人工冻结法在南京地铁张府园车站的应用
摘要：南京地铁一期工程张府园车站南隧道盾构法施工时，洞门两侧出现大量流砂，附近区域的沉降量较大，为了确保地下管线和地面交通的正常使用和安全运行，在南京首次实施了地下工程的人工冻结法施工。本文论述了冻结法在该工程中的冻结设计、施工工艺及对周围环境影响等问题和实际取得的效果。
关键词：冻结法；地铁；盾构
1 引言
我国冻结法现已成为成熟的凿井施工技术，但在城市岩土工程中的应用还不多。冻结技术可在地面城市地下工程中的应用范围包括：盾构隧道盾构进墙、深层搅拌桩以及压密注浆对土体进行加固，在凿除洞门钢筋混凝土时发现洞门中心处东、西两侧有流砂涌入，迅速采用双液注浆堵水，过了两天又在有大量流砂涌入，对周围环境产生较大的影响，其中端头井东侧的沉降量增大，东部20 平方米 区域下陷1.5 m 左右(图1)。在这种情况下施工单位及时出洞土体加固、盾构隧道地下或海底对接时土体加采取措施，以保证施工以及周围环境的安全。固、城市地铁泵房、旁通道和急转弯部分、建筑基根据管线及房屋调查结果显示，在张府园车站坑加固、地下工程涌水、坍塌事故的抢险修复、地南端头井的东侧沿中山南路方向15 m 范围内有下隧道交叉处土体加固、桥墩基础施工等。南京地380 V 的电缆一根，直径约900 mm 的下水管一根，铁南北线一期工程TA7 标张府园车站端头井洞门南侧沿建邺路方向15 m 范围内有380 V 的电缆一补充加固时北京中煤矿山工程有限公司采用冻结法根，直径约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。这些管线距加固区域距离均在8～15 m 范围之内。
2 工程概况3 加固方案的比选
张府园车站南端头井洞门区域采用地下连续我国城市地下工程常采用旋喷、深层搅拌、注
图1 洞门区域平面及位移观测点、冻结管布置示意图
浆、地下连续墙及冻结法等加固方法。由于张府园车站南端头井地质条件较为复杂，容易产生流沙，经过压密注浆检测加固效果不太明显，有些土质吃浆量低；旋喷对淤泥、粉土、砂土等软弱地基处理有良好的效果，但当地层存在动水时，旋喷桩养护时间需要延长，有潜在不能成桩的危险，且难于发现，若出现部分旋喷桩不能成桩，必须再次加固，这就增加加固的难度。
冻结法可在极其复杂的地质条件和水文条件下形成冻土壁，试验结果表明，在粉土及粉砂层中冻结，冻融土的压缩模量降低不大，即冻融沉陷不会太大[1~3] ，显然是一种安全可靠的方法。经过方案比选，张府园盾构出洞采用了人工冻结技术。冻结法与其他加固方法相比，具有如下的特点[2]：
冻结法适用复杂的地质条件。几乎不受地基土的地质条件影响，可形成任意深度、任意形状的冻土墙，可成为某些工程唯一可用的辅助工法；隔水性能好。其隔水性能是其它施工方法无法相比的；冻土墙的连续性和均匀性得到保证。注浆法和深层搅拌桩只是对土体局部加固，加固范围不易控制，加固体强度不均匀，而冻结技术可以把涉及的土体全部冻成冻土，冻结加固体均匀，整体性好，可形成城市地下工程的帷幕；冻结壁具有足够的强度。当冻结壁的厚度和强度达到设计要求足以抵抗开挖时的水土压力时，即可在冻结壁的保护下开凿洞门；随着工程规模加大，经济上有一定竞争性。
据南京情况估算，冻土墙与其他加固方法经济比较见表1[3]，从表中，随着加固工程规模的加大，冻结法加固单位土体造价不断降低，当加固体体积＞5 000 m3 时，在经济上接近地下连续墙，当加固体体积＞20 000 m3 时，具有竞争性[3]。
4 冻结方案设计
4.1 冻土墙设计
采用在盾构出洞口周围土层中布置垂直冻结孔冻结的方法，在洞口外侧形成一道与工作井地连墙紧贴的冻土墙，其作用主要是抵抗洞口周围的水压力。由于冻结加固区外侧已有搅拌桩，可以承受土压力，所以，仅按封水要求设计冻土墙，冻土墙的厚度按搅拌桩加固区与地连墙之间的距离确定，有效厚度为0.5 m 。由于地连墙混凝土的导热性好，冻土墙与地连墙之间不易冻结，所以，要求冻结管靠近地连墙，并对盾构出洞口附近工作井表面进行保温。
图2 冻结孔布置及冻土墙形成示意图
冻结孔布置与冻土墙形成设计见图2。共布置冻结孔21 个，冻结孔深度18.5 m，开孔间距450 mm, 冻结孔与工作井地连墙之间的间距为250 mm，设测温孔2 个，深度18.5 m 。取冻结孔允许偏斜率5 ‰。冻土墙的扩展速度取26 mm/d。设计冻结15 d 后开始破盾构出洞口，此时，冻土墙厚度达到0.64 m，宽度达到8.8 m，均能满足上述设计计算要求。设计最低盐水温度为-24 -28 ℃，并要求冻结7 d 盐水温度达到-22 ℃；冻土墙平均温度不高于-9 ℃ 。打开隧道出洞口时冻土墙与工作井地连墙交界面附近温度低于-3 ℃。冻结管外径为108 mm；冻结15 d 后开始打开盾构出洞口；拔除冻结管2 d。
4.2 施工工艺
冻结法的工艺过程为：在盾构出洞方向沿工作井地连墙外侧布置冻结孔，并在冻结孔中循环低温盐水，使冻结孔附近的含水地层结冰形成冻土墙，并在冻土墙的保护下打开盾构出洞口和推进盾构机。冻结法加固地层的主要施工工序为：施工准备→冻结孔施工，同时安装冻结制冷系统→安装冻结盐水系统和检测系统→冻结运转→探孔检验→打开盾构出洞口→停止冻结，拔冻结管→盾构推进。
5 施工过程中检测结果分析
5.1 冻结过程温度场分析
图3 描述了冻结过程中不同深度处土体与温度的关系，从该关系曲线图可以看出，不同深度土体
图3 C1、C2 测温孔温度与时间关系图
的温度变化很相似，在0 °以上,温度下降速率较快，接近线性分布，0 °以下，温度降低较为缓慢，这主要是因为该温度段土体中水分结冰，发生相变并且放出大量潜热;随着时间的增长,温度不断下降, 在土体中逐渐形成坚实的冻土壁,达到承载、堵水的效果。
5.2 冻结过程位移变化分析
为了观察冻结过程中位移的变化，埋设了23 个观测孔，埋点见图1。绘出其中有代表性的几个观测孔的位移与温度的关系于图4。从图中可以看出，8#观测点位于冻土墙东面产生流砂的区域，冻结前具有较大的初沉降(7 mm)，随着温度的降低，产生冻胀，冻胀量为4 mm，但最终表现为沉降。14#观测点由于离流砂区和冻结孔较远，初始沉降量(4 mm)和冻胀量(2 mm)都较小。10#观测点由于离冻结孔最近，又处于深层搅拌桩加固区域，因而无初始沉降，冻胀量为3 mm。18#观测点由于处于冻土墙西侧流砂区域，所以有初始沉降，但离冻结孔较远，因而冻胀很小仅1 mm。对冻结加固地带周围的23 个观测点观察到的位移(观测点采用钢筋打入土体内2 000 mm)，冻胀最大值均不超过4 mm。
图4 观测点位移量与温度关系图
6 有关冻结法的几个技术问题
6.1 冻胀融沉
城市地下工程冻结法施工存在冻胀融沉问题，过量的冻胀融沉量会对地表建筑物、交通和地下管线产生破坏作用，抑制冻胀防止冻融下沉是冻结法用于地铁以及城市岩土工程的主要课题之一。冻胀机理是土体中的水结冰时体积增大，产生的水压导致地下水向冻结峰面迁移，致使冻胀现象越来越显著。当冻土融化时，体积减小，又产生较大的土层沉降。不同地质条件下冻胀和融沉量也不相同，粘土变形大，粉土、砂土次之，融沉量一般大于冻胀量。一般可实施的抑制冻胀措施有：(1) 降低冷却温度，增大冻结速度，例如采用二级压缩制冷、适当加大冻结管的直径；(2) 把冻结范围控制在必要的最小限度，例如采用局部冻结器；(3) 研究冻结管的布置，使冻结膨胀变形和热的传递方向一致；(4) 利用钻孔使地基产生沉降和松动，以抵消部分变形；(5) 研究冻土形成的顺序，尽量用横向位移吸收膨胀；(6) 通过增加孔隙水的粘性来控制向冻结面的水分迁移量。另外，压力施放孔、注浆冲填、工作面释放水和强制解冻等措施，也可有效地解决冻胀融沉问题。
6.2 缩短工期的措施
冻结施工工期主要由冻结设备安装时间、打钻布管时间、积极冻结时间和挖掘或推进时间组成，其中积极冻结时间占50 %左右，冻结设备安装时间占25 %左右，因此如何减少积极冻结和设备安装时间成为关键，合理选择冷冻机组、冻结孔间距以及最佳盐水温度是至关重要的。
7 结语
(1) 张府园南端头井洞门补充加固采用垂直冻结法施工,完成了张府园南端头井上行线洞门的开凿,使盾构机顺利出洞。
(2) 没有明显的冻胀融沉，也没有对周围环境造成影响；另外，冻结施工无噪音，无污染，对地下水位和水质没有影响，因而取得了良好的施工效果。
(3) 冻结法施工虽然工期较长, 张府园车站从开始钻进冻结孔到拔管结束总工期为35 d，比注浆、深层搅拌桩法略长，但确保了一次成功。
(4) 分析南京地铁的工程状况，在软弱复杂的地层，未来可能应用冻结法的有盾构进、出洞土体加固，地铁连通道、泵房等土体加固，短距离特殊地段水平隧道冻结施工等。
参考文献
[1] 杨平. 原状土和冻融土物理力学性能差异性研究[J]. 南京林业大学学报，2001, (2): 665-671.
[2] 杨平. 冻结法用于深基坑坑壁维护的可行性研究[J].山东矿业学院学报，1996(4): 12-16.
[3] 南京地铁南北线一期工程冻融土物理力学性能及人工冻结技术研究报告[R]. 南京地铁总公司，南京林业大学2002.
