冻结法几个关键问题及在地下空间近接工程中最新应用

陈湘生

(深圳市地铁集团有限公司, 广东 深圳　518026)



冻结法几个关键问题及在地下空间近接工程中最新应用

陈湘生

(深圳市地铁集团有限公司, 广东 深圳518026)

摘要：地层冻结法在我国应用已超过60年。作为地下工程和隧道工程治水最有效方法之一，既有它的优势也存在一定的风险。给出冻结工程的全过程流程，并从冻土结构在施工过程中受力机制分为“隔水”(水压)和“既隔水又承受岩土压”(土水压)之间的差异，详尽说明需要考虑的影响设计的主要因素，特别对地层冻胀和融沉机制和预防做出详细阐述，最后给出在隧道工程的地层冻结方面的最新进展。

关键词：地层冻结； 冻胀融沉； 隧道； 地铁车站； 盾构进出洞

0引言

人工地层冻结法(Artificially ground freezing method)从1955年首次应用于我国开滦煤矿开凿竖井以来，用于矿山凿井已接近1 000个，最深冻结深度将达到955 m(下部局部冻结)，冻结总长度超过260 km。随着1997年成功开发出具有我国特色近水平冻结成套技术以来，地层冻结技术已经广泛应用在含水软弱困难地层中的市政和地铁中的冻结工程超过220个[1],解决了其他工法难以解决的许多工程难题，使我国地层冻结法的研究和应用处于国际领先地位。随着地层冻结法在我国的广泛应用，在工程实施过程中也遇到了不少问题和风险。比如一些工程技术人员对人工冻土物理力学性质、冻结过程冻土发展规律及范围控制、冻胀和融沉机制及控制技术、冻土结构的受力体系及冻土墙设计、冻土结构和永久结构相互作用、注浆补偿控制工后沉降等认知不十分清楚。往往导致设计不合理或者容易出现纰漏而导致重大事故；或者设计缺乏全面考量而出现错误；或者没有完整经验照搬以往设计而缺乏针对性；或者不清楚冻土结构受力体系而出现错误的设计和施工组织设计；或者缺乏对冻胀和融沉处理缺乏针对性等。因此，很有必要从对冻土结构本身设计出发，把这些关键因素一一厘晰清楚，供工程技术人员借鉴，以求在应用该施工方法时尽可能少出问题或者不出问题。

1冻结设计

地层冻结设计主要包含冻土结构(冻结壁)设计和冻结三大系统(制冷、冷媒和冷却水)的设计，以及与此相关联的设计要素。

由于地层冻结法的灵活性及有多种选择性，因而对某一具体工程有其独特的选择及设计方法，包括设备及材料的选择以及多种冻结方案的可靠性与比较。一般就地层冻结工法设计而言，以下6个步骤[1]是必须完成的： 设计条件、冻结工法的可行性、结构优选分析、热学计算、具体冻结方案优选及所选方案的费用最终估算。地层冻结全过程见图1。

图1　地层冻结全过程

冻结壁设计的关键基础资料是计算标志层冻土力学性质(指标)和初选冻结壁平均温度。冻结壁设计中的冻土物理力学指标和特性极为重要，它们和冻结壁平均温度直接相关。一般是根据经验初选冻结壁平均温度，再根据所选温度对应的冻土物理力学指标和特性，初算冻结壁厚度。然后再匡算经济合理性，进而最后调整和优化冻结壁平均温度和冻结壁厚度。冻结壁平均温度应根据冻结壁承受荷载大小(或开挖深度)、冻胀融沉可能对环境造成的影响及工艺合理性确定。浅层冻结工程，一般情况下可按表1选取，矿山冻结工程按表2选取。冻结壁承受荷载大、安全要求高的工程宜取较低的冻结壁平均温度。当土层含盐量较高时，应经试验确定盐水温度。维持冻结期间(开挖和支护)盐水温度，应根据冻结壁状况、侧帮温度和测温孔温度资料确定。

1.1冻结壁设计

地层冻土结构(冻结壁)设计是地层冻结的关键环节。深井和浅层地下结构施工中含水地层的冻结加固设计主要涉及到竖井、斜井、基坑、隧道、旁通道、地下室、盾构和顶管进/出洞口的地层冻结加固[2]。首先要判断地层冻结结构的目的(见表3)。根据地层冻结结构的承载方式进行地层冻结结构设计。主要包括以下内容： 冻结壁结构方案比较与选择(包括深度(长度)和范围)；冻结壁的承载力和变形验算；冻结孔布置设计(考虑周边环境及冻胀和融沉)；冻结壁形成验算(含热力计算)；冻结制冷系统设计(制冷、冷媒、冷却水三大系统和检测)；对冻结壁的监测、保护要求、冻胀控制；冻胀和融沉可能对周围环境和建(构)筑物产生影响的分析；对周围环境和建(构)筑物的影响监测与保护要求。

表1浅层工程冻结壁平均温度设计参考值(取决于冻土力学指标)

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

开挖深度He/m冻结壁平均温度Ta/℃ ﹤12-6～-812～30-8～-10 ﹥30 ≤-10

表2矿山冻结工程冻结壁平均温度设计参考值

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

冻结的冲积层厚/m冻结壁平均温度Ta/℃ ﹤120-5～-7120～250-7～-10250～400-10～-15 ﹥400 ﹤-15

表3　冻结壁功能分类表

在地层冻结区域内有以下情况时，设计中应进行深入分析并采取针对性措施： 地下水流速大于5 m/d、有集中水流或地下水水位有明显(≥2 m/d)波动；地层水结冰温度低于-2 ℃(含盐)或有地下热源可能影响土体冻结；地层含水量低影响土体冻结强度；用其他施工方法已扰动过的地层；有其他可能影响地层冻结或地层冻结可能严重影响周围环境的情况。

当冻结壁表面直接与大气接触，或通过导热物体与大气产生热交换时，应在冻结壁或导热物体表面采取保温措施。在冻结壁形成期间，冻结壁内或冻结壁外200 m区域内的透水砂层中不宜采取降水措施。必须降水施工时，冻结设计应充分考虑降水产生的不利影响。

1.1.1浅层工程中冻结壁结构设计

1.1.1.1浅层工程中冻结壁结构形式选择原则

1)冻结壁宜按受压结构设计。

2)在含水砂性土层中应采用封闭的冻结壁结构形式。

3)冻结壁的几何形状宜与拟建地下结构的轮廓接近，并易于冻结孔布置。

4)冻结壁结构形式选择应有利于控制土层冻胀与融沉对周围环境的影响。

5)对冻结壁有严格变形控制要求时，可采用“冻实”的冻结形式。

旁通道的通道部分可采用直墙圆拱冻结壁，集水井可采取满堂加固或采用“V”字形冻结壁。开挖后冻结壁应设初期支护或内支撑，但冻结壁承载力设计仍按独立承受全部荷载计算。冻结壁的厚度设计可采用既有围护结构或临时结构计算公式，只是其中的力学指标等参数换成人工冻土的参数即可。

1.1.1.2浅层工程冻结壁厚度设计与强度检验

对于浅层工程中表3的Ⅱ类冻结壁要按承载力要求设计冻结壁厚度Eth。无论是矩形、方形、圆形(水平、垂直或者倾斜)或者其他任何形状冻土结构，都可以套用现有的基坑围护结构或地下结构设计公式。不同的是力学指标为冻土的物理力学性质指标，这些指标都与温度直接相关。温度变化，对应的物理力学性质指标都要变化。尤其是其中的冰是一个随温度而变的物质，必须高度重视它的特性和存在，所有能影响它状态和性能变化的外界因素必须高度重视。另一方，在开挖过程中，也可以通过信息化监测了解冻结壁的稳定性，通过调节盐水温度来改变冻结壁温度以提高冻结壁的稳定性。即地层冻结法是在施工过程中能够根据需要及时改变冻土围护结构力学指标的工法。这是其他工法无法相比的优越性。

多数情况下浅层工程的冻土结构的力学计算模型可简化为均质弹性体，其力学特性参数宜取设计冻结壁平均温度下的冻土力学特性指标。一般情况下，开挖后应及时施工初期支护，冻结壁的空帮时间不宜大于24 h。按下列公式进行冻结壁的强度检验，一般情况下可只进行抗压、抗折和抗剪强度检验。

Ksσs≤σk。

(1)

式中：σs为冻结壁应力强度，MPa；σk为冻土的瞬时强度指标，MPa；Ks为安全系数，Ⅱ类冻结壁强度检验安全系数按表4选取。对于冻结纯黏土在取表4中安全系数时可以适当小一点[3]。

表4　Ⅱ类冻结壁强度检验安全系数

如相邻管线或其他建构筑物变形控制等有特殊要求时，必须验算冻结壁的变形。

特别是地铁工程中的旁通道喇叭口处的冻结壁设计厚度不应小于0.8 m，其他部位的冻结壁设计厚度不应小于1.4 m。在冻结壁与隧道管片的交接面强度未经计算检验时，冻结壁与隧道管片的交接面宽度不得小于喇叭口处的冻结壁设计厚度，且与冻结壁交界面上的最低温度不得高于设计平均温度。

圆形冻土墙还必须进行环向稳定性和垂向稳定性(冻结管)校核；对于变形比较大的需要对冻结管安全性校核。 对于重力式冻土挡墙结构、悬臂式冻土挡墙结构、薄板冻土墙结构等可直接套用现有计算公式，采用冻土的力学参数进行设计。同时需要校核冻土墙的嵌固深度、冻土墙厚度校核(根据抗倾覆稳定条件计算)、基坑底抗隆和基坑底抗管涌；以及坑底最大渗水量核算。

1.1.2深层工程冻结壁厚度设计

竖井冻结壁厚度Eth计算，主要根据冲积层厚度、岩性特征来选择合理的冻结壁厚度计算公式。冻结壁厚度按下列顺序进行计算：

1)根据井筒地质柱状图，把冲积层最深的含水层及深厚黏土层确定为冻结壁设计的控制层，用重液地压计算公式算出控制层的地压值。

2)根据表2选择合理的冻结壁平均温度，根据平均温度和试验资料，或有关计算公式，分别求得深部含水层及深部黏土层的冻土计算强度值。

3)根据控制层的深度、地压值，该处井筒荒径和冻土强度值，对冲积层较浅的冻结井筒(≤150 m)，宜用无限长弹性体冻结壁厚度计算公式或弹塑性体冻结壁厚度计算公式求出冻结壁初选的厚度，并应根据深度和土性选择井帮冻土温度，确定冻结壁有效厚度。

4)冻结壁平均温度的核算，应满足设计选择的平均温度。

5)对于冲积层较深井冻结(>150 m)的深厚黏土层的冻结壁，应采用按有限长极限状态强度条件计算公式进行初算，确定安全的掘进段高，并应控制在2.5 m以下。还须检验冻结壁内表面允许位移值(控制冻结管变形)、允许的暴露时间。

6)如平均温度、位移值等有不满足时，需调整计算参数，再重复计算，直至各参数满足要求。

在冻结法凿井早期，因冻结深度较浅而土层水平压力(圆形冻土壁侧压)比较小，工程师们认为圆形冻结壁处于弹性状态。计算力学模型是把冻结壁看成无限长且没有内衬(或者内衬支反力不计)的圆形弹性体，外部荷载就是计算处所处地层的水平压力(地压)。对应地采用Lame和Clapeyton(1833)无限长厚壁圆筒设计公式。对于较深冻结井(冲积层深>150 m)，德国的Domke教授(1915)通过简化提出了无限长厚壁圆筒的弹塑设计公式。众所周知，冻土在一定压力作用下呈现流变特性，也即与时间有关这一特征，这些基于弹性或弹塑性理论的设计公式的假设条件与工程实践，尤其是深冻结井冻结壁受力状态不相符。基于此，前苏联土力学专家С.С.Вялов等学者取图2所示模型作为圆形冻结壁设计对象。其上端是已浇灌好的混凝土井壁和钢模板，下端是开挖工作面。在地层深部段高h一般小于冻结壁内半径r，冻结壁可视为有限长厚壁圆筒(R/r≥1.1且(R-r)/r≥1/10)，他认为不但要考虑冻结壁的强度，还必须把其显著特征——蠕变考虑进去，同时还需考察上下端约束条件、段高[4],提出了小段高冻结壁设计公式。在当时С.С.Вялов没能把温度和时间参数分离出来。笔者在大量人工冻土实验数据的基础上，完善了С.С.Вялов的冻结壁设计式，见式(2)。

图2　小段高冻结壁

(2)

式中：Eth为冻结壁厚度，m；ph为冻结壁计算出的地层水平压力，MPa；A0、B、C和K是冻土三轴蠕变数学模型无量纲试验参数；T是冻结壁平均温度，℃；ξ是井筒开挖工作面以下地层对冻结壁约束程度系数，取0～0.5；Ur是冻结壁允许位移值，受控于冻结管和冻结壁允许变形值。

假设冻土体积不变(即取泊松比μ=0)，并考虑冻结壁允许位移值Ur远远小于冻结壁内半径这一事实，得出冻结壁允许位移值Ur和所涉计算的冻结管向井筒内允许变位值Uft近似关联公式：Ur=Rft/rUft。其中Rft是所计算的冻结管布置圈半径，m；Uft是所计算的冻结管向井筒内径向允许变位值，m。二者既是独立的允许值，又存在直接的关联关系。在设计时取二者较小的作为控制值，偏于安全。

1.2制冷系统设计

根据永久结构设计获得其形式和衬砌厚度，由此选定冻土围护结构形式和设计计算模型。根据边界条件(建(构)筑物安全要求及开挖条件等)、工程地质和水文地质、人工冻土物理力学性质等，就可以基本初算出冻土围护结构的厚度和对应的冻土围护结构平均温度[5]。由此计算出盐水温度、冻结孔间距、冷却水量、装机容量及功耗等。根据永久结构设计和冻结壁围护结构设计，以及工程地质和水文地质资料，可基本确定冻结孔布置参数： 冻结孔间距(开孔间距、成孔控制间距、冻结孔孔位)、冻结孔深度和冻结孔偏斜精度要求(根据钻机钻进精度)等。冻结孔成孔控制间距取决于冻结壁设计厚度、冻结壁平均温度、盐水温度和冻结工期的要求。冻结孔开孔间距不宜大于冻结孔成孔控制间距与冻结孔最大偏斜之差。当单排冻结孔在规定冻结工期内达不到设计冻结壁厚度和平均温度，或者达不到设计强度时，应布置多排冻结孔冻结。

盐水温度与盐水流量应满足在设计的时间内使冻结壁厚度和平均温度达到设计值的需要。最低盐水温度确定应根据冻结壁设计平均温度、地层环境及气候条件确定。根据表5(浅层工程)和表6(矿山竖井)初选盐水温度，在一般情况下再比对表1(浅层工程)或表2(竖井工程)。设计冻结壁平均温度低、地温高、气温低时宜取较低的盐水温度。

表5浅层工程最低盐水温度设计参考值

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

冻结壁平均温度Tp/℃最低盐水温度Ty/℃-6～-8-26～-28-8～-10-28～-30 ≤-10-30～-32

表6矿山冻结工程盐水温度参考值

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

冻结的冲积层厚/m盐水温度Tb/℃ ﹤120-22～-24120～250-22～-27250～400-25～-32 ﹥400 ﹤-30

注： 盐水温度根据竖井开挖直径选取，直径越大选取温度应越低。

冻结施工全过程盐水温度控制是不同的。一般积极冻结期前15～20 d盐水温度降至-25 ℃以下(设计最低盐水温度高于-25 ℃时取设计最低盐水温度)；开挖过程中盐水温度降至设计最低盐水温度以下。施工初期支护后可进行维护冻结，但维护冻结盐水温度不宜高于-22～-28 ℃(取决于地层深度和冻结壁平均温度)。一般来说，在保证冻结壁平均温度和厚度达到设计要求且实测判定冻结壁安全的情况下，开挖过程中可适当提高盐水温度，但不宜高于-25 ℃[6]。

有关冻结壁完全形成时间、冻土热容量(所吸收的冷量)、盐水系统和盐水泵扬程等计算可参考专门书籍。

2土壤冻胀融沉及其控制

真正对相邻建(构)筑物物产生不良影响的主要是那些冻敏性土(黏性土)，而那些不是冻敏性土冻胀(融沉)的影响很小[7]。衡量冻胀的主要指标是冻胀率。冻胀率指冻土单向冻结方向上的尺寸与冻结前的比值。一般按冻胀率大小来划分土壤冻胀等级[8]。目前广泛应用的冻敏性土冻胀分类采用美国寒区研究和工程实验室(Cold Regions Research and Engineering Laboratory)用冻胀速度进行分级(见表7)。

表7　 美国寒区研究和工程实验室和俄罗斯冻胀分类

笔者及其团队对土壤冻胀和融沉进行的1g(g是重力加速度)和ng(n是在土工离心试验机上土壤模型所受重力加速度的倍数)实验研究[9]表明，影响冻胀(融沉)的主要因素是土体、水、温度和荷载 4个内、外因素。其中土的因素包括土的粒度成分、矿物成分、化学成分和密度等，其中，最主要的是土的粒度成分。大的冻胀通常发生在细粒土中，其中粉质黏土和粉质砂土中的水分迁移最为强烈，因而冻胀性最强。黏土由于土粒间孔隙太小，水分迁移有很大阻力，冻胀性较小。砂砾，特别是粗砂和砾石，由于颗粒粗，表面能小，冻结时一般不产生显著水分迁移，所以不具显著冻胀性。细砂冻结时，水产生反向(即向未冻土方向)转移，出现排水现象，也不具冻胀性。在天然情况下，冻土粒度常是粗细混杂的，当粉黏粒(粒径小于0.05 mm)含量高于5%时,便具有冻胀性。冻土的矿物成分对冻胀性也有影响： 在常见的黏土矿物中，高岭土的冻胀量最大,水云母次之,蒙脱石最小。冻土中的盐分也影响冻胀，通常在冻土中加入可溶盐可削弱土的冻胀。

并非所有含水的土冻结时都会产生冻胀，只有当土中的水分超过某一界限值后，土的冻结才会产生冻胀，这个界限即为该土的起始冻胀含水量。当土体含水量小于其起始冻胀含水量时，土中有足够的孔隙容纳未冻水和冰[10]，结冰时没有冻胀。冻结速度对冻胀也有影响： 冷却强度大时，冻结面迅速向未冻部分推移，未冻部分的水来不及向冻结面迁移就在原地冻结成冰，无明显冻胀；冷却强度小时，冻结面推移慢，未冻水克服沿途阻力后到分凝成冰面结冰，在外部水源补给下，冻结面向未冻部分推移越慢，形成的冰层越厚，冻胀也越大。

显然，土壤冻结时原位孔隙水冻结体积增大9.05%(原位冻胀)，而外来迁移水分则使结冰处体积增大109.05%(水分迁移冻胀)。冻土融化时地层要融沉，原位水结冰融化体积缩小导致其融沉8.3%；外来迁移水结冰融化时全部排走后其体积缩小108.3%。显然，原位水冻胀量(融沉)非常小，开放系统饱水土体水分迁移冻胀量(融沉)要大很多。所以土中的水分迁移冻胀是构成土体冻胀的主要分量，水分迁移冻胀量(融沉)正是我们要高度关注和控制的。对此,工程人员应对那些冻敏性土高度关注和严格控制。可见，冻胀(融沉)是一个非常复杂的课题。在实践中要解决其对相邻建(构)筑物物的不良影响，尤其是可能破坏的影响进行控制，必须从内因或外因、或同时着手。

冻胀敏感性土的粒径是影响冻胀的一个重要因素，颗粒越小冻胀性越强。砂土冻胀不敏感，一般粉质黏性土冻胀敏感。要想在冻结时抑制水分迁移冻胀，就是要抑制水分迁移，或者没有外给水源、或者阻断外给水源迁移到冻结锋面的水力通道。在实践中，外给水源是地下水，一般无法取消，只有阻断水力通道。也就是对冻敏性土减少冻胀可以通过阻断水分迁移的通道来实现。这样，可以在冻结开始前对地层进行某种程度的改造，比如注浆、水泥搅拌、旋喷等方式适度堵住土壤中的空隙(阻断水力通道)。降低土壤透水系数，阻止水分迁移；加强土体强度，减小压缩沉降。从而在冻结时水分无法迁移，进而不会产生水分迁移冻胀(融沉)。需要特别强调的是，当冻土围护结构达到冻结设计厚度时，就应该只供有限量的冷量维持改动土厚度。否则产生超量冻结而导致较大的地层冻胀。

融沉对相邻建(构)筑物的影响有时也相当大，融沉与冻胀密切相关。通常，控制冻胀就间接控制了融沉。虽然工程上融沉量的估算可以简单地用融沉率与冻土高度的乘积来计算，但是很难准确。还可以采取强制解冻、跟踪注浆尽快固结土体，避免长期沉降等冻土融沉综合控制措施。

冻结工程完成时冻土融化后产生一定的融沉，一般来说它由融化沉降和压缩沉降2部分组成。冻土融化时，冰变成水体积缩小产生融化沉降。融化区域通过冻结时产生的水力通道排水固结，导致土体压缩沉降。融化沉降量与压力无关，压缩沉降与压力成正比。因为这种特定的固结排水把原位水也可能挤走，这样就可能产生融沉量大于冻胀量[11]。

3冻结法在近接工程中的最新发展

3.1软土地层中在既有地铁车站底板紧贴交叉穿越

明珠线二期上体场车站穿越地铁1号线上体馆站施工段(下简称穿越段)，如图3所示，要在运营的上体馆站地板下斜交新建上体场站。运营的上体馆车站呈南北布置，围护结构采用800 mm地下连续墙，穿越段处地下墙底标高为-22.042 m(深26 m)。车站顶板厚700 mm，中板厚500 mm，底板厚1 000 mm，垫层厚200 mm，主体结构混凝土标号为300号，垫层混凝土标号为150号，立柱截面尺寸为1.2 m×0.8 m。穿越段处垫层底标高约为-10.3 m。

图3　新建上体场穿越段位置示意图(黄色区)

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

穿越段与地铁1号线斜交约77°，方向大致为由东向西。根据原设计方案，穿越段结构由相邻的上行线隧道、下行线隧道和换乘通道3部分组成，结构横截面尺寸约为2个5.74 m (高)×21.5 m(宽)，穿越段顶面紧贴地铁1号线车站底板，穿越段结构顶部绝对标高约为-10.08 m，底板底标高约为-15.82 m，地面绝对标高为+4.19 m[12]。穿越段东端与明珠线上体场站相连，西端为明珠线区间隧道盾构工作。穿越段总长度约22.6 m。新建上体场车站结构与运营上体馆站结构和位置关系见图4。

由于穿越段从1号线上体馆站下穿过，其结构紧贴1号线车站底板，1号线车站上方地面为高架立交桥；穿越施工范围内地层有饱和粉土，而且需要穿过1号线车站两侧厚0.8 m的地下连续墙，给施工造成了很大困难。施工中不能影响1号线地铁站和地面立交桥的正常运行，施工对地层扰动的控制极为严格，进一步增加了工程的难度。尤其是施工区域紧邻重要公共建筑与民宅，在穿越段开挖过程中绝对不能发生水砂突出事故，否则其结果将是灾难性的，居民的生命安全将受到严重威胁，对施工技术的可靠性提出了极高要求。

(a) 平面关系图

(b)A-A剖面关系图和地质剖面

(c)B-B剖面图

图中蓝色为新结构。

图4新建上体场车站结构(蓝色)与运营上体馆站结构和位置关系

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

为了确保上体场站穿越段工程顺利进行，经深入研究和方案可靠性反复对比，上体场穿越段确定采用水平孔冻结法加固地层、矿山法开挖的总体施工方案。为使本项目施工对运营车站的安全和施工本身的安全，本项目采取理论研究、室内实验、计算机数值模拟、模型试验、工程设计和实施、工程检测验证相结合的研究方法。着重解决了： 冻结壁及支护结构设计理论与应用技术(承受全部土水压力)；水平冻结孔夯管施工技术；地层冻胀和融沉防治技术；冻结壁形成质量控制技术；穿越段开挖与支护工艺技术。水平冻结孔见图5。

(a)

(b)

形成冻结壁结构的主冻结孔布置时采用较小孔间距，有利提高冻结壁的发展速度和冻结壁温度的均匀性，减少冻结主面和辅面的冻结壁温度差，满足冻结壁设计厚度和平均温度要求。辅助冻结孔的设置主要考虑改善主冻结壁结构受力，使主冻结壁在开挖工作面之前形成暗撑结构，减少冻结壁的超前变形，同时起到提高隧道开挖工作面土体稳定作用。卸压孔通过释放封闭的主冻结孔在冻结过程中因冻土交圈挤压中间未冻土的多余水，达到减少冻结压力的目的。设计位置及数量根据未冻土体量和主冻结孔布置情况确定，上下行隧道各设置4个卸压孔。加热孔用于控制“U”形主冻结壁在冻结过程中，通过循环热盐水软化与1号线接触处的冻结壁，削弱或减少冻胀力向1号线底板传递。冻胀释放孔用于控制当主冻结壁冻胀力，当冻胀力较大时，通过抽取冻胀释放孔，形成冻结壁弱面达到释放部分冻胀力目的。测温孔，用于监测冻结壁在形成和发展过程中冻结壁厚度和温度变化情况。通过全过程的信息化施工管理，安全高效低地完成了首个运营地铁车站地板下斜交新站通道的建设工程。

3.2地层冻结使盾构出洞管片外再扩大冻结进行扩洞掘砌

福邻站为深圳地铁7号线一中间站，位于皇岗口岸内，车站呈南北走向，东侧为深圳河及福田河，西侧、南侧均为皇岗口岸停车场，北侧为边检生活区。区间采用盾构施工，但在车站始发段属于道岔末端而需要扩大盾构外围尺寸。扩刷段隧道位于车站左线最北侧，起始里程ZDK20+361.517，结束里程DK20+381.397，扩刷段总长19.88 m；扩刷处地面标高+4.28 m，开挖范围标高为-21.148～-12.958 m。这部分冻结加固暗挖隧道位于福邻站左线北端，暗挖段隧道上方为边检生活小区18#楼(距工作井12 m)，隧道正上方有1栋2层球场，福邻站盾构扩大段平面位置以及盾构管片外侧扩刷区域关系见图6。由于工程紧邻河边，地层基本是淤泥和全风化花岗岩之中，安全风险极大，必须按后选采用地层冻结法。

(a)

(b)

图6福邻站盾构扩大段平面位置以及盾构管片外侧扩刷区域关系

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

据设计，扩刷段隧道呈马蹄形断面，净尺寸为7.0 m×6.9 m(长×宽)，开挖断面达到8.4 m×8.3 m(长×宽)，双层支护结构，初次衬砌为钢支架+喷射混凝土支护，厚度为250 mm，二次衬砌为现浇钢筋混凝土支护，厚度为400 mm。扩刷段前端封头采用玻璃纤维筋混凝土，厚度为400 mm。设计采用水平孔冻结法加固地层、矿山法扩刷构筑施工(见图5)。因节点工期控制，冻结和盾构掘进以及冻结再扩刷分别进行，即始发端头冻结加固好之后向盾构推进，然后冻结外围并在管片外侧用矿山法扩刷(去掉盾构管片)，做隧道衬砌。整个过程是盾构出洞端头地层冻结加固好，盾构始发出洞，同时冻结管片外侧冻结圈；待盾构完成本区间掘进后，再对扩刷段采用矿山法对扩大段进行扩刷掘砌和做隧道衬砌(见图7)。本工程中分为盾构始发止水和管片外侧水平外扩开挖和支护。冻土结构受力体系在全过程中是变化的，承受全部土水压力。在其设计中取最不利条件下的外部荷载做为设计依据。因为紧邻福田河，且底层为河滩淤泥与杂填土，冻土结构设计安全系数上限值。全过程采用信息化施工管理，取得圆满成功。

(a)(b)

图7先冻结加固盾构始发段，盾构推进后在冻结扩刷段并开挖示意(单位： mm)

Fig. 7Construction scheme (mm)

3.3港珠澳大桥拱北口岸曲线隧道管幕工法中管间冻结止水工程

目前正在进行的港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道是珠海连接线的控制性工程，暗挖段为双向6车道、上下层叠层隧道，下穿拱北口岸限定区域，是国内第1座采用曲线管幕做为超前支护的隧道，并采用分区分段冻结法进行管幕之间止水。暗挖段长度为255 m，平面线形为88 m缓和曲线+167 m圆曲线，两端共设置2个工作井，互为始发、接收井。管幕由36 根φ1 620 mm钢管组成，总长9 540.97 m，单根管最长260.401 m，最短255.433 m。其中上层17根钢管壁厚20 mm，下层19根钢管壁厚24 mm，管间距35.5～35.8 cm。曲线隧道位置及管幕布置见图8。

图8　曲线隧道位置及管幕布置

图9　管幕、管幕间止水冻结管和限位管(加热)之间的关系

4结论与探讨

地层冻结法在我国应用已超过60年。实践表明：无论是作为封水结构还是承受全部土水压力的复杂冻土结构，只要在冻土结构设计中认真进行受力体系分析，以此确定设计理论和公式。地层冻胀和融沉并非人们想象得那样可怕，事先充分把握了工程本身所处地层冻敏性程度，就可依周边建构筑物安全要求来控制好冻胀融沉；同时，做好全过程的施工信息化管理与反馈来指导施工，在再复杂的外部环境和受力条件下都能很好地发挥其优势。特别是在解决含水复杂地层中复杂空间关系(近接)的地下建筑物安全施工中，其作用更加突出。随着地下空间、尤其是深层地下空间进一步开发利用，地层冻结法将会应用更加广泛并发挥更大的作用。

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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

中图分类号：U 45

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2015)12-1243-09

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

作者简介：陈湘生(1956—)，男，湖南湘潭人，1982年毕业于淮南矿业学院(现安徽理工大学)，2000年在清华大学获得博士学位，研究员，深圳市地铁集团有限公司总工程师,从事地铁工程、隧道与地下工程专业。

收稿日期：2015-07-15; 修回日期: 2015-09-20