摘要：本文以天河客运站折返线隧道的施工实例，阐述了在隧道选线无法避开花岗岩残积土这一病害地层时，通过采用冷冻法预加固隧道及周边地层，同时首次在广州地铁采用非爆破悬臂掘进机进行开挖，既克服了花岗岩残积土层遇水易软化崩解造成隧道塌方风险，又解决了冷冻层过硬人工挖掘困难且不宜爆破开挖的难题。
关键词：冷冻法，非爆破开挖，花岗岩残积土层
1工程概况及技术难点
广州市轨道交通三号线天河客运站折返线斜穿广州市天河区广汕公路和沙河立交桥，风道在折返线北端。该区段道路两侧地下管线纵横交错，数量较多；其次，广汕公路交通繁忙，不能封路施工，因此采用暗挖法施工。
隧道拱顶位于砂层，侧墙及仰拱位于花岗岩残积层及〈5〉砂质粘性土层，该土层在自然条件下结构致密，自稳能力高，但在开挖过程中遇水易软化、坍塌。由于冷冻法将隧道周围一定范围的地下水及土层冻结，既增加了围岩的强度又起到止水帷幕的作用，经充分论证决定采用水平冷冻法进行隧道止水加固及非爆破悬臂掘进机进行开挖。
2冷冻法简介
冷冻法是通过在地层中钻孔，埋入钢管，在钢管中加盐水或液氮，通过循环，使周围地层制冷、冻结，形成保护层（冻结壁），地下工程在保护层下施工。保护层能保证地层稳定,同时还能起隔水作用，保证施工安全。冷冻一般分为垂直冷冻和水平冷冻。
3冷冻法施工设计
冷冻法施工设计主要分两部分：冷冻施工方案设计，冷冻施工工艺设计。
1）冷冻施工方案设计
（1）冷冻施工方案概述
根据天河客运站折返线及风道工程所处环境、交通、管线、地质等条件，结合其它地铁隧道施工经验，确定采用“水平冻结加固土体、矿山法开挖构筑”的施工方案。水平地层冻结加固和开挖构筑的主要施工顺序为：施工准备──冻结孔施工，同时安装冻结制冷系统──安装冻结盐水系统和检测系统──积极冻结──试挖──隧道掘进与初衬施工，维护冻结──停止冻结。其关键工序是冻结孔施工和冻结过程的检测与控制。
（2）冷冻施工方案技术要点
⑴冷冻施工范围及施工顺序
a)将风道的端头井作为隧道水平冻结施工的北端工作井，由此端由北向南对隧道实施冻结施工。在车站的北端同样设置了隧道的冷冻工作井，由此端由南往北实施冻结水平打钻。隧道冷冻平面布置如图1所示。
b)隧道冻结拟从折返线南北两端工作井相向而形。钻孔长度约71.9m（冻结搭接5m）。
图1折返线冷冻平面布置图
⑵冻结壁设计
a)隧道顶板大部分在冲积-洪积砂层中且含水，是冻结加固的主要对象。另外，花岗岩残积层、〈5〉砂质粘性土层也是加固对象。
b)隧道冻结壁设计成与开挖区相似形状，以利于冻结壁承载且能均匀进入开挖区。冻结孔呈放射状布置。
⑶冻结壁形成的控制与检测
a)冻结制冷系统采用新型氟利昂盐水螺杆冷冻机组。
b)在冻结系统管路上安装测量温度、流量与压力等状态参数的检测仪表，并设置控制阀门，以实时监控冻结系统运行。
c)根据冻结孔的偏斜情况，在适当的位置布设测温孔，通过测量地层温度变化并结合冻结温度场的模拟计算，预报、判断冻结壁的扩展情况。
d)在封闭冻结壁的内侧设水文观测与泄压孔，通过测量冻结壁内侧地层的水压变化可以正确判断冻结壁是否交圈（即冷冻壁形成）。
⑷冻结孔施工
a)采用大扭矩、大推力专用水平孔钻机钻进，高精度水平孔陀螺测斜仪测斜。
b)钻进冻结孔时要先安装孔口管，以防止地下水涌出和塌孔。在松软地层中用冻结管作钻杆，冻结管下放和钻孔同时完成，以免钻孔坍塌。
⑸冻结施工与掘进施工的配合
a)经冻结辅助加固的隧道开挖一般不采用爆破开挖，仅采用人工加风镐开挖。但本工程由于施工过程中延长积极冻结时间来施工，导致有效冻结壁厚度比原设计增加0.5m，冻结壁内扩2m，在隧道内形成高强冻土，因此引用了煤炭系统采煤所用的EBZ-120型掘进机掘进辅以人工修边的方式开挖，每循环进尺为2m。
b)在喷射混凝土中添加抗冻剂，同时控制冻结壁的表面温度，以便于掘进和喷射混凝土施工。
⑹环境保护
根据试验研究及工程经验，在砂层与花岗岩残积层中冻结施工时，地层几乎不会冻胀和融沉。但为进一步提高施工的可靠性，对隧道的冻结壁变形和地表变形进行量测，以便发现问题，及时处理。
2）冻结孔布置与冻结壁形成预计
冻结孔布置详见图2，设计取冻结孔允许偏斜率为10‰。双线隧道冻结孔开孔间距为830mm（上部）/915mm(下部)，成孔最大控制间距为2.7m。冻结孔沿隧道线路呈放射状钻进，开孔位置与开挖区轮廓线的距离为1000mm，钻孔与隧道中心线的夹角(钻孔偏角)大约为0.7°。设计冻结壁交圈时间为90天。冷冻壁厚度约2000mm。
图2折返线冷冻孔横断面布置图
3）其它设计参数
（1）设计最低盐水温度为-28～-30℃，并要求冻结7天盐水温度达到-20℃。维护冻结盐水温度不高于-24℃。
(2）冻结壁平均温度不高于-8℃。开挖时冻结壁表面温度低于-3℃。
(3）冻结孔单孔盐水流量为7～10m3/h。
(4）冻结管外径为108mm。
(5）双线隧道两端各设测温孔4个,深度比冻结孔小2m。测温孔内根据地层情况沿管的纵向长度每3m布置1个测温点。双线隧道同时设水文孔2个。
4冷冻法施工工艺
1)冷冻孔施工
(1）冻结管、测温管和水文管均选用壁厚不小于7mm的φ108mm低碳无缝钢管，单根管材长度2～4m，采用丝扣连接。供液管选用内径50mm的聚乙烯增强塑料管或钢管。
(2）钻机、钻杆的选用：钻机至少能打80m长的钻孔并容易控制钻孔偏斜度。用冷冻管作钻杆。
(3）冻结孔钻进：按冻结孔设计方位要求固定钻机，随钻进放入冻结管，开孔段钻进是关键。钻进前10～20m时，反复校核钻杆方向，调整钻机位置，并用经纬仪或陀螺仪检测偏斜无问题后方可继续钻进。
(4）冻结管安装完毕，在冻结管内安置供液管，然后安装去、回路羊角和冻结管端盖。
2)冷冻制冷系统选用
冷冻制冷系统设备主要有：
YSKF220型冷冻机组、YSKF216型冷冻机组、8Sh-13A盐水循环泵、IS150-125-250冷却水循环泵、DBN3-200型冷却塔、盐水箱、盐水干管及集配液管等设备。
3)积极冻结及维护冻结
(1）冻结系统运转正常后进入积极冻结。要求两周左右的时间盐水温度降至-20℃以下。
（2）冻结壁交圈达到设计厚度后，进行隧道开挖。正式开挖后，进入维护冻结。在开挖过程中，定期检测冻结壁暴露面的温度与变形，发现问题及时处理。
（3)隧道开挖完成，初衬施工完成后，结束冷冻。在冻结壁自然解冻过程中，测量地表的融沉情况，必要时可进行补偿注浆。
4）冻结方案的实施及优化
天河客运站折返线冷冻施工在积极冷冻期满进行开挖前，对现场冻土取样做冻土强度试验，发现实际冻土的强度相对原设计采用的冻土强度经验值有较大程度的削弱，冻土有效厚度无法满足实际开挖的需要。为此建设各方召开会议对方案进行研究优化，讨论如何增加冻土有效厚度以确保隧道开挖的安全。一种方案是冷冻布孔向隧道外侧外放，重新布设冻结孔，以达到更大的冻结范围，同时避免冻土侵入开挖面给开挖造成困难，该方案需重新布置冻结孔再进行冻结，这样造价和工期增加较大。另一种方案就是维持冷冻布孔不变，延长冷冻期增加有效冻土的厚度，但会造成冻土进入开挖范围，增加开挖难度。由于该折返线工期较紧，权衡工期及造价等因素最后选择了第二种方案。
5悬臂式掘进机开挖隧道
由于折返线冻结设计取值参数较后期现场试验实际值有较大折减，为确保隧道开挖的安全，延长了冻结期，冻结壁侵入隧道内较多。经对人工、机械、爆破等工法进行比选，综合考虑功效和安全的因素决定采用人工配合悬臂式掘进机进行隧道的掘进。
本项目引进了EBJ-120型掘进机，它是通过前端可摆动的旋转钻头将围岩切割破碎后，再由下部扒碴铲板和机身中部的传输链将破碎岩石和碴土传输至机身尾部来实现掘进的。机身总重36t，平直长8.6m，高1.55m，履带外缘宽2.1m，转臂长3.25m，切割钻头直径700mm，最大工作仰角42°，最大开挖高度3.75m，最大开挖宽度5m，最大向下开挖深度停机平面下0.25m，爬坡能力16°，机械工作过程中行走速度为3m/min，停止作业时行走部的行走速度为8m/min。
由于试挖证实了冻结效果理想，隧道开挖由原设计的6部开挖变更为4部开挖，如图3所示。施工中充分考虑了施工场地、机械设备的特点和地面提升能力大小等，采取了由南端单头开挖掘进，先行开挖支护①部，然后开挖支护②部，①、②部开挖面保持12～15m间距，①、②部贯通后掘进机转入下台阶进行③、④部开挖支护，③、④部开挖面同样保持12～15m间距。
6结语
1）经验总结
（1）在国内率先成功应用全断面隧道长距离水平冻结技术，冷冻质量好、速度快、综合经济效益高。
（2）水平冻结法加固地层施工，不受地表场地及深度限制，且不污染环境，对周边建构筑物保护总体效果良好，为城市地下建设，特别是繁华市区内地下工程建设提供了新的施工方法。
（3）在冻结设计上，结合广州地区的气候特点对以往的冻结设计进行了较大的改进，使冻结法能够满足南方高温、高湿的气候条件。
（4）地表沉降的监测数据表明，用水平冻结法施工所引起的地表变化远远小于常规的施工方法。
（5）本工点成功应用了非爆破悬臂式掘进机，并积累了宝贵的实践经验。
2）不足之处及建议
（1）由于对花岗岩残积土层认识不足，冷冻设计参数取值不尽合理，造成初期冷冻效果不太好，延长冷冻期后，冻结壁侵入开挖面，人工开挖功效极低。
（2）冻结法在粘土层及花岗岩残积土层的应用过程中，在广汕路地面发生了因冻胀导致地面及管线隆起现象，解冻融沉时，地面又出现了一些不均匀沉降。建议以后类似的施工中在冻结孔外围增加一圈泄压孔和解冻孔，在冻结期对冻胀起防治作用，解冻期可配合原冻结孔循环温水进行积极解冻，同时持续注浆对融沉起防治作用。
（3）悬臂式掘进机自重大，灵活性差，在隧道下部开挖时对已完成的初支有一定的影响，而且大臂回转范围有限，隧道开挖轮廓不易控制，同时掘齿耐磨损性能差，在新线应用中需有针对性地加以改进。
参考文献：
[1]广州市轨道交通三号线土建施工技术研究最终成果（内部资料）.
