人工凍結(jié)法在南京地鐵張府園車(chē)站的應(yīng)用
摘要：南京地鐵一期工程張府園車(chē)站南隧道盾構(gòu)法施工時(shí)，洞門(mén)兩側(cè)出現(xiàn)大量流砂，附近區(qū)域的沉降量較大，為了確保地下管線(xiàn)和地面交通的正常使用和安全運(yùn)行，在南京首次實(shí)施了地下工程的人工凍結(jié)法施工。本文論述了凍結(jié)法在該工程中的凍結(jié)設(shè)計(jì)、施工工藝及對(duì)周?chē)h(huán)境影響等問(wèn)題和實(shí)際取得的效果。
關(guān)鍵詞：凍結(jié)法；地鐵；盾構(gòu)
1 引言
我國(guó)凍結(jié)法現(xiàn)已成為成熟的鑿井施工技術(shù)，但在城市巖土工程中的應(yīng)用還不多。凍結(jié)技術(shù)可在地面城市地下工程中的應(yīng)用范圍包括：盾構(gòu)隧道盾構(gòu)進(jìn)墻、深層攪拌樁以及壓密注漿對(duì)土體進(jìn)行加固，在鑿除洞門(mén)鋼筋混凝土?xí)r發(fā)現(xiàn)洞門(mén)中心處東、西兩側(cè)有流砂涌入，迅速采用雙液注漿堵水，過(guò)了兩天又在有大量流砂涌入，對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生較大的影響，其中端頭井東側(cè)的沉降量增大，東部20 平方米 區(qū)域下陷1.5 m 左右(圖1)。在這種情況下施工單位及時(shí)出洞土體加固、盾構(gòu)隧道地下或海底對(duì)接時(shí)土體加采取措施，以保證施工以及周?chē)h(huán)境的安全。固、城市地鐵泵房、旁通道和急轉(zhuǎn)彎部分、建筑基根據(jù)管線(xiàn)及房屋調(diào)查結(jié)果顯示，在張府園車(chē)站坑加固、地下工程涌水、坍塌事故的搶險(xiǎn)修復(fù)、地南端頭井的東側(cè)沿中山南路方向15 m 范圍內(nèi)有下隧道交叉處土體加固、橋墩基礎(chǔ)施工等。南京地380 V 的電纜一根，直徑約900 mm 的下水管一根，鐵南北線(xiàn)一期工程TA7 標(biāo)張府園車(chē)站端頭井洞門(mén)南側(cè)沿建鄴路方向15 m 范圍內(nèi)有380 V 的電纜一補(bǔ)充加固時(shí)北京中煤礦山工程有限公司采用凍結(jié)法根，直徑約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。這些管線(xiàn)距加固區(qū)域距離均在8～15 m 范圍之內(nèi)。
2 工程概況3 加固方案的比選
張府園車(chē)站南端頭井洞門(mén)區(qū)域采用地下連續(xù)我國(guó)城市地下工程常采用旋噴、深層攪拌、注
圖1 洞門(mén)區(qū)域平面及位移觀測(cè)點(diǎn)、凍結(jié)管布置示意圖
漿、地下連續(xù)墻及凍結(jié)法等加固方法。由于張府園車(chē)站南端頭井地質(zhì)條件較為復(fù)雜，容易產(chǎn)生流沙，經(jīng)過(guò)壓密注漿檢測(cè)加固效果不太明顯，有些土質(zhì)吃漿量低；旋噴對(duì)淤泥、粉土、砂土等軟弱地基處理有良好的效果，但當(dāng)?shù)貙哟嬖趧?dòng)水時(shí)，旋噴樁養(yǎng)護(hù)時(shí)間需要延長(zhǎng)，有潛在不能成樁的危險(xiǎn)，且難于發(fā)現(xiàn)，若出現(xiàn)部分旋噴樁不能成樁，必須再次加固，這就增加加固的難度。
凍結(jié)法可在極其復(fù)雜的地質(zhì)條件和水文條件下形成凍土壁，試驗(yàn)結(jié)果表明，在粉土及粉砂層中凍結(jié)，凍融土的壓縮模量降低不大，即凍融沉陷不會(huì)太大[1~3] ，顯然是一種安全可靠的方法。經(jīng)過(guò)方案比選，張府園盾構(gòu)出洞采用了人工凍結(jié)技術(shù)。凍結(jié)法與其他加固方法相比，具有如下的特點(diǎn)[2]：
凍結(jié)法適用復(fù)雜的地質(zhì)條件。幾乎不受地基土的地質(zhì)條件影響，可形成任意深度、任意形狀的凍土墻，可成為某些工程唯一可用的輔助工法；隔水性能好。其隔水性能是其它施工方法無(wú)法相比的；凍土墻的連續(xù)性和均勻性得到保證。注漿法和深層攪拌樁只是對(duì)土體局部加固，加固范圍不易控制，加固體強(qiáng)度不均勻，而凍結(jié)技術(shù)可以把涉及的土體全部?jī)龀蓛鐾粒瑑鼋Y(jié)加固體均勻，整體性好，可形成城市地下工程的帷幕；凍結(jié)壁具有足夠的強(qiáng)度。當(dāng)凍結(jié)壁的厚度和強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求足以抵抗開(kāi)挖時(shí)的水土壓力時(shí)，即可在凍結(jié)壁的保護(hù)下開(kāi)鑿洞門(mén)；隨著工程規(guī)模加大，經(jīng)濟(jì)上有一定競(jìng)爭(zhēng)性。
據(jù)南京情況估算，凍土墻與其他加固方法經(jīng)濟(jì)比較見(jiàn)表1[3]，從表中，隨著加固工程規(guī)模的加大，凍結(jié)法加固單位土體造價(jià)不斷降低，當(dāng)加固體體積＞5 000 m3 時(shí)，在經(jīng)濟(jì)上接近地下連續(xù)墻，當(dāng)加固體體積＞20 000 m3 時(shí)，具有競(jìng)爭(zhēng)性[3]。
4 凍結(jié)方案設(shè)計(jì)
4.1 凍土墻設(shè)計(jì)
采用在盾構(gòu)出洞口周?chē)翆又胁贾么怪眱鼋Y(jié)孔凍結(jié)的方法，在洞口外側(cè)形成一道與工作井地連墻緊貼的凍土墻，其作用主要是抵抗洞口周?chē)乃畨毫?。由于凍結(jié)加固區(qū)外側(cè)已有攪拌樁，可以承受土壓力，所以，僅按封水要求設(shè)計(jì)凍土墻，凍土墻的厚度按攪拌樁加固區(qū)與地連墻之間的距離確定，有效厚度為0.5 m 。由于地連墻混凝土的導(dǎo)熱性好，凍土墻與地連墻之間不易凍結(jié)，所以，要求凍結(jié)管靠近地連墻，并對(duì)盾構(gòu)出洞口附近工作井表面進(jìn)行保溫。
圖2 凍結(jié)孔布置及凍土墻形成示意圖
凍結(jié)孔布置與凍土墻形成設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。共布置凍結(jié)孔21 個(gè)，凍結(jié)孔深度18.5 m，開(kāi)孔間距450 mm, 凍結(jié)孔與工作井地連墻之間的間距為250 mm，設(shè)測(cè)溫孔2 個(gè)，深度18.5 m 。取凍結(jié)孔允許偏斜率5 ‰。凍土墻的擴(kuò)展速度取26 mm/d。設(shè)計(jì)凍結(jié)15 d 后開(kāi)始破盾構(gòu)出洞口，此時(shí)，凍土墻厚度達(dá)到0.64 m，寬度達(dá)到8.8 m，均能滿(mǎn)足上述設(shè)計(jì)計(jì)算要求。設(shè)計(jì)最低鹽水溫度為-24 -28 ℃，并要求凍結(jié)7 d 鹽水溫度達(dá)到-22 ℃；凍土墻平均溫度不高于-9 ℃ 。打開(kāi)隧道出洞口時(shí)凍土墻與工作井地連墻交界面附近溫度低于-3 ℃。凍結(jié)管外徑為108 mm；凍結(jié)15 d 后開(kāi)始打開(kāi)盾構(gòu)出洞口；拔除凍結(jié)管2 d。
4.2 施工工藝
凍結(jié)法的工藝過(guò)程為：在盾構(gòu)出洞方向沿工作井地連墻外側(cè)布置凍結(jié)孔，并在凍結(jié)孔中循環(huán)低溫鹽水，使凍結(jié)孔附近的含水地層結(jié)冰形成凍土墻，并在凍土墻的保護(hù)下打開(kāi)盾構(gòu)出洞口和推進(jìn)盾構(gòu)機(jī)。凍結(jié)法加固地層的主要施工工序?yàn)椋菏┕?zhǔn)備→凍結(jié)孔施工，同時(shí)安裝凍結(jié)制冷系統(tǒng)→安裝凍結(jié)鹽水系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)→凍結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)→探孔檢驗(yàn)→打開(kāi)盾構(gòu)出洞口→停止凍結(jié)，拔凍結(jié)管→盾構(gòu)推進(jìn)。
5 施工過(guò)程中檢測(cè)結(jié)果分析
5.1 凍結(jié)過(guò)程溫度場(chǎng)分析
圖3 描述了凍結(jié)過(guò)程中不同深度處土體與溫度的關(guān)系，從該關(guān)系曲線(xiàn)圖可以看出，不同深度土體
圖3 C1、C2 測(cè)溫孔溫度與時(shí)間關(guān)系圖
的溫度變化很相似，在0 °以上,溫度下降速率較快，接近線(xiàn)性分布，0 °以下，溫度降低較為緩慢，這主要是因?yàn)樵摐囟榷瓮馏w中水分結(jié)冰，發(fā)生相變并且放出大量潛熱;隨著時(shí)間的增長(zhǎng),溫度不斷下降, 在土體中逐漸形成堅(jiān)實(shí)的凍土壁,達(dá)到承載、堵水的效果。
5.2 凍結(jié)過(guò)程位移變化分析
為了觀察凍結(jié)過(guò)程中位移的變化，埋設(shè)了23 個(gè)觀測(cè)孔，埋點(diǎn)見(jiàn)圖1。繪出其中有代表性的幾個(gè)觀測(cè)孔的位移與溫度的關(guān)系于圖4。從圖中可以看出，8#觀測(cè)點(diǎn)位于凍土墻東面產(chǎn)生流砂的區(qū)域，凍結(jié)前具有較大的初沉降(7 mm)，隨著溫度的降低，產(chǎn)生凍脹，凍脹量為4 mm，但最終表現(xiàn)為沉降。14#觀測(cè)點(diǎn)由于離流砂區(qū)和凍結(jié)孔較遠(yuǎn)，初始沉降量(4 mm)和凍脹量(2 mm)都較小。10#觀測(cè)點(diǎn)由于離凍結(jié)孔最近，又處于深層攪拌樁加固區(qū)域，因而無(wú)初始沉降，凍脹量為3 mm。18#觀測(cè)點(diǎn)由于處于凍土墻西側(cè)流砂區(qū)域，所以有初始沉降，但離凍結(jié)孔較遠(yuǎn)，因而凍脹很小僅1 mm。對(duì)凍結(jié)加固地帶周?chē)?3 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)觀察到的位移(觀測(cè)點(diǎn)采用鋼筋打入土體內(nèi)2 000 mm)，凍脹最大值均不超過(guò)4 mm。
圖4 觀測(cè)點(diǎn)位移量與溫度關(guān)系圖
6 有關(guān)凍結(jié)法的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題
6.1 凍脹融沉
城市地下工程凍結(jié)法施工存在凍脹融沉問(wèn)題，過(guò)量的凍脹融沉量會(huì)對(duì)地表建筑物、交通和地下管線(xiàn)產(chǎn)生破壞作用，抑制凍脹防止凍融下沉是凍結(jié)法用于地鐵以及城市巖土工程的主要課題之一。凍脹機(jī)理是土體中的水結(jié)冰時(shí)體積增大，產(chǎn)生的水壓導(dǎo)致地下水向凍結(jié)峰面遷移，致使凍脹現(xiàn)象越來(lái)越顯著。當(dāng)凍土融化時(shí)，體積減小，又產(chǎn)生較大的土層沉降。不同地質(zhì)條件下凍脹和融沉量也不相同，粘土變形大，粉土、砂土次之，融沉量一般大于凍脹量。一般可實(shí)施的抑制凍脹措施有：(1) 降低冷卻溫度，增大凍結(jié)速度，例如采用二級(jí)壓縮制冷、適當(dāng)加大凍結(jié)管的直徑；(2) 把凍結(jié)范圍控制在必要的最小限度，例如采用局部?jī)鼋Y(jié)器；(3) 研究?jī)鼋Y(jié)管的布置，使凍結(jié)膨脹變形和熱的傳遞方向一致；(4) 利用鉆孔使地基產(chǎn)生沉降和松動(dòng)，以抵消部分變形；(5) 研究?jī)鐾列纬傻捻樞颍M量用橫向位移吸收膨脹；(6) 通過(guò)增加孔隙水的粘性來(lái)控制向凍結(jié)面的水分遷移量。另外，壓力施放孔、注漿沖填、工作面釋放水和強(qiáng)制解凍等措施，也可有效地解決凍脹融沉問(wèn)題。
6.2 縮短工期的措施
凍結(jié)施工工期主要由凍結(jié)設(shè)備安裝時(shí)間、打鉆布管時(shí)間、積極凍結(jié)時(shí)間和挖掘或推進(jìn)時(shí)間組成，其中積極凍結(jié)時(shí)間占50 %左右，凍結(jié)設(shè)備安裝時(shí)間占25 %左右，因此如何減少積極凍結(jié)和設(shè)備安裝時(shí)間成為關(guān)鍵，合理選擇冷凍機(jī)組、凍結(jié)孔間距以及最佳鹽水溫度是至關(guān)重要的。
7 結(jié)語(yǔ)
(1) 張府園南端頭井洞門(mén)補(bǔ)充加固采用垂直凍結(jié)法施工,完成了張府園南端頭井上行線(xiàn)洞門(mén)的開(kāi)鑿,使盾構(gòu)機(jī)順利出洞。
(2) 沒(méi)有明顯的凍脹融沉，也沒(méi)有對(duì)周?chē)h(huán)境造成影響；另外，凍結(jié)施工無(wú)噪音，無(wú)污染，對(duì)地下水位和水質(zhì)沒(méi)有影響，因而取得了良好的施工效果。
(3) 凍結(jié)法施工雖然工期較長(zhǎng), 張府園車(chē)站從開(kāi)始鉆進(jìn)凍結(jié)孔到拔管結(jié)束總工期為35 d，比注漿、深層攪拌樁法略長(zhǎng)，但確保了一次成功。
(4) 分析南京地鐵的工程狀況，在軟弱復(fù)雜的地層，未來(lái)可能應(yīng)用凍結(jié)法的有盾構(gòu)進(jìn)、出洞土體加固，地鐵連通道、泵房等土體加固，短距離特殊地段水平隧道凍結(jié)施工等。
參考文獻(xiàn)
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