冻结法在广州地铁 3 号线施工中的应用【摘 要】在富水性地基土中暗挖法施工地铁工程，采用人工冻结地层开挖及结构施工，阐述了冻结法加固地基土机理及施工工艺，通过测温和沉降监测，分析冻结法隧道施工过程中土层温度、荷载与沉降的关系。【关键词】富水性地基 冻结监测法 沉降1 工程概况 广州市轨道交通 3 号线天河客运站折返线位于广州市天河区广汕公路。折返线斜穿广汕公路和沙河立交桥，附近有新天河商贸城和其他商铺建筑。由于该区段道路两侧地下管线纵横交错，数目较多，广汕公路是连接广州与汕头、增城之间的重要交通干道，交通繁忙，不能封路施工。因此拟采用暗挖法施工，避免明挖所带来的地下管线改移困难，以及受沙河立交桥引桥的限制。折返线设计起始里程为支YDK0+369.200，终点里程支 YDK0+230.40，长 138.8 m。在施工区段内,隧道坡度为 2‰,隧道顶面距离地表最小约为 8 m，最大开挖跨度约为 13.4 m。 折返线隧道围岩地质条件见表 1，其中冲洪积砂层 2 为主要含水层，强透水，富水性好，根据初勘、详勘抽水试验，砂层渗透系数 K=15m/d,为强透水性地层；4、5 层为花岗岩残积土及全风化层，具有一定的透水性，富水性一般，但由于遇水易软化崩解，稳定性差。 总体来讲，隧道的水文地质条件较差，涌水量较大，采用暗挖法施工时，隔水成为一大难题。虽然采用群井法来降低水位或地下连续墙围护结构能达到一定的效果，但其对周围环境的影响和过高的成本令人难以接受。基于这种现状，采用人工地层冻结方法(简称冻结法)作为工程中特殊的地层临时加固措施。根据广州地铁 3 号线天河客运站折返线隧道的地质条件，决定对其采用水平冻结法加固地层，浅埋暗挖法开挖、衬砌，采用全断面帷幕冻结。在隧道周围布置水平冻结孔，并在冻结孔中循环低温盐水，使冻结孔附近的含水地层结冰，形成强度高、封闭性好的冻结壁(冻土帷幕)，然后在冻结壁的保护下运用矿山法进行隧道开挖与构筑施工。2 冻结法的加固机理及施工工艺2.1 加固机理 冻结法加固地层的原理及一般过程为[1, 2, 3]：利用人工制冷技术，在冻结孔中循环低温盐水，使地层中的水冻结成冰，将天然岩土变成人工冻土，在要开挖体周围形成封闭的连续冻土帷幕，使其弹性模量增大，进而增加冻土帷幕的强度与稳定性；以抵抗土压、水压并隔绝地下水与开挖体之间的联系；然后在该封闭冻土帷幕保护下进行开挖与永久支护的施工。2.2 施工工艺 冻结法施工工艺： 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──积极冻结──试挖──隧道掘进与初衬施工，维护冻结──停止冻结。 折返线隧道全长 138.8 m，均分为南、北两段，每段71.9 m。南段先行打钻，再转入北段打钻，然后折返线隧道全长同时冻结，从折返线隧道两端相对同时开挖、初衬；隧道开挖前冻结时间为 90 d，并保证末端搭接冻结范围大于 5 m。冻结盐水温度，积极期为 - 25～- 30℃，维护期为 - 22～- 25℃；冻结壁平均温度为 - 8℃；冻结孔单孔盐水流量为4～6 m3/h。3 监测结果及分析3.1 测孔布置 施工期做好跟踪监测，测温孔 1#、2#、3# 及沉降观测孔S1、S2、S3 位置如图 1 所示。3.2 监测结果 对测温孔的监测结果如图 2￣ 图 4 所示，沉降监测结果见图 5。3.3 对监测结果进行分析 （1）测孔温度随深度的变化为：地表和地层深处这两端的温度比中间部位的温度明显偏高，逐渐接近地层原始温度。 （2）由图 1、2、4 可知：在土层的相应不同深度处，测温孔 1 和 2 的冻结效果相当，温度比较接近，导致附近两沉降观测孔的沉降量相近；由于测温孔 S2 位置处的地面荷载较大，且地面温度略高于测孔 S1，导致测孔 S2 处的前沉降略大于测孔 S1；但由于测温孔 2 地层内部温度略低于测温孔1 ，所以后期沉降量减小，且最终沉降量偏小。 （3）测孔 S3 的冻结效果比较好，地层温度从地表到68 m处均处于 0℃ ￣ - 15℃，地层沉降量始终比测孔 S1 和S2 的沉降量小得多。 （4）在整个施工监测过程中，未发现内衬下滑、沉降随时间迅速增长的现象，这说明冻土帷幕对内衬结构提供了足够的摩擦力，可抵抗内衬因自重应力引起的下滑。4 结 语 （1）土层的沉降量受冻结效果(土层温度)的影响：温度低的工程段，土层沉降量较小；温度高的工程段，土层沉降量较大。 （2）土层的沉降量受地面荷载的影响：荷载大的工程段，土层沉降量较大；荷载小的工程段，土层沉降量较小。