0 引言

　　盾构进出洞在地铁隧道建造过程中是风险较大的环节之一，其风险主要来源于破除洞门的临时围护结构后，一旦土体的自立性较差就会引起洞门坍塌，特别是在含水量较大的粉砂地层易出现涌水涌砂现象。冻结法是一种应用灵活、封水性强、几乎不受深度限制、对环境影响极小的加固土体的方法，在盾构进出洞施工中具有非常广阔的应用前景。

　　冻结法是向地层中打入钢管，在钢管里进行低温盐水的循环流动，将地层里的热量带出，使地层慢慢冷却到0℃以下结成冰块，形成一个密闭的坚硬壳体，这样不仅可以承受四周的水土压力，还可以隔绝地下水，在这样的冻结体里打洞能相对安全。

　　1 工程概况

　　苏州地铁5号线塔园路站—竹园路站区间，左、右线全长1 858.944m，地下3层结构。盾构在竹园路站西端左线出洞，中心埋深约为21.300m，洞口直径6.7m，地面标高约3.800m。竹园路站西端头井与左线隧道中心相交里程为ZDK15+841.700，中心标高为-17.750m，与右线隧道中心相交里程为YDK15+841.700，中心标高为-17.750m。本工程场地位于滨河路以西现有市政道路竹园路下方，距离竹园路与滨河路交叉口130m左右，西端头井洞门加固影响范围内无重要建(构)筑物。盾构接收、始发范围内主要分布的土层为(4)₂粉砂夹粉土、(5)₁粉质黏土(见图1)，该土层属于软弱富含水土层，自身承载力较差，且地下水具有承压性，盾构机进出洞有涌水涌砂风险。为保障盾构顺利接收和始发，结合复杂工程环境，水平冻结帷幕技术能满足盾构进、出洞施工安全和质量要求，故采用人工地层冻结加固土体的方法。

　　图1 右线洞门始发位置及地质情况  

　　2 冻结方案与冻结参数

　　2.1 设计要求

　　采用杯形水平冻结加固方案，具体冻结孔和测温孔布置如图2所示，根据冻结帷幕设计，共设冻结孔57个。其中，杯壁体冻结孔沿开洞口7.8m圆形布置，开孔间距为0.765m(弦长)，冻结孔数32个，长度为6.4m;杯底冻结孔沿开洞口5.2，2.6m圆形布置，开孔间距为0.998～1.019m(弦长)，冻结孔数24个，长度为4.2m;开洞口中心布设1个冻结孔，长度为4.2m。此外，布置了5个测温孔(T1～T5)，深度为3.9～6.4m，每个测温孔内布置1～3个测点，定在终孔间距较大的位置，主要测量冻结帷幕范围不同部位的温度发展状况，以便及时采取控制措施，确保施工安全。测温孔管材选用89×10,20号低碳钢无缝钢管。

　　2.2 冻结帷幕设计参数

　　冻结帷幕厚2m，冻结壁平均温度-10～-15℃，积极冻结时间35d，盐水温度-28～-30℃;冻结壁单轴抗压强度4.0MPa，单轴抗折强度2.0MPa，单轴抗剪强度1.8MPa(-10℃)，盾构外周冻土温度≥-5℃并接近0℃。

　　右线始发冻结站于2019年7月18日开始运转，积极冻结时间为35d，维护冻结时间为15d，中间由于冻结管破裂导致盐水温度上升，冻结时间延长，9月6日盐水温度达到-29.0℃;回路达到-28.2℃;盐水去、回路温差<2.0℃;冻结运转情况良好。

　　3 冻结法施工

　　根据工程地质条件及施工条件，决定采用“工作井内钻孔、水平冻结加固”的施工方案，即在工作井内利用水平冻结和部分倾斜孔冻结加固地层，使盾构机外围及开洞口范围内土体冻结，形成强度高、封闭性好的“杯形”冻结壁。

　　根据盾构、进出洞工期安排，首先进行盾构接收洞口土体的加固，待盾构顺利接收后再根据实际工期情况安排右线始发洞门的加固，通过测温孔内各测点观测计算，确定冻土与地下连续墙完全胶结，冻土帷幕交圈，当达到设计强度后，盾构开始推进，当推进到离冻结帷幕1m时，应立即停止，破除地下连续墙0.85m，然后将开洞口内冻结管拔除，最后实施盾构进洞推进。

　　3.1 施工工艺

　　冻结站安装与钻孔施工同时进行，钻孔施工结束即可转入冻结器安装和冻结阶段。具体施工工序如图3所示。

　　3.2 钻孔施工

　　3.2.1 孔位开孔及孔口管安装

　　首先根据设计在地下连续墙上确定各孔的位置，再用开孔器(配金刚石钻头取芯)按设计角度开孔，开孔的直径为150mm，当深度开到600mm时停止孔的取芯钻进，此时开始安装孔口管。

　　3.2.2 钻孔与下管工作

　　按设计要求调整钻机俯仰角和方位角位置并将其固定，在孔口装置上安装旁通阀，并固定密封装置。首先采用无泥浆钻进，当钻进不进尺时，调整施工工艺进行泥浆钻进，同时打开孔口装置上旁通阀门，观察出砂、出水情况。

　　下好冻结管后利用经纬仪结合灯光对每个成孔进行测斜，偏斜量控制在150mm以内，不宜内偏。

　　图2 右线水平冻结孔和测温孔布置  

　　图3 冻结法施工工序  

　　3.2.3 密封性试验

　　在成孔管内注水进行冻结管密封试验，按照轨道公司下达文件的要求，试验压力控制在0.8MPa，并且30min内压力变化≤0.05MPa，再延长15min压力无变化为合格。

　　3.3 供液管施工及管路连接

　　为增大回液面积，冻结管施工完成后，在冻结管内插入2根一短一长盐水供液管，并在施工时将短管底部切除一部分。

　　当供液管全部施工完毕后将去、回两路管路以串联的方式连接，2个孔为一组，根据组数在管路上布置一定数量的进出液孔，各组之间并联且与去、回路连接。

　　4 盾构进出洞关键要点

　　4.1 盾构进出洞技术要求

　　1)为保证盾构进、出洞安全、可靠，根据盾构掘进速度，在盾构机接收前55d开始冻结孔的施工和积极冻结。通过检测确认冻结帷幕达到设计强度、厚度，并与地下连续墙完全胶结后，进行地下连续墙破除，开始盾构进、出洞施工。

　　2)加强地面监测，在加固区上方和周边管线等处设监测点，监测施工过程中的沉降变化。

　　3)在进洞口13环管片，出洞口5环管片上增设注浆孔，除此之外，每块管片上增设2个注浆孔进行后期融沉注浆及洞门封堵;利用管片上注浆孔进行跟踪注浆，减少融沉。

　　4)盾构穿越冻土墙时不宜停留，防止盾构被冻抱住。

　　4.2 拔管与盾构机接收

　　第1次破除地下连续墙0.85m后，通过探孔分析，冻土帷幕与地下连续墙胶结良好，盾构靠近内圈冻结管约1m停机保养，即可拔管。拔管的同时盾构机继续向地下连续墙方向推进，待盾构机范围内的冻结管全部拔出后，继续推进，到达冻结壁边缘时停止推进，待剩余0.15m地下连续墙完全凿除后，盾构推进接收。

　　先用30～40℃的盐水循环10min，盐水温度逐步升高到50～70℃，循环达2～5h。当回路盐水温度上升到25～30℃时，边循环边用千斤顶及大管钳旋转往外顶使冻结管松动，然后在钢套筒后端盖上焊接固定拉钩，通过钢丝绳及葫芦辅助拔管。拔管要间隔拔除，未拔除的相邻孔继续冷冻。每拔出一根冻结管，在空洞内填入水泥砂浆，并用木楔对空洞进行封堵。拔管时间控制在36h之内。

　　4.3 冻胀融沉

　　4.3.1 冻胀控制措施

　　土体冻胀主要是地层中孔隙水结冰膨胀引起的。据已有施工经验，在浅土层中冻结时易产生较大的冻胀量，而对于本工程，仅需要采用局部冻结，冻胀量可大大降低，影响范围可涉及非冻土区1～1.5m。对影响范围内的管线在冻结施工前采取一定的保护措施，且在施工过程中加强监测。冻结区域为开放式，地下连续墙为C30混凝土，因此冻胀量不会对地下连续墙产生较大影响。

　　4.3.2 融沉注浆

　　在冻结体消融过程中，随着体积缩小，产生地层沉降，称为融沉，主要是冻土融化时排水固结引起的，其沉降量与土层特性和融层厚度有关。融沉注浆技术要求如下。

　　1)在冻结拔管施工时，进行注浆孔预埋。注浆孔应依据冻结孔间隔布置，孔深为冻结孔设计深度，注浆管规格为DN25～DN40钢管，即冻结管拔除时每隔1～3个孔预埋1个。

　　2)融沉注浆材料采用双液浆。水泥浆与水玻璃溶液体积比为1∶1，水泥浆水灰比为1∶0.8。

　　3)地层日沉降>0.5mm，或累计地层沉降>3mm时应进行融沉补偿注浆;地层隆起达到3mm时应暂停注浆，根据地面变形监测情况做适当调整。融沉注浆结束以地面沉降变形稳定情况为依据。

　　4)冻结壁已全部融化且不注浆的情况下实测地层沉降持续1个月，每半个月≤0.5mm，累计沉降量<1mm，即可停止融沉注浆。

　　5)注浆顺序为先下部后上部，注浆范围为整个冻结区域，单孔一次注浆量为0.5m³，最大不超过1m³，注浆压力≤0.5MPa。

　　4.3.3 融沉控制措施

　　1)以多点、均匀、少量、多次为原则，按融化冻土体积15%控制注浆量。

　　2)冻结壁解冻时有少量收缩，使地层产生沉降。为减少融沉量，可在隧道内进行适当的跟踪注浆，为防止低温对注浆强度的影响，掺防冻早强剂氯化钙(2%～3%)。

　　3)融沉注浆时视地面沉降情况进行注浆，以提高控制地层沉降的效果。

　　4)解冻过程中，要加强地面变形监测、冻土温度监测、冻结壁后水土压力监测。

　　5 结语

　　盾构接收前，采用冻结法对盾构接收井土体进行加固，达到提高土体强度和降低土体渗透性的双重目的。实践表明，冻结法在富水粉砂地层中应用效果显著，且不容易出现薄弱环节，施工安全可靠，能有效隔绝地下水承受水土压力，非常适合在地下水位高、土层强度低的地区使用，为今后类似工程的实施积累了经验。随着我国社会、经济的迅速发展，城市化进程的不断推进，在地下铁道工程、地下污水管道工程、高层建筑深基坑工程、桥墩等工程中应用人工冻结技术，对解决软土、流砂、含水不稳定土层以及高水压土层等技术难题有广泛的应用前景。