冻结法

冻结法在地铁中的应用

甄精莲1郑有才2段仲源3 贾瑞晨4

（1,3,4南华大学城市建设学院421001 , 2湖南地勘局409队425000）

摘要：通过对某地铁施工进行监测，分析冻结法隧道施工过程中土层温度、荷载与沉降的关系。

关键词：监测，冻结，沉降

Application of the ground freezing method in the subway

Zhen jinglian(Nanhua University city construction college 421001),

Zheng youcai(Geological perambulation office 409team of Hunan 425000) ,

Duan zhongyuan, Jia ruichen (Nanhua University city construction college 421001)

Abstract:Appling freezing method to construct the subway should investigate the relationship among temperature, load and Settlement by monitoring.

Key words: Monitoring, Freezing , Settlement

1 引言人工制冷技术的发展，推动了工程冻结法的发展。1862年在英国南威尔士建筑施工中首次使用冻结法加固土壤；我国首次于1955年在开滦林西风井采用冻结法凿井并获得成功。此后，我国冻结法主要应用于不稳定含水地层里的凿井工程。随着我国地下工程的增多，冻结工法逐渐由矿井建设工程向岩土工程领域推广应用，如市政工程、隧道及地铁工程等。

2 工程概况

某市轨道交通折返线斜穿公路和一座立交桥，附近有商贸城和其他建筑商铺。由于该区段道路两侧地下管线纵横交错，数目较多，上面的公路又是重要交通干道，交通繁忙，不能封路施工。因此拟采用暗挖法施工，避免明挖所带来的地下管线改移困难，以及受立交桥引桥的限制。该段地铁折返线设计起始里程为支YDK0+369.200，终点里程支YDK0+230.40，长为138.8m。在施工区段内，隧道坡度为2‰,隧道顶面距离地表最小约为8m，最大开挖跨度约为13.4m。

折返隧道围岩地质条件见表1，其中冲洪积砂层2为主要含水层，强透水，富水性好，根据初勘、详勘抽水试验，砂层渗透系数K=15m/d,为强透水性地层；4、5层为花岗岩残积土及全风化层，具有一定的透水性，富水性一般，但由于遇水易软化崩解，稳定性差。

总体来讲，隧道的地质条件较差，涌水量较大，采用暗挖法施工时，隔水成为一大难题。虽然采用群井法来降低水位或地下连续墙围护结构能达到一定的效果，但其对周围环境的影响和过高的成本常常令人难以接受。基于这种现状，采用人工地层冻结方法(简称冻结法)作为工程中特殊的地层临时加固措施。根据该段地铁折返线隧道的地质条件，决定对其采用水平冻结法加固地层，浅埋暗挖法开挖、衬砌，采用全断面帷幕冻结。在隧道周围布置水平冻结孔，并在冻结孔中循环低温盐水，使冻结孔附近的含水地层结冰，形成强度高，封闭性好的冻结壁(冻土帷幕)，然后在冻结壁的保护下运用矿山法进行隧道开挖与构筑施工。

表1 折返线隧道围岩地质条件

Table 1 The geological conditions of wall rock in returntunnel

3 冻结法的加固机理及施工工艺

3.1 加固机理

冻结法加固地层的原理及一般过程为[1, 2, 3]：利用人工制冷技术，在冻结孔中循环低温盐水，使地层中的水冻结成冰，将天然岩土变成人工冻土，在要开挖体周围形成封闭的连续冻土帷幕，使其弹性模量增大，进而增加冻土帷幕的强度与稳定性；以抵抗地压、水压并隔绝地下水与开挖体之间的联系；然后在该封闭冻土帷幕保护下进行开挖与永久

支护的施工。

3.2 施工工艺

冻结法施工工艺：

施工准备──冻结孔施工，同时安装冻结制冷系统──安装冻结盐水系统和检测系统──积极冻结──试挖──隧道掘进与初衬施工，维护冻结──停止冻结。

折返线隧道全长138.8m均分为南、北两段，每段71.9m。南段先行打钻，再转入北段打钻，然后折返线隧道全长同时冻结，从折返线隧道两端相对同时开挖、初衬；隧道开挖前冻结时间为90天，并保证末端搭接冻结范围大于5m。冻结盐水温度，积极期为-25～-30℃，维护期为-22～-25℃；冻结壁平均温度为-8℃；冻结孔单孔盐水流量为4～

m3/h。

4监测结果及分析

4.1 测孔布置：

施工期做好跟踪监测，测温孔1#、2#、3#（选取四次监测结果进行分析，分别为1、2、3、4）及沉降观测孔S1、S2、S3位置如图1所示。

2#

1#

图1 测孔平面布置图

Fig.1

The plane observation hole

4.2 监测结果

hole

Fig.5 The result of settlement observation.

4.3 对监测结果进行分析

（1）测孔温度随深度的变化为：地表和地层深处两端的温度比中间部位的温度明显偏高，逐渐接近地层原始温度。

（2）由图1、2、4可知：在土层的相应不同深度处，测温孔1和2的冻结效果相当，温度比较接近，导致附近两沉降观测孔的沉降量相近；由于测温孔S2位置处的地面荷载较大，且地面温度略高于测孔S1，导致测孔S2处的前期沉降略大于测孔S1；但由于测温孔2地层内部温度略低于测温孔1 ，所以后期沉降量减小，且最终沉降量偏小。

（3）测孔S3的冻结效果比较好，地层温度从地表到68米处均处于0℃~ -15℃，地层沉降量始终比测孔S1和S2的沉降量小得多。

（4）在整个施工监测过程中，未发现内衬下滑、沉降随时间迅速增长的现象，这说明冻土帷幕对内衬结构提供了足够的摩擦力，可抵抗内衬因自重应力引起的下滑。

5 结论：

通过对此工程监测结果分析可知：在地质条件差、涌水量大的地铁暗挖法施工中，采用群井法降低地下水位或地下连续墙围护结构对周围环境大且成本高，应用冻结法施工是切实可行的。

冻结法加固地基的影响因素很多，其中重要的包括以下两个方面：

（1）土层的沉降量受冻结效果(土层温度)的影响：温度低的工程段，土层沉降量较小；温度高的工程段，土层沉降量较大。

（2）土层的沉降量受地面荷载的影响：荷载大的工程段，土层沉降量较大；荷载小的工程段，土层沉降量较小。

参考文献：

[1]H.J.Jessberger and S.S Vyalov.General Report Session III Engineering,in:ISGF78, V ol.2ppl5-20.

[2]翁家杰.井巷特殊施工，煤炭工业出版社.1991

[3]陈湘生.人工地层冻结法在岩土工程中的应用.见:中国青年学者岩土工程力学与应用研讨会文集，科学出版社，1994年12月pp603-608

甄精莲，1979年生，女，结构工程专业。