地铁施工中冻结法地基加固可行性研究

地铁施工中冻结法地基加固可行性研究

王兴伦余勇刘后华

中建八局轨道交通建设有限公司江苏南京210046

摘要：冻结法具有封水性、复原性、绕障性、强度高、适应性强、施工方便、环保无公害等特点，是一种技术可靠、工艺成熟的方法。它可在密集建筑区和现有工程建筑物下施工，不需进行基坑排水，可避免因抽水引起地基沉降造成对周围建筑物的不利影响。冻结法施工在公路隧道、基坑等工程中已被世界各国的工程界广泛地使用，可为地下工程的施工提供更加安全、便利的施工条件。基于此，本文主要对地铁施工中冻结法地基加固可行性进行分析探讨。

关键词：地铁施工；冻结法；地基加固；可行性

1、前言

冻结法之所以日益被推广应用，主要基于以下优点：原则上冻结法可在各类土层中应用；该法适应性强，可与许多边界条件及要求相适应；该法封水可靠，可实现人工干挖施工，有利于保证各类结构的施工质量；该法对环境保护有利，无异物进入土壤，对周围环境扰动小。

2、冻结法基本原理

在预期要开挖的场地周围的地层内布置冷冻管（冻结管），通过机械压缩循环制冷，低温盐水循环向地下供冷，使得每个冻结管四周土层变成冻土，并不断向外扩展。当每个冻结柱交接后，形成连续封闭的具有较高强度、不透水的冻土墙，从而提供一个安全、干燥和方便的施工环境，并把对临近构筑物的影响减到最小程度。

冻结法施工工序是：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→冻结→试挖→掘砌施工和围护冻结→现场监测→冻结管拔除与冻结系统拆除。

3、地铁施工中冻结法地基加固可行性研究

3.1冻结法在地铁工程中的水平钻孔施工

矿井井筒冻结是垂直施工。为数不多的其它岩土工程的水平冻结，距离也不长。地铁工程的隧道进洞施工有的需采用冻结法打水平钻孔。如南京张府园———新街口的进洞加固需大约10m的挡土止水结构，但由于地处饱和粉砂土质，用普通施工方法可能会出现涌砂、塌孔现象，故用水平圆筒型结构，需打水平冻结孔。地铁工程的旁通道施工也需打近水平钻孔。所以，打水平钻孔已成为冻结施工的关键和难点之一。

3.1.1在饱和砂土中的水平钻孔施工

依据施工工艺，须对上述南京地铁工点的进洞隧道断面上拱部流砂层实施水平冻结加固方案。按隧道断面形式，沿上拱部均匀布设水平冻结孔10个，孔深40m，开孔间距为680mm；冻结壁上下侧各布置1个观测孔，孔深45m。水平冻结孔钻进必须采取以下技术措施：为克服钻具固有的“下垂”作用，在钻孔过程中需要在钻具转数（n）、钻孔加压（P）、洗井液流量（Q）及顶管与正反转方面加以有效配合，协调钻进参数，在钻进工艺方面采取有效措施；在钻机上加导向扶正装置，尽量减少“下垂力”；尽量减轻钻具前部重量，用以减小钻具悬臂力矩；钻头设计成“咬土”形状，使冻结钻孔尽可能沿水平直线前进；用“旋塞式可逆止钻头装置”，用钻杆代冻结管，以解决起钻后因地层坍塌而无法插入冻结管的问题。用该装置钻孔时可正常洗孔：钻完后立即密封钻具系统，避免砂土涌入管内，经过简单洗孔，旋上旋塞，完全可满足冻结时所需要的密封性。该装置无论是外水平孔或者是上斜孔，无论是通过淤泥还是流砂，实践证明都是可行的。

钻进所需主要机具和材料有：MK-5型钻机，泥浆泵，搅拌机，配电箱，钻管，钻具及膨润土等。隧道积极冻结期35d，形成厚度为1.2～1.6m、拱跨度为6.0m的半圆拱形水平冻结壁。冻结壁为非封闭结构，平均温度为-10C。冻结粉红砂层的瞬时抗压强度为11Mpa，设计抗压强度为6Mpa（持久），设计抗弯强度为2.5Mpa（持久）。冻结壁生根于下部黏土层，形成坚固的隔水支护结构，从而隔开上部流砂层，最终形成完整隔水层。隧道采取分层掘衬施工，拱部短掘短衬，拱顶冻结壁直接作用在下部黏土层上，粉细砂层冻结壁形成临时支护控制层。达到设计冻土拱厚的冻结期为35d。这一期间冻结段冻胀地表最大隆起位移量Dmax=5.8mm。

3.1.2在地铁旁通道的水平钻孔施工

冻结孔和测温孔的良好施工质量是整个工程成功的关键。施工中，按不同土层条件设计孔位、倾角、深度；用小型坑道钻机施工，并将最新开发研制的冻结孔专用的跟管钻进技术及具有独特低温密封性能的冻结器组合钻头直接应用于工程钻孔中；同时，运用灯光及激光经纬仪等对钻孔施工进行指向和测斜。

为减少土体冻胀对旁通道两端隧道及地表的不良影响，在旁通道两端的隧道钢管片上分别设置2个卸压孔，以适时卸除冻胀压力。根据冻结孔成孔图，预测冻土帷幕的薄弱部位，以确定测温孔的孔位及倾角，并按设计孔位、角度、深度与冻结孔的要求进行施工。

3.2冻胀、融沉问题

土体冻结有时会出现冻胀现象，土体融化时会出现融沉现象。其原因是水结冰时体积要增大9.0%，并有水迁移现象。但像砂土、砾石这样的动水地层，一般不会出现冻胀现象。冻胀现象主要出现在黏性土质的冻结过程中。在冻融过程中，由于水分迁移、土体结构的变化，土体力学性质会被削弱，主要表现在：矿物颗粒间黏聚力减小，土体承载力降低；含水量增加，孔隙比增大，尤其是流塑性黏土；压缩系数一般会增大，在小于98kpa的压力下有时会增大几倍；含冰率较高的冻土，融化后透水性可增大数十到数百倍。由于黏土的颗粒尺寸小，比表面积大，土颗粒与液相表面的作用强烈，随着孔隙体积的增大，自由水含量增加，水的流动性增强，渗透性提高。冻土融化时，冰变成水而体积减小，造成土颗粒的又一次位移，已有的大孔隙不能恢复到冻前的小孔隙，致使土体变得疏松，孔隙度增大，导水系数增加。导水系数的变化直接影响着固结过程中超孔隙水压力的产生和消除，加快已融土的变形进程。所以，冻融过程中土体的孔隙率和含水量的变化会导致土体渗透性变化。

这种变化可能会造成地基土层的不均匀沉降，引起结构物的破坏。城市区域高层建筑林立，地面设施众多，地下管线密布。因此，冻胀、融沉引起地表移动造成的环境影响问题关系重大，应予严格控制。引起土体冻胀的主要原因在于水分迁移。迁移量越大，冻胀量越大，其危害也越大。因此，重点在抑制水分迁移。其根本在于从内部减弱水分迁移的动力，堵塞水分迁移的通道，从外部通过施加适当的外载、温度等，抑制冻胀。可实施的抑制冻胀措施有：①降低冷却温度，增大冻结速度；②把冻结范围控制在必要的最小限度内；③研究冻结管的布置，使冻结膨胀变形和热的传递方向相一致；④利用钻孔使地基产生沉降和松动使其抵消部分变形；⑤研究冻土形成的顺序，尽量用横向位移吸收膨胀；③通过增加孔隙水的黏性，来控制向冻结面的水分迁移量。

目前已经普遍使用的防冻胀、融沉做法是：设置卸压孔适时削减冻胀；预留注浆孔进行融化跟踪注浆。目前还没有成熟的预计冻胀、融缩的公式。在取样试验的基础上，根据工程类比进行预估，并加强工程实际监测，根据监测反馈结果采取相应的工程对策，仍是目前可行的作法。通过工程类比可以认为，在有效控制冻土体积、加强信息化施工及跟踪注浆等加固措施下，完全可以控制冻胀、融沉，达到建筑物保护的要求。

4、结语

目前已经普遍使用的防冻胀、融沉做法是：设置卸压孔适时削减冻胀；预留注浆孔进行融化跟踪注浆。冻结法施工无论是在矿山、隧道，还是地铁、市政等工程中都已进行过广泛和大量的实际应用，但针对不同的土质条件和不同的周围环境，仍有很多具体问题需要研究和解决。

参考文献

[1]周兴荣，王宗金，等.冻结法在广州丫髻沙大桥桩基事故处理中的应用[J].建井技术，2005（4）：38～40.

[2]高树峰.冻结加固技术在城市深基坑工程中的应用[J].西部探矿工程，2006（4）：39～41.