凍結法在廣州地鐵 3 號線施工中的應用【摘 要】在富水性地基土中暗挖法施工地鐵工程，采用人工凍結地層開挖及結構施工，闡述了凍結法加固地基土機理及施工工藝，通過測溫和沉降監測，分析凍結法隧道施工過程中土層溫度、荷載與沉降的關系。【關鍵詞】富水性地基 凍結監測法 沉降1 工程概況 廣州市軌道交通 3 號線天河客運站折返線位于廣州市天河區廣汕公路。折返線斜穿廣汕公路和沙河立交橋，附近有新天河商貿城和其他商鋪建筑。由于該區段道路兩側地下管線縱橫交錯，數目較多，廣汕公路是連接廣州與汕頭、增城之間的重要交通干道，交通繁忙，不能封路施工。因此擬采用暗挖法施工，避免明挖所帶來的地下管線改移困難，以及受沙河立交橋引橋的限制。折返線設計起始里程為支YDK0+369.200，終點里程支 YDK0+230.40，長 138.8 m。在施工區段內,隧道坡度為 2‰,隧道頂面距離地表最小約為 8 m，最大開挖跨度約為 13.4 m。 折返線隧道圍巖地質條件見表 1，其中沖洪積砂層 2 為主要含水層，強透水，富水性好，根據初勘、詳勘抽水試驗，砂層滲透系數 K=15m/d,為強透水性地層；4、5 層為花崗巖殘積土及全風化層，具有一定的透水性，富水性一般，但由于遇水易軟化崩解，穩定性差。 總體來講，隧道的水文地質條件較差，涌水量較大，采用暗挖法施工時，隔水成為一大難題。雖然采用群井法來降低水位或地下連續墻圍護結構能達到一定的效果，但其對周圍環境的影響和過高的成本令人難以接受。基于這種現狀，采用人工地層凍結方法(簡稱凍結法)作為工程中特殊的地層臨時加固措施。根據廣州地鐵 3 號線天河客運站折返線隧道的地質條件，決定對其采用水平凍結法加固地層，淺埋暗挖法開挖、襯砌，采用全斷面帷幕凍結。在隧道周圍布置水平凍結孔，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，形成強度高、封閉性好的凍結壁(凍土帷幕)，然后在凍結壁的保護下運用礦山法進行隧道開挖與構筑施工。
2 凍結法的加固機理及施工工藝2.1 加固機理 凍結法加固地層的原理及一般過程為[1, 2, 3]：利用人工制冷技術，在凍結孔中循環低溫鹽水，使地層中的水凍結成冰，將天然巖土變成人工凍土，在要開挖體周圍形成封閉的連續凍土帷幕，使其彈性模量增大，進而增加凍土帷幕的強度與穩定性；以抵抗土壓、水壓并隔絕地下水與開挖體之間的聯系；然后在該封閉凍土帷幕保護下進行開挖與永久支護的施工。2.2 施工工藝 凍結法施工工藝： 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──積極凍結──試挖──隧道掘進與初襯施工，維護凍結──停止凍結。 折返線隧道全長 138.8 m，均分為南、北兩段，每段71.9 m。南段先行打鉆，再轉入北段打鉆，然后折返線隧道全長同時凍結，從折返線隧道兩端相對同時開挖、初襯；隧道開挖前凍結時間為 90 d，并保證末端搭接凍結范圍大于 5 m。凍結鹽水溫度，積極期為 - 25～- 30℃，維護期為 - 22～- 25℃；凍結壁平均溫度為 - 8℃；凍結孔單孔鹽水流量為4～6 m3/h。3 監測結果及分析3.1 測孔布置 施工期做好跟蹤監測，測溫孔 1#、2#、3# 及沉降觀測孔S1、S2、S3 位置如圖 1 所示。3.2 監測結果 對測溫孔的監測結果如圖 2￣ 圖 4 所示，沉降監測結果見圖 5。3.3 對監測結果進行分析 （1）測孔溫度隨深度的變化為：地表和地層深處這兩端的溫度比中間部位的溫度明顯偏高，逐漸接近地層原始溫度。 （2）由圖 1、2、4 可知：在土層的相應不同深度處，測溫孔 1 和 2 的凍結效果相當，溫度比較接近，導致附近兩沉降觀測孔的沉降量相近；由于測溫孔 S2 位置處的地面荷載較大，且地面溫度略高于測孔 S1，導致測孔 S2 處的前沉降略大于測孔 S1；但由于測溫孔 2 地層內部溫度略低于測溫孔1 ，所以后期沉降量減小，且最終沉降量偏小。 （3）測孔 S3 的凍結效果比較好，地層溫度從地表到68 m處均處于 0℃ ￣ - 15℃，地層沉降量始終比測孔 S1 和S2 的沉降量小得多。 （4）在整個施工監測過程中，未發現內襯下滑、沉降隨時間迅速增長的現象，這說明凍土帷幕對內襯結構提供了足夠的摩擦力，可抵抗內襯因自重應力引起的下滑。4 結 語 （1）土層的沉降量受凍結效果(土層溫度)的影響：溫度低的工程段，土層沉降量較小；溫度高的工程段，土層沉降量較大。 （2）土層的沉降量受地面荷載的影響：荷載大的工程段，土層沉降量較大；荷載小的工程段，土層沉降量較小。
2 凍結法的加固機理及施工工藝2.1 加固機理 凍結法加固地層的原理及一般過程為[1, 2, 3]：利用人工制冷技術，在凍結孔中循環低溫鹽水，使地層中的水凍結成冰，將天然巖土變成人工凍土，在要開挖體周圍形成封閉的連續凍土帷幕，使其彈性模量增大，進而增加凍土帷幕的強度與穩定性；以抵抗土壓、水壓并隔絕地下水與開挖體之間的聯系；然后在該封閉凍土帷幕保護下進行開挖與永久支護的施工。2.2 施工工藝 凍結法施工工藝： 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──積極凍結──試挖──隧道掘進與初襯施工，維護凍結──停止凍結。 折返線隧道全長 138.8 m，均分為南、北兩段，每段71.9 m。南段先行打鉆，再轉入北段打鉆，然后折返線隧道全長同時凍結，從折返線隧道兩端相對同時開挖、初襯；隧道開挖前凍結時間為 90 d，并保證末端搭接凍結范圍大于 5 m。凍結鹽水溫度，積極期為 - 25～- 30℃，維護期為 - 22～- 25℃；凍結壁平均溫度為 - 8℃；凍結孔單孔鹽水流量為4～6 m3/h。3 監測結果及分析3.1 測孔布置 施工期做好跟蹤監測，測溫孔 1#、2#、3# 及沉降觀測孔S1、S2、S3 位置如圖 1 所示。3.2 監測結果 對測溫孔的監測結果如圖 2￣ 圖 4 所示，沉降監測結果見圖 5。3.3 對監測結果進行分析 （1）測孔溫度隨深度的變化為：地表和地層深處這兩端的溫度比中間部位的溫度明顯偏高，逐漸接近地層原始溫度。 （2）由圖 1、2、4 可知：在土層的相應不同深度處，測溫孔 1 和 2 的凍結效果相當，溫度比較接近，導致附近兩沉降觀測孔的沉降量相近；由于測溫孔 S2 位置處的地面荷載較大，且地面溫度略高于測孔 S1，導致測孔 S2 處的前沉降略大于測孔 S1；但由于測溫孔 2 地層內部溫度略低于測溫孔1 ，所以后期沉降量減小，且最終沉降量偏小。 （3）測孔 S3 的凍結效果比較好，地層溫度從地表到68 m處均處于 0℃ ￣ - 15℃，地層沉降量始終比測孔 S1 和S2 的沉降量小得多。 （4）在整個施工監測過程中，未發現內襯下滑、沉降隨時間迅速增長的現象，這說明凍土帷幕對內襯結構提供了足夠的摩擦力，可抵抗內襯因自重應力引起的下滑。4 結 語 （1）土層的沉降量受凍結效果(土層溫度)的影響：溫度低的工程段，土層沉降量較小；溫度高的工程段，土層沉降量較大。 （2）土層的沉降量受地面荷載的影響：荷載大的工程段，土層沉降量較大；荷載小的工程段，土層沉降量較小。
