结构冻结法施工技术在地铁隧道明挖施工中的应用

刘卓敏

(广州轨道交通建设监理有限公司，广东 广州 511300)

1 引言

随着土地资源的不断减少和人口数量的不断增加，地下空间的开发已成为必然趋势，土木工程行业的地位越来越高。然而，随着地下空间的发展，出现了一些问题，尤其是围岩等级低、复杂水文地质条件下的地下空间开发尤为突出。为了适应这些复杂的地下环境，地铁设计和施工人员经过充分的研究和试验，提出了冻结法施工方法。由于冻结法施工适用于地下水的各种地基加固排水，不易出现薄弱点，因此已广泛应用于地铁等地下空间的开挖。

2 工程概况

某地铁线路采用明洞开挖法和盾构法施工。根据线路情况，应在一定位置设置区间联络通道和污水泵房。联络通道的间距约为13.5 m，顶盖约为24 m，地下水位埋深约为8 m，模拟的地点是渭河的一个高洪泛区。连接通道和污水泵房位于砂质土和淤泥层中。淤泥层厚度为13.5 m，场地地下水属于多孔潜水。没有明显的承压。地下水位稳定，埋藏4.1～12 m，水位2～3 m，在联合调试试验中，应在西宝高速涵管和地铁涵管下穿行。目前地铁施工和验收标准仅限于30 mm，一般来说，沉降量很容易超过极限，两条高速铁路线路产生的沉降值非常严格，累计沉降量不超过5 mm，单日的沉降量不应超过1 mm。接触通道的开挖轮廓均为中粗砂，渗透系数大。施工中可能出现大的沉降甚至坍塌。区间盾构施工被描述为“沙丘中的洞口和深水中的潜水”。为了保证施工安全，满足地面沉降的要求，采用水平冻结法加固地层，在接触通道的施工中采用了矿山开挖法。

2.1 施工方案的比较与选择

由于工作条件的复杂性，相关人员提出了两种解决方案，即周围土体的注浆或冻结处理[1～3]。考虑到粗粒土的渗透系数大、水头高的特点，最后决定采用冻结法加固地层。冻结法是在地下结构施工前用人工制冷冻结结构周围的含水层，形成临时承重和隔水的冻结壁，满足施工的安全要求，然后进行施工。在冻结壁的保护下构造结构的方法，如图1，“冰箱原理”的原理是将原来的土壤变成人工冻土，改变土体的物理力学性质，然后加强围岩，提高其自承能力。在该工程中，冻结土壤中的水，然后冻结冰中的孔，并完成接触通道的建造。冻结体在施工过程中可以防止地下水侵入，保证了复杂地质条件下基坑开挖的安全问题。与注浆法相比，冻结法具有以下优点。

(1)安全性好。冻结后，土体强度大幅度提高，温度越低，强度越大。冻结壁形成后，室内无裂缝，具有良好的隔水效果，保证无水环境施工，保证施工质量和人员安全。

(2)灵活性好。冻结法可形成连续冻土墙，冻结孔可根据实际情况设置控制冻结壁的形状和范围。此外，冻结壁的强度可以通过调节温度来控制。冻结管拔出后，土体不会立即融化，为正常施工提供了时间条件。

(3)适用范围广。与各种条件下的注浆条件相比，冻结法适用于各种含水岩土，也可应用于高水压、高矿压地层。

图1 冻结法示意

2.2 冻结法施工工艺及要点

冻结时间约为40 d。冻结时间可分为主动冻结期和维持冻结期。从地面冻结到冻结壁，满足设计要求所需的时间称为主动冻结期。为了保证在开挖和衬砌结构过程中的安全，冻结壁将继续将制冷能力输送到冷冻机，以在冻结壁期间保持冻结壁满足设计要求，这被称为维护周期。冻结期结束后，部分土壤水变为冰，然后将天然岩土转化为人工冻土。大部分项目，包括这个项目，都用盐水冷冻，氯化钙溶液可以用于盐水中。为了减少金属管的腐蚀，可以在溶液中加入钠重质络合剂或氢氧化钠。此外，冻结壁的平均温度与开挖深度有关，最低盐水温度决定冻结壁的平均温度。

施工完成后和验收后，拔出冰箱，解冻地面。冷冻机和冷冻池如图2、图3所示。

采用冻结法时，应注意以下几点：由于冻结过程中土体体积增大，为了顺利施工，必须设置泄压孔。土壤的压力是由土壤中设置的压力计决定的。精度应大于0.02 Map，当压力计的量程达到0.2 Map时应进行减压。在施工过程中，必须监测地表沉降和其他沉降，以确保施工安全。为了防止水流和沙流影响正常的开挖和施工，需要安装防护门，防护门的设计和安装应符合相应规范的要求。由于冻结法施工温度较低，在施工中使用的混凝土应为特殊负温混凝土。另外，由于冻结法施工需要大的供电，为了防止施工过程中的供电不足，需要在设备上增加一系列应急备用设备，如发电机等。

图2 冷冻器

图3 冷却池

2.3 冻结管布置

为了使地层温度变化更加均匀，应合理安排冻结孔的位置和数量。在该工程中，接触通道内的冻结孔数为80个。具体冻结孔布置如图4所示。

图4 冻结管布置剖面

3 数值分析

3.1 模型综述

整个模型长34.734 m，宽43.664 m，高16 m。隧道衬砌厚度为0.3 m，喷射混凝土由普通混凝土配制而成。接触通道的初始支护为空心注浆锚杆和喷射混凝土，初始支护厚度为25 cm，初始锚杆长度为3 m，衬砌厚度为30 cm，混凝土均为负温混凝土。该模型在应力和变形方面得到简化，即采用二维板单元模拟喷浆混凝土，并通过一维埋桁架模拟锚杆。模型的大小与实际情况基本相同。接触通道的上部距地表约24 m，上层为淤泥层，下层为淤泥层。淤泥层厚度约为13.5 m，冻土厚度约为10 m。

接触通道的施工仿真可分为以下几个部分：在第一阶段，打开安全门以使主隧道上的安全门不起作用。在第二阶段采用开挖渠道，采用侧开挖支护方式对渠道土体单元进行钝化，激活初始支护和边界。在第三阶段，两个衬砌将激活初始衬砌和边界钝化，以激活两个衬砌和边界。在第四阶段，挖掘喇叭口，并让喇叭口处的土壤被钝化，以激活喇叭口的初始分支和边界。在第五阶段，喇叭口的初级分支和边界被钝化，以激活喇叭口两个衬里和边界。在第六阶段，开挖冻结站的相对侧的段，并对主隧道的相应段进行钝化。

3.2 计算结果与分析

3.2.1 地表沉降分析

绘制了地铁隧道在两种不同施工条件下的累积沉降曲线，并与实测值进行了比较，如图5～6所示。图5示出了左侧高速涵洞的累积沉降曲线，图6示出右侧的高速涵洞的累积沉降曲线。从图中可以看出，MIDAS/GTS模拟冻结法的结果与实际结果吻合较好，误差较小。图5中左地铁涵洞的最终沉降量为1.8mm，冻结法施工接触通道的最终沉降量约为1.9 mm，模拟法的最终沉降量约为7.1 mm，超过最大允许值。因此，施工方法不能满足设计要求。在图6中，右高速铁涵最终沉没。冻结法施工的接触渠道最终沉降量为2.1 mm，冻结法施工的最终沉降量约为2 mm，模拟法的最终沉降量约为7.9 mm，超出最大允许沉降量，施工方法不能满足设计要求。

3.2.2 接触通道的收敛性分析

图7是普通开挖方法完成后接触通道的垂直位移云图，图8是冻结法完成后接触通道的垂直位移云图。接触通道顶部的最大位移高达40.3 mm，底部最大位移可达55 mm，而接触通道顶部接触通道的最大位移仅为接触通道底部3 mm底部的4 mm，可以使用冻结法。这对于维持联络通道的稳定性，显著降低连接通道的地面位移值具有重要意义。此外，与隧道段接触的喇叭口位置处的地层位移最大，发现应力集中是整个联络通道的薄弱部分。因此，对联络渠道的建设应给予足够的重视，同时，由于接触通道截面形状的不连续性，在不连续的位置也容易发生应力集中，在施工过程中，应及时对这些部位进行适当的支护，为施工安全提供保证[4～6]。

图5 左侧地铁涵洞累计沉降曲线

图6 右侧地铁涵洞累计沉降曲线

4 结语

冻结法施工可以防止施工过程中地下水的侵入，保证复杂地质条件下基坑开挖的安全性。与注浆法相比，具有安全性好、适应性好、应用范围广、环境影响小等优点。冻结法可分为六个阶段：钻孔、插管、冻结系统连接、设备调试、冻结、验收和解冻。为了使地层温度变化更加均匀，应合理安排冻结孔的位置和数量。冻结法可明显降低地表沉降和地层位移，其中地面沉降值减少约73%，联络通道地层位移减少约90%，最终结果符合要求。因此，建议采用冻结法加固地质条件复杂的、含水率高的地层。

图7 普通开挖地层沉降

图8 冻结法开挖地层沉降