陳湘生

(深圳市地鐵集團(tuán)有限公司, 廣東 深圳　518026)

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凍結(jié)法幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題及在地下空間近接工程中最新應(yīng)用

陳湘生

(深圳市地鐵集團(tuán)有限公司, 廣東 深圳518026)

摘要：地層凍結(jié)法在我國(guó)應(yīng)用已超過(guò)60年。作為地下工程和隧道工程治水最有效方法之一，既有它的優(yōu)勢(shì)也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。給出凍結(jié)工程的全過(guò)程流程，并從凍土結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中受力機(jī)制分為“隔水”(水壓)和“既隔水又承受巖土壓”(土水壓)之間的差異，詳盡說(shuō)明需要考慮的影響設(shè)計(jì)的主要因素，特別對(duì)地層凍脹和融沉機(jī)制和預(yù)防做出詳細(xì)闡述，最后給出在隧道工程的地層凍結(jié)方面的最新進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：地層凍結(jié)； 凍脹融沉； 隧道； 地鐵車(chē)站； 盾構(gòu)進(jìn)出洞

0引言

人工地層凍結(jié)法(Artificially ground freezing method)從1955年首次應(yīng)用于我國(guó)開(kāi)灤煤礦開(kāi)鑿豎井以來(lái)，用于礦山鑿井已接近1 000個(gè)，最深凍結(jié)深度將達(dá)到955 m(下部局部?jī)鼋Y(jié))，凍結(jié)總長(zhǎng)度超過(guò)260 km。隨著1997年成功開(kāi)發(fā)出具有我國(guó)特色近水平凍結(jié)成套技術(shù)以來(lái)，地層凍結(jié)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在含水軟弱困難地層中的市政和地鐵中的凍結(jié)工程超過(guò)220個(gè)[1],解決了其他工法難以解決的許多工程難題，使我國(guó)地層凍結(jié)法的研究和應(yīng)用處于國(guó)際領(lǐng)先地位。隨著地層凍結(jié)法在我國(guó)的廣泛應(yīng)用，在工程實(shí)施過(guò)程中也遇到了不少問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)。比如一些工程技術(shù)人員對(duì)人工凍土物理力學(xué)性質(zhì)、凍結(jié)過(guò)程凍土發(fā)展規(guī)律及范圍控制、凍脹和融沉機(jī)制及控制技術(shù)、凍土結(jié)構(gòu)的受力體系及凍土墻設(shè)計(jì)、凍土結(jié)構(gòu)和永久結(jié)構(gòu)相互作用、注漿補(bǔ)償控制工后沉降等認(rèn)知不十分清楚。往往導(dǎo)致設(shè)計(jì)不合理或者容易出現(xiàn)紕漏而導(dǎo)致重大事故；或者設(shè)計(jì)缺乏全面考量而出現(xiàn)錯(cuò)誤；或者沒(méi)有完整經(jīng)驗(yàn)照搬以往設(shè)計(jì)而缺乏針對(duì)性；或者不清楚凍土結(jié)構(gòu)受力體系而出現(xiàn)錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)和施工組織設(shè)計(jì)；或者缺乏對(duì)凍脹和融沉處理缺乏針對(duì)性等。因此，很有必要從對(duì)凍土結(jié)構(gòu)本身設(shè)計(jì)出發(fā)，把這些關(guān)鍵因素一一厘晰清楚，供工程技術(shù)人員借鑒，以求在應(yīng)用該施工方法時(shí)盡可能少出問(wèn)題或者不出問(wèn)題。

1凍結(jié)設(shè)計(jì)

地層凍結(jié)設(shè)計(jì)主要包含凍土結(jié)構(gòu)(凍結(jié)壁)設(shè)計(jì)和凍結(jié)三大系統(tǒng)(制冷、冷媒和冷卻水)的設(shè)計(jì)，以及與此相關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)要素。

由于地層凍結(jié)法的靈活性及有多種選擇性，因而對(duì)某一具體工程有其獨(dú)特的選擇及設(shè)計(jì)方法，包括設(shè)備及材料的選擇以及多種凍結(jié)方案的可靠性與比較。一般就地層凍結(jié)工法設(shè)計(jì)而言，以下6個(gè)步驟[1]是必須完成的： 設(shè)計(jì)條件、凍結(jié)工法的可行性、結(jié)構(gòu)優(yōu)選分析、熱學(xué)計(jì)算、具體凍結(jié)方案優(yōu)選及所選方案的費(fèi)用最終估算。地層凍結(jié)全過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1　地層凍結(jié)全過(guò)程

凍結(jié)壁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵基礎(chǔ)資料是計(jì)算標(biāo)志層凍土力學(xué)性質(zhì)(指標(biāo))和初選凍結(jié)壁平均溫度。凍結(jié)壁設(shè)計(jì)中的凍土物理力學(xué)指標(biāo)和特性極為重要，它們和凍結(jié)壁平均溫度直接相關(guān)。一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初選凍結(jié)壁平均溫度，再根據(jù)所選溫度對(duì)應(yīng)的凍土物理力學(xué)指標(biāo)和特性，初算凍結(jié)壁厚度。然后再匡算經(jīng)濟(jì)合理性，進(jìn)而最后調(diào)整和優(yōu)化凍結(jié)壁平均溫度和凍結(jié)壁厚度。凍結(jié)壁平均溫度應(yīng)根據(jù)凍結(jié)壁承受荷載大小(或開(kāi)挖深度)、凍脹融沉可能對(duì)環(huán)境造成的影響及工藝合理性確定。淺層凍結(jié)工程，一般情況下可按表1選取，礦山凍結(jié)工程按表2選取。凍結(jié)壁承受荷載大、安全要求高的工程宜取較低的凍結(jié)壁平均溫度。當(dāng)土層含鹽量較高時(shí)，應(yīng)經(jīng)試驗(yàn)確定鹽水溫度。維持凍結(jié)期間(開(kāi)挖和支護(hù))鹽水溫度，應(yīng)根據(jù)凍結(jié)壁狀況、側(cè)幫溫度和測(cè)溫孔溫度資料確定。

1.1凍結(jié)壁設(shè)計(jì)

地層凍土結(jié)構(gòu)(凍結(jié)壁)設(shè)計(jì)是地層凍結(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。深井和淺層地下結(jié)構(gòu)施工中含水地層的凍結(jié)加固設(shè)計(jì)主要涉及到豎井、斜井、基坑、隧道、旁通道、地下室、盾構(gòu)和頂管進(jìn)/出洞口的地層凍結(jié)加固[2]。首先要判斷地層凍結(jié)結(jié)構(gòu)的目的(見(jiàn)表3)。根據(jù)地層凍結(jié)結(jié)構(gòu)的承載方式進(jìn)行地層凍結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要包括以下內(nèi)容： 凍結(jié)壁結(jié)構(gòu)方案比較與選擇(包括深度(長(zhǎng)度)和范圍)；凍結(jié)壁的承載力和變形驗(yàn)算；凍結(jié)孔布置設(shè)計(jì)(考慮周邊環(huán)境及凍脹和融沉)；凍結(jié)壁形成驗(yàn)算(含熱力計(jì)算)；凍結(jié)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)(制冷、冷媒、冷卻水三大系統(tǒng)和檢測(cè))；對(duì)凍結(jié)壁的監(jiān)測(cè)、保護(hù)要求、凍脹控制；凍脹和融沉可能對(duì)周?chē)h(huán)境和建(構(gòu))筑物產(chǎn)生影響的分析；對(duì)周?chē)h(huán)境和建(構(gòu))筑物的影響監(jiān)測(cè)與保護(hù)要求。

表1淺層工程凍結(jié)壁平均溫度設(shè)計(jì)參考值(取決于凍土力學(xué)指標(biāo))

Table 1Design reference value for average temperature of ice wall for shalloe works (depending on the mechanical parameters of frozen soil)

開(kāi)挖深度He/m凍結(jié)壁平均溫度Ta/℃ ﹤12-6～-812～30-8～-10 ﹥30 ≤-10

表2礦山凍結(jié)工程凍結(jié)壁平均溫度設(shè)計(jì)參考值

Table 2Design reference value for average temperature of ice wall for shaft construction

凍結(jié)的沖積層厚/m凍結(jié)壁平均溫度Ta/℃ ﹤120-5～-7120～250-7～-10250～400-10～-15 ﹥400 ﹤-15

表3　凍結(jié)壁功能分類(lèi)表

在地層凍結(jié)區(qū)域內(nèi)有以下情況時(shí)，設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行深入分析并采取針對(duì)性措施： 地下水流速大于5 m/d、有集中水流或地下水水位有明顯(≥2 m/d)波動(dòng)；地層水結(jié)冰溫度低于-2 ℃(含鹽)或有地下熱源可能影響土體凍結(jié)；地層含水量低影響土體凍結(jié)強(qiáng)度；用其他施工方法已擾動(dòng)過(guò)的地層；有其他可能影響地層凍結(jié)或地層凍結(jié)可能?chē)?yán)重影響周?chē)h(huán)境的情況。

當(dāng)凍結(jié)壁表面直接與大氣接觸，或通過(guò)導(dǎo)熱物體與大氣產(chǎn)生熱交換時(shí)，應(yīng)在凍結(jié)壁或?qū)嵛矬w表面采取保溫措施。在凍結(jié)壁形成期間，凍結(jié)壁內(nèi)或凍結(jié)壁外200 m區(qū)域內(nèi)的透水砂層中不宜采取降水措施。必須降水施工時(shí)，凍結(jié)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮降水產(chǎn)生的不利影響。

1.1.1淺層工程中凍結(jié)壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1.1.1淺層工程中凍結(jié)壁結(jié)構(gòu)形式選擇原則

1)凍結(jié)壁宜按受壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2)在含水砂性土層中應(yīng)采用封閉的凍結(jié)壁結(jié)構(gòu)形式。

3)凍結(jié)壁的幾何形狀宜與擬建地下結(jié)構(gòu)的輪廓接近，并易于凍結(jié)孔布置。

4)凍結(jié)壁結(jié)構(gòu)形式選擇應(yīng)有利于控制土層凍脹與融沉對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。

5)對(duì)凍結(jié)壁有嚴(yán)格變形控制要求時(shí)，可采用“凍實(shí)”的凍結(jié)形式。

旁通道的通道部分可采用直墻圓拱凍結(jié)壁，集水井可采取滿堂加固或采用“V”字形凍結(jié)壁。開(kāi)挖后凍結(jié)壁應(yīng)設(shè)初期支護(hù)或內(nèi)支撐，但凍結(jié)壁承載力設(shè)計(jì)仍按獨(dú)立承受全部荷載計(jì)算。凍結(jié)壁的厚度設(shè)計(jì)可采用既有圍護(hù)結(jié)構(gòu)或臨時(shí)結(jié)構(gòu)計(jì)算公式，只是其中的力學(xué)指標(biāo)等參數(shù)換成人工凍土的參數(shù)即可。

1.1.1.2淺層工程凍結(jié)壁厚度設(shè)計(jì)與強(qiáng)度檢驗(yàn)

對(duì)于淺層工程中表3的Ⅱ類(lèi)凍結(jié)壁要按承載力要求設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度Eth。無(wú)論是矩形、方形、圓形(水平、垂直或者傾斜)或者其他任何形狀凍土結(jié)構(gòu)，都可以套用現(xiàn)有的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)或地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)公式。不同的是力學(xué)指標(biāo)為凍土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，這些指標(biāo)都與溫度直接相關(guān)。溫度變化，對(duì)應(yīng)的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)都要變化。尤其是其中的冰是一個(gè)隨溫度而變的物質(zhì)，必須高度重視它的特性和存在，所有能影響它狀態(tài)和性能變化的外界因素必須高度重視。另一方，在開(kāi)挖過(guò)程中，也可以通過(guò)信息化監(jiān)測(cè)了解凍結(jié)壁的穩(wěn)定性，通過(guò)調(diào)節(jié)鹽水溫度來(lái)改變凍結(jié)壁溫度以提高凍結(jié)壁的穩(wěn)定性。即地層凍結(jié)法是在施工過(guò)程中能夠根據(jù)需要及時(shí)改變凍土圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)的工法。這是其他工法無(wú)法相比的優(yōu)越性。

多數(shù)情況下淺層工程的凍土結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算模型可簡(jiǎn)化為均質(zhì)彈性體，其力學(xué)特性參數(shù)宜取設(shè)計(jì)凍結(jié)壁平均溫度下的凍土力學(xué)特性指標(biāo)。一般情況下，開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)施工初期支護(hù)，凍結(jié)壁的空幫時(shí)間不宜大于24 h。按下列公式進(jìn)行凍結(jié)壁的強(qiáng)度檢驗(yàn)，一般情況下可只進(jìn)行抗壓、抗折和抗剪強(qiáng)度檢驗(yàn)。

Ksσs≤σk。

(1)

式中：σs為凍結(jié)壁應(yīng)力強(qiáng)度，MPa；σk為凍土的瞬時(shí)強(qiáng)度指標(biāo)，MPa；Ks為安全系數(shù)，Ⅱ類(lèi)凍結(jié)壁強(qiáng)度檢驗(yàn)安全系數(shù)按表4選取。對(duì)于凍結(jié)純黏土在取表4中安全系數(shù)時(shí)可以適當(dāng)小一點(diǎn)[3]。

表4?、蝾?lèi)凍結(jié)壁強(qiáng)度檢驗(yàn)安全系數(shù)

如相鄰管線或其他建構(gòu)筑物變形控制等有特殊要求時(shí)，必須驗(yàn)算凍結(jié)壁的變形。

特別是地鐵工程中的旁通道喇叭口處的凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度不應(yīng)小于0.8 m，其他部位的凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度不應(yīng)小于1.4 m。在凍結(jié)壁與隧道管片的交接面強(qiáng)度未經(jīng)計(jì)算檢驗(yàn)時(shí)，凍結(jié)壁與隧道管片的交接面寬度不得小于喇叭口處的凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度，且與凍結(jié)壁交界面上的最低溫度不得高于設(shè)計(jì)平均溫度。

圓形凍土墻還必須進(jìn)行環(huán)向穩(wěn)定性和垂向穩(wěn)定性(凍結(jié)管)校核；對(duì)于變形比較大的需要對(duì)凍結(jié)管安全性校核。 對(duì)于重力式凍土擋墻結(jié)構(gòu)、懸臂式凍土擋墻結(jié)構(gòu)、薄板凍土墻結(jié)構(gòu)等可直接套用現(xiàn)有計(jì)算公式，采用凍土的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)需要校核凍土墻的嵌固深度、凍土墻厚度校核(根據(jù)抗傾覆穩(wěn)定條件計(jì)算)、基坑底抗隆和基坑底抗管涌；以及坑底最大滲水量核算。

1.1.2深層工程凍結(jié)壁厚度設(shè)計(jì)

豎井凍結(jié)壁厚度Eth計(jì)算，主要根據(jù)沖積層厚度、巖性特征來(lái)選擇合理的凍結(jié)壁厚度計(jì)算公式。凍結(jié)壁厚度按下列順序進(jìn)行計(jì)算：

1)根據(jù)井筒地質(zhì)柱狀圖，把沖積層最深的含水層及深厚黏土層確定為凍結(jié)壁設(shè)計(jì)的控制層，用重液地壓計(jì)算公式算出控制層的地壓值。

2)根據(jù)表2選擇合理的凍結(jié)壁平均溫度，根據(jù)平均溫度和試驗(yàn)資料，或有關(guān)計(jì)算公式，分別求得深部含水層及深部黏土層的凍土計(jì)算強(qiáng)度值。

3)根據(jù)控制層的深度、地壓值，該處井筒荒徑和凍土強(qiáng)度值，對(duì)沖積層較淺的凍結(jié)井筒(≤150 m)，宜用無(wú)限長(zhǎng)彈性體凍結(jié)壁厚度計(jì)算公式或彈塑性體凍結(jié)壁厚度計(jì)算公式求出凍結(jié)壁初選的厚度，并應(yīng)根據(jù)深度和土性選擇井幫凍土溫度，確定凍結(jié)壁有效厚度。

4)凍結(jié)壁平均溫度的核算，應(yīng)滿足設(shè)計(jì)選擇的平均溫度。

5)對(duì)于沖積層較深井凍結(jié)(>150 m)的深厚黏土層的凍結(jié)壁，應(yīng)采用按有限長(zhǎng)極限狀態(tài)強(qiáng)度條件計(jì)算公式進(jìn)行初算，確定安全的掘進(jìn)段高，并應(yīng)控制在2.5 m以下。還須檢驗(yàn)凍結(jié)壁內(nèi)表面允許位移值(控制凍結(jié)管變形)、允許的暴露時(shí)間。

6)如平均溫度、位移值等有不滿足時(shí)，需調(diào)整計(jì)算參數(shù)，再重復(fù)計(jì)算，直至各參數(shù)滿足要求。

在凍結(jié)法鑿井早期，因凍結(jié)深度較淺而土層水平壓力(圓形凍土壁側(cè)壓)比較小，工程師們認(rèn)為圓形凍結(jié)壁處于彈性狀態(tài)。計(jì)算力學(xué)模型是把凍結(jié)壁看成無(wú)限長(zhǎng)且沒(méi)有內(nèi)襯(或者內(nèi)襯支反力不計(jì))的圓形彈性體，外部荷載就是計(jì)算處所處地層的水平壓力(地壓)。對(duì)應(yīng)地采用Lame和Clapeyton(1833)無(wú)限長(zhǎng)厚壁圓筒設(shè)計(jì)公式。對(duì)于較深凍結(jié)井(沖積層深>150 m)，德國(guó)的Domke教授(1915)通過(guò)簡(jiǎn)化提出了無(wú)限長(zhǎng)厚壁圓筒的彈塑設(shè)計(jì)公式。眾所周知，凍土在一定壓力作用下呈現(xiàn)流變特性，也即與時(shí)間有關(guān)這一特征，這些基于彈性或彈塑性理論的設(shè)計(jì)公式的假設(shè)條件與工程實(shí)踐，尤其是深凍結(jié)井凍結(jié)壁受力狀態(tài)不相符。基于此，前蘇聯(lián)土力學(xué)專(zhuān)家С.С.Вялов等學(xué)者取圖2所示模型作為圓形凍結(jié)壁設(shè)計(jì)對(duì)象。其上端是已澆灌好的混凝土井壁和鋼模板，下端是開(kāi)挖工作面。在地層深部段高h(yuǎn)一般小于凍結(jié)壁內(nèi)半徑r，凍結(jié)壁可視為有限長(zhǎng)厚壁圓筒(R/r≥1.1且(R-r)/r≥1/10)，他認(rèn)為不但要考慮凍結(jié)壁的強(qiáng)度，還必須把其顯著特征——蠕變考慮進(jìn)去，同時(shí)還需考察上下端約束條件、段高[4],提出了小段高凍結(jié)壁設(shè)計(jì)公式。在當(dāng)時(shí)С.С.Вялов沒(méi)能把溫度和時(shí)間參數(shù)分離出來(lái)。筆者在大量人工凍土實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，完善了С.С.Вялов的凍結(jié)壁設(shè)計(jì)式，見(jiàn)式(2)。

圖2　小段高凍結(jié)壁

(2)

式中：Eth為凍結(jié)壁厚度，m；ph為凍結(jié)壁計(jì)算出的地層水平壓力，MPa；A0、B、C和K是凍土三軸蠕變數(shù)學(xué)模型無(wú)量綱試驗(yàn)參數(shù)；T是凍結(jié)壁平均溫度，℃；ξ是井筒開(kāi)挖工作面以下地層對(duì)凍結(jié)壁約束程度系數(shù)，取0～0.5；Ur是凍結(jié)壁允許位移值，受控于凍結(jié)管和凍結(jié)壁允許變形值。

假設(shè)凍土體積不變(即取泊松比μ=0)，并考慮凍結(jié)壁允許位移值Ur遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于凍結(jié)壁內(nèi)半徑這一事實(shí)，得出凍結(jié)壁允許位移值Ur和所涉計(jì)算的凍結(jié)管向井筒內(nèi)允許變位值Uft近似關(guān)聯(lián)公式：Ur=Rft/rUft。其中Rft是所計(jì)算的凍結(jié)管布置圈半徑，m；Uft是所計(jì)算的凍結(jié)管向井筒內(nèi)徑向允許變位值，m。二者既是獨(dú)立的允許值，又存在直接的關(guān)聯(lián)關(guān)系。在設(shè)計(jì)時(shí)取二者較小的作為控制值，偏于安全。

1.2制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)永久結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獲得其形式和襯砌厚度，由此選定凍土圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)計(jì)算模型。根據(jù)邊界條件(建(構(gòu))筑物安全要求及開(kāi)挖條件等)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)、人工凍土物理力學(xué)性質(zhì)等，就可以基本初算出凍土圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度和對(duì)應(yīng)的凍土圍護(hù)結(jié)構(gòu)平均溫度[5]。由此計(jì)算出鹽水溫度、凍結(jié)孔間距、冷卻水量、裝機(jī)容量及功耗等。根據(jù)永久結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和凍結(jié)壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，可基本確定凍結(jié)孔布置參數(shù)： 凍結(jié)孔間距(開(kāi)孔間距、成孔控制間距、凍結(jié)孔孔位)、凍結(jié)孔深度和凍結(jié)孔偏斜精度要求(根據(jù)鉆機(jī)鉆進(jìn)精度)等。凍結(jié)孔成孔控制間距取決于凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度、凍結(jié)壁平均溫度、鹽水溫度和凍結(jié)工期的要求。凍結(jié)孔開(kāi)孔間距不宜大于凍結(jié)孔成孔控制間距與凍結(jié)孔最大偏斜之差。當(dāng)單排凍結(jié)孔在規(guī)定凍結(jié)工期內(nèi)達(dá)不到設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度和平均溫度，或者達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)布置多排凍結(jié)孔凍結(jié)。

鹽水溫度與鹽水流量應(yīng)滿足在設(shè)計(jì)的時(shí)間內(nèi)使凍結(jié)壁厚度和平均溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值的需要。最低鹽水溫度確定應(yīng)根據(jù)凍結(jié)壁設(shè)計(jì)平均溫度、地層環(huán)境及氣候條件確定。根據(jù)表5(淺層工程)和表6(礦山豎井)初選鹽水溫度，在一般情況下再比對(duì)表1(淺層工程)或表2(豎井工程)。設(shè)計(jì)凍結(jié)壁平均溫度低、地溫高、氣溫低時(shí)宜取較低的鹽水溫度。

表5淺層工程最低鹽水溫度設(shè)計(jì)參考值

Table 5Design reference value for lowest brine temperature of shallow works

凍結(jié)壁平均溫度Tp/℃最低鹽水溫度Ty/℃-6～-8-26～-28-8～-10-28～-30 ≤-10-30～-32

表6礦山凍結(jié)工程鹽水溫度參考值

Table 6Reference value for brine temperature of ice wall for shaft construction

凍結(jié)的沖積層厚/m鹽水溫度Tb/℃ ﹤120-22～-24120～250-22～-27250～400-25～-32 ﹥400 ﹤-30

注： 鹽水溫度根據(jù)豎井開(kāi)挖直徑選取，直徑越大選取溫度應(yīng)越低。

凍結(jié)施工全過(guò)程鹽水溫度控制是不同的。一般積極凍結(jié)期前15～20 d鹽水溫度降至-25 ℃以下(設(shè)計(jì)最低鹽水溫度高于-25 ℃時(shí)取設(shè)計(jì)最低鹽水溫度)；開(kāi)挖過(guò)程中鹽水溫度降至設(shè)計(jì)最低鹽水溫度以下。施工初期支護(hù)后可進(jìn)行維護(hù)凍結(jié)，但維護(hù)凍結(jié)鹽水溫度不宜高于-22～-28 ℃(取決于地層深度和凍結(jié)壁平均溫度)。一般來(lái)說(shuō)，在保證凍結(jié)壁平均溫度和厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求且實(shí)測(cè)判定凍結(jié)壁安全的情況下，開(kāi)挖過(guò)程中可適當(dāng)提高鹽水溫度，但不宜高于-25 ℃[6]。

有關(guān)凍結(jié)壁完全形成時(shí)間、凍土熱容量(所吸收的冷量)、鹽水系統(tǒng)和鹽水泵揚(yáng)程等計(jì)算可參考專(zhuān)門(mén)書(shū)籍。

2土壤凍脹融沉及其控制

真正對(duì)相鄰建(構(gòu))筑物物產(chǎn)生不良影響的主要是那些凍敏性土(黏性土)，而那些不是凍敏性土凍脹(融沉)的影響很小[7]。衡量?jī)雒浀闹饕笜?biāo)是凍脹率。凍脹率指凍土單向凍結(jié)方向上的尺寸與凍結(jié)前的比值。一般按凍脹率大小來(lái)劃分土壤凍脹等級(jí)[8]。目前廣泛應(yīng)用的凍敏性土凍脹分類(lèi)采用美國(guó)寒區(qū)研究和工程實(shí)驗(yàn)室(Cold Regions Research and Engineering Laboratory)用凍脹速度進(jìn)行分級(jí)(見(jiàn)表7)。

表7　 美國(guó)寒區(qū)研究和工程實(shí)驗(yàn)室和俄羅斯凍脹分類(lèi)

筆者及其團(tuán)隊(duì)對(duì)土壤凍脹和融沉進(jìn)行的1g(g是重力加速度)和ng(n是在土工離心試驗(yàn)機(jī)上土壤模型所受重力加速度的倍數(shù))實(shí)驗(yàn)研究[9]表明，影響凍脹(融沉)的主要因素是土體、水、溫度和荷載 4個(gè)內(nèi)、外因素。其中土的因素包括土的粒度成分、礦物成分、化學(xué)成分和密度等，其中，最主要的是土的粒度成分。大的凍脹通常發(fā)生在細(xì)粒土中，其中粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)砂土中的水分遷移最為強(qiáng)烈，因而凍脹性最強(qiáng)。黏土由于土粒間孔隙太小，水分遷移有很大阻力，凍脹性較小。砂礫，特別是粗砂和礫石，由于顆粒粗，表面能小，凍結(jié)時(shí)一般不產(chǎn)生顯著水分遷移，所以不具顯著凍脹性。細(xì)砂凍結(jié)時(shí)，水產(chǎn)生反向(即向未凍土方向)轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)排水現(xiàn)象，也不具凍脹性。在天然情況下，凍土粒度常是粗細(xì)混雜的，當(dāng)粉黏粒(粒徑小于0.05 mm)含量高于5%時(shí),便具有凍脹性。凍土的礦物成分對(duì)凍脹性也有影響： 在常見(jiàn)的黏土礦物中，高嶺土的凍脹量最大,水云母次之,蒙脫石最小。凍土中的鹽分也影響凍脹，通常在凍土中加入可溶鹽可削弱土的凍脹。

并非所有含水的土凍結(jié)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生凍脹，只有當(dāng)土中的水分超過(guò)某一界限值后，土的凍結(jié)才會(huì)產(chǎn)生凍脹，這個(gè)界限即為該土的起始凍脹含水量。當(dāng)土體含水量小于其起始凍脹含水量時(shí)，土中有足夠的孔隙容納未凍水和冰[10]，結(jié)冰時(shí)沒(méi)有凍脹。凍結(jié)速度對(duì)凍脹也有影響： 冷卻強(qiáng)度大時(shí)，凍結(jié)面迅速向未凍部分推移，未凍部分的水來(lái)不及向凍結(jié)面遷移就在原地凍結(jié)成冰，無(wú)明顯凍脹；冷卻強(qiáng)度小時(shí)，凍結(jié)面推移慢，未凍水克服沿途阻力后到分凝成冰面結(jié)冰，在外部水源補(bǔ)給下，凍結(jié)面向未凍部分推移越慢，形成的冰層越厚，凍脹也越大。

顯然，土壤凍結(jié)時(shí)原位孔隙水凍結(jié)體積增大9.05%(原位凍脹)，而外來(lái)遷移水分則使結(jié)冰處體積增大109.05%(水分遷移凍脹)。凍土融化時(shí)地層要融沉，原位水結(jié)冰融化體積縮小導(dǎo)致其融沉8.3%；外來(lái)遷移水結(jié)冰融化時(shí)全部排走后其體積縮小108.3%。顯然，原位水凍脹量(融沉)非常小，開(kāi)放系統(tǒng)飽水土體水分遷移凍脹量(融沉)要大很多。所以土中的水分遷移凍脹是構(gòu)成土體凍脹的主要分量，水分遷移凍脹量(融沉)正是我們要高度關(guān)注和控制的。對(duì)此,工程人員應(yīng)對(duì)那些凍敏性土高度關(guān)注和嚴(yán)格控制?？梢?jiàn)，凍脹(融沉)是一個(gè)非常復(fù)雜的課題。在實(shí)踐中要解決其對(duì)相鄰建(構(gòu))筑物物的不良影響，尤其是可能破壞的影響進(jìn)行控制，必須從內(nèi)因或外因、或同時(shí)著手。

凍脹敏感性土的粒徑是影響凍脹的一個(gè)重要因素，顆粒越小凍脹性越強(qiáng)。砂土凍脹不敏感，一般粉質(zhì)黏性土凍脹敏感。要想在凍結(jié)時(shí)抑制水分遷移凍脹，就是要抑制水分遷移，或者沒(méi)有外給水源、或者阻斷外給水源遷移到凍結(jié)鋒面的水力通道。在實(shí)踐中，外給水源是地下水，一般無(wú)法取消，只有阻斷水力通道。也就是對(duì)凍敏性土減少凍脹可以通過(guò)阻斷水分遷移的通道來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣，可以在凍結(jié)開(kāi)始前對(duì)地層進(jìn)行某種程度的改造，比如注漿、水泥攪拌、旋噴等方式適度堵住土壤中的空隙(阻斷水力通道)。降低土壤透水系數(shù)，阻止水分遷移；加強(qiáng)土體強(qiáng)度，減小壓縮沉降。從而在凍結(jié)時(shí)水分無(wú)法遷移，進(jìn)而不會(huì)產(chǎn)生水分遷移凍脹(融沉)。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)凍土圍護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到凍結(jié)設(shè)計(jì)厚度時(shí)，就應(yīng)該只供有限量的冷量維持改動(dòng)土厚度。否則產(chǎn)生超量?jī)鼋Y(jié)而導(dǎo)致較大的地層凍脹。

融沉對(duì)相鄰建(構(gòu))筑物的影響有時(shí)也相當(dāng)大，融沉與凍脹密切相關(guān)。通常，控制凍脹就間接控制了融沉。雖然工程上融沉量的估算可以簡(jiǎn)單地用融沉率與凍土高度的乘積來(lái)計(jì)算，但是很難準(zhǔn)確。還可以采取強(qiáng)制解凍、跟蹤注漿盡快固結(jié)土體，避免長(zhǎng)期沉降等凍土融沉綜合控制措施。

凍結(jié)工程完成時(shí)凍土融化后產(chǎn)生一定的融沉，一般來(lái)說(shuō)它由融化沉降和壓縮沉降2部分組成。凍土融化時(shí)，冰變成水體積縮小產(chǎn)生融化沉降。融化區(qū)域通過(guò)凍結(jié)時(shí)產(chǎn)生的水力通道排水固結(jié)，導(dǎo)致土體壓縮沉降。融化沉降量與壓力無(wú)關(guān)，壓縮沉降與壓力成正比。因?yàn)檫@種特定的固結(jié)排水把原位水也可能擠走，這樣就可能產(chǎn)生融沉量大于凍脹量[11]。

3凍結(jié)法在近接工程中的最新發(fā)展

3.1軟土地層中在既有地鐵車(chē)站底板緊貼交叉穿越

明珠線二期上體場(chǎng)車(chē)站穿越地鐵1號(hào)線上體館站施工段(下簡(jiǎn)稱(chēng)穿越段)，如圖3所示，要在運(yùn)營(yíng)的上體館站地板下斜交新建上體場(chǎng)站。運(yùn)營(yíng)的上體館車(chē)站呈南北布置，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm地下連續(xù)墻，穿越段處地下墻底標(biāo)高為-22.042 m(深26 m)。車(chē)站頂板厚700 mm，中板厚500 mm，底板厚1 000 mm，墊層厚200 mm，主體結(jié)構(gòu)混凝土標(biāo)號(hào)為300號(hào)，墊層混凝土標(biāo)號(hào)為150號(hào)，立柱截面尺寸為1.2 m×0.8 m。穿越段處墊層底標(biāo)高約為-10.3 m。

圖3　新建上體場(chǎng)穿越段位置示意圖(黃色區(qū))

Fig. 3Overlap section between operating Metro station and under-construction Metro station (yellow area)

穿越段與地鐵1號(hào)線斜交約77°，方向大致為由東向西。根據(jù)原設(shè)計(jì)方案，穿越段結(jié)構(gòu)由相鄰的上行線隧道、下行線隧道和換乘通道3部分組成，結(jié)構(gòu)橫截面尺寸約為2個(gè)5.74 m (高)×21.5 m(寬)，穿越段頂面緊貼地鐵1號(hào)線車(chē)站底板，穿越段結(jié)構(gòu)頂部絕對(duì)標(biāo)高約為-10.08 m，底板底標(biāo)高約為-15.82 m，地面絕對(duì)標(biāo)高為+4.19 m[12]。穿越段東端與明珠線上體場(chǎng)站相連，西端為明珠線區(qū)間隧道盾構(gòu)工作。穿越段總長(zhǎng)度約22.6 m。新建上體場(chǎng)車(chē)站結(jié)構(gòu)與運(yùn)營(yíng)上體館站結(jié)構(gòu)和位置關(guān)系見(jiàn)圖4。

由于穿越段從1號(hào)線上體館站下穿過(guò)，其結(jié)構(gòu)緊貼1號(hào)線車(chē)站底板，1號(hào)線車(chē)站上方地面為高架立交橋；穿越施工范圍內(nèi)地層有飽和粉土，而且需要穿過(guò)1號(hào)線車(chē)站兩側(cè)厚0.8 m的地下連續(xù)墻，給施工造成了很大困難。施工中不能影響1號(hào)線地鐵站和地面立交橋的正常運(yùn)行，施工對(duì)地層擾動(dòng)的控制極為嚴(yán)格，進(jìn)一步增加了工程的難度。尤其是施工區(qū)域緊鄰重要公共建筑與民宅，在穿越段開(kāi)挖過(guò)程中絕對(duì)不能發(fā)生水砂突出事故，否則其結(jié)果將是災(zāi)難性的，居民的生命安全將受到嚴(yán)重威脅，對(duì)施工技術(shù)的可靠性提出了極高要求。

(a) 平面關(guān)系圖

(b)A-A剖面關(guān)系圖和地質(zhì)剖面

(c)B-B剖面圖

圖中藍(lán)色為新結(jié)構(gòu)。

圖4新建上體場(chǎng)車(chē)站結(jié)構(gòu)(藍(lán)色)與運(yùn)營(yíng)上體館站結(jié)構(gòu)和位置關(guān)系

Fig. 4Spatial relationship between operating Metro station and under-construction Metro station

為了確保上體場(chǎng)站穿越段工程順利進(jìn)行，經(jīng)深入研究和方案可靠性反復(fù)對(duì)比，上體場(chǎng)穿越段確定采用水平孔凍結(jié)法加固地層、礦山法開(kāi)挖的總體施工方案。為使本項(xiàng)目施工對(duì)運(yùn)營(yíng)車(chē)站的安全和施工本身的安全，本項(xiàng)目采取理論研究、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)、工程設(shè)計(jì)和實(shí)施、工程檢測(cè)驗(yàn)證相結(jié)合的研究方法。著重解決了： 凍結(jié)壁及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用技術(shù)(承受全部土水壓力)；水平凍結(jié)孔夯管施工技術(shù)；地層凍脹和融沉防治技術(shù)；凍結(jié)壁形成質(zhì)量控制技術(shù)；穿越段開(kāi)挖與支護(hù)工藝技術(shù)。水平凍結(jié)孔見(jiàn)圖5。

(a)

(b)

形成凍結(jié)壁結(jié)構(gòu)的主凍結(jié)孔布置時(shí)采用較小孔間距，有利提高凍結(jié)壁的發(fā)展速度和凍結(jié)壁溫度的均勻性，減少凍結(jié)主面和輔面的凍結(jié)壁溫度差，滿足凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度和平均溫度要求。輔助凍結(jié)孔的設(shè)置主要考慮改善主凍結(jié)壁結(jié)構(gòu)受力，使主凍結(jié)壁在開(kāi)挖工作面之前形成暗撐結(jié)構(gòu)，減少凍結(jié)壁的超前變形，同時(shí)起到提高隧道開(kāi)挖工作面土體穩(wěn)定作用。卸壓孔通過(guò)釋放封閉的主凍結(jié)孔在凍結(jié)過(guò)程中因凍土交圈擠壓中間未凍土的多余水，達(dá)到減少凍結(jié)壓力的目的。設(shè)計(jì)位置及數(shù)量根據(jù)未凍土體量和主凍結(jié)孔布置情況確定，上下行隧道各設(shè)置4個(gè)卸壓孔。加熱孔用于控制“U”形主凍結(jié)壁在凍結(jié)過(guò)程中，通過(guò)循環(huán)熱鹽水軟化與1號(hào)線接觸處的凍結(jié)壁，削弱或減少凍脹力向1號(hào)線底板傳遞。凍脹釋放孔用于控制當(dāng)主凍結(jié)壁凍脹力，當(dāng)凍脹力較大時(shí)，通過(guò)抽取凍脹釋放孔，形成凍結(jié)壁弱面達(dá)到釋放部分凍脹力目的。測(cè)溫孔，用于監(jiān)測(cè)凍結(jié)壁在形成和發(fā)展過(guò)程中凍結(jié)壁厚度和溫度變化情況。通過(guò)全過(guò)程的信息化施工管理，安全高效低地完成了首個(gè)運(yùn)營(yíng)地鐵車(chē)站地板下斜交新站通道的建設(shè)工程。

3.2地層凍結(jié)使盾構(gòu)出洞管片外再擴(kuò)大凍結(jié)進(jìn)行擴(kuò)洞掘砌

福鄰站為深圳地鐵7號(hào)線一中間站，位于皇崗口岸內(nèi)，車(chē)站呈南北走向，東側(cè)為深圳河及福田河，西側(cè)、南側(cè)均為皇崗口岸停車(chē)場(chǎng)，北側(cè)為邊檢生活區(qū)。區(qū)間采用盾構(gòu)施工，但在車(chē)站始發(fā)段屬于道岔末端而需要擴(kuò)大盾構(gòu)外圍尺寸。擴(kuò)刷段隧道位于車(chē)站左線最北側(cè)，起始里程ZDK20+361.517，結(jié)束里程DK20+381.397，擴(kuò)刷段總長(zhǎng)19.88 m；擴(kuò)刷處地面標(biāo)高+4.28 m，開(kāi)挖范圍標(biāo)高為-21.148～-12.958 m。這部分凍結(jié)加固暗挖隧道位于福鄰站左線北端，暗挖段隧道上方為邊檢生活小區(qū)18#樓(距工作井12 m)，隧道正上方有1棟2層球場(chǎng)，福鄰站盾構(gòu)擴(kuò)大段平面位置以及盾構(gòu)管片外側(cè)擴(kuò)刷區(qū)域關(guān)系見(jiàn)圖6。由于工程緊鄰河邊，地層基本是淤泥和全風(fēng)化花崗巖之中，安全風(fēng)險(xiǎn)極大，必須按后選采用地層凍結(jié)法。

(a)

(b)

圖6福鄰站盾構(gòu)擴(kuò)大段平面位置以及盾構(gòu)管片外側(cè)擴(kuò)刷區(qū)域關(guān)系

Fig. 6 Plane sketch and cross-section of enlarged tunnel section

據(jù)設(shè)計(jì)，擴(kuò)刷段隧道呈馬蹄形斷面，凈尺寸為7.0 m×6.9 m(長(zhǎng)×寬)，開(kāi)挖斷面達(dá)到8.4 m×8.3 m(長(zhǎng)×寬)，雙層支護(hù)結(jié)構(gòu)，初次襯砌為鋼支架+噴射混凝土支護(hù)，厚度為250 mm，二次襯砌為現(xiàn)澆鋼筋混凝土支護(hù)，厚度為400 mm。擴(kuò)刷段前端封頭采用玻璃纖維筋混凝土，厚度為400 mm。設(shè)計(jì)采用水平孔凍結(jié)法加固地層、礦山法擴(kuò)刷構(gòu)筑施工(見(jiàn)圖5)。因節(jié)點(diǎn)工期控制，凍結(jié)和盾構(gòu)掘進(jìn)以及凍結(jié)再擴(kuò)刷分別進(jìn)行，即始發(fā)端頭凍結(jié)加固好之后向盾構(gòu)推進(jìn)，然后凍結(jié)外圍并在管片外側(cè)用礦山法擴(kuò)刷(去掉盾構(gòu)管片)，做隧道襯砌。整個(gè)過(guò)程是盾構(gòu)出洞端頭地層凍結(jié)加固好，盾構(gòu)始發(fā)出洞，同時(shí)凍結(jié)管片外側(cè)凍結(jié)圈；待盾構(gòu)完成本區(qū)間掘進(jìn)后，再對(duì)擴(kuò)刷段采用礦山法對(duì)擴(kuò)大段進(jìn)行擴(kuò)刷掘砌和做隧道襯砌(見(jiàn)圖7)。本工程中分為盾構(gòu)始發(fā)止水和管片外側(cè)水平外擴(kuò)開(kāi)挖和支護(hù)。凍土結(jié)構(gòu)受力體系在全過(guò)程中是變化的，承受全部土水壓力。在其設(shè)計(jì)中取最不利條件下的外部荷載做為設(shè)計(jì)依據(jù)。因?yàn)榫o鄰福田河，且底層為河灘淤泥與雜填土，凍土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全系數(shù)上限值。全過(guò)程采用信息化施工管理，取得圓滿成功。

(a)(b)

圖7先凍結(jié)加固盾構(gòu)始發(fā)段，盾構(gòu)推進(jìn)后在凍結(jié)擴(kuò)刷段并開(kāi)挖示意(單位： mm)

Fig. 7Construction scheme (mm)

3.3港珠澳大橋拱北口岸曲線隧道管幕工法中管間凍結(jié)止水工程

目前正在進(jìn)行的港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道是珠海連接線的控制性工程，暗挖段為雙向6車(chē)道、上下層疊層隧道，下穿拱北口岸限定區(qū)域，是國(guó)內(nèi)第1座采用曲線管幕做為超前支護(hù)的隧道，并采用分區(qū)分段凍結(jié)法進(jìn)行管幕之間止水。暗挖段長(zhǎng)度為255 m，平面線形為88 m緩和曲線+167 m圓曲線，兩端共設(shè)置2個(gè)工作井，互為始發(fā)、接收井。管幕由36 根φ1 620 mm鋼管組成，總長(zhǎng)9 540.97 m，單根管最長(zhǎng)260.401 m，最短255.433 m。其中上層17根鋼管壁厚20 mm，下層19根鋼管壁厚24 mm，管間距35.5～35.8 cm。曲線隧道位置及管幕布置見(jiàn)圖8。

圖8　曲線隧道位置及管幕布置

圖9　管幕、管幕間止水凍結(jié)管和限位管(加熱)之間的關(guān)系

4結(jié)論與探討

地層凍結(jié)法在我國(guó)應(yīng)用已超過(guò)60年。實(shí)踐表明：無(wú)論是作為封水結(jié)構(gòu)還是承受全部土水壓力的復(fù)雜凍土結(jié)構(gòu)，只要在凍土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中認(rèn)真進(jìn)行受力體系分析，以此確定設(shè)計(jì)理論和公式。地層凍脹和融沉并非人們想象得那樣可怕，事先充分把握了工程本身所處地層凍敏性程度，就可依周邊建構(gòu)筑物安全要求來(lái)控制好凍脹融沉；同時(shí)，做好全過(guò)程的施工信息化管理與反饋來(lái)指導(dǎo)施工，在再?gòu)?fù)雜的外部環(huán)境和受力條件下都能很好地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。特別是在解決含水復(fù)雜地層中復(fù)雜空間關(guān)系(近接)的地下建筑物安全施工中，其作用更加突出。隨著地下空間、尤其是深層地下空間進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用，地層凍結(jié)法將會(huì)應(yīng)用更加廣泛并發(fā)揮更大的作用。

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Several Key Points of Artificial Ground Freezing Method and

Its Latest Application in China

CHEN Xiangsheng

(ShenzhenMetroGroupCo.,Ltd.,Shenzhen518026,Guangdong,China)

Abstract:Artificial ground freezing method has been applied in China for more than 60 years. As one of the most effective methods for controlling water in the underground works and tunnel works, artificial ground freezing method has its advantages and risks. In the paper, the procedure of artificial ground freezing is presented, the factors that should be considered in the design of artificial ground freezing are discussed, the mechanism of frost heaving and thaw settlement, as well as the prevention measures, are expounded, and the progress of artificial ground freezing method applied in tunel works are provided.

Keywords:artificial ground freezing; frost heave and thaw settlement; tunnelling; Metro station; launching and arriving of shield machine

中圖分類(lèi)號(hào)：U 45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2015)12-1243-09

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.002

作者簡(jiǎn)介：陳湘生(1956—)，男，湖南湘潭人，1982年畢業(yè)于淮南礦業(yè)學(xué)院(現(xiàn)安徽理工大學(xué))，2000年在清華大學(xué)獲得博士學(xué)位，研究員，深圳市地鐵集團(tuán)有限公司總工程師,從事地鐵工程、隧道與地下工程專(zhuān)業(yè)。

收稿日期：2015-07-15; 修回日期: 2015-09-20