摘要：本文以天河客運(yùn)站折返線隧道的施工實(shí)例，闡述了在隧道選線無法避開花崗巖殘積土這一病害地層時，通過采用冷凍法預(yù)加固隧道及周邊地層，同時首次在廣州地鐵采用非爆破懸臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開挖，既克服了花崗巖殘積土層遇水易軟化崩解造成隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)，又解決了冷凍層過硬人工挖掘困難且不宜爆破開挖的難題。
　　關(guān)鍵詞：冷凍法，非爆破開挖，花崗巖殘積土層
　　1工程概況及技術(shù)難點(diǎn)
　　廣州市軌道交通三號線天河客運(yùn)站折返線斜穿廣州市天河區(qū)廣汕公路和沙河立交橋，風(fēng)道在折返線北端。該區(qū)段道路兩側(cè)地下管線縱橫交錯，數(shù)量較多；其次，廣汕公路交通繁忙，不能封路施工，因此采用暗挖法施工。
　　隧道拱頂位于砂層，側(cè)墻及仰拱位于花崗巖殘積層及〈5〉砂質(zhì)粘性土層，該土層在自然條件下結(jié)構(gòu)致密，自穩(wěn)能力高，但在開挖過程中遇水易軟化、坍塌。由于冷凍法將隧道周圍一定范圍的地下水及土層凍結(jié)，既增加了圍巖的強(qiáng)度又起到止水帷幕的作用，經(jīng)充分論證決定采用水平冷凍法進(jìn)行隧道止水加固及非爆破懸臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開挖。
　　2冷凍法簡介
　　冷凍法是通過在地層中鉆孔，埋入鋼管，在鋼管中加鹽水或液氮，通過循環(huán)，使周圍地層制冷、凍結(jié)，形成保護(hù)層（凍結(jié)壁），地下工程在保護(hù)層下施工。保護(hù)層能保證地層穩(wěn)定,同時還能起隔水作用，保證施工安全。冷凍一般分為垂直冷凍和水平冷凍。
　　3冷凍法施工設(shè)計(jì)
　　冷凍法施工設(shè)計(jì)主要分兩部分：冷凍施工方案設(shè)計(jì)，冷凍施工工藝設(shè)計(jì)。
　　1）冷凍施工方案設(shè)計(jì)
　　（1）冷凍施工方案概述
　　根據(jù)天河客運(yùn)站折返線及風(fēng)道工程所處環(huán)境、交通、管線、地質(zhì)等條件，結(jié)合其它地鐵隧道施工經(jīng)驗(yàn)，確定采用“水平凍結(jié)加固土體、礦山法開挖構(gòu)筑”的施工方案。水平地層凍結(jié)加固和開挖構(gòu)筑的主要施工順序?yàn)椋菏┕��?zhǔn)備──凍結(jié)孔施工，同時安裝凍結(jié)制冷系統(tǒng)──安裝凍結(jié)鹽水系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)──積極凍結(jié)──試挖──隧道掘進(jìn)與初襯施工，維護(hù)凍結(jié)──停止凍結(jié)。其關(guān)鍵工序是凍結(jié)孔施工和凍結(jié)過程的檢測與控制。
　　（2）冷凍施工方案技術(shù)要點(diǎn)
　　⑴冷凍施工范圍及施工順序
　　a)將風(fēng)道的端頭井作為隧道水平凍結(jié)施工的北端工作井，由此端由北向南對隧道實(shí)施凍結(jié)施工。在車站的北端同樣設(shè)置了隧道的冷凍工作井，由此端由南往北實(shí)施凍結(jié)水平打鉆。隧道冷凍平面布置如圖1所示。
　　b)隧道凍結(jié)擬從折返線南北兩端工作井相向而形。鉆孔長度約71.9m（凍結(jié)搭接5m）。
　　
　　          
　　                              　　圖1折返線冷凍平面布置圖
　　⑵凍結(jié)壁設(shè)計(jì)
　　a)隧道頂板大部分在沖積-洪積砂層中且含水，是凍結(jié)加固的主要對象。另外，花崗巖殘積層、〈5〉砂質(zhì)粘性土層也是加固對象。
　　b)隧道凍結(jié)壁設(shè)計(jì)成與開挖區(qū)相似形狀，以利于凍結(jié)壁承載且能均勻進(jìn)入開挖區(qū)。凍結(jié)孔呈放射狀布置。
　　⑶凍結(jié)壁形成的控制與檢測
　　a)凍結(jié)制冷系統(tǒng)采用新型氟利昂鹽水螺桿冷凍機(jī)組。
　　b)在凍結(jié)系統(tǒng)管路上安裝測量溫度、流量與壓力等狀態(tài)參數(shù)的檢測儀表，并設(shè)置控制閥門，以實(shí)時監(jiān)控凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)行。
　　c)根據(jù)凍結(jié)孔的偏斜情況，在適當(dāng)?shù)奈恢貌荚O(shè)測溫孔，通過測量地層溫度變化并結(jié)合凍結(jié)溫度場的模擬計(jì)算，預(yù)報(bào)、判斷凍結(jié)壁的擴(kuò)展情況。
　　d)在封閉凍結(jié)壁的內(nèi)側(cè)設(shè)水文觀測與泄壓孔，通過測量凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)地層的水壓變化可以正確判斷凍結(jié)壁是否交圈（即冷凍壁形成）。
　　⑷凍結(jié)孔施工
　　a)采用大扭矩、大推力專用水平孔鉆機(jī)鉆進(jìn)，高精度水平孔陀螺測斜儀測斜。
　　b)鉆進(jìn)凍結(jié)孔時要先安裝孔口管，以防止地下水涌出和塌孔。在松軟地層中用凍結(jié)管作鉆桿，凍結(jié)管下放和鉆孔同時完成，以免鉆孔坍塌。
　　⑸凍結(jié)施工與掘進(jìn)施工的配合
　　a)經(jīng)凍結(jié)輔助加固的隧道開挖一般不采用爆破開挖，僅采用人工加風(fēng)鎬開挖。但本工程由于施工過程中延長積極凍結(jié)時間來施工，導(dǎo)致有效凍結(jié)壁厚度比原設(shè)計(jì)增加0.5m，凍結(jié)壁內(nèi)擴(kuò)2m，在隧道內(nèi)形成高強(qiáng)凍土，因此引用了煤炭系統(tǒng)采煤所用的EBZ-120型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)輔以人工修邊的方式開挖，每循環(huán)進(jìn)尺為2m。
　　b)在噴射混凝土中添加抗凍劑，同時控制凍結(jié)壁的表面溫度，以便于掘進(jìn)和噴射混凝土施工。
　　⑹環(huán)境保護(hù)
　　根據(jù)試驗(yàn)研究及工程經(jīng)驗(yàn)，在砂層與花崗巖殘積層中凍結(jié)施工時，地層幾乎不會凍脹和融沉。但為進(jìn)一步提高施工的可靠性，對隧道的凍結(jié)壁變形和地表變形進(jìn)行量測，以便發(fā)現(xiàn)問題，及時處理。
　　2）凍結(jié)孔布置與凍結(jié)壁形成預(yù)計(jì)
　　凍結(jié)孔布置詳見圖2，設(shè)計(jì)取凍結(jié)孔允許偏斜率為10‰。雙線隧道凍結(jié)孔開孔間距為830mm（上部）/915mm(下部)，成孔最大控制間距為2.7m。凍結(jié)孔沿隧道線路呈放射狀鉆進(jìn)，開孔位置與開挖區(qū)輪廓線的距離為1000mm，鉆孔與隧道中心線的夾角(鉆孔偏角)大約為0.7°。設(shè)計(jì)凍結(jié)壁交圈時間為90天。冷凍壁厚度約2000mm。
　　
　　               
　　　             　圖2折返線冷凍孔橫斷面布置圖
　　3）其它設(shè)計(jì)參數(shù)
　　（1）設(shè)計(jì)最低鹽水溫度為-28～-30℃，并要求凍結(jié)7天鹽水溫度達(dá)到-20℃。維護(hù)凍結(jié)鹽水溫度不高于-24℃。
　　(2）凍結(jié)壁平均溫度不高于-8℃。開挖時凍結(jié)壁表面溫度低于-3℃。
　　(3）凍結(jié)孔單孔鹽水流量為7～10m3/h。
　　(4）凍結(jié)管外徑為108mm。
　　(5）雙線隧道兩端各設(shè)測溫孔4個,深度比凍結(jié)孔小2m。測溫孔內(nèi)根據(jù)地層情況沿管的縱向長度每3m布置1個測溫點(diǎn)。雙線隧道同時設(shè)水文孔2個。
　　4冷凍法施工工藝
　　1)冷凍孔施工
　　(1）凍結(jié)管、測溫管和水文管均選用壁厚不小于7mm的φ108mm低碳無縫鋼管，單根管材長度2～4m，采用絲扣連接。供液管選用內(nèi)徑50mm的聚乙烯增強(qiáng)塑料管或鋼管。
　　(2）鉆機(jī)、鉆桿的選用：鉆機(jī)至少能打80m長的鉆孔并容易控制鉆孔偏斜度。用冷凍管作鉆桿。
　　(3）凍結(jié)孔鉆進(jìn)：按凍結(jié)孔設(shè)計(jì)方位要求固定鉆機(jī)，隨鉆進(jìn)放入凍結(jié)管，開孔段鉆進(jìn)是關(guān)鍵。鉆進(jìn)前10～20m時，反復(fù)校核鉆桿方向，調(diào)整鉆機(jī)位置，并用經(jīng)緯儀或陀螺儀檢測偏斜無問題后方可繼續(xù)鉆進(jìn)。
　　(4）凍結(jié)管安裝完畢，在凍結(jié)管內(nèi)安置供液管，然后安裝去、回路羊角和凍結(jié)管端蓋。
　　2)冷凍制冷系統(tǒng)選用
　　冷凍制冷系統(tǒng)設(shè)備主要有：
　　YSKF220型冷凍機(jī)組、YSKF216型冷凍機(jī)組、8Sh-13A鹽水循環(huán)泵、IS150-125-250冷卻水循環(huán)泵、DBN3-200型冷卻塔、鹽水箱、鹽水干管及集配液管等設(shè)備。
　　3)積極凍結(jié)及維護(hù)凍結(jié)
　　(1）凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后進(jìn)入積極凍結(jié)。要求兩周左右的時間鹽水溫度降至-20℃以下。
　　（2）凍結(jié)壁交圈達(dá)到設(shè)計(jì)厚度后，進(jìn)行隧道開挖。正式開挖后，進(jìn)入維護(hù)凍結(jié)。在開挖過程中，定期檢測凍結(jié)壁暴露面的溫度與變形，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。
　　（3)隧道開挖完成，初襯施工完成后，結(jié)束冷凍。在凍結(jié)壁自然解凍過程中，測量地表的融沉情況，必要時可進(jìn)行補(bǔ)償注漿。
　　4）凍結(jié)方案的實(shí)施及優(yōu)化
　　天河客運(yùn)站折返線冷凍施工在積極冷凍期滿進(jìn)行開挖前，對現(xiàn)場凍土取樣做凍土強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際凍土的強(qiáng)度相對原設(shè)計(jì)采用的凍土強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)值有較大程度的削弱，凍土有效厚度無法滿足實(shí)際開挖的需要。為此建設(shè)各方召開會議對方案進(jìn)行研究優(yōu)化，討論如何增加凍土有效厚度以確保隧道開挖的安全。一種方案是冷凍布孔向隧道外側(cè)外放，重新布設(shè)凍結(jié)孔，以達(dá)到更大的凍結(jié)范圍，同時避免凍土侵入開挖面給開挖造成困難，該方案需重新布置凍結(jié)孔再進(jìn)行凍結(jié)，這樣造價和工期增加較大。另一種方案就是維持冷凍布孔不變，延長冷凍期增加有效凍土的厚度，但會造成凍土進(jìn)入開挖范圍，增加開挖難度。由于該折返線工期較緊，權(quán)衡工期及造價等因素最后選擇了第二種方案。
　　5懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖隧道
　　由于折返線凍結(jié)設(shè)計(jì)取值參數(shù)較后期現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)際值有較大折減，為確保隧道開挖的安全，延長了凍結(jié)期，凍結(jié)壁侵入隧道內(nèi)較多。經(jīng)對人工、機(jī)械、爆破等工法進(jìn)行比選，綜合考慮功效和安全的因素決定采用人工配合懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行隧道的掘進(jìn)。
　　本項(xiàng)目引進(jìn)了EBJ-120型掘進(jìn)機(jī)，它是通過前端可擺動的旋轉(zhuǎn)鉆頭將圍巖切割破碎后，再由下部扒碴鏟板和機(jī)身中部的傳輸鏈將破碎巖石和碴土傳輸至機(jī)身尾部來實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)的。機(jī)身總重36t，平直長8.6m，高1.55m，履帶外緣寬2.1m，轉(zhuǎn)臂長3.25m，切割鉆頭直徑700mm，最大工作仰角42°，最大開挖高度3.75m，最大開挖寬度5m，最大向下開挖深度停機(jī)平面下0.25m，爬坡能力16°，機(jī)械工作過程中行走速度為3m/min，停止作業(yè)時行走部的行走速度為8m/min。
　　由于試挖證實(shí)了凍結(jié)效果理想，隧道開挖由原設(shè)計(jì)的6部開挖變更為4部開挖，如圖3所示。施工中充分考慮了施工場地、機(jī)械設(shè)備的特點(diǎn)和地面提升能力大小等，采取了由南端單頭開挖掘進(jìn)，先行開挖支護(hù)①部，然后開挖支護(hù)②部，①、②部開挖面保持12～15m間距，①、②部貫通后掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)入下臺階進(jìn)行③、④部開挖支護(hù)，③、④部開挖面同樣保持12～15m間距。

                                  
　　6結(jié)語
　　1）經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
　　（1）在國內(nèi)率先成功應(yīng)用全斷面隧道長距離水平凍結(jié)技術(shù)，冷凍質(zhì)量好、速度快、綜合經(jīng)濟(jì)效益高。
　　（2）水平凍結(jié)法加固地層施工，不受地表場地及深度限制，且不污染環(huán)境，對周邊建構(gòu)筑物保護(hù)總體效果良好，為城市地下建設(shè)，特別是繁華市區(qū)內(nèi)地下工程建設(shè)提供了新的施工方法。
　　（3）在凍結(jié)設(shè)計(jì)上，結(jié)合廣州地區(qū)的氣候特點(diǎn)對以往的凍結(jié)設(shè)計(jì)進(jìn)行了較大的改進(jìn)，使凍結(jié)法能夠滿足南方高溫、高濕的氣候條件。
　　（4）地表沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，用水平凍結(jié)法施工所引起的地表變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)的施工方法。
　　（5）本工點(diǎn)成功應(yīng)用了非爆破懸臂式掘進(jìn)機(jī)，并積累了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
　　2）不足之處及建議
　　（1）由于對花崗巖殘積土層認(rèn)識不足，冷凍設(shè)計(jì)參數(shù)取值不盡合理，造成初期冷凍效果不太好，延長冷凍期后，凍結(jié)壁侵入開挖面，人工開挖功效極低。
　　（2）凍結(jié)法在粘土層及花崗巖殘積土層的應(yīng)用過程中，在廣汕路地面發(fā)生了因凍脹導(dǎo)致地面及管線隆起現(xiàn)象，解凍融沉?xí)r，地面又出現(xiàn)了一些不均勻沉降。建議以后類似的施工中在凍結(jié)孔外圍增加一圈泄壓孔和解凍孔，在凍結(jié)期對凍脹起防治作用，解凍期可配合原凍結(jié)孔循環(huán)溫水進(jìn)行積極解凍，同時持續(xù)注漿對融沉起防治作用。
　　（3）懸臂式掘進(jìn)機(jī)自重大，靈活性差，在隧道下部開挖時對已完成的初支有一定的影響，而且大臂回轉(zhuǎn)范圍有限，隧道開挖輪廓不易控制，同時掘齒耐磨損性能差，在新線應(yīng)用中需有針對性地加以改進(jìn)。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1]廣州市軌道交通三號線土建施工技術(shù)研究最終成果（內(nèi)部資料）.