地层冻结加固方法

地层冻结加固方法在广州地铁海公区间施工中的应用

中铁二局集团有限公司第五公司何泽刚

摘要：地层冻结是软土地基加固方法的一种，本文就广州地铁二号线海公区间使用地层冻结加固方法的情况，介绍冻结法在海公区间的使用过程以及冻结法的设计、施工等方面的情况。以供类似工程的设计、施工参考。

前言冻结技术源于天然冻结现象，人类首次成功地使用人工制冷加固土壤，是在1862年英国威尔士的建筑基础施工中。1880年德国工程师F.H.Poetch首先提出了人工冻结法原理，并于1883年在德国阿尔巴里煤矿成功采用冻结法建造井筒。从此，这项地层加固特殊技术被广泛地应用到世界许多国家的隧道、地铁、基坑、矿井、市政及其它岩土工程建设中，成为岩土工程，尤其是地下工程施工等重要方法之一。冻结法加固层的原理，是利用人工制冷的方法，将低温冷媒送入地层中，把要开挖体周围的地层冻结成封闭的连续冻土墙，以抵抗地压，并隔绝地下水和开挖体之间的联系，然后在封闭的连续冻土墙的保护下，进行开挖和永久支护的一种特殊地层加固方法。

1、冻结加固方案的确定

1.1、项目及工程地质概况

广州地铁二号线海公区间左线隧道ZDK12+696～+740段位于广东贸易中心大楼正门口广场内，且在ZDK12+735处左线线路中线(平面)距广东贸易中心大厦东南角3.0m，隧道边墙侵入桩基0.999m，隧道顶面距桩底为3.94m，该段隧道与广东贸易中心大楼的相互关系详见《ZDK12+696～+740段区间隧道与广东贸易中心大楼相互关系图》。而广东贸易中心大楼为50年代末期修建的高层建筑，其桩基础为无钢筋笼的锤击灌注摩擦桩，桩底位于中粗砂层内。

ZDK12+696～+740段穿越的地层为强～中风化粉砂质泥岩，按隧道围岩划分为Ⅲ类，但隧道拱顶距透水砂层仅3.8m，透水砂层和隧道拱顶之间为不透水的粉质粘土层，该层在隧道开挖后初期支护前极易被地下水击穿形成隧道内涌水涌泥，从而引起地表沉陷。而本段范围内地下水位在原地面以下约1.5m，地下水主要为地表水，在透水层

中极易开成水力联系，该段范围内的地质情况详见《ZDK12+696～+740段地质纵剖面图》。

ZDK12+696～+740段区间隧道与广东贸易中心大楼相互关系图

1.2、险情发生

广州地铁二号线海公区间左线隧道开挖至ZDK12+698.6处时，隧道内掌子面左侧拱顶在没有坍方发生的情况下，突然发生涌水涌泥，造成广东贸易中心大楼正门广场内地表沉陷，下陷最深处达3.0m，直径达6.0m。分析原因为该段隧道开挖后，地下水压力击穿了隧道拱顶的不透水层，造成突发性涌水涌泥。险情发生后，在施工现场采取了地表钻孔注浆充填地表沉陷，隧道内设止浆墙封闭掌子面，停止施工，及时控制了险情进一步扩大。

1.3、方案比选

针对该段施工的地质情况及广东贸易中心大楼的特殊情况，由广州市建委及地铁总公司组织召开了专家论证会，与会专家一致认为：①、隧道拱顶的残积粘土层是可塑的，在抵抗不了上部水、土压力的情况下，很容易被击穿；②、在粉细砂及残积可塑粘土层中，单采用注浆不能有效固结形成止水帷幕；③、粉细砂层含水量非常饱和，并且与珠江水系相连通，一旦发生失水，极易引起地表及地面建筑场沉降；④、在隧道再次掘进前，必须对前进方向的地层进行加固处理。

关于ZDK12+696～+740段的地层加固方案，与会专家共提出如下几种方案：①、ZDK12+696～+740段隧道开挖边线外设臵搅拌桩帷幕，以隔断地下水来源；②、在ZDK12+696～+740段隧道开挖影响范围内采用地表帷幕注浆，以加固松散地层和隔断地下水；③、采用冻结法加固隧道前进方向的松散土体。几种方案的对照详见《ZDK12+696～+740段加固方案对照表》

经方案比选，为确保广东贸易中心大楼的绝对安全，与会专家一致认为采用地层冻结加固法是保证区间隧道顺利该不良地

质段的最好办法。

2、冻结加固方案设计

冻结加固方案设计多根据经验参数及经验公式计算确定，本文仅针对本工程就冻结方案设计的步骤及原则作粗略介绍。

2.1、冻结施工方案的确定

由于施工完初期支护的隧道内无水平钻孔作业的空间，故本工程冻结施

ZDK12+696～+740段加固方案对照表

工方案只能采用垂直钻孔局部冻结方案，在广东贸易中心大楼下部分采用斜孔冻结方案。冻结区域则根据区间隧道通过不良地质段的长度确定，具体详见《冻结钻孔平面布臵图》。

2.2、冻结加固效果

由于ZDK12+696～740段区间隧所穿越的地层为强～中风化岩层，仅拱顶以上地质条件为不良地质，故本工程冻结方案最终效果是在要开挖隧道的拱顶及两侧形成一个能隔断外界水力联系，具有要求强度的支护结构安全罩，在安全罩的保护下进行隧道开挖作业，详见《钻孔冻结效果图》。

2.3、主要冻结技术参数

根据广州地区气温的特点，设计参数取值为：

A、盐水温度：积极期：-25—28度

维护期；-20—22度

B、冻结壁平均温度：-8℃

C、冻结孔偏斜要求在0.15%以内，最大孔间距：中部1.6M；边部1.1M；

D、冻结管选用Φ127×4.5mm低碳钢无缝钢管。

2.4、冻结壁厚度

对于一个深度较大、通过多种特性不同土层的冻结井，我国

通常采用如下基本步骤和方法来确定冻结壁的计算厚度。

⑴、根据地质柱状图，确定最深一层透水砂层的层位，并按深度用重液地压公式计算出地压Р值(p=0.013H,H为计算深度)，该透水砂层即为冻结壁设计的控制层。本工程的P值也可采用隧道顶垂直荷载计算公式求得，与采用重液地压公式的计算结果非常近似；

⑵、根据深度不同，结合现有施工经验和工程类比，初选一个合适的冻结壁平均温度值，通常当深度小于200m时，平均温度选为-7～-8℃；当深度大于200m时，且深部有厚层粘土层时，通常选用较低的平均温度，常用-10℃的平均温度。根据选择的平均温度和试验资料或有关经验公式，分别求得砂土层及一些粘土层的计算强度值，这些粘土层通常称为核算层。

⑶、冻结壁厚度的初步计算。根据选定的控制砂层深度、地压大小、该处的荒径大小和土层的强度指标，用无限长圆筒弹性理论公式求出冻结壁的初选厚度。

δ=a{[бs/(бs-AP)]1/2-1} (无限长圆筒弹性理论公式)

式中δ—冻结壁理论计算厚度，m;