人工冻结法在地铁建设中的应用与发展

张 婷，杨 平

(南京林业大学土木工程学院，南京210037)

地下铁道具有运量大、速度快等特点，已成为解决市区拥堵的主要手段，而地铁建设对增强中心城市的区域辐射功能、完善综合交通体系、提升城市建设品质和公共交通服务水平有重要意义。地铁隧道多位于城区、闹市区，周边建筑物和管线密集，沿海、沿江地区还常穿越软土或富水砂层等复杂地层。这种复杂地质环境给地铁建设提出新的挑战，尤其是跨越江河赋予隧道水下施工更高的技术要求。地铁施工除正常贯通外，必须解决两个问题:一是安全通过不良地层，避免涌水、坍塌现象，二是隧道施工应妥善保护周围建筑物、构筑物。

目前地铁建设面临一些问题:如地面无法加固时联络通道的安全施工、盾构进出洞时潜在的涌砂涌水、隧道涌水与塌陷后的事故修复及盾构隧道穿越江河底部或长距离推进时盾尾刷更换等问题，人工冻结法在解决上述问题方面有很大优势［1－3］，已在我国地铁建设中得到大量应用，但有关理论和技术研究还待于进一步深入。

1 人工冻结法在地铁联络通道中的应用

联络通道是地铁隧道之间的横向连接道，解决已有隧道的对接问题，供紧急情况乘客转移使用;常位于区间隧道中部或线路最低处，多与集、排水泵站合并建设，担负集、排水、防火等作用［4］。修建联络通道时需要对地层加固，常用加固方法有管棚法、深层搅拌法和人工冻结法等;施工中开挖土方量不大，最大威胁来自地下水，在其它工法加固效果不明显时人工冻结法成为施工联络通道的唯一选择，已在北京、天津、上海、南京和苏州等地软弱土层及含水砂层中被成功运用。

南京地铁1号线共有6个联络通道，平均埋深15.5m，地层以粉细砂、淤泥质粉质黏土为主，除一个采用顶管法施工外，其余五个联络通道均采用人工冻结法加固，其中新模范马路－南京站、张府园－新街口站联络通道施工时在地面旋喷加固失败后采用人工冻结法。后续地铁2号线、3号线和10号线汲取施工经验，很多联络通道直接采用人工冻结法。

南京地铁2号线中和村站－油坊桥盾构井1#联络通道地处粉质黏土与粉砂交互层，地下水丰富，线间距20m，净距13.8m，施工难度较大，比选各种加固方法后采用“双隧道打冻结管，中间交叉1.5m，每条隧道内各安放冷冻机组同时冻结”的施工方案，冻结壁整体性好，通过监测未发现施工薄弱环节［5］。

武汉地铁2号线越江隧道共有5条联络通道，其中3号联络通道距地面50m、处于长江正中心下方，是全国最深的联络通道，承受巨大的水压力，其施工难度及工程安全性远超隧道施工，开挖前把联络通道四周全部冻结，在冻结壁保护下开挖内圈地层施工联络通道，目前2号线已进入设备安装和装修阶段［6］。

苏州轨道交通1号线共25个联络通道，其中24个受地质与周围环境限制需暗挖法施工。如玉山公园站～苏州乐园站区间隧道联络通道及泵站线间距13.79m，开挖面土层为④－2粉砂夹粉土和⑤－3粉质黏土层，采用“隧道内水平冻结加固土体、矿山法开挖构筑”施工方案。

地铁联络通道水平冻结加固的关键技术如下:

(1)确定详尽的地层参数与合理的冻结方案。包括冻结孔布置，设计盐水温度 (一般为－25～－30℃)、控制单孔流量不小于5m3/h、终孔间距Lmax≤1000mm，积极冻结时间为45 d。

(2)隧道内应有支撑与应急防护门。防护门具有一定的密闭性，能灵活开关，关闭后能承受水土压力，有效阻止联络通道施工时涌水、涌砂，防护门开启状态不影响正常开挖和砌筑工作。

(3)制定切实可行的冻结监测 (温度场发展、管片与应力钢架受力情况、地层冻胀融沉变形)、联络通道施工完毕后的解冻、融沉跟踪注浆和冻结孔填充措施。

2 人工冻结法在盾构隧道端头加固中的应用

盾构法是施工地铁隧道的一种机械化方法，盾构隧道端头土体加固是盾构机安全始发与接收的重要保证，加固成败已成为盾构法施工风险最大的环节。端头常用加固方法有降水、地基加固和人工冻结法:降水法可有效疏干地下水，常被用作盾构端头加固的辅助措施;地基加固法通过添加黏结料预加固，但工程地质条件的多变性、不稳定性无法确保化学加固体整体质量;人工冻结法在端头加固可将冻结壁与盾构工作井围护结构完全胶结，开凿洞门后冻结壁具有较强的自立性与封水性，已成为富水地层盾构隧道端头加固的首选方法。人工冻结加固端头分垂直冻结和水平冻结。

2.1 垂直冻结技术

在盾构进出洞冻结法土体加固中，我国最早引入垂直冻结技术。当地层含水率较高、稳定性差，垂直冻结加固体强度及封水性能满足盾构进、出洞的稳定要求，且地面允许施工时强度较高、冻土体积相对较小，对周围环境影响较小。

南京地铁1号线张府园车站南端头井采用地下连续墙围护、深层搅拌桩以及压密注浆加固，盾构出洞凿除洞门过程中出现涌砂险情，采用双液浆堵水后仍有流砂，引起局部地面沉降;后采用垂直冻结形成与地连墙密贴的冻结壁，成为南京首次实施地下工程人工冻结法的范例［7］。

南京地铁10号线绿博园站为松花江路站～绿博园站区间盾构始发站，盾构始发前对绿博园东端头地基进行组合加固，加固范围长9m、宽28.8m;其中洞门上下3m为强加固区，上方3m以外为弱加固区，靠近洞门处增设一排垂直冻结管补强加固。

随着软土地区地铁盾构隧道数量增多，类似上述化学加固与垂直冻结补强加固的工程实例将越来越多。冻结补强加固时，对人工冻结法的技术要求一般如下:冻结管距槽壁0.4m，孔间距0.8m，孔深到洞门以下2m，冻结管采用Φ127×3.5mm钢管;冻结壁厚度为1.2m，平均温度取－10℃。

上海轨道交通13号线世博园区专用交通联络线淡水路站－马当路站区间隧道马当路站始端头已进行高压旋喷加固，盾构底部为微含承压水的⑤1－2层灰色粉质黏土，盾构出洞风险较大后来采用“单排孔液氮快速冻结”的垂直冻结法补充加固方案［8］。

2.2 水平冻结技术

闹市区地铁隧道所处地面建筑林立、管网密布，端头加固施工场地受限，通过洞内水平冻结可解决该类难题。施工中将洞门板块冻结并延长外圈冻结深度，使冻结加固体包裹盾构机身，这种杯型冻结壁封水性较好，并能承受洞门后地层水土压力。

北京地铁热－八线大北窑车站南隧道实现了我国首例水平法冻结施工，水平距离45m，拱顶水平冻结壁有效提高了隧道顶部地层稳定性，证明水平冻结法是暗挖隧道软弱含水地层中封水的有效方法［9］。

上海古北路站－中山公园站区间隧道，盾构进洞口顶部1.4m处有一污水箱涵，加固时在箱涵底部形成强度高、封闭性良好的水平杯形冻结壁，确保盾构顺利进洞并不影响上部箱涵的稳定性［10］。

南京地铁2号线逸仙桥站－大行宫路站区间隧道，盾构从逸仙桥站西端井出洞，站点所处中山东路道路和龙蟠中路属城市干道，车流量、人流量较大，受地面环境限制，无法从地上进行土体加固施工，施工中采用地下水平杯型冻结法加固土体。

南京地铁2号线集庆门车站盾构进出洞时，端头曾采用三轴搅拌桩进行加固，冷缝采用高压旋喷桩处理但无法形成完整加固体，后采用三轴深搅桩延长加固长度6～12.3m，在原加固区两侧采用三轴深搅桩形成止水帷幕，对原加固区使用压密注浆补充加固，通过探孔发现隧道底板以下砂层中仍然有水、砂涌出，最终也采用水平杯型冻结法［11］。

苏州轨道交通2号线Ⅱ－TS－05标天筑路站～苏州火车站站区间盾构进出洞端头地基加固加固中，靠近车站端头采用单排φ800@600双管旋喷桩，搅拌桩采用三轴φ850@600;后因不具备施工降水井条件也采用水平冻结法加固［12］。

不管是采用垂直冻结还是水平冻结，目的都为提高盾构始发或到达时洞门外地层的自稳能力，地层冻结后开凿洞门的时机与冻结壁质量关系密切。关键技术如下:

(1)确保冻结孔的成孔质量，严格控制冻结孔塌孔、冻结管偏斜，使冻结壁形成局限在预定范围并满足设计要求。

(2)为开凿洞门确定的控制指标主要包括冻结壁厚度 (满足设计要求)、平均温度 (≤ －10℃)、探孔温度 (≤地层起始冻结温度)、去回路盐水温差 (≤1.5℃)、冻结壁与槽壁界面温度(≤ －5℃)。

(3)做好冻结温度场与冻胀融沉变形监测工作。

(4)冻结壁解冻与跟踪注浆。

3 人工冻结法对地铁隧道涌水、坍塌等事故的修复

世界地铁建设史上也曾发生过隧道修建过程中涌水、坍塌等隧道损毁事故，多采用施工难度较小的“改线修复”方案，但很多情况下受规划线路影响需进行隧道原位修复，即对隧道周围土体进行加固，在保护原有完好隧道基础上撤除破损隧道结构并原位重建。

上海轨道交通4号线浦东南路站－南浦大桥站区间隧道中间风井联络通道施工时发生流砂事故，导致隧道塌陷;在补充详勘、充分论证基础上最终选择原位修复方案，连接段采用人工冻结加固暗挖施工，并设置安全门和备用液氮罐等应急措施［13］。

南京地铁2号线中和新村站～元通站右线盾构到达元通站150m处出现突发性涌水、涌砂，造成已成型的部分区间隧道局部坍塌，修复工程主要由明挖基坑区域和矿山法冻结暗挖区域组成。暗挖区位于隧道破坏临界点附近;对切割点附近的隧道(破坏隧道与完好隧道连接部分)进行垂直分期冻结封堵、填充和加固，在垂直冻结塞保护下进行充水隧道内的排水和清淤工作。

上海轨道交通11号线支线建设中被京沪高铁工程从地面施工的预应力高强混凝土桩 (PHC桩)击穿，修复中采用液氮快速冻结，积极冻结10d，侧墙厚度达2.3m、平均温度－31.9℃，顶板厚度为6.7m、平均温度－16.44℃;从钻孔施工到结构浇注完成历时35d，实现了快速施工［14］。

上海地铁2号线陆家嘴站－南京东路站区间隧道联络通道排水管与隧道管片接口处出现漏水、冒泥，通过注浆法紧急处理后采用液氮冻结对隧道内排水管口出水点周围的土体进行局部封水冻结，再开挖并处理了原排水管［15－16］。

这类修复基本是在保护原未破损隧道基础上进行的，要求完好隧道与修复隧道尽量早日贯通，在不具备明挖、矿山法施工条件不足时，人工冻结法为修复工程提供了技术保证，尤其是液氮冻结施工速度快、安全性较高，在隧道抢险修复中已被大量应用。

隧道冻结修复关键技术与普通人工冻结工程基本一致，冻结壁力学性能由冻结壁平均温度与厚度共同确定;冻结管的布置及液氮消耗量与冻结壁厚度及地层条件有关，液氮冻结拔管对热水循环要求相对较高。

4 人工冻结法在更换盾尾刷中的应用

盾构隧道穿越江河时，地层复杂多变，承压水压力大，盾尾渗漏时有发生，使江河底部盾构隧道风险加大;另外盾构机长距离掘进时，常因盾尾密封油脂加注量不足或盾尾密封刷磨损使盾尾刷失效。

盾尾刷是盾构机的生命线，容易损坏却难以修复，正常掘进时盾尾刷位于安装管片背后而无法更换，因此在可预见的情况下需提前选择停机位更换盾尾刷。更换盾尾刷时确保管片拆卸后盾尾的密封止水性能较为关键。关于地下水处理，目前仍以浆液凝固与人工冻结为主，前者以喷浆并增大同步注浆量来缩短浆液凝固时间为依据，但是化学加固体的不均匀性难以有效克服盾尾漏浆涌水现象，风险较大;而人工冻结壁的封水性能已被广大工程验证。

广州地铁天－华区间左线盾构累计掘进5484环后盾尾严重漏浆，隧道埋深14m，隧道范围内为花岗岩残积层，顶部为淤泥层，上方局部有砂层，地层较软弱，采取对盾尾第一、二道尾刷更换措施，加固时以改变注浆配比以加快浆液凝固为主，并对盾尾漏浆点采用海绵条封堵［17］。

杭州庆春路过江隧道两台盾构进入江底承压水层后，均出现不同程度的盾尾漏浆涌水现象，采用液氮冻结法封堵盾尾外侧地下水，在冻结壁 (设计厚度1.8m，平均温度－15℃)保护下更换并增设盾尾刷，这种长距离液氮冻结用于高承压含水层中更换盾尾刷在国内尚属首次［18］。

液氮冻结更换盾尾刷关键技术包括以下几个方面:

(1)选择合适的盾构机停机位置。预测盾尾刷破损的大致位置，提前选择相对稳定地层进行盾尾刷更换 (软土地层中盾构机受自重影响，停机容易引起低头现象)，若确实需要在不稳定地层更换，则应做好盾尾封水工作。

(2)确定冻结孔位置、数量、孔深及分组情况，并设测温孔监测冻结壁发展情况。

(3)长距离液氮输送绝热保温与回气系统密封有助于减小液氮管路输送能耗。供氮干管可采用2层10 mm厚的聚乙烯保温材料和3层密封薄膜交替包裹，各支管采用2层10 mm厚的聚乙烯保温材料外加1层密封薄膜包裹。

(4)控温焊接技术。液氮冻结加固与焊接新尾刷的施焊条件相悖，焊接时对盾尾钢板和未拆除管片接触处应进行喷水降温，防止焊接高温融化冻结壁。

(5)强制解冻与恢复掘进技术。盾尾刷更换完毕，沿管片内壁环形布置热水循环盘管进行强制解冻 (0.75m3电加热热水循环箱、0.5m3循环水泵、水温60℃以上)。冻结壁与盾构机接触部位融化后，检查盾尾间隙 (长时间停机引起盾尾偏移，可能出现盾构间隙过大或过小)，必要时辅以注浆措施，确保后续工作安全时方可恢复掘进。

盐水冻结相对液氮冻结而言，耗时较长，经济性较好，在工期允许、可预见的盾尾刷更换工程中也可利用常规人工制冷技术 (盐水冻结)加固地层达到封水目的。

低温盐水冻结更换盾尾刷方法关键技术在于:两个特殊管片环的制作与安装:一是冻结管片特殊环 (管片内预埋有冻结管和测温管)，位于普通环前方;二是用于盾尾刷更换操作的更换特殊环，位于冻结环前方，停机更换前，依次安装普通环与特殊环。连接冻结管路与冻结设备，使盾尾刷后地层形成与盾构密贴的冻结壁;在冻结壁保护下逐个更换盾尾刷并注入防水油脂;全部更换完毕后强制解冻，恢复盾构正常掘进。

5 展望

人工冻结法成功解决了困扰地铁施工的众多难题，在封水方面具有独到优势，但仍有诸多问题需要进一步深入研究。

(1)目前，人工冻结研究多集中在原状地层冻结，随水泥土加固后再辅以冻结加固工程增多，含水率、密度、水泥型号和外掺剂等因素对水泥土热物理参数、冻结水泥土力学特性、冻结温度场的影响值得进一步研究。

(2)特殊环境条件下可考虑采用水泥土抑制冻胀融沉，应进一步开展水泥土抑制冻胀融沉冻结技术研究。

(3)近年来类似隧道修复和更换盾尾刷等特殊冻结技术应用而生，如何将基本冻结理论与特殊冻结有机结合，研究特殊冻结温度场、位移场及水分场的发展规律，并使特殊冻结规范化很有必要。

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