人工地层冻结在地铁隧道流砂地层
盾构出洞施工中的应用
【摘 要】地铁隧道盾构自工作立井始发进入隧道首先要解决洞门区域地层封闭加固问题，而传统工法对处理流砂地层难度较大。本文介绍了我国地铁隧道首例流砂地层中盾构出洞采用人工地层冻结法的工程实例，该工程中成功地解决了地铁隧道盾构出洞扰动流砂地层封闭加固难题。同时本文对该工程中人工地层冻结法的应用效果进行了分析与研究，认为其抗渗性和整体支护效果要优于其他方法。
【关键宇】 人工地层冻结 隧道 流砂盾构出洞
1 前 言
1．1 人工地层冻结简介
人工地层冻结法是在地层中钻铺垂直或水平冻结器，利用低温盐水循环或灌注液氮，降低地层温度，将天然岩土变成冻土，形成强度高、不透水的临时冻结加固体。同时可免去一些结构支护和降水措施。地层冻结法是一种环保型工法，地层冻结是将地层中的水变成冰，所加固地层最终要恢复到原始状况，因此能够保障地下水不受污染，保护城市地下地质结构的完整性。
1．2 盾构出洞人工地层冻结应用原理
隧道盾构从工作立井推人隧道前，需要凿除隧道洞门结构外侧钢筋混凝土地下连续墙，但是由于隧道盾构出洞承受工作井附近土层产生的巨大地压和水压，会导致涌水或涌砂。因此首先必须对混凝土地下连续墙外侧含水地层进行加固处理。以往多采用注浆法或深层搅拌加固地层，但是在流砂地层(特别是扰动砂性土层)采取注浆法或深层搅拌难度较大，效果不佳。在打开洞门混凝土施工中，存在涌水或涌砂、甚至土体坍塌的危险，给盾构出洞带来极大困难。采用人工地层冻结技术对工作井附近土层进行封闭加固，即在盾构出洞口前方3～4m、隧道圆形设计断面及其周边3～4m的范围内，钻铺垂直(或水平)冻结器，在冻结器内循环盐水，逐渐降低地层温度，地层中的水变成冰，冰和土颗粒逐渐形成冻结连续体，将冻结区域和混凝土地下连续墙形成整体冻结封闭加固区，防止在凿除隧道洞门钢筋混凝土时产生涌水或涌砂现象，从而保证盾构顺利出洞和就位。
2 工程应用及其效果分析
2．1 工程简介
南京某地铁区间隧道采用土压平衡盾构，盾构直径8．05m。剧拙洞的洞门地层为砂性土，含水高，水压大，透水性大，暴露扰动时易产生液化、流动而形成流砂。盾构出洞口地表15m范围内，沿盾构出洞方向有380v电缆一根，↓900下水管一根与盾构出洞交叉方向有380v电缆一根，↓150和↓1 200上水管各—根。盾构出洞口地层曾采用深层搅拌桩和压密注浆对洞门区域砂性土层进行加固处理，加固区与地连墙之间0．5m区域的进行注浆。施工结束1个月后，对加固地层进行取芯检验，检验结果良好，土体bn固强度在1．2MPaVd&。但水平探孔有少量清水渗流，在开凿洞门钢筋混凝土过程中，洞门中心处出现大量流砂涌人，后又从洞门两侧发生大量流砂，洞门开凿被迫停止。经过方案比较，拟用人工地层冻结法对注浆区实施励n固。冻结方案如下：
(1)冻结方式：采用单排垂直全深冻结方式，冻结深度19．5m(控制范围：位于盾构推进断面上部4．0m，下部4．0m）。
(2)冻结孔布设：
①冻结孔布设区域：盾构推进断面左右两侧各3．5m。
②冻结孔间距：400mm。
(3)积极冻结期：20d。
(4)冻结管解决方式：通过强制解冻后拔出地面。
根据温度监测结果，经过20天积极冻结，预测已形成深度19m，宽度12m，厚度0．65 m的冻结加固体。后打开洞门钢筋混凝土墙，洞门内冻结土体自立性好，未见渗水现象，封水效果也较理想。随即进行隧道断面冻结管解冻和起拔工作，解冻时间17小时，待冻结管起拔结束后推进盾构，从而保证了盾构安全、顺利出洞。地层冻结法在该工程中遇到了极大挑战。其一，地层已被大规模扰动，而且地层因大量流砂而产生空洞，不利于冻土墙的形成；其二，由于前期较短时间内已在地层中注入了大量水泥浆液，其水泥水化热对冻结效果产生影响。
2．2 应用效果分析
(1)砂性地层冻土墙的隔水、抗渗性好
由于该处地层较为复杂，主要是砂性地层，含水量高，透水性大，扰动易产生液化、流动而形成流砂，给采用其他地层加固工法带来极大困难。前期采用深层搅拌桩及压密注浆对洞门区域砂性地层进行加固，尽管取芯检验结果说明土体加固强度在1．2MPa以上，但由于在流砂地层中深层搅拌桩及压密注浆对地层加固不均匀，地层中存在未完全封闭的区域，当打开洞门时，地层水从薄弱区域涌出。采用地层冻结法，将地层中的水变成冰，冰与土颗粒共同形成冻结连续体，冻结加固区是个完整、均匀、连续的区域，冻结体内不会存在任何缝隙，起到了良好的隔水效果。
(2)砂层冻土墙可与连续墙帷幕形成整体防水体系
通过在交界面处实施强化冻结，可以保证冻土墙与工作井混凝土连续墙紧贴在—起，没有任何缝隙，抗渗性和整体封闭效果要优于其它方法，保证不会在冻结封闭加固区与混凝土连续墙交界处产生渗水现象，避免了从洞门两侧发生大量流砂。
(3)地层冻结法在砂性地层中冻土扩展速度较快，速度可达到30~35mm/d，而且冻结土体强度高。
(4)冻胀和融沉可以得到有效控制
该工程在进行工程中，对周围地表隆起和沉降进行了实时监测，其最大值在正负10mm以内，对周围环境未产生影响。采用特殊施工方法可有效控制冻胀和融沉，诸如：局部冻结、间歇冻结、预注浆和跟踪注浆等。
(5)盾构刀盘通过冻结加固体受力均匀，而采取深层搅拌加固的地层盾构刀盘切削浆液结石体强度不均匀。
(6)可控制冻结加固区范围
通过调整冻结孔的孔位或调整冷媒剂温度，可有效控制冻结体的形状和扩展范围。另外，对于应急工程，可采用液氮进行快速冻结。
2．3 问题与探讨
(1)工作井内隧道洞门前部冻土纵向加固范围应至少布设2-3排冻结器，冻土墙厚度不小于3m。虽然布设单排冻结器亦可形成隔水冻土墙，但由于自打开洞门至盾构满足推进条件需要4～5d时间，在此期间暴露的冻土墙极易被周围环境、地层或水泥水化热所融化。
(2)停止冷冻后，盾构机头应及时贴在洞门冻结土体上，垂直冻结器拔除后，应立即推进盾构，防止暴露的冻土墙在环境温度下加剧融化。
3 结 论
(1)首次在扰动流砂地层中利用地层冻结法成功解决了地铁隧道盾构出洞地层加固难题。砂层冻土墙起到良好的隔水和支护墙效果，保证了盾构顺利出洞准确地就位。
(2)冻结封闭加固区可与工作井连续墙帷幕形成整体防水体系，抗渗性和整体封闭效果要优于其他地层封水加固方法。
(3)砂层冻土墙产生的冻胀和融沉可以通过采取间歇冻结、局部冻结等措施得到有效控制，不会对工作井连续墙混凝土结构和周围构筑物产生不利影响。
(4)人工地层冻结法是隧道盾构施工一种有效的辅助工法。
