)、13個(gè)，在凍結(jié)前需要對(duì)凍結(jié)孔角度、長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，并報(bào)設(shè)計(jì)單位審核。②測(cè)溫孔布置：該項(xiàng)目聯(lián)絡(luò)通道測(cè)溫孔均布置8個(gè)，凍結(jié)站對(duì)側(cè)6個(gè)，通過測(cè)溫孔監(jiān)測(cè)凍結(jié)帷幕不同位置的實(shí)際問題，確保施工作業(yè)安全。測(cè)溫孔4選用Φ89mm×8mm無(wú)縫鋼管，其余規(guī)格為Φ45mm×3mm。③卸壓孔：凍結(jié)帷幕封閉區(qū)內(nèi)各通道布置卸壓孔4個(gè)，左、右線分別為2個(gè)，卸壓孔上安裝壓力表，每日觀測(cè)凍結(jié)帷幕內(nèi)壓力情況，及時(shí)釋放凍脹壓力。

采取分期凍結(jié)方法，左、右行線分期施工，重點(diǎn)保證左行線先期完成鉆孔施工。遵循自上而下的施工順序，防止下層凍結(jié)孔施工引發(fā)上層土體擾動(dòng)。由于該項(xiàng)目鉆孔施工在承壓含水層中，鉆孔時(shí)極易引發(fā)流變、噴沙涌水事故，對(duì)此必須在開孔處進(jìn)行防噴防涌控制處理，如圖4所示。

圖4 鉆孔防噴孔口管裝置示意圖

（2）試運(yùn)轉(zhuǎn)與積極凍結(jié)。該項(xiàng)目采用低溫鹽水凍結(jié)法，完成設(shè)備、鹽水管路的安裝后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試與試運(yùn)行。在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，及時(shí)調(diào)節(jié)壓力、溫度等參數(shù)，確保機(jī)組在相關(guān)工藝規(guī)程、設(shè)備要求的技術(shù)參數(shù)條件下運(yùn)行。

在系統(tǒng)試運(yùn)行過程中，定時(shí)檢測(cè)鹽水溫度、測(cè)溫孔溫度以及凍土帷幕擴(kuò)展情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)調(diào)整凍結(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。當(dāng)凍結(jié)系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)后，進(jìn)入積極凍結(jié)階段。聯(lián)絡(luò)通道積極凍結(jié)時(shí)，實(shí)時(shí)查看溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)溫度變化情況判斷凍結(jié)壁是否交圈、是否達(dá)設(shè)計(jì)厚度。

（3）維護(hù)凍結(jié)。當(dāng)凍結(jié)壁交圈、厚度達(dá)設(shè)計(jì)要求后，可適當(dāng)提高鹽水溫度，進(jìn)入維護(hù)凍結(jié)階段，鹽水溫度≤-25℃。

3.5 開挖、支護(hù)及防水施工

該項(xiàng)目?jī)鼋Y(jié)完成后進(jìn)行正常施工階段，具體如下所述。

（1）開挖施工。該項(xiàng)目開挖條件如下：①制冷機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，供冷量充分，凍結(jié)站運(yùn)行至開挖前，無(wú)超過30h的停機(jī)情況；②凍土帷幕厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求；③鹽水系統(tǒng)運(yùn)行正常；④凍結(jié)孔去回路鹽水溫差≤1℃，個(gè)別≤2℃；⑤打探孔檢查凍土帷幕與連續(xù)墻界面溫度＜-5℃；⑥卸壓孔打開，無(wú)泥水涌出等。由建設(shè)、監(jiān)理、監(jiān)測(cè)、設(shè)計(jì)、施工等單位聯(lián)合驗(yàn)收無(wú)誤后，方可開挖隧道。未凍結(jié)土層采用鐵鍬開挖，已凍結(jié)土層采用風(fēng)鎬開挖。

（2）支護(hù)施工。該項(xiàng)目采用二次支護(hù)方法，第一次支護(hù)采用型鋼支架+木背板，噴射C20混凝土，厚度為250mm；完成開挖與臨時(shí)支護(hù)后，實(shí)施二次支護(hù)，采用現(xiàn)澆筑C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

（3）防水施工。在該項(xiàng)目暗挖段中，臨時(shí)支護(hù)層與結(jié)構(gòu)層間設(shè)防水層，主要組成部分包括無(wú)紡布緩沖層、優(yōu)質(zhì)PVC或EVA防水板、無(wú)紡布保護(hù)層，防水板接頭采用雙縫焊接方法，做好真空檢測(cè)；抗融沉注漿管穿越防水板的接頭處做好密封處理。項(xiàng)目通過防水板、止水帶、預(yù)埋注漿管組成分區(qū)注漿系統(tǒng)，獲得了良好的整體防水效果。結(jié)構(gòu)層與隧道接頭處設(shè)止水條、預(yù)埋注漿管，保證接頭水密性；變形縫設(shè)外貼式與中埋式止水帶，內(nèi)側(cè)嵌填封膠，由此獲得一個(gè)完整的防水線。

3.6 監(jiān)測(cè)監(jiān)控工作

基于凍結(jié)法的特殊性，施工監(jiān)測(cè)十分關(guān)鍵，該項(xiàng)目監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如表2所示。除了布置的各監(jiān)測(cè)孔，項(xiàng)目鹽水去路和回路干管安裝數(shù)字溫度傳感器，采取全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法，鹽水箱布置標(biāo)尺；上、右行線隧道中心線從地面豎向打下1根鋼筋，進(jìn)入地表2m，采用水準(zhǔn)儀測(cè)量頂部標(biāo)高。

表2 監(jiān)測(cè)監(jiān)控項(xiàng)目

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在現(xiàn)代工程建設(shè)中，人工凍結(jié)法逐漸得到了推廣應(yīng)用，尤其是地鐵建設(shè)、基坑開挖逐漸成為主流工法。在地鐵施工中，通過人工凍結(jié)法成功解決了諸多難題，如地面無(wú)法加固時(shí)隧道的安全施工、隧道施工面臨的潛在涌砂涌水問題等，在工程實(shí)踐中需要根據(jù)項(xiàng)目情況、地質(zhì)條件合理選擇凍結(jié)方法，科學(xué)布置凍結(jié)孔、確定凍結(jié)參數(shù)，在整個(gè)開挖、支護(hù)施工中需落實(shí)相關(guān)監(jiān)測(cè)監(jiān)控工作，保證項(xiàng)目安全作業(yè)。