《城市地下工程人工凍結法理論與實踐》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雜地質環(huán)境條件下施工難題為背景，以軟弱地層地下工程凍結法施工理論與實踐為主線，采用理論研究、室內試驗、數(shù)值模擬、方案比選、實測分析相結合的綜合研究方法，全面闡述了城市地下工程，特別是長江三角洲地區(qū)城市軌道交通建設中人工凍結法施工的理論與關鍵技術。《城市地下工程人工凍結法理論與實踐》共分九章，包括人工凍結法基礎理論，淺表土人工凍土物理力學性能，人工凍結數(shù)值模擬理論與方法，盾構始發(fā)與接收端頭人工凍結加固技術與應用，地鐵聯(lián)絡通道人工凍結施工技術與應用，盾尾刷滲漏防治技術，水泥土加固抑制凍脹融沉技術，人工凍結法施工監(jiān)測技術，特殊地下工程人工凍結法應用。
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《城市地下工程人工凍結法理論與實踐》：
1 人工凍結法基礎理論
1.1 概述
人工凍結法是利用人工制冷技術使地層中的水結冰形成凍土，隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系，在凍結壁保護下進行地下工程施工的地基處理方法。作為一種臨時地基加固方法，目前已被廣泛應用于地鐵隧道盾構始發(fā)與接收端頭加固。聯(lián)絡通道加固施工。隧道搶險及其他搶險工程等城市地下工程施工中。
1.1.1 人工凍結法的應用現(xiàn)狀
1.人工凍結法的起源
19世紀初，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，冬天結束后就停工，等到來年冬天接著開挖，但施工到一定深度時土層已不是凍土，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法加固地層解決了松軟含水地層立井開鑿時的塌陷問題；1875年，世界上第一臺活塞式制冷機的問世成為人工凍結法被廣泛應用的一個里程碑，這臺機器選擇了液態(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技術進行103m深的立井施工，首次提出人工凍結法施工原理，同時獲得“凍結法鑿井技術”專利。冷凍機的出現(xiàn)為人工凍結法適用于特殊條件（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.國外人工凍結法的應用與發(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用人工土凍結技術起步較早，相繼應用人工凍結法完成了許多地下工程施工，積累了大量成功經(jīng)驗。
20世紀60~80年代前蘇聯(lián)采用人工凍結法對地鐵。礦井和其他工業(yè)建筑施工達200余例，如某污水泵站凍結孔圈徑69m，凍結深度60m，礦井開挖圍護深度已達800m。世界主要國家的最大凍結深度見表1.1。日本從1962年開始使用人工凍結法，隨后將該項技術推廣到通過河流。鐵路及其他構筑物下的隧道工程，支撐明挖的墻體工程和其他地下工程。東京環(huán)7線二號調節(jié)水倉盾構隧道，圓形工作井深60m，端頭凍結加固面直徑達28.1m，確保了直徑為13.94m的大型泥水加壓平衡盾構順利被接收；大阪東南部的排水隧道，直徑6.5m，長8.5km，分5個工區(qū)掘進，采用地下或海下對接，由于不開鑿地面立井，于是應用凍結法加固，并取得了成功；凱橫運河下盾構貫通，采用水平凍結法成功穿越了泥質細砂地層；名古屋某兩地鐵隧道盾構始發(fā)與接收均采用了垂直凍結加固端頭地層，連接兩個不同直徑的電力隧道時也成功應用了人工凍結法[2]。
1991年西班牙瓦倫西亞修建地鐵時，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�；瘜W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)支護施工出現(xiàn)了很多問題，后來采用人工凍結法形成一個直徑6.1m的凍土圍堰和三個相鄰的柱狀凍土槽，確保了工程順利進行[4]。1994年，德國杜塞爾多夫（Dusseldorf）市火車站附近擴建地鐵，對三段長40m的地鐵隧道均采用了人工凍結法進行圍護，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，施工階段同時對附近建筑基礎進行了沉降觀測，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施工中也成功地利用了液氮人工凍結法[6]。1997年，在挪威奧斯陸海灣海底隧道施工中，運用凍結法成功穿越了松散地層，保證了該工程順利完工[7]。
人工液氮凍結用于加固地層在國外始于60年代，已報道的液氮凍結工程實例中，較著名的有德國慕尼黑地鐵。美國肯塔基州大型機械經(jīng)過GreenRiver700m的沖積平原等；未見正式報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）河底三個平行隧道施工時出現(xiàn)土體坍塌，隨后使用了液氮凍結，而后在橫穿鐵路的下水管道等幾項施工中也成功利用液氮凍結法，并開發(fā)出自動控制系統(tǒng)[9]。
3.國內人工凍結法的應用與發(fā)展
1955年，立井凍結法鑿井技術從波蘭引進，開灤林西煤礦風井建成的第一口立井在中國開創(chuàng)了人工地層凍結法的先河。隨后人工凍結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。內蒙古。吉林等多省區(qū)均有工程采用了這種技術。目前，中國已成為世界上用凍結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的凍結壁。井壁設計等關鍵技術問題[10]。
1）礦山工程
目前，我國已采用人工凍結法開鑿了600多個井筒，總長度超過70km。我國凍結法鑿井最大凍結深度已達737m，成為世界上用凍結法鑿井穿過表土層最厚的國家之一，凍結法施工技術達到世界領先水平。
2）橋梁工程
江蘇潤揚長江公路大橋南汊懸索橋南錨碇基礎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，通過人工凍結在基坑四周形成厚1.3m。深40m的凍結壁，同時在凍結壁內側澆筑140根鉆孔灌注樁，該組合支護結構是我國巖土工程施工方法的一項技術創(chuàng)新，首次有效結合凍結法和排樁法工藝，成為世界建橋技術上的歷史性突破[11]。
安徽鳳臺淮河大橋為一座斜拉橋，主橋墩分設于東西兩岸，沉井法施工中，當兩井筒沉至底部垂深24m左右時，均發(fā)生工作面四周涌砂涌水事故，最終選用人工凍結法進行了封水處理[12]。
江西湖口大橋橋址處地質。水文。氣候條件十分惡劣，水下基礎施工難度很大，其中東塔基礎覆蓋層為軟弱松散沖擊層，厚度達19m之多，土質以淤泥和淤泥質亞黏土為主，基巖主要由石英砂巖組成，巖性堅硬脆，裂隙較易發(fā)育。經(jīng)過對樁基設計構造特點。橋址地質水文情況及施工設備能力進行綜合分析后，最終采用凍結法人工挖孔灌注樁方案進行了樁基施工[13]。
3）地鐵隧道工程
�。�1）垂直凍結
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。深層攪拌樁以及壓密注漿加固，盾構始發(fā)鑿除洞門過程中出現(xiàn)涌砂險情，采用雙液漿堵水后仍有流砂，引起局部地面沉降；后采用垂直凍結壁，成為南京首次實施地下工程人工凍結法的范例[14]。南京地鐵10號線越江段盾構開挖直徑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+應急降水+水中接收”的方式。隨著軟土區(qū)盾構隧道數(shù)量增多，“化學加固+垂直凍結補強”的實例越來越多。
�。�2）水平凍結
水平凍結無論在工藝過程。作業(yè)要求還是凍結壁受力都有著同垂直凍結截然不同的特點。1994年上海地鐵1號線聯(lián)絡通道泵站應用人工凍結施工成為我國地鐵建設施工中第一次在聯(lián)絡通道中應用人工凍結技術。聯(lián)絡通道施工中開挖土方量不大，在類似粉細砂。淤泥質粉質黏土。粉質黏土等地層中，最大威脅來自地下水，當其他工法加固效果不明顯或者無法成功加固時，人工凍結法成為施工聯(lián)絡通道的首要選擇，這種方法在南京地鐵。蘇州軌道交通。上海地鐵聯(lián)絡通道施工中已被廣泛成功應用。南京地鐵2號線中和村站（現(xiàn)雨潤大街站）—油坊橋站盾構井1#聯(lián)絡通道地處粉質黏土與粉砂交互層，地下水豐富，線間距20m，凈距13.8m，施工難度較大，后采用“雙隧道打凍結管，中間交叉1.5m，每條隧道內各自安放冷凍機組同時凍結”的施工方案順利完工[15]。1998年北京地鐵復八線大北窯車站（現(xiàn)國貿站）南隧道基于技術與經(jīng)濟比較，完成了我國首例水平凍結施工，水平凍結距離45m，初步證明了水平凍結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]。
隨著凍結技術發(fā)展，水平凍結逐漸被用到盾構始發(fā)與接收端頭加固中。人工凍結法進行端頭加固時，根據(jù)地層條件可以直接加固（提高強度。封水性），也可以與化學加固法聯(lián)合加固（凍結加固體承擔封水作用，化學加固體發(fā)揮強度作用），具體選擇何種加固方法，與周邊環(huán)境復雜程度。土層條件。地下水狀況有關。
南京地鐵2號線西安門站—大行宮站區(qū)間隧道，盾構始發(fā)地所處中山東路道路和龍蟠中路屬城市干道，車流量。人流量較大，受地面環(huán)境限制，無法從地上進行土體加固施工，后采用地下水平杯型凍結法加固土體。南京地鐵2號線集慶門車站盾構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法加固[17]。蘇州軌道交通2號線Ⅱ-TS-05標平河路站—蘇州火車站站區(qū)間盾構進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加固[18]。無錫地鐵1號線勝利門站—三陽廣場站盾構區(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。側穿中山北路4號房并轉向中山路，周邊環(huán)境極其復雜，盾構始發(fā)與接收均采用了水平凍結加固。
�。�3）盾尾刷更換
盾構機長距離掘進時，有時出現(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，由于正常掘進時盾尾刷位于管片背后而無法更換，可預見情況下需提前選擇停機位更換盾尾刷。更換盾尾刷時應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間為依據(jù)封堵地下水，但化學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，風險大；而人工凍結壁的封水性能則相對優(yōu)越，已被工程驗證。杭州慶春路過江隧道兩臺盾構進入江底承壓水層后，均出現(xiàn)不同程度的盾尾漏漿涌水現(xiàn)象，采用液氮凍結法封堵盾尾外側地下水，并在凍結壁（設計厚度1.8m，平均溫度-15℃）保護下更換并增設盾尾刷，這種長距離液氮凍結用于高承壓含水層中更換盾尾刷在國內尚屬首次[19]。
�。�4）搶險。修復工程
世界地鐵建設史上也曾發(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”方案，但很多情況下受規(guī)劃線路影響須進行隧道原位修復。近年來，液氮凍結多被用在搶險。修復工程中，因為液氮制冷土體凍結的發(fā)展速度是普通鹽水制冷土體凍結速度的5~10倍。意大利AgriSauro盾構隧道掘進到2.63km時，盾構后方頂部襯砌中涌砂達6000m3，注漿法搶險失敗后最終通過液氮凍結搶險成功[20]。南京地鐵2號線中和村站—元通站右線盾構到達元通站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形成塞子工程，保證基坑和隧道在排水清淤時凍結體能夠完全封水并抵抗開洞口的水土壓力，同時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)絡通道施工時發(fā)生流砂事故，導致隧道塌陷，原位修復連接段采用了人工凍結加固暗挖施工[21]。這類修復基本是在保護原未破損隧道基礎上進行的，要求完好隧道與修復隧道盡量早日貫通，在不具備明挖。礦山法施工條件時，人工凍結法為修復工程提供了技術保證，尤其是液氮凍結施工速度快。安全性較高，在隧道搶險修復中已被大量應用。
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