摘要：本文以天河客運站折返線隧道的施工實例，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機進行開挖，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險，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工程概況及技術難點
　　廣州市軌道交通三號線天河客運站折返線斜穿廣州市天河區廣汕公路和沙河立交橋，風道在折返線北端。該區段道路兩側地下管線縱橫交錯，數量較多；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，側墻及仰拱位于花崗巖殘積層及〈5〉砂質粘性土層，該土層在自然條件下結構致密，自穩能力高，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，既增加了圍巖的強度又起到止水帷幕的作用，經充分論證決定采用水平冷凍法進行隧道止水加固及非爆破懸臂掘進機進行開挖。
　　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，使周圍地層制冷、凍結，形成保護層（凍結壁），地下工程在保護層下施工。保護層能保證地層穩定,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冷凍法施工設計
　　冷凍法施工設計主要分兩部分：冷凍施工方案設計，冷凍施工工藝設計。
　　1）冷凍施工方案設計
　　（1）冷凍施工方案概述
　　根據天河客運站折返線及風道工程所處環境、交通、管線、地質等條件，結合其它地鐵隧道施工經驗，確定采用“水平凍結加固土體、礦山法開挖構筑”的施工方案。水平地層凍結加固和開挖構筑的主要施工順序為：施工準備──凍結孔施工，同時安裝凍結制冷系統──安裝凍結鹽水系統和檢測系統──積極凍結──試挖──隧道掘進與初襯施工，維護凍結──停止凍結。其關鍵工序是凍結孔施工和凍結過程的檢測與控制。
　　（2）冷凍施工方案技術要點
　　⑴冷凍施工范圍及施工順序
　　a)將風道的端頭井作為隧道水平凍結施工的北端工作井，由此端由北向南對隧道實施凍結施工。在車站的北端同樣設置了隧道的冷凍工作井，由此端由南往北實施凍結水平打鉆。隧道冷凍平面布置如圖1所示。
　　b)隧道凍結擬從折返線南北兩端工作井相向而形。鉆孔長度約71.9m（凍結搭接5m）。
　　
　　          
　　                              　　圖1折返線冷凍平面布置圖
　　⑵凍結壁設計
　　a)隧道頂板大部分在沖積-洪積砂層中且含水，是凍結加固的主要對象。另外，花崗巖殘積層、〈5〉砂質粘性土層也是加固對象。
　　b)隧道凍結壁設計成與開挖區相似形狀，以利于凍結壁承載且能均勻進入開挖區。凍結孔呈放射狀布置。
　　⑶凍結壁形成的控制與檢測
　　a)凍結制冷系統采用新型氟利昂鹽水螺桿冷凍機組。
　　b)在凍結系統管路上安裝測量溫度、流量與壓力等狀態參數的檢測儀表，并設置控制閥門，以實時監控凍結系統運行。
　　c)根據凍結孔的偏斜情況，在適當的位置布設測溫孔，通過測量地層溫度變化并結合凍結溫度場的模擬計算，預報、判斷凍結壁的擴展情況。
　　d)在封閉凍結壁的內側設水文觀測與泄壓孔，通過測量凍結壁內側地層的水壓變化可以正確判斷凍結壁是否交圈（即冷凍壁形成）。
　　⑷凍結孔施工
　　a)采用大扭矩、大推力專用水平孔鉆機鉆進，高精度水平孔陀螺測斜儀測斜。
　　b)鉆進凍結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管作鉆桿，凍結管下放和鉆孔同時完成，以免鉆孔坍塌。
　　⑸凍結施工與掘進施工的配合
　　a)經凍結輔助加固的隧道開挖一般不采用爆破開挖，僅采用人工加風鎬開挖。但本工程由于施工過程中延長積極凍結時間來施工，導致有效凍結壁厚度比原設計增加0.5m，凍結壁內擴2m，在隧道內形成高強凍土，因此引用了煤炭系統采煤所用的EBZ-120型掘進機掘進輔以人工修邊的方式開挖，每循環進尺為2m。
　　b)在噴射混凝土中添加抗凍劑，同時控制凍結壁的表面溫度，以便于掘進和噴射混凝土施工。
　　⑹環境保護
　　根據試驗研究及工程經驗，在砂層與花崗巖殘積層中凍結施工時，地層幾乎不會凍脹和融沉。但為進一步提高施工的可靠性，對隧道的凍結壁變形和地表變形進行量測，以便發現問題，及時處理。
　　2）凍結孔布置與凍結壁形成預計
　　凍結孔布置詳見圖2，設計取凍結孔允許偏斜率為10‰。雙線隧道凍結孔開孔間距為830mm（上部）/915mm(下部)，成孔最大控制間距為2.7m。凍結孔沿隧道線路呈放射狀鉆進，開孔位置與開挖區輪廓線的距離為1000mm，鉆孔與隧道中心線的夾角(鉆孔偏角)大約為0.7°。設計凍結壁交圈時間為90天。冷凍壁厚度約2000mm。
　　
　　               
　　　             　圖2折返線冷凍孔橫斷面布置圖
　　3）其它設計參數
　　（1）設計最低鹽水溫度為-28～-30℃，并要求凍結7天鹽水溫度達到-20℃。維護凍結鹽水溫度不高于-24℃。
　　(2）凍結壁平均溫度不高于-8℃。開挖時凍結壁表面溫度低于-3℃。
　　(3）凍結孔單孔鹽水流量為7～10m3/h。
　　(4）凍結管外徑為108mm。
　　(5）雙線隧道兩端各設測溫孔4個,深度比凍結孔小2m。測溫孔內根據地層情況沿管的縱向長度每3m布置1個測溫點。雙線隧道同時設水文孔2個。
　　4冷凍法施工工藝
　　1)冷凍孔施工
　　(1）凍結管、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。供液管選用內徑50mm的聚乙烯增強塑料管或鋼管。
　　(2）鉆機、鉆桿的選用：鉆機至少能打80m長的鉆孔并容易控制鉆孔偏斜度。用冷凍管作鉆桿。
　　(3）凍結孔鉆進：按凍結孔設計方位要求固定鉆機，隨鉆進放入凍結管，開孔段鉆進是關鍵。鉆進前10～20m時，反復校核鉆桿方向，調整鉆機位置，并用經緯儀或陀螺儀檢測偏斜無問題后方可繼續鉆進。
　　(4）凍結管安裝完畢，在凍結管內安置供液管，然后安裝去、回路羊角和凍結管端蓋。
　　2)冷凍制冷系統選用
　　冷凍制冷系統設備主要有：
　　YSKF220型冷凍機組、YSKF216型冷凍機組、8Sh-13A鹽水循環泵、IS150-125-250冷卻水循環泵、DBN3-200型冷卻塔、鹽水箱、鹽水干管及集配液管等設備。
　　3)積極凍結及維護凍結
　　(1）凍結系統運轉正常后進入積極凍結。要求兩周左右的時間鹽水溫度降至-20℃以下。
　　（2）凍結壁交圈達到設計厚度后，進行隧道開挖。正式開挖后，進入維護凍結。在開挖過程中，定期檢測凍結壁暴露面的溫度與變形，發現問題及時處理。
　　（3)隧道開挖完成，初襯施工完成后，結束冷凍。在凍結壁自然解凍過程中，測量地表的融沉情況，必要時可進行補償注漿。
　　4）凍結方案的實施及優化
　　天河客運站折返線冷凍施工在積極冷凍期滿進行開挖前，對現場凍土取樣做凍土強度試驗，發現實際凍土的強度相對原設計采用的凍土強度經驗值有較大程度的削弱，凍土有效厚度無法滿足實際開挖的需要。為此建設各方召開會議對方案進行研究優化，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外放，重新布設凍結孔，以達到更大的凍結范圍，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孔再進行凍結，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，但會造成凍土進入開挖范圍，增加開挖難度。由于該折返線工期較緊，權衡工期及造價等因素最后選擇了第二種方案。
　　5懸臂式掘進機開挖隧道
　　由于折返線凍結設計取值參數較后期現場試驗實際值有較大折減，為確保隧道開挖的安全，延長了凍結期，凍結壁侵入隧道內較多。經對人工、機械、爆破等工法進行比選，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機進行隧道的掘進。
　　本項目引進了EBJ-120型掘進機，它是通過前端可擺動的旋轉鉆頭將圍巖切割破碎后，再由下部扒碴鏟板和機身中部的傳輸鏈將破碎巖石和碴土傳輸至機身尾部來實現掘進的。機身總重36t，平直長8.6m，高1.55m，履帶外緣寬2.1m，轉臂長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平面下0.25m，爬坡能力16°，機械工作過程中行走速度為3m/min，停止作業時行走部的行走速度為8m/min。
　　由于試挖證實了凍結效果理想，隧道開挖由原設計的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、機械設備的特點和地面提升能力大小等，采取了由南端單頭開挖掘進，先行開挖支護①部，然后開挖支護②部，①、②部開挖面保持12～15m間距，①、②部貫通后掘進機轉入下臺階進行③、④部開挖支護，③、④部開挖面同樣保持12～15m間距。

                                  
　　6結語
　　1）經驗總結
　　（1）在國內率先成功應用全斷面隧道長距離水平凍結技術，冷凍質量好、速度快、綜合經濟效益高。
　　（2）水平凍結法加固地層施工，不受地表場地及深度限制，且不污染環境，對周邊建構筑物保護總體效果良好，為城市地下建設，特別是繁華市區內地下工程建設提供了新的施工方法。
　　（3）在凍結設計上，結合廣州地區的氣候特點對以往的凍結設計進行了較大的改進，使凍結法能夠滿足南方高溫、高濕的氣候條件。
　　（4）地表沉降的監測數據表明，用水平凍結法施工所引起的地表變化遠遠小于常規的施工方法。
　　（5）本工點成功應用了非爆破懸臂式掘進機，并積累了寶貴的實踐經驗。
　　2）不足之處及建議
　　（1）由于對花崗巖殘積土層認識不足，冷凍設計參數取值不盡合理，造成初期冷凍效果不太好，延長冷凍期后，凍結壁侵入開挖面，人工開挖功效極低。
　　（2）凍結法在粘土層及花崗巖殘積土層的應用過程中，在廣汕路地面發生了因凍脹導致地面及管線隆起現象，解凍融沉時，地面又出現了一些不均勻沉降。建議以后類似的施工中在凍結孔外圍增加一圈泄壓孔和解凍孔，在凍結期對凍脹起防治作用，解凍期可配合原凍結孔循環溫水進行積極解凍，同時持續注漿對融沉起防治作用。
　　（3）懸臂式掘進機自重大，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，在新線應用中需有針對性地加以改進。
　　
　　參考文獻：
　　[1]廣州市軌道交通三號線土建施工技術研究最終成果（內部資料）.