城市地下工程人工凍結(jié)法理論與實(shí)踐
《城市地下工程人工凍結(jié)法理論與實(shí)踐》以南京、蘇州、寧波、無錫、上海等長江三角洲地區(qū)城市軌道交通施工過程中遇到復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下施工難題為背景，以軟弱地層地下工程凍結(jié)法施工理論與實(shí)踐為主線，采用理論研究、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、方案比選、實(shí)測分析相結(jié)合的綜合研究方法，全面闡述了城市地下工程，特別是長江三角洲地區(qū)城市軌道交通建設(shè)中人工凍結(jié)法施工的理論與關(guān)鍵技術(shù)�！冻鞘械叵鹿こ倘斯鼋Y(jié)法理論與實(shí)踐》共分九章，包括人工凍結(jié)法基礎(chǔ)理論，淺表土人工凍土物理力學(xué)性能，人工凍結(jié)數(shù)值模擬理論與方法，盾構(gòu)始發(fā)與接收端頭人工凍結(jié)加固技術(shù)與應(yīng)用，地鐵聯(lián)絡(luò)通道人工凍結(jié)施工技術(shù)與應(yīng)用，盾尾刷滲漏防治技術(shù)，水泥土加固抑制凍脹融沉技術(shù)，人工凍結(jié)法施工監(jiān)測技術(shù)，特殊地下工程人工凍結(jié)法應(yīng)用。
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《城市地下工程人工凍結(jié)法理論與實(shí)踐》：
1 人工凍結(jié)法基礎(chǔ)理論
1.1 概述
人工凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)使地層中的水結(jié)冰形成凍土，隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系，在凍結(jié)壁保護(hù)下進(jìn)行地下工程施工的地基處理方法。作為一種臨時(shí)地基加固方法，目前已被廣泛應(yīng)用于地鐵隧道盾構(gòu)始發(fā)與接收端頭加固。聯(lián)絡(luò)通道加固施工。隧道搶險(xiǎn)及其他搶險(xiǎn)工程等城市地下工程施工中。
1.1.1 人工凍結(jié)法的應(yīng)用現(xiàn)狀
1.人工凍結(jié)法的起源
19世紀(jì)初，西伯利亞人在尋找和開掘金礦過程中利用寒冷季節(jié)挖掘礦井，冬天結(jié)束后就停工，等到來年冬天接著開挖，但施工到一定深度時(shí)土層已不是凍土，伴隨出現(xiàn)了滲水。塌陷等現(xiàn)象。這是人類第一次在工程中利用天然冷量，也是在凍土利用方面邁出的第一步。
1862年，英國南威爾士礦山首次用人工凍結(jié)法加固地層解決了松軟含水地層立井開鑿時(shí)的塌陷問題；1875年，世界上第一臺活塞式制冷機(jī)的問世成為人工凍結(jié)法被廣泛應(yīng)用的一個(gè)里程碑，這臺機(jī)器選擇了液態(tài)氨作制冷劑；1883年，德國工程師F.H.Poetch在阿爾巴里德煤礦采用凍結(jié)技術(shù)進(jìn)行103m深的立井施工，首次提出人工凍結(jié)法施工原理，同時(shí)獲得“凍結(jié)法鑿井技術(shù)”專利。冷凍機(jī)的出現(xiàn)為人工凍結(jié)法適用于特殊條件（礦井。深基坑。高含水和流砂地層中的地鐵。地下隧道和輸水管線建筑等）施工開辟了美好前景。
2.國外人工凍結(jié)法的應(yīng)用與發(fā)展
前蘇聯(lián)。德國。丹麥。法國。日本。美國。西班牙等國研究和應(yīng)用人工土凍結(jié)技術(shù)起步較早，相繼應(yīng)用人工凍結(jié)法完成了許多地下工程施工，積累了大量成功經(jīng)驗(yàn)。
20世紀(jì)60~80年代前蘇聯(lián)采用人工凍結(jié)法對地鐵。礦井和其他工業(yè)建筑施工達(dá)200余例，如某污水泵站凍結(jié)孔圈徑69m，凍結(jié)深度60m，礦井開挖圍護(hù)深度已達(dá)800m。世界主要國家的最大凍結(jié)深度見表1.1。日本從1962年開始使用人工凍結(jié)法，隨后將該項(xiàng)技術(shù)推廣到通過河流。鐵路及其他構(gòu)筑物下的隧道工程，支撐明挖的墻體工程和其他地下工程。東京環(huán)7線二號調(diào)節(jié)水倉盾構(gòu)隧道，圓形工作井深60m，端頭凍結(jié)加固面直徑達(dá)28.1m，確保了直徑為13.94m的大型泥水加壓平衡盾構(gòu)順利被接收；大阪東南部的排水隧道，直徑6.5m，長8.5km，分5個(gè)工區(qū)掘進(jìn)，采用地下或海下對接，由于不開鑿地面立井，于是應(yīng)用凍結(jié)法加固，并取得了成功；凱橫運(yùn)河下盾構(gòu)貫通，采用水平凍結(jié)法成功穿越了泥質(zhì)細(xì)砂地層；名古屋某兩地鐵隧道盾構(gòu)始發(fā)與接收均采用了垂直凍結(jié)加固端頭地層，連接兩個(gè)不同直徑的電力隧道時(shí)也成功應(yīng)用了人工凍結(jié)法[2]。
1991年西班牙瓦倫西亞修建地鐵時(shí)，為保證干燥的施工環(huán)境，采用傳統(tǒng)的水泥土攪拌法。高壓噴射注漿法。化學(xué)注漿法等常規(guī)地基處理方法后，均未取得滿意效果，后經(jīng)人工凍結(jié)法處理地下水，有效避免了涌水發(fā)生[3]；美國威斯康星州密爾沃基市施工一段50m深豎井，開挖深度大，加之地下水不利影響，傳統(tǒng)支護(hù)施工出現(xiàn)了很多問題，后來采用人工凍結(jié)法形成一個(gè)直徑6.1m的凍土圍堰和三個(gè)相鄰的柱狀凍土槽，確保了工程順利進(jìn)行[4]。1994年，德國杜塞爾多夫（Dusseldorf）市火車站附近擴(kuò)建地鐵，對三段長40m的地鐵隧道均采用了人工凍結(jié)法進(jìn)行圍護(hù)，其中一條鉆鑿面積45m2的隧道凍土墻厚度為1.5m，另一條鉆鑿面積96m2的隧道凍土墻厚度為2.2m，施工階段同時(shí)對附近建筑基礎(chǔ)進(jìn)行了沉降觀測，最大沉降量僅為13mm[5]。1994年到1995年間，德國在橫穿鐵路的下水管道等幾項(xiàng)施工中也成功地利用了液氮人工凍結(jié)法[6]。1997年，在挪威奧斯陸海灣海底隧道施工中，運(yùn)用凍結(jié)法成功穿越了松散地層，保證了該工程順利完工[7]。
人工液氮凍結(jié)用于加固地層在國外始于60年代，已報(bào)道的液氮凍結(jié)工程實(shí)例中，較著名的有德國慕尼黑地鐵。美國肯塔基州大型機(jī)械經(jīng)過GreenRiver700m的沖積平原等；未見正式報(bào)道的有巴黎塞納河地鐵。意大利比薩斜塔糾斜等[8]。1991年德國艾斯巴赫（Eisbach）河底三個(gè)平行隧道施工時(shí)出現(xiàn)土體坍塌，隨后使用了液氮凍結(jié)，而后在橫穿鐵路的下水管道等幾項(xiàng)施工中也成功利用液氮凍結(jié)法，并開發(fā)出自動控制系統(tǒng)[9]。
3.國內(nèi)人工凍結(jié)法的應(yīng)用與發(fā)展
1955年，立井凍結(jié)法鑿井技術(shù)從波蘭引進(jìn)，開灤林西煤礦風(fēng)井建成的第一口立井在中國開創(chuàng)了人工地層凍結(jié)法的先河。隨后人工凍結(jié)法很快在采礦工程中得到推廣，河北。安徽。江蘇。山東。河南。山西。遼寧。黑龍江。內(nèi)蒙古。吉林等多省區(qū)均有工程采用了這種技術(shù)。目前，中國已成為世界上用凍結(jié)法鑿井穿過表土層較厚的國家之一，成功解決了700多米沖積層深井凍結(jié)的凍結(jié)壁。井壁設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)問題[10]。
1）礦山工程
目前，我國已采用人工凍結(jié)法開鑿了600多個(gè)井筒，總長度超過70km。我國凍結(jié)法鑿井最大凍結(jié)深度已達(dá)737m，成為世界上用凍結(jié)法鑿井穿過表土層最厚的國家之一，凍結(jié)法施工技術(shù)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。
2）橋梁工程
江蘇潤揚(yáng)長江公路大橋南汊懸索橋南錨碇基礎(chǔ)位于江邊軟土地基上，開挖總方量超過10萬m3，施工中為解決水土壓力和滲流問題，通過人工凍結(jié)在基坑四周形成厚1.3m。深40m的凍結(jié)壁，同時(shí)在凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)澆筑140根鉆孔灌注樁，該組合支護(hù)結(jié)構(gòu)是我國巖土工程施工方法的一項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，首次有效結(jié)合凍結(jié)法和排樁法工藝，成為世界建橋技術(shù)上的歷史性突破[11]。
安徽鳳臺淮河大橋?yàn)橐蛔崩瓨�，主橋墩分設(shè)于東西兩岸，沉井法施工中，當(dāng)兩井筒沉至底部垂深24m左右時(shí)，均發(fā)生工作面四周涌砂涌水事故，最終選用人工凍結(jié)法進(jìn)行了封水處理[12]。
江西湖口大橋橋址處地質(zhì)。水文。氣候條件十分惡劣，水下基礎(chǔ)施工難度很大，其中東塔基礎(chǔ)覆蓋層為軟弱松散沖擊層，厚度達(dá)19m之多，土質(zhì)以淤泥和淤泥質(zhì)亞黏土為主，基巖主要由石英砂巖組成，巖性堅(jiān)硬脆，裂隙較易發(fā)育。經(jīng)過對樁基設(shè)計(jì)構(gòu)造特點(diǎn)。橋址地質(zhì)水文情況及施工設(shè)備能力進(jìn)行綜合分析后，最終采用凍結(jié)法人工挖孔灌注樁方案進(jìn)行了樁基施工[13]。
3）地鐵隧道工程
�。�1）垂直凍結(jié)
南京地鐵1號線張府園車站南端頭井采用地下連續(xù)墻圍護(hù)。深層攪拌樁以及壓密注漿加固，盾構(gòu)始發(fā)鑿除洞門過程中出現(xiàn)涌砂險(xiǎn)情，采用雙液漿堵水后仍有流砂，引起局部地面沉降；后采用垂直凍結(jié)壁，成為南京首次實(shí)施地下工程人工凍結(jié)法的范例[14]。南京地鐵10號線越江段盾構(gòu)開挖直徑11.64m，接收端頭處于富水砂性土層中，由于水壓高。工程地質(zhì)條件差，經(jīng)過比選，選用了“三軸深層攪拌樁+高壓旋噴樁+垂直凍結(jié)+應(yīng)急降水+水中接收”的方式。隨著軟土區(qū)盾構(gòu)隧道數(shù)量增多，“化學(xué)加固+垂直凍結(jié)補(bǔ)強(qiáng)”的實(shí)例越來越多。
（2）水平凍結(jié)
水平凍結(jié)無論在工藝過程。作業(yè)要求還是凍結(jié)壁受力都有著同垂直凍結(jié)截然不同的特點(diǎn)。1994年上海地鐵1號線聯(lián)絡(luò)通道泵站應(yīng)用人工凍結(jié)施工成為我國地鐵建設(shè)施工中第一次在聯(lián)絡(luò)通道中應(yīng)用人工凍結(jié)技術(shù)。聯(lián)絡(luò)通道施工中開挖土方量不大，在類似粉細(xì)砂。淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。粉質(zhì)黏土等地層中，最大威脅來自地下水，當(dāng)其他工法加固效果不明顯或者無法成功加固時(shí)，人工凍結(jié)法成為施工聯(lián)絡(luò)通道的首要選擇，這種方法在南京地鐵。蘇州軌道交通。上海地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工中已被廣泛成功應(yīng)用。南京地鐵2號線中和村站（現(xiàn)雨潤大街站）—油坊橋站盾構(gòu)井1#聯(lián)絡(luò)通道地處粉質(zhì)黏土與粉砂交互層，地下水豐富，線間距20m，凈距13.8m，施工難度較大，后采用“雙隧道打凍結(jié)管，中間交叉1.5m，每條隧道內(nèi)各自安放冷凍機(jī)組同時(shí)凍結(jié)”的施工方案順利完工[15]。1998年北京地鐵復(fù)八線大北窯車站（現(xiàn)國貿(mào)站）南隧道基于技術(shù)與經(jīng)濟(jì)比較，完成了我國首例水平凍結(jié)施工，水平凍結(jié)距離45m，初步證明了水平凍結(jié)是暗挖隧道軟弱含水地層中封水和加固土體的有效方法[16]。
隨著凍結(jié)技術(shù)發(fā)展，水平凍結(jié)逐漸被用到盾構(gòu)始發(fā)與接收端頭加固中。人工凍結(jié)法進(jìn)行端頭加固時(shí)，根據(jù)地層條件可以直接加固（提高強(qiáng)度。封水性），也可以與化學(xué)加固法聯(lián)合加固（凍結(jié)加固體承擔(dān)封水作用，化學(xué)加固體發(fā)揮強(qiáng)度作用），具體選擇何種加固方法，與周邊環(huán)境復(fù)雜程度。土層條件。地下水狀況有關(guān)。
南京地鐵2號線西安門站—大行宮站區(qū)間隧道，盾構(gòu)始發(fā)地所處中山東路道路和龍?bào)粗新穼俪鞘懈傻溃嚵髁�。人流量較大，受地面環(huán)境限制，無法從地上進(jìn)行土體加固施工，后采用地下水平杯型凍結(jié)法加固土體。南京地鐵2號線集慶門車站盾構(gòu)端頭曾采用三軸攪拌樁。高壓旋噴樁處理，通過探孔發(fā)現(xiàn)隧道底板以下砂層中仍然有水。砂涌出，最終采用水平杯型凍結(jié)法加固[17]。蘇州軌道交通2號線Ⅱ-TS-05標(biāo)平河路站—蘇州火車站站區(qū)間盾構(gòu)進(jìn)出洞端頭地基加固中，靠近車站端頭采用單排800@600mm雙管旋噴樁，攪拌樁采用三軸850@600mm，后因不具備施工降水井條件于是也采用水平凍結(jié)加固[18]。無錫地鐵1號線勝利門站—三陽廣場站盾構(gòu)區(qū)間主要在老城區(qū)中心穿行，穿新雅都大酒店。中山北路改造5號房。側(cè)穿中山北路4號房并轉(zhuǎn)向中山路，周邊環(huán)境極其復(fù)雜，盾構(gòu)始發(fā)與接收均采用了水平凍結(jié)加固。
�。�3）盾尾刷更換
盾構(gòu)機(jī)長距離掘進(jìn)時(shí)，有時(shí)出現(xiàn)盾尾密封油脂加注量不足或盾尾密封刷磨損致使盾尾刷失效，由于正常掘進(jìn)時(shí)盾尾刷位于管片背后而無法更換，可預(yù)見情況下需提前選擇停機(jī)位更換盾尾刷。更換盾尾刷時(shí)應(yīng)確保管片拆卸后盾尾的密封。止水性能良好，封堵地下水仍以漿液凝固與人工凍結(jié)為主，前者以噴漿并通過增大同步注漿量來縮短漿液凝固時(shí)間為依據(jù)封堵地下水，但化學(xué)加固體的不均勻性使盾尾漏漿涌水現(xiàn)象不能被有效克服，風(fēng)險(xiǎn)大；而人工凍結(jié)壁的封水性能則相對優(yōu)越，已被工程驗(yàn)證。杭州慶春路過江隧道兩臺盾構(gòu)進(jìn)入江底承壓水層后，均出現(xiàn)不同程度的盾尾漏漿涌水現(xiàn)象，采用液氮凍結(jié)法封堵盾尾外側(cè)地下水，并在凍結(jié)壁（設(shè)計(jì)厚度1.8m，平均溫度-15℃）保護(hù)下更換并增設(shè)盾尾刷，這種長距離液氮凍結(jié)用于高承壓含水層中更換盾尾刷在國內(nèi)尚屬首次[19]。
�。�4）搶險(xiǎn)。修復(fù)工程
世界地鐵建設(shè)史上也曾發(fā)生過隧道修建過程中涌水。坍塌等隧道損毀事故，有的采用施工難度較小的“改線修復(fù)”方案，但很多情況下受規(guī)劃線路影響須進(jìn)行隧道原位修復(fù)。近年來，液氮凍結(jié)多被用在搶險(xiǎn)。修復(fù)工程中，因?yàn)橐旱评渫馏w凍結(jié)的發(fā)展速度是普通鹽水制冷土體凍結(jié)速度的5~10倍。意大利AgriSauro盾構(gòu)隧道掘進(jìn)到2.63km時(shí)，盾構(gòu)后方頂部襯砌中涌砂達(dá)6000m3，注漿法搶險(xiǎn)失敗后最終通過液氮凍結(jié)搶險(xiǎn)成功[20]。南京地鐵2號線中和村站—元通站右線盾構(gòu)到達(dá)元通站150m處出現(xiàn)突發(fā)性涌水。涌砂，造成部分已成型隧道局部坍塌，對接段采用液氮凍結(jié)形成塞子工程，保證基坑和隧道在排水清淤時(shí)凍結(jié)體能夠完全封水并抵抗開洞口的水土壓力，同時(shí)隔斷完好隧道與外部土體之間聯(lián)系。上海軌道交通4號線浦東南路站（現(xiàn)塘橋站）—南浦大橋站區(qū)間一聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí)發(fā)生流砂事故，導(dǎo)致隧道塌陷，原位修復(fù)連接段采用了人工凍結(jié)加固暗挖施工[21]。這類修復(fù)基本是在保護(hù)原未破損隧道基礎(chǔ)上進(jìn)行的，要求完好隧道與修復(fù)隧道盡量早日貫通，在不具備明挖。礦山法施工條件時(shí)，人工凍結(jié)法為修復(fù)工程提供了技術(shù)保證，尤其是液氮凍結(jié)施工速度快。安全性較高，在隧道搶險(xiǎn)修復(fù)中已被大量應(yīng)用。
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