人工凍結法在南京地鐵張府園車站的應用
摘要：南京地鐵一期工程張府園車站南隧道盾構法施工時，洞門兩側出現大量流砂，附近區域的沉降量較大，為了確保地下管線和地面交通的正常使用和安全運行，在南京首次實施了地下工程的人工凍結法施工。本文論述了凍結法在該工程中的凍結設計、施工工藝及對周圍環境影響等問題和實際取得的效果。
關鍵詞：凍結法；地鐵；盾構
1 引言
我國凍結法現已成為成熟的鑿井施工技術，但在城市巖土工程中的應用還不多。凍結技術可在地面城市地下工程中的應用范圍包括：盾構隧道盾構進墻、深層攪拌樁以及壓密注漿對土體進行加固，在鑿除洞門鋼筋混凝土時發現洞門中心處東、西兩側有流砂涌入，迅速采用雙液注漿堵水，過了兩天又在有大量流砂涌入，對周圍環境產生較大的影響，其中端頭井東側的沉降量增大，東部20 平方米 區域下陷1.5 m 左右(圖1)。在這種情況下施工單位及時出洞土體加固、盾構隧道地下或海底對接時土體加采取措施，以保證施工以及周圍環境的安全。固、城市地鐵泵房、旁通道和急轉彎部分、建筑基根據管線及房屋調查結果顯示，在張府園車站坑加固、地下工程涌水、坍塌事故的搶險修復、地南端頭井的東側沿中山南路方向15 m 范圍內有下隧道交叉處土體加固、橋墩基礎施工等。南京地380 V 的電纜一根，直徑約900 mm 的下水管一根，鐵南北線一期工程TA7 標張府園車站端頭井洞門南側沿建鄴路方向15 m 范圍內有380 V 的電纜一補充加固時北京中煤礦山工程有限公司采用凍結法根，直徑約1 200 mm 以及150 mm 的上水管一根。施工，取得了良好的施工效果。這些管線距加固區域距離均在8～15 m 范圍之內。
2 工程概況3 加固方案的比選
張府園車站南端頭井洞門區域采用地下連續我國城市地下工程常采用旋噴、深層攪拌、注
圖1 洞門區域平面及位移觀測點、凍結管布置示意圖
漿、地下連續墻及凍結法等加固方法。由于張府園車站南端頭井地質條件較為復雜，容易產生流沙，經過壓密注漿檢測加固效果不太明顯，有些土質吃漿量低；旋噴對淤泥、粉土、砂土等軟弱地基處理有良好的效果，但當地層存在動水時，旋噴樁養護時間需要延長，有潛在不能成樁的危險，且難于發現，若出現部分旋噴樁不能成樁，必須再次加固，這就增加加固的難度。
凍結法可在極其復雜的地質條件和水文條件下形成凍土壁，試驗結果表明，在粉土及粉砂層中凍結，凍融土的壓縮模量降低不大，即凍融沉陷不會太大[1~3] ，顯然是一種安全可靠的方法。經過方案比選，張府園盾構出洞采用了人工凍結技術。凍結法與其他加固方法相比，具有如下的特點[2]：
凍結法適用復雜的地質條件。幾乎不受地基土的地質條件影響，可形成任意深度、任意形狀的凍土墻，可成為某些工程唯一可用的輔助工法；隔水性能好。其隔水性能是其它施工方法無法相比的；凍土墻的連續性和均勻性得到保證。注漿法和深層攪拌樁只是對土體局部加固，加固范圍不易控制，加固體強度不均勻，而凍結技術可以把涉及的土體全部凍成凍土，凍結加固體均勻，整體性好，可形成城市地下工程的帷幕；凍結壁具有足夠的強度。當凍結壁的厚度和強度達到設計要求足以抵抗開挖時的水土壓力時，即可在凍結壁的保護下開鑿洞門；隨著工程規模加大，經濟上有一定競爭性。
據南京情況估算，凍土墻與其他加固方法經濟比較見表1[3]，從表中，隨著加固工程規模的加大，凍結法加固單位土體造價不斷降低，當加固體體積＞5 000 m3 時，在經濟上接近地下連續墻，當加固體體積＞20 000 m3 時，具有競爭性[3]。
4 凍結方案設計
4.1 凍土墻設計
采用在盾構出洞口周圍土層中布置垂直凍結孔凍結的方法，在洞口外側形成一道與工作井地連墻緊貼的凍土墻，其作用主要是抵抗洞口周圍的水壓力。由于凍結加固區外側已有攪拌樁，可以承受土壓力，所以，僅按封水要求設計凍土墻，凍土墻的厚度按攪拌樁加固區與地連墻之間的距離確定，有效厚度為0.5 m 。由于地連墻混凝土的導熱性好，凍土墻與地連墻之間不易凍結，所以，要求凍結管靠近地連墻，并對盾構出洞口附近工作井表面進行保溫。
圖2 凍結孔布置及凍土墻形成示意圖
凍結孔布置與凍土墻形成設計見圖2。共布置凍結孔21 個，凍結孔深度18.5 m，開孔間距450 mm, 凍結孔與工作井地連墻之間的間距為250 mm，設測溫孔2 個，深度18.5 m 。取凍結孔允許偏斜率5 ‰。凍土墻的擴展速度取26 mm/d。設計凍結15 d 后開始破盾構出洞口，此時，凍土墻厚度達到0.64 m，寬度達到8.8 m，均能滿足上述設計計算要求。設計最低鹽水溫度為-24 -28 ℃，并要求凍結7 d 鹽水溫度達到-22 ℃；凍土墻平均溫度不高于-9 ℃ 。打開隧道出洞口時凍土墻與工作井地連墻交界面附近溫度低于-3 ℃。凍結管外徑為108 mm；凍結15 d 后開始打開盾構出洞口；拔除凍結管2 d。
4.2 施工工藝
凍結法的工藝過程為：在盾構出洞方向沿工作井地連墻外側布置凍結孔，并在凍結孔中循環低溫鹽水，使凍結孔附近的含水地層結冰形成凍土墻，并在凍土墻的保護下打開盾構出洞口和推進盾構機。凍結法加固地層的主要施工工序為：施工準備→凍結孔施工，同時安裝凍結制冷系統→安裝凍結鹽水系統和檢測系統→凍結運轉→探孔檢驗→打開盾構出洞口→停止凍結，拔凍結管→盾構推進。
5 施工過程中檢測結果分析
5.1 凍結過程溫度場分析
圖3 描述了凍結過程中不同深度處土體與溫度的關系，從該關系曲線圖可以看出，不同深度土體
圖3 C1、C2 測溫孔溫度與時間關系圖
的溫度變化很相似，在0 °以上,溫度下降速率較快，接近線性分布，0 °以下，溫度降低較為緩慢，這主要是因為該溫度段土體中水分結冰，發生相變并且放出大量潛熱;隨著時間的增長,溫度不斷下降, 在土體中逐漸形成堅實的凍土壁,達到承載、堵水的效果。
5.2 凍結過程位移變化分析
為了觀察凍結過程中位移的變化，埋設了23 個觀測孔，埋點見圖1。繪出其中有代表性的幾個觀測孔的位移與溫度的關系于圖4。從圖中可以看出，8#觀測點位于凍土墻東面產生流砂的區域，凍結前具有較大的初沉降(7 mm)，隨著溫度的降低，產生凍脹，凍脹量為4 mm，但最終表現為沉降。14#觀測點由于離流砂區和凍結孔較遠，初始沉降量(4 mm)和凍脹量(2 mm)都較小。10#觀測點由于離凍結孔最近，又處于深層攪拌樁加固區域，因而無初始沉降，凍脹量為3 mm。18#觀測點由于處于凍土墻西側流砂區域，所以有初始沉降，但離凍結孔較遠，因而凍脹很小僅1 mm。對凍結加固地帶周圍的23 個觀測點觀察到的位移(觀測點采用鋼筋打入土體內2 000 mm)，凍脹最大值均不超過4 mm。
圖4 觀測點位移量與溫度關系圖
6 有關凍結法的幾個技術問題
6.1 凍脹融沉
城市地下工程凍結法施工存在凍脹融沉問題，過量的凍脹融沉量會對地表建筑物、交通和地下管線產生破壞作用，抑制凍脹防止凍融下沉是凍結法用于地鐵以及城市巖土工程的主要課題之一。凍脹機理是土體中的水結冰時體積增大，產生的水壓導致地下水向凍結峰面遷移，致使凍脹現象越來越顯著。當凍土融化時，體積減小，又產生較大的土層沉降。不同地質條件下凍脹和融沉量也不相同，粘土變形大，粉土、砂土次之，融沉量一般大于凍脹量。一般可實施的抑制凍脹措施有：(1) 降低冷卻溫度，增大凍結速度，例如采用二級壓縮制冷、適當加大凍結管的直徑；(2) 把凍結范圍控制在必要的最小限度，例如采用局部凍結器；(3) 研究凍結管的布置，使凍結膨脹變形和熱的傳遞方向一致；(4) 利用鉆孔使地基產生沉降和松動，以抵消部分變形；(5) 研究凍土形成的順序，盡量用橫向位移吸收膨脹；(6) 通過增加孔隙水的粘性來控制向凍結面的水分遷移量。另外，壓力施放孔、注漿沖填、工作面釋放水和強制解凍等措施，也可有效地解決凍脹融沉問題。
6.2 縮短工期的措施
凍結施工工期主要由凍結設備安裝時間、打鉆布管時間、積極凍結時間和挖掘或推進時間組成，其中積極凍結時間占50 %左右，凍結設備安裝時間占25 %左右，因此如何減少積極凍結和設備安裝時間成為關鍵，合理選擇冷凍機組、凍結孔間距以及最佳鹽水溫度是至關重要的。
7 結語
(1) 張府園南端頭井洞門補充加固采用垂直凍結法施工,完成了張府園南端頭井上行線洞門的開鑿,使盾構機順利出洞。
(2) 沒有明顯的凍脹融沉，也沒有對周圍環境造成影響；另外，凍結施工無噪音，無污染，對地下水位和水質沒有影響，因而取得了良好的施工效果。
(3) 凍結法施工雖然工期較長, 張府園車站從開始鉆進凍結孔到拔管結束總工期為35 d，比注漿、深層攪拌樁法略長，但確保了一次成功。
(4) 分析南京地鐵的工程狀況，在軟弱復雜的地層，未來可能應用凍結法的有盾構進、出洞土體加固，地鐵連通道、泵房等土體加固，短距離特殊地段水平隧道凍結施工等。
參考文獻
[1] 楊平. 原狀土和凍融土物理力學性能差異性研究[J]. 南京林業大學學報，2001, (2): 665-671.
[2] 楊平. 凍結法用于深基坑坑壁維護的可行性研究[J].山東礦業學院學報，1996(4): 12-16.
[3] 南京地鐵南北線一期工程凍融土物理力學性能及人工凍結技術研究報告[R]. 南京地鐵總公司，南京林業大學2002.
