凍結(jié)法在廣州地鐵 3 號(hào)線施工中的應(yīng)用【摘 要】在富水性地基土中暗挖法施工地鐵工程，采用人工凍結(jié)地層開(kāi)挖及結(jié)構(gòu)施工，闡述了凍結(jié)法加固地基土機(jī)理及施工工藝，通過(guò)測(cè)溫和沉降監(jiān)測(cè)，分析凍結(jié)法隧道施工過(guò)程中土層溫度、荷載與沉降的關(guān)系。【關(guān)鍵詞】富水性地基 凍結(jié)監(jiān)測(cè)法 沉降1 工程概況 廣州市軌道交通 3 號(hào)線天河客運(yùn)站折返線位于廣州市天河區(qū)廣汕公路。折返線斜穿廣汕公路和沙河立交橋，附近有新天河商貿(mào)城和其他商鋪建筑。由于該區(qū)段道路兩側(cè)地下管線縱橫交錯(cuò)，數(shù)目較多，廣汕公路是連接廣州與汕頭、增城之間的重要交通干道，交通繁忙，不能封路施工。因此擬采用暗挖法施工，避免明挖所帶來(lái)的地下管線改移困難，以及受沙河立交橋引橋的限制。折返線設(shè)計(jì)起始里程為支YDK0+369.200，終點(diǎn)里程支 YDK0+230.40，長(zhǎng) 138.8 m。在施工區(qū)段內(nèi),隧道坡度為 2‰,隧道頂面距離地表最小約為 8 m，最大開(kāi)挖跨度約為 13.4 m。 折返線隧道圍巖地質(zhì)條件見(jiàn)表 1，其中沖洪積砂層 2 為主要含水層，強(qiáng)透水，富水性好，根據(jù)初勘、詳勘抽水試驗(yàn)，砂層滲透系數(shù) K=15m/d,為強(qiáng)透水性地層；4、5 層為花崗巖殘積土及全風(fēng)化層，具有一定的透水性，富水性一般，但由于遇水易軟化崩解，穩(wěn)定性差。 總體來(lái)講，隧道的水文地質(zhì)條件較差，涌水量較大，采用暗挖法施工時(shí)，隔水成為一大難題。雖然采用群井法來(lái)降低水位或地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)能達(dá)到一定的效果，但其對(duì)周圍環(huán)境的影響和過(guò)高的成本令人難以接受。基于這種現(xiàn)狀，采用人工地層凍結(jié)方法(簡(jiǎn)稱凍結(jié)法)作為工程中特殊的地層臨時(shí)加固措施。根據(jù)廣州地鐵 3 號(hào)線天河客運(yùn)站折返線隧道的地質(zhì)條件，決定對(duì)其采用水平凍結(jié)法加固地層，淺埋暗挖法開(kāi)挖、襯砌，采用全斷面帷幕凍結(jié)。在隧道周圍布置水平凍結(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，形成強(qiáng)度高、封閉性好的凍結(jié)壁(凍土帷幕)，然后在凍結(jié)壁的保護(hù)下運(yùn)用礦山法進(jìn)行隧道開(kāi)挖與構(gòu)筑施工。
2 凍結(jié)法的加固機(jī)理及施工工藝2.1 加固機(jī)理 凍結(jié)法加固地層的原理及一般過(guò)程為[1, 2, 3]：利用人工制冷技術(shù)，在凍結(jié)孔中循環(huán)低溫鹽水，使地層中的水凍結(jié)成冰，將天然巖土變成人工凍土，在要開(kāi)挖體周圍形成封閉的連續(xù)凍土帷幕，使其彈性模量增大，進(jìn)而增加凍土帷幕的強(qiáng)度與穩(wěn)定性；以抵抗土壓、水壓并隔絕地下水與開(kāi)挖體之間的聯(lián)系；然后在該封閉凍土帷幕保護(hù)下進(jìn)行開(kāi)挖與永久支護(hù)的施工。2.2 施工工藝 凍結(jié)法施工工藝： 施工準(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)──積極凍結(jié)──試挖──隧道掘進(jìn)與初襯施工，維護(hù)凍結(jié)──停止凍結(jié)。 折返線隧道全長(zhǎng) 138.8 m，均分為南、北兩段，每段71.9 m。南段先行打鉆，再轉(zhuǎn)入北段打鉆，然后折返線隧道全長(zhǎng)同時(shí)凍結(jié)，從折返線隧道兩端相對(duì)同時(shí)開(kāi)挖、初襯；隧道開(kāi)挖前凍結(jié)時(shí)間為 90 d，并保證末端搭接凍結(jié)范圍大于 5 m。凍結(jié)鹽水溫度，積極期為 - 25～- 30℃，維護(hù)期為 - 22～- 25℃；凍結(jié)壁平均溫度為 - 8℃；凍結(jié)孔單孔鹽水流量為4～6 m3/h。3 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析3.1 測(cè)孔布置 施工期做好跟蹤監(jiān)測(cè)，測(cè)溫孔 1#、2#、3# 及沉降觀測(cè)孔S1、S2、S3 位置如圖 1 所示。3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果 對(duì)測(cè)溫孔的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖 2￣ 圖 4 所示，沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖 5。3.3 對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析 （1）測(cè)孔溫度隨深度的變化為：地表和地層深處這兩端的溫度比中間部位的溫度明顯偏高，逐漸接近地層原始溫度。 （2）由圖 1、2、4 可知：在土層的相應(yīng)不同深度處，測(cè)溫孔 1 和 2 的凍結(jié)效果相當(dāng)，溫度比較接近，導(dǎo)致附近兩沉降觀測(cè)孔的沉降量相近；由于測(cè)溫孔 S2 位置處的地面荷載較大，且地面溫度略高于測(cè)孔 S1，導(dǎo)致測(cè)孔 S2 處的前沉降略大于測(cè)孔 S1；但由于測(cè)溫孔 2 地層內(nèi)部溫度略低于測(cè)溫孔1 ，所以后期沉降量減小，且最終沉降量偏小。 （3）測(cè)孔 S3 的凍結(jié)效果比較好，地層溫度從地表到68 m處均處于 0℃ ￣ - 15℃，地層沉降量始終比測(cè)孔 S1 和S2 的沉降量小得多。 （4）在整個(gè)施工監(jiān)測(cè)過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)襯下滑、沉降隨時(shí)間迅速增長(zhǎng)的現(xiàn)象，這說(shuō)明凍土帷幕對(duì)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)提供了足夠的摩擦力，可抵抗內(nèi)襯因自重應(yīng)力引起的下滑。4 結(jié) 語(yǔ) （1）土層的沉降量受凍結(jié)效果(土層溫度)的影響：溫度低的工程段，土層沉降量較小；溫度高的工程段，土層沉降量較大。 （2）土層的沉降量受地面荷載的影響：荷載大的工程段，土層沉降量較大；荷載小的工程段，土層沉降量較小。
2 凍結(jié)法的加固機(jī)理及施工工藝2.1 加固機(jī)理 凍結(jié)法加固地層的原理及一般過(guò)程為[1, 2, 3]：利用人工制冷技術(shù)，在凍結(jié)孔中循環(huán)低溫鹽水，使地層中的水凍結(jié)成冰，將天然巖土變成人工凍土，在要開(kāi)挖體周圍形成封閉的連續(xù)凍土帷幕，使其彈性模量增大，進(jìn)而增加凍土帷幕的強(qiáng)度與穩(wěn)定性；以抵抗土壓、水壓并隔絕地下水與開(kāi)挖體之間的聯(lián)系；然后在該封閉凍土帷幕保護(hù)下進(jìn)行開(kāi)挖與永久支護(hù)的施工。2.2 施工工藝 凍結(jié)法施工工藝： 施工準(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)──積極凍結(jié)──試挖──隧道掘進(jìn)與初襯施工，維護(hù)凍結(jié)──停止凍結(jié)。 折返線隧道全長(zhǎng) 138.8 m，均分為南、北兩段，每段71.9 m。南段先行打鉆，再轉(zhuǎn)入北段打鉆，然后折返線隧道全長(zhǎng)同時(shí)凍結(jié)，從折返線隧道兩端相對(duì)同時(shí)開(kāi)挖、初襯；隧道開(kāi)挖前凍結(jié)時(shí)間為 90 d，并保證末端搭接凍結(jié)范圍大于 5 m。凍結(jié)鹽水溫度，積極期為 - 25～- 30℃，維護(hù)期為 - 22～- 25℃；凍結(jié)壁平均溫度為 - 8℃；凍結(jié)孔單孔鹽水流量為4～6 m3/h。3 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析3.1 測(cè)孔布置 施工期做好跟蹤監(jiān)測(cè)，測(cè)溫孔 1#、2#、3# 及沉降觀測(cè)孔S1、S2、S3 位置如圖 1 所示。3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果 對(duì)測(cè)溫孔的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖 2￣ 圖 4 所示，沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖 5。3.3 對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析 （1）測(cè)孔溫度隨深度的變化為：地表和地層深處這兩端的溫度比中間部位的溫度明顯偏高，逐漸接近地層原始溫度。 （2）由圖 1、2、4 可知：在土層的相應(yīng)不同深度處，測(cè)溫孔 1 和 2 的凍結(jié)效果相當(dāng)，溫度比較接近，導(dǎo)致附近兩沉降觀測(cè)孔的沉降量相近；由于測(cè)溫孔 S2 位置處的地面荷載較大，且地面溫度略高于測(cè)孔 S1，導(dǎo)致測(cè)孔 S2 處的前沉降略大于測(cè)孔 S1；但由于測(cè)溫孔 2 地層內(nèi)部溫度略低于測(cè)溫孔1 ，所以后期沉降量減小，且最終沉降量偏小。 （3）測(cè)孔 S3 的凍結(jié)效果比較好，地層溫度從地表到68 m處均處于 0℃ ￣ - 15℃，地層沉降量始終比測(cè)孔 S1 和S2 的沉降量小得多。 （4）在整個(gè)施工監(jiān)測(cè)過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)襯下滑、沉降隨時(shí)間迅速增長(zhǎng)的現(xiàn)象，這說(shuō)明凍土帷幕對(duì)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)提供了足夠的摩擦力，可抵抗內(nèi)襯因自重應(yīng)力引起的下滑。4 結(jié) 語(yǔ) （1）土層的沉降量受凍結(jié)效果(土層溫度)的影響：溫度低的工程段，土層沉降量較小；溫度高的工程段，土層沉降量較大。 （2）土層的沉降量受地面荷載的影響：荷載大的工程段，土層沉降量較大；荷載小的工程段，土層沉降量較小。
