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摘要：介绍了垂直局部冻结法在地铁隧道的应用案例，通过有限元模拟得到环形冻结壁厚度的设计依据，通过冻结管的局部保温布置形成环形冻结壁。通过分析和计算，得到了环形冻结壁顶板、底板、侧帮冻土发展规律和冻结壁平均温度，积累了类似项目设计及施工经验。
关键词：垂直冻结 环形冻结壁 地铁隧道
冻结法是通过人工制冷技术使土层中的自由水结冰，从而形成抵抗地压并隔绝地下水的封闭式冻结体[1]。我国首次成功应用冻结法凿井技术在1955年，在市政行业应用起源于90年代初，由煤科院建井所研发的水平冻结法主要应用联络通道水平冻结，盾构进出洞端头冻结[2-3]。垂直冻结法主要应用于煤矿斜井冻结工程，在市政中主要应用于小体量端头井垂直冻结，液氮冻结。总体上在地铁隧道建设中大体量垂直冻结鲜有案例[4-5]。本文以广州某地铁暗挖隧道为例，介绍了成功实施的垂直局部冻结法应用工程，通过环形冻结壁设计及形成规律分析，积累类似项目设计及施工经验。
一、工程概况
广州地铁3号线北延伸段施工隧道位于航管楼至机场北站区间内，设计全长59.26m，为单洞双线曲线隧道。本段隧道拱顶覆土厚度约7.63m～8.08m，为超浅埋隧道。新建隧道位于曲线段，曲率为R400，且新建项目一侧为运行车站，不具备大型施工条件，地面为机场空管中心，地面有通行需求，且有数根军用通讯光缆等限制，不具备明挖条件，考虑到隧道断面形式、埋深及所处地质条件拟采用地面垂直冻结法加固+矿山法暗挖施工。隧道施工对地面交通基本无影响。
本项目暗挖隧道所在位置主要为<4-1>含砂粉质粘土、<3-3>细砂砾砂、<9C-2>含砂粉质粘土地层。暗挖隧道宽为12.6m，高为8.82m，底板埋深约为16m。本次详细勘察所揭露的地下水水位平均埋深为2.59m。隧道所处砂层渗透系数为5～15m/d，为含水层，地下水丰富。
二、冻结壁计算
2.1数值模拟计算
经过多次模拟计算，初步选定冻结壁厚度为3m，底部为平底厚度4m，冻结壁平均温度为-10℃。用有限差分法进行冻土帷幕的受力与变形计算。冻结壁承载力验算采用许用应力法，强度检验安全系数按Ⅲ类冻结壁选取，强度检验计算结果见表2-1。
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从计算结果中可以看出，冻结壁平均温度-10℃、厚度3m（底部平底4m）时，冻土帷幕的总体承载能力足够，冻土帷幕两侧及底部有应力集中，但应力值小于强度值，且各项安全系数满足要求。
2.2主要设计参数
根据隧道冻结壁设计的形式和特点，经过充分的论证、计算。将暗挖隧道定为垂直布孔局部冻结方案，冻结器保温区域进行双套管填充保温材料保温处理，主要设计参数见表2-2。
冻结布孔轴线与开挖隧道中心线平行，共布置9排：A排～I排。排间距：外侧两排（A B排，H I排）排间距1800mm；其他排间距为2150mm~2225mm。详见图2-1。
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三、冻结壁形成分析
3.1 盐水温度情况
工程于2017年1月24日开始积极冻结，至2017年4月12日，盐水温度去路温度为-27.25℃；回路温度为-25.43℃，盐水去回路温差1.81℃，满足设计要求。冻结过程中盐水温度变化图3-1。
3.2 测温孔的布置
冻结段实际施工5个测温孔，2个位于A、I排孔的外侧界面，2个位于开挖断面内，1个位于冻结段端头，深度与相邻冻结孔相同。温度测点布置见图2-1。
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3.3 测温孔温度变化
部分测温孔温度随时间变化曲线图3-2～图3-3。
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通过以上测温孔温度发展曲线看出，各测温孔温度随时间逐渐降低，冻结壁范围内的测温孔温度均已降为负温。通过T3测温曲线可以看出，在顶板段冻土内发展速度慢于底板段冻土发展速度，中间保温段冻土发展最慢，截止数据统计时间仍处于正温，说明通过冻结器的局部保温布置在一定程度上节约了冷量，并有利于隧道的开挖施工。
3.4 冻结壁分析
3.4.1冻结壁发展分析
1、隧道顶板。-8m处位于隧道顶板设计冻结壁内，A、I排在此深度有保温层，无冻土； C~G排群孔冻土发展速度以26mm/d计。测温孔分布位置、孔间距和冻土发展速度见表3-1。
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2、隧道侧帮
-12m处位于隧道中部， A、B、H、I排冻结管形成冻结壁侧帮，C~G排冻结管开挖断面保温，理想状况下无冻土。B、H排孔冻土发展速度以32mm/d计。
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3、隧道底板
-18m处位于隧道底板设计冻结壁内， A、I排冻结管深度＜17m，无冻土； B~H排其余孔冻土发展速度以42mm/d计。
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从表3-1~3-3综合来看，可以初步判定隧道顶板、底板和侧帮已交圈，封尾孔也已经交圈达到封水效果。隧道顶板正常段冻土平均发展速度为26mm/d，底板冻土正常段发展速度为42mm/d，是顶板发展速度的1.6倍，侧墙正常段发展速度为32mm/d，速度居中。
3.4.2平均温度计算
根据冻结设计顶板、侧帮冻结壁厚度为3m，底板厚度为4m。根据测温情况，顶板、底板的冻结壁厚度均大于设计要求，采用面域作图法计算得冻结壁平均温度均低于设计的-10℃要求；侧帮冻结壁平均温度采用双圈孔成冰公式进行计算，相关参数见表中所列，按照B、H排孔间距和A、I排孔间距计算，平均温度均低于设计温度，满足设计要求。
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由表3-4可以得出侧墙和拱顶冻结壁厚度大于3m，底板冻结壁厚度大于4m；冻结壁的平均温度均低于-10℃，满足设计要求。环形冻结壁底板平均温度比顶板平均温度低4.78℃左右。底板冻结效果明显优于顶板冻结效果。侧墙冻结壁平均温度为-11.17℃，明显高于顶板和侧墙计算结果，从实测角度分析，侧墙冻结器的流量和温度和其他冻结器并无明显差别，隧道开挖后实测侧帮温度达到-8℃，经修正后，侧帮冻土平均温度为-13.05℃，成冰公式计算的平均温度与面域作图法比较还是偏向于保守。
四、结论
4.1在不具备明挖和水平加固条件下，垂直冻结法在地铁隧道中得以成功应用。项目采取了局部保温，节约了能量，降低了项目成本，值得后续推广。
4.2冻结壁平均温度-10℃、厚度3m（底部平底4m）时，冻土帷幕的总体承载能力足够满足项目需求，冻土帷幕两侧及底部有应力集中，但应力值小于强度值，且各项安全系数满足要求。
4.3富水地层中冻土顶板平均发展速度为26mm/d，冻土底板平均发展速度为42mm/d。侧墙平均发展速度为32mm/d。环形冻结壁底板平均温度比顶板平均温度低4.78℃左右。底板冻结效果明显优于顶板冻结效果，后期可进行优化设计，适当增加顶板冻结厚度，减小底板冻结厚度。
参考文献：
[1]王建平,刘晓敏. 地层冻结技术的回顾与在市政建设中的进展[J]. 施工技术,2010(S1):125-126.
[2]李方政. 市政冻结技术的应用与展望[J]. 建井技术,2017,38(4):55-60,49. DOI:10.19458/j.cnki.cn11-2456/td.2017.04.011.
[3]马玉峰,苏立凡,徐兵壮,等. 地铁隧道联络通道和泵站的水平冻结施工[J]. 建井技术,2000,21(3):39-41. DOI:10.3969/j.issn.1002-6029.2000.03.013.
[4]和晓楠,杜德冰,周晓敏,等. 斜井垂直孔冻结温度场的数值分析与现场监测[J]. 矿业研究与开发,2017,37(11):94-98.
[5]陈弢,胡向东. 盾构隧道修复工程中的垂直冻结加固应用[J]. 合肥工业大学学报（自然科学版）,2009,32(10):1542-1546. DOI:10.3969/j.issn.1003-5060.2009.10.022.