人工地層凍結在地鐵隧道流砂地層
盾構出洞施工中的應用

【摘 要】地鐵隧道盾構自工作立井始發進入隧道首先要解決洞門區域地層封閉加固問題，而傳統工法對處理流砂地層難度較大。本文介紹了我國地鐵隧道首例流砂地層中盾構出洞采用人工地層凍結法的工程實例，該工程中成功地解決了地鐵隧道盾構出洞擾動流砂地層封閉加固難題。同時本文對該工程中人工地層凍結法的應用效果進行了分析與研究，認為其抗滲性和整體支護效果要優于其他方法。
【關鍵宇】 人工地層凍結 隧道 流砂盾構出洞

1 前 言
1．1 人工地層凍結簡介
人工地層凍結法是在地層中鉆鋪垂直或水平凍結器，利用低溫鹽水循環或灌注液氮，降低地層溫度，將天然巖土變成凍土，形成強度高、不透水的臨時凍結加固體。同時可免去一些結構支護和降水措施。地層凍結法是一種環保型工法，地層凍結是將地層中的水變成冰，所加固地層最終要恢復到原始狀況，因此能夠保障地下水不受污染，保護城市地下地質結構的完整性。
1．2 盾構出洞人工地層凍結應用原理
隧道盾構從工作立井推人隧道前，需要鑿除隧道洞門結構外側鋼筋混凝土地下連續墻，但是由于隧道盾構出洞承受工作井附近土層產生的巨大地壓和水壓，會導致涌水或涌砂。因此首先必須對混凝土地下連續墻外側含水地層進行加固處理。以往多采用注漿法或深層攪拌加固地層，但是在流砂地層(特別是擾動砂性土層)采取注漿法或深層攪拌難度較大，效果不佳。在打開洞門混凝土施工中，存在涌水或涌砂、甚至土體坍塌的危險，給盾構出洞帶來極大困難。采用人工地層凍結技術對工作井附近土層進行封閉加固，即在盾構出洞口前方3～4m、隧道圓形設計斷面及其周邊3～4m的范圍內，鉆鋪垂直(或水平)凍結器，在凍結器內循環鹽水，逐漸降低地層溫度，地層中的水變成冰，冰和土顆粒逐漸形成凍結連續體，將凍結區域和混凝土地下連續墻形成整體凍結封閉加固區，防止在鑿除隧道洞門鋼筋混凝土時產生涌水或涌砂現象，從而保證盾構順利出洞和就位。
2 工程應用及其效果分析
2．1 工程簡介
南京某地鐵區間隧道采用土壓平衡盾構，盾構直徑8．05m。劇拙洞的洞門地層為砂性土，含水高，水壓大，透水性大，暴露擾動時易產生液化、流動而形成流砂。盾構出洞口地表15m范圍內，沿盾構出洞方向有380v電纜一根，↓900下水管一根與盾構出洞交叉方向有380v電纜一根，↓150和↓1 200上水管各—根。盾構出洞口地層曾采用深層攪拌樁和壓密注漿對洞門區域砂性土層進行加固處理，加固區與地連墻之間0．5m區域的進行注漿。施工結束1個月后，對加固地層進行取芯檢驗，檢驗結果良好，土體bn固強度在1．2MPaVd&。但水平探孔有少量清水滲流，在開鑿洞門鋼筋混凝土過程中，洞門中心處出現大量流砂涌人，后又從洞門兩側發生大量流砂，洞門開鑿被迫停止。經過方案比較，擬用人工地層凍結法對注漿區實施勵n固。凍結方案如下：
(1)凍結方式：采用單排垂直全深凍結方式，凍結深度19．5m(控制范圍：位于盾構推進斷面上部4．0m，下部4．0m）。
(2)凍結孔布設：
①凍結孔布設區域：盾構推進斷面左右兩側各3．5m。
②凍結孔間距：400mm。
(3)積極凍結期：20d。
(4)凍結管解決方式：通過強制解凍后拔出地面。
根據溫度監測結果，經過20天積極凍結，預測已形成深度19m，寬度12m，厚度0．65 m的凍結加固體。后打開洞門鋼筋混凝土墻，洞門內凍結土體自立性好，未見滲水現象，封水效果也較理想。隨即進行隧道斷面凍結管解凍和起拔工作，解凍時間17小時，待凍結管起拔結束后推進盾構，從而保證了盾構安全、順利出洞。地層凍結法在該工程中遇到了極大挑戰。其一，地層已被大規模擾動，而且地層因大量流砂而產生空洞，不利于凍土墻的形成；其二，由于前期較短時間內已在地層中注入了大量水泥漿液，其水泥水化熱對凍結效果產生影響。
2．2 應用效果分析
(1)砂性地層凍土墻的隔水、抗滲性好
由于該處地層較為復雜，主要是砂性地層，含水量高，透水性大，擾動易產生液化、流動而形成流砂，給采用其他地層加固工法帶來極大困難。前期采用深層攪拌樁及壓密注漿對洞門區域砂性地層進行加固，盡管取芯檢驗結果說明土體加固強度在1．2MPa以上，但由于在流砂地層中深層攪拌樁及壓密注漿對地層加固不均勻，地層中存在未完全封閉的區域，當打開洞門時，地層水從薄弱區域涌出。采用地層凍結法，將地層中的水變成冰，冰與土顆粒共同形成凍結連續體，凍結加固區是個完整、均勻、連續的區域，凍結體內不會存在任何縫隙，起到了良好的隔水效果。
(2)砂層凍土墻可與連續墻帷幕形成整體防水體系
通過在交界面處實施強化凍結，可以保證凍土墻與工作井混凝土連續墻緊貼在—起，沒有任何縫隙，抗滲性和整體封閉效果要優于其它方法，保證不會在凍結封閉加固區與混凝土連續墻交界處產生滲水現象，避免了從洞門兩側發生大量流砂。
(3)地層凍結法在砂性地層中凍土擴展速度較快，速度可達到30~35mm/d，而且凍結土體強度高。
(4)凍脹和融沉可以得到有效控制
該工程在進行工程中，對周圍地表隆起和沉降進行了實時監測，其最大值在正負10mm以內，對周圍環境未產生影響。采用特殊施工方法可有效控制凍脹和融沉，諸如：局部凍結、間歇凍結、預注漿和跟蹤注漿等。
(5)盾構刀盤通過凍結加固體受力均勻，而采取深層攪拌加固的地層盾構刀盤切削漿液結石體強度不均勻。
(6)可控制凍結加固區范圍
通過調整凍結孔的孔位或調整冷媒劑溫度，可有效控制凍結體的形狀和擴展范圍。另外，對于應急工程，可采用液氮進行快速凍結。
2．3 問題與探討
(1)工作井內隧道洞門前部凍土縱向加固范圍應至少布設2-3排凍結器，凍土墻厚度不小于3m。雖然布設單排凍結器亦可形成隔水凍土墻，但由于自打開洞門至盾構滿足推進條件需要4～5d時間，在此期間暴露的凍土墻極易被周圍環境、地層或水泥水化熱所融化。
(2)停止冷凍后，盾構機頭應及時貼在洞門凍結土體上，垂直凍結器拔除后，應立即推進盾構，防止暴露的凍土墻在環境溫度下加劇融化。
3 結 論
(1)首次在擾動流砂地層中利用地層凍結法成功解決了地鐵隧道盾構出洞地層加固難題。砂層凍土墻起到良好的隔水和支護墻效果，保證了盾構順利出洞準確地就位。
(2)凍結封閉加固區可與工作井連續墻帷幕形成整體防水體系，抗滲性和整體封閉效果要優于其他地層封水加固方法。
(3)砂層凍土墻產生的凍脹和融沉可以通過采取間歇凍結、局部凍結等措施得到有效控制，不會對工作井連續墻混凝土結構和周圍構筑物產生不利影響。
(4)人工地層凍結法是隧道盾構施工一種有效的輔助工法。