冻结施工在地铁中的应用

土体冻结加固技术在地铁施工中的应用闫磊关键词：在地下工程施工中，面对软土和含水率高的土质，土体冻结加固技术作为一种封水性好、强度高、复原性好的环保型施工技术在工程中的应用逐渐增加，特别是在煤矿矿井建设中大量应用。目前，在地铁施工领域也大量应用了冻结加固技术。摘要：冻结技术地铁施工应用一技术现状地层冻结加固技术是一种封水性好、强度高、复原性好的环保型施工技术，在我国矿山凿井领域得到广泛应用。近几年也因为其加固效果好、对地面影响小被城市地下工程广泛接受。随着冻结技术工艺的改进，地层冻结工法在地下工程中逐渐显现竞争力，是解决城市水资源浪费、环境污染和交通干扰的一种新技术，它将对城市地下工程设计和施工带来进步。盾构法施工已经成为地铁隧道施工的主要工法，盾构法适合长距离、单一断面结构的隧道施工，对地面交通和环境影响小。但盾构法也离不开其他工法的辅助。例如盾构进出洞的工作井、区间联络通道等都需要研究配套的辅助工法施工。上海地铁2号线的4个旁通道均采用地层水平冻结和暗挖施工，解决了重要建筑物、交通要道和黄浦江下连通道暗挖施工的技术难题。2001年广州地铁纪越区间隧道采用水平冻结施工通过断层带，冻结长度61ｍ也相继成功。目前正在建设中的上海地铁2号线西延伸段，绝大多数的旁通道地层加固均采用冻结法。地层冻结加固技术为我国的城市隧道施工开创了新的途径。下面分析一下地层冻结应用的技术形式。二地层冻结的几种运用形式2.1工作井垂直孔冻结垂直孔冻结在矿山竖井施工中是相当成熟的特殊施工技术，既能适合松软流动表土的封水和加固，又能用于风化含水岩层的封水，国内最深的表土冻结深度达到383ｍ。垂直孔地层冻结施工可移植到城市工作竖井施工中，该技术在日本和西欧等发达国家的市政工程应用得较为广泛。其特点是加固强度高，能适应各种复杂的和大直径的竖井或深基坑维护，占用场地小，而且能恢复地层结构。图1是日本某工程的盾构工作井的冻结施工，采用垂直孔冻结施工工作井。在中粉细砂等流动较多地层中，降水、注浆的难度大，采用冻结法较为可靠。工作井采用垂直孔冻结值得推广应用。图1日本东京某供水隧道工作井、盾构进出洞垂直孔及水平孔冻结加固2.2重要地段和建筑下的水平孔冻结由于城市交通的繁忙，建筑的拥挤，在地面对隧道采用垂直孔冻结行不通，为此需要在隧道内沿隧道纵向在隧道四周布设近似水平的冻结器。例如1998年在北京地铁“复八线”国贸桥下开展了暗挖隧道水平孔冻结施工技术研究，解决了国贸桥下南隧道拱顶粉细砂层冒顶的技术难题，有效保护了地面国贸立交桥的安全，在隧道一端一次冻结水平长度45ｍ，见照片1和图2。照片1北京地铁“复八线”国贸桥下隧道拱顶水平冻结图2北京地铁“复八线”国贸桥下隧道拱顶水平冻结图3是瑞士苏黎世在建筑群下施工隧道，覆盖土层厚度小至6ｍ，在拱顶采用分段的地层冻结加固，确保了在隧道施工期间地面建筑的安全。图3瑞士苏黎世Ｍｉｌｃｈｂｕｃｋ隧道在建筑群区下隧道拱顶冻结加固2.3隧道内的局部冻结施工目前在地下水位较高的地区，有些隧道设计在地下水的水位。暗挖隧道主要涉及滞水和潜水的处理。对于这种条件，可以先对隧道的上半部分采取普通法施工，利用上半部分隧道的空间对下部采取分段分期局部冻结，多工作面施工。具体工法示意图见图4。图4隧道内局部冻结示意图2.4车站暗作冻土帷幕施工在我国，该技术主要应用在北京的一些地铁车站施工，例如在王府井车站。在导洞内施工冻结帷幕墙，利用地表下的粘土隔水层，形成封闭隔水机构，在高强度的冻土结构保护下，进行大跨度的地下车站暗挖施工(图5)。在类似的浅表地层中含有多层隔水层的地区，通过技术创新，可充分发挥冻结法施工自身优势来提高施工技术经济效益。2.5地下环境的保护一些辅助工法如注浆和地下连续墙等，在城市地下工事的建设中往往会改变了原始地层和水力分布体系，对环境和水资源造成不利影响，例如造成河断流、泉断涌、区域地层不均匀沉降问题等。由于冻结地层具有复原性能，如在特定地段，采用冻土帷幕，能确保工程施工后地层的恢复，有效保护地下环境。图6是德国Ｄｕｉｓｂｅｒｇ市地铁隧道施工采用地层冻结来保护地层生态环境的施工示意图。图5车站导洞暗作冻土帷幕施工方案示意图图6冻土和连续墙结合确保地层水流通道示意图三在上海盾构隧道施工中的应用实例盾构法施工隧道能减少对地面干扰，保护水资源，是城市隧道施工主体工法之一。但在盾构进出洞时，往往需要特殊的洞口加固，这是因为进出洞处地层受力复杂、扰动大，此时在盾构的进出洞处5～10ｍ范围内采用冻结加固是适宜的，根据具体条件，既可以采取地面垂直孔冻结（上海轨道交通2号线西延伸段与既有线在中山公园连接，此处的盾构进出洞土体加固即采用了冻结法），又可采取在工作井内的水平冻结，见图1。盾构隧道施工适合长距离施工。通常在隧道之间设置各种用途的联络通道，由于工程量小，只能采取非盾构方式施工。因此从盾构隧道的系统性来考虑，地层冻结是不可缺少的辅助工法。图7是在上海地铁2号线，在隧道内进行地层冻结加固和暗挖施工。这里举出上海轨道交通2号线西延伸工程V标区间隧道旁通道施工的实例进行说明。图7上海地铁2号线旁通道冻结施工布置图3.1工程概况间隧道旁通道位于隧道下行线里程XK4+288.933处，上行线里程SK4+288.892处，旁通道及泵站采取合并建造模式，其结构底部埋深约22.6m。其结构由与隧道管片相接的喇叭口、直墙圆弧拱结构的水平通道及中部矩形集水井三个部分组成。旁通道所处地层均为第④层灰色淤泥质粘土。该土层具有高压缩性、低强度、灵敏度高、透水性强等特点，在动力作用下易产生流变现象，土体内聚力小、承载力低，无法自稳。考虑地面为道路车流量大，无施工场地。而冻结法加固可以在隧道内钻水平冻结孔进行土体加固，且用冻结法加固土体具有强度高，封水性好，安全可靠。因此决定，采用冻结法在隧道内进行土体加固。3.2冻结施工3.2.1冻结孔施工根据上海市旁通道冻结孔施工的成功经验，用金刚石取芯钻开孔，跟管钻进法下冻结管。冻结孔开孔前，在布孔范围内打小孔径探孔，探测地层稳定情况。如发现有严重漏水冒泥现象，先进行水泥—水玻璃双液壁后注浆，以提高孔口附近地层稳定性，然后再钻进冻结孔。每个钻孔都设有孔口管，并安装钻孔密封装置，以防钻进时大量出泥、出水。针对施工冻结孔时容易产生涌砂涌水现象，应当采用强力水平钻机，尽量实现无泥浆钻进。如发现钻孔泥水流失，及时进行补浆。钻进过程中，应当避开管片的钢筋，不损坏管片结构强度。3.2.2冻结加固在施工中冻结过程分为积极冻结和维护冻结两个阶段，积极冻结指开挖前对土体进行强力冻结加固的阶段；维护冻结指在开挖过程中对冻土帷幕进行维护的阶段，以保证施工安全。在冻结设备安装完毕后应进行调试和试运转。检测盐水温度、测温孔温度和冻土帷幕扩展情况，必要时调整冻结系统运行参数。冻结系统运转正常后进入积极冻结。在积极冻结过程中，要根据实测温度资料判断冻土帷幕是否交圈和达到设计厚度，同时要监测冻土帷幕与隧道的胶结情况，测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度且与隧道完全胶结后再进行探孔试挖，确认冻土帷幕内土层基本无压力后再进行正式开挖。由于混凝土和钢管片相对于土层要容易散热得多，会影响隧道管片附近土层的冻结速度，从而影响冻土帷幕的整体稳定性和封水性。特别是要保证旁通道喇叭口部位冻土帷幕的厚度和强度及与管片的完全胶结，在冻结孔施工端喇叭口部位布置三排孔加强冻结,在对侧隧道布置冷冻板。所有的钢管片的格栅要用砼充填密实，同时管片外面采用PEF板隔热保温，以减少冷量损失，在冻土墙与管片胶结处放置测温点，以加强对冻土墙与管片胶结状况的检测。3.3开挖经探孔确认可以进行正式开挖后，打开钢管片，然后采用矿山法进行暗挖施工。根据工程结构特点，旁通道开挖掘进采取分区分层方式进行，其施工顺序如图8所示。图8旁通道开挖顺序图由于土体采用冻结法加固，冻土强度较高，冻结帷幕承载能力大，因而开挖时（除喇叭口处侧墙和拱顶外）可以采用全断面一次开挖，开挖步距为0.3m～0.5m，通道、集水井开挖步距为0.5m。两端喇叭口处断面较大，为减轻开挖对隧道变形的影响，开挖步距控制为0.3m。3.4冻结效果冻结41天后进行开挖，由于冻结管布置合理，形成的冻结帷幕将整个施工区域全部包括。在开挖过程中，由于冻结帷幕的保护，施工能够安全的进行。根据土体开挖过程中的实际观测，在距冻结管2.3米处，土体即成胶状，温度4~6℃，自立性很好。在距冻结管1~1.5米处，土体温度即可达到零下，强度很高，需要用风枪开凿。四应用前景分析每一种工法都有其技术优势和局限。地层冻结法也不例外。推广地层冻结施工不仅需要结合具体条件，而且还应有创造性地开发和利用。4.1适应性将地层冻结作为浅埋暗挖施工的辅助工法，和管棚、小导管注浆等其他配套技术相比，它的优点是施工安全，工期可靠、适应性强,加固强度高、封水性能好,地表的位移小。不足之处是需要扩大面，准备期较长，价格相对较高。盾构法施工也是地铁区间隧道施工的发展趋势。大规模的盾构施工不但不会削弱地层冻结技术应用优势，相反为地层冻结创造更多机会。因为盾构的进出洞以及区间隧道之间的联络通道是地层冻结的用武之地。和降水、连续墙帷幕相比,它的环保性能好，保护水资源和地层结构,成本也相对较低。随着地下隧道网络的加密，隧道和隧道的立交、隧道和地面重要建筑、交通要道之间的交叉等问题相继会出现，地层冻结将以其高强度、高安全性等优势,赢得市场份额。4.2技术持续改进(1)冻结施工有一整套工序，它包括打钻、安装、积极冻结、维护冻结等,这些工序应有机地纳入地下工事系统中，提高平行作业率，增加作业面，有利于发挥地层冻结的技术优势。(2)开发适合于地下狭小环境下冻结孔快速施工的全方位钻机，能更有效地布置冻结孔。进一步研究长距离水平孔钻进，提高冻结器铺设的精度和施工速度，有利于大规模、高效能地发挥地层冻结的综合优势。(3)冻结加固后的隧道有了稳定安全的施工条件，应提高机械化掘衬施工水平，即配套土体和周边冻土的开挖、装运和衬砌施工的机械设备，提高施工速度，有利于降低冻结和掘衬成本。