关于地铁盾构始发端头井冻结法加固的监测分析

马建军

(北京铁路局， 天津　300241)

人工地层冻结法(简称冻结法)是利用人工制冷技术通过埋设在地层中的冻结管带走地层中的热量，使地层中的水结冰，把天然岩土变成冻土，形成具有较高强度和稳定性的冻土帷幕，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻土帷幕的保护下进行地下工程施工的特殊方法。

冻结法主要适用于松散不稳定的冲积层和裂隙发育的含水岩层，以及淤泥、松软泥岩和饱和含水和水头特别高的地层。

1　工程概况

长三角地区某城市地铁1号线A站南端头盾构始发井采用冷冻法加固，于2011年11月7日开始冷冻，12月25日停止冷冻并开始拔管，冷冻时间约为50 d左右，待冷冻管拔除后于12月30日开始盾构始发掘进，3月2日至6日进行注浆施工。在端头井冷冻范围共布设了2排地表监测点，测点布置如图1所示。

图1　监测点布置示意

2　地质条件

根据地质资料，地层层序及地层描述如下。

①1-1淤泥：为河道内浮泥，灰黑色，流塑，夹少许煤渣、砖块等垃圾，分布于场地东侧河道内。

①1杂填土层：杂色，松散，由黏性土夹杂碎石、碎砖等建筑垃圾组成，为现代人工堆积而成；其中道路地段有约0.30 m厚的沥青路面及垫层，除河道外全场区均有分布。

②1黏土层：灰黄—褐黄色，硬塑，含铁锰质结核，夹青灰色条纹，切面有光泽，干强度及韧性高，无摇振反应，场区内均有分布。

③2粉质黏土层：褐黄、灰黄色，可塑，略夹薄层粉土，切面稍有光泽，干强度及韧性中等，无摇震反应。

③3粉土夹粉质黏土层：灰色，中密，饱和，夹薄层粉质黏土，局部相变为粉砂，切面无光泽，干强度低，韧性低，摇振反应迅速；粉质黏土为灰色，软塑；场区内大多分布。

④粉砂层：灰色，中密，饱和，含云母碎片，局部夹薄层粉质黏土；矿物成分主要为石英，长石次之，颗粒级配较差；场区内大多分布。

⑥1-1粉质黏土层：暗绿—灰黄色，可塑(局部硬塑)，含铁锰结核，局部相变为黏土，切面稍有光泽，干强度及韧性中等，无摇震反应；场区内均有分布。

⑥1黏土层：灰黄色，硬塑(局部可塑)，含铁锰结核，切面有光泽，干强度及韧性高，无摇震反应，场区内均有分布。

⑥2-1粉质黏土夹粉土层：灰黄色，可塑，切面稍有光泽，干强度及韧性中等，无摇震反应，局部粉土含量较大。

⑥2粉质黏土层：灰黄色，可塑，含氧化铁斑点及铁锰质结核，局部夹薄层中密粉土，切面稍有光泽，干强度及韧性中等，无摇震反应；场区内大多分布。

⑥3粉土层：灰黄、灰色，中密，饱和，夹薄层粉质黏土，切面粗糙，无光泽，干强度及韧性低，摇震反应迅速。

其中，A站南端头本次盾构始发主要涉及的地层由上至下依次为②1黏土、③2粉质黏土层、③3粉土夹粉质黏土层、④粉砂层以及⑥1-1粉质黏土层。

3　水文地质条件

本次盾构始发主要涉及以下地下水。

上层滞水：上层滞水含水层主要埋藏在浅部①1层中，①1层由黏性土夹杂碎石组成，水位埋深虽很浅(1～2 m)，但渗透性差，对本工程建设产生的不利影响较小。

微承压水：主要分布于③3层粉土夹粉质黏土及④粉砂层中，其中③3粉土夹粉质黏土层土性以粉性土为主，夹少量黏性土，富水性中等，粉砂层以砂性土为主，富水性良好。

此外，场地南侧分布有一南北向市政河流，宽度约8.0 m，驳岸由浆砌块石构筑而成，勘察期间测得水深2.3 m，河底高程为-1.70 m。加固区隧道埋深17.7 m，加固区上部河岸边抛石埋深0～6 m，距离隧道顶部5.6 m。抛石埋置区域地层透水性较强，浅层地下水与河水相通。

4　融沉注浆概况

整个注浆工作3月2日开始至6日结束，注浆压力基本保持在0.18～0.22 MPa之间，注浆量由初始的1.3 m3逐渐减少至0.4 m3。

5　融沉注浆机理

冻土融化后产生融沉，主要由融化沉降和压缩沉降两部分组成。融化沉降是指冻土融化后的土体由于冰变成水体积减小产生的融化性沉降，这种沉降量和外界的压力无关；压缩沉降是指融化区域的土层在一定压力的作用下发生排水固结，导致土层的压缩沉降，这种沉降量和外界的压力成正比。因此，从融沉定义上理解，影响融沉量的主要内因有：土的热学、物理、力学性质等；主要外因有：温度、温度梯度和压力等。

对于地铁盾构端头井这种地下结构来说，冻土融化后由于土层体积的减小会在地下结构周围产生较多的建筑空隙，同时土体的融沉、固结运动会对地下结构产生负摩擦力，而这种负摩擦力往往是不均匀的压力，容易对地下结构及周边环境产生不利影响。而融沉注浆的目的就是要在冻土融化后利用浆液及时充填建筑空隙，并改善融土的工程性质，提高土层强度和抗渗能力。在融沉注浆过程中，冻土中的冰化成水后体积缩小，在充填建筑空隙后，浆液进一步对融土体进行挤压，浆液注入到融土的孔隙中，从而取代排出其中的空气和水，将土颗粒胶结起来，增强了融土的强度和抗渗能力。融沉注浆通常采用较小的注浆压力，但由于土体冻融后土层结构发生破坏，注浆时仍能使融土产生水力劈裂，形成网状浆脉，通过浆脉挤压土体并形成浆脉骨架加固土体。

简单的说，融沉注浆其实是一个依靠浆液填充冻土融化空隙、挤压融土、继而发生劈裂的过程。

6　监测数据分析

由地表沉降监测历时曲线图可以得知(如图2)：

图2　地表沉降历时曲线

(1)整个冷冻法施工冻结期间，地表沉降基本控制在±4 mm，沉降控制较好；后续因盾构掘进施工，大部分地表监测点呈明显上隆或下沉状态，控制在-4～8 mm以内。

(2)冷冻前，地表沉降稍有小幅下沉，下沉控制在2 mm以内，初步分析主要受冷冻管施工钻孔影响，临近地层有一定的损失，反应到地表则呈现轻微的下降。

(3)冷冻前期，上覆地表基本呈冻胀上隆的趋势，待冷冻施工持续约20 d后，后续地表沉降逐渐趋于收敛稳定。

(4)在拔管施工期间，地表并未出现明显的隆沉下沉状态，地表沉降基本保持稳定状态，初步分析可能是拔管后立即进行了盾构的掘进施工，拔管到盾构始发的工序转换较快，加上施工时正处冬季，气温较低，多方面因素导致拔管后地表的消融沉降相应滞后，短期未出现显著的下沉，待盾构掘进通过后，短期内地表呈现明显的上隆及下沉可能是冷冻法地表融沉，盾构掘进施工后综合影响的结果。

(5)在盾构掘进期间，1月至2月底，整个端头井地表基本呈平缓下沉趋势，初步分析可能随着地层内部气温的持续回升，融沉效应以及盾构掘进扰动的土层固结沉降作用下，地层在此阶段呈下降的趋势。同时，由于盾构通过时及时的注浆充填了盾尾孔隙，加上端头井区域无其他附加荷载，该阶段地层基本呈平缓下降的趋势，即平均下降速率较小。

(6)在融沉注浆前期，浆液迅速的充填融化空隙后，因持续的注浆影响，浆液体积不断膨胀，浆体压力也随着注浆上升，当浆体压力达到一定程度时，浆液会沿着融土的最小应力面发生劈裂流动。受融土地层不均匀性的影响，地表会表现短期内出现大多地表隆起的现象，而土体经过冻融循环扰动后，其工程力学性能降低，特别是融沉注浆发生的劈裂作用会进一步扰动土层，融土的强度继续降低，又会出现地表短期局部下沉的现象。注浆后，随着孔隙压力的降低，注浆所形成的网状浆脉骨架以及浆液和融土的固结能大为提高。因此，在融沉注浆后一段时间表现为地表沉降逐渐趋于稳定。

7　结论

(1)在整个冻结法施工过程中，地表沉降基本控制在±8 mm以内，满足《旁通道冻结法技术规程》(DG/TJ08-902-2006)中地表沉降10～-30 mm的控制要求；

(2)冻结法施工导致后期融沉的主要原因是冻土内水分迁移，前期如产生过大的冻胀量，也难免会在后期产生较大的融沉。因此，需要在冻结期间尽量控制前期冻胀引起的水分迁移；此外，在后期拔管解冻后需要及时进行注浆，以控制后续土层融沉现象。本着少量多次的原则，注浆过程中当地表出现上抬时应适当减小注浆压力，采取间歇注浆的方法，尽量减小对土层的扰动，以控制后期的固结沉降。

(3)场地南侧有一条市政河流，勘察资料显示浅层地下水和河流相通，冻土帷幕的末端冻结加固效果必将不甚理想，笔者建议在类似地下工程采用冻结法加固时，可根据现场情况在河道和加固段之间设置一段隔水围堰，避免河流对冻结加固体的直接冲刷，进一步降低冻结法施工的风险。

[1]苗立新.冻结法在盾构接收端头土体加固中的应用[J].铁道工程学报,2011(9)

[2]岳丰田.地铁联络通道冻结加固融沉注浆研究[J].岩土力学,2008,29(8)

[3]李继宏.冷冻法在广州地铁基坑施工中的应用[J].隧道建设,2002(2)

[4]徐成家.盾构法隧道始发段引起的地表沉降分析[J].铁道勘察,2009(6)

[5]鲍永亮.地铁隧道旁通道冻结法施工监测分析[J].铁道工程学报,2009(3)