地鐵旁通道（泵站）和凍結法施工風險分析與建議

張一寧

（上海斯美科匯建設工程咨詢有限公司，上海市200092）

0 引言

2003年7月1日上午7時，上海地鐵4號線位于黃浦江邊的董家渡地面以下約30 m的，正在凍結法施工的地鐵旁通道發(fā)生流砂事故，工程搶險和恢復耗費了大量的人力、財力和時間，由此造成了十分重大的經濟損失。

正在運營中的地鐵1號線寧海西路旁通道和地鐵2號線河南路站—陸家嘴站的旁通道等，都因結構滲漏嚴重并引起隧道變形，嚴重危及地鐵運營安全。

其中地鐵1號線寧海西路旁通道，雖然經過多次注漿處理，仍無法堵漏，隧道日益嚴重變形，且難以控制，最后采用了碳纖維加高強度樹脂加固。但近來地鐵陜西南路堵漏加固后的碳纖維剝落至地鐵接觸網，造成機車供電線路短路的重大地鐵運營事故。

作為地鐵建設重大風險源之一的地鐵旁通道和泵站的建設和維護，一直是困擾建設者和運營商的難題。本文對地鐵旁通道和泵站的設計，凍結法施工的主要風險進行分析探討，試圖提出一些對策，供建設各方在地鐵區(qū)間優(yōu)化、創(chuàng)新時參考。

1 地鐵旁通道（泵站）優(yōu)化設計的必要性

旁通道又稱聯(lián)絡通道，是指隧道或地鐵上行、下行線的兩條大致平行隧道之間的連接通道，目前在上海的設計中，一般設置在兩條隧道區(qū)間的最低部位處，其主要有兩個功能：（1）消防疏散。當列車在隧道中間發(fā)生火情，需要疏散乘客時，乘客可以通過旁通道緊急疏散至相鄰隧道。它是各種隧道和地鐵區(qū)間等地下工程的一個必不可少的重要組成部分，是關系到發(fā)生突發(fā)事件時人身安全的重大措施。（2）區(qū)間排水。由于旁通道一般處于隧道內坡道最低處，結合旁通道設置水泵，可以排除隧道內的積水，且在發(fā)生火警并用水滅火時也可迅速用來排除消防用水。

按目前旁通道設置的有關規(guī)定，要求地鐵區(qū)間隧道超過600 m就應設置，一般是旁通道和泵站的集水井在一起。另外為保證地鐵的空氣環(huán)境的質量，世界各國在有關設計規(guī)范中規(guī)定，地鐵區(qū)間超過1 200 m必須設置中間風井（現(xiàn)上海規(guī)定最長為1 600 m）。因此旁通道、區(qū)間泵站和中間風井往往還因為施工場地等原因在結構上結合在一起，如軌道交通4號線董家渡的中間風井和旁通道。

目前上海地鐵旁通道的設計已基本達到標準化，一般帶有防火門、泵站等。其中泵站的集水井有效蓄水容積為12 m3。但也有資料認為：為滿足地鐵區(qū)間消防滅火30 min的排水需要，集水井蓄水容積至少應為30 m3以上，如按這種觀點，則泵站的排水量至少應達到1 m3/min以上，才不會造成積水。集水井的蓄水容積，因本文篇幅有限在此不作討論。

地鐵4號線董家渡重大事故后，“為何設旁通道？如何設？”至今似乎仍有一定的討論必要。

很明顯,董家渡的中間風井本身就是出事故時人員疏散的大通道，人員可直接從中間風井疏散到地面，何須再建造旁通道？難道僅僅是為了在兩條隧道區(qū)間的最低部位處的排水所需建造集水井，從而又不得不設置了旁通道嗎？從這種意義上說，上海地鐵4號線董家渡重大事故是完全可以避免的。

再如,有些上海地鐵區(qū)間為排水需要建造集水井，進而變成為了建造集水井而設置旁通道。在建的地鐵11號線某區(qū)間方案，確實值得引起地鐵建設各方的重視，進行深入地探討研究。該地鐵區(qū)間隧道僅長460 m，按國家和上海現(xiàn)行規(guī)范都是不必設置旁通道的，很明顯，因區(qū)間隧道排水的需要而必須設置集水井，從而又不得不設置了旁通道，不得不采取凍結法施工,既增加了不必要的投資,又延長了工期，還增加了施工和運營風險。從優(yōu)化設計角度出發(fā)，這兩種類型的地鐵區(qū)間旁通道是不必設置的。

在此有必要研究一下黃浦江越江隧道（大隧道）旁通道和區(qū)間泵站設置：同地鐵區(qū)間隧道一樣，原來黃浦江越江隧道，江底的旁通道也和區(qū)間泵站設置在一起，也采用凍結法施工。在上海地鐵4號線董家渡重大事故后，上海復興東路越江隧道的旁通道也還是這樣設計的。在凍結法施工中，打集水井凍結管時發(fā)生了重大險情，以致?lián)岆U成功后不敢再打集水井了，只得重新調整設計，利用了大隧道下部空間建造集水井獲得了成功。從那以后,所有上海黃浦江越江隧道均利用大隧道下部空間建造集水井，在結構上實際形成了旁通道和集水井的分離，取得了很好的效果。在結構上旁通道和集水井的分離，可利用大隧道下部空間建造集水井，旁通道、區(qū)間泵站（集水井）和風井的位置就不必在一起了，再不必僅為了在兩條隧道區(qū)間的最低部位處的排水需要來建造集水井，為建造集水井而采用凍結法施工來建造旁通道了。

最重要的是：這樣的設計使得旁通道凍結法施工中的凍結土體體積大大減少，從而旁通道凍結土體的凍脹量和凍融沉降量大大減少，由此產生的滲漏水和結構破壞的可能性大大減少，明顯地提高了隧道結構的安全性和耐久性。黃浦江越江隧道（大隧道）的成功經驗，值得地鐵建設者學習和借鑒。

綜上所述，地鐵區(qū)間旁通道的設計優(yōu)化是十分必要的，建議相關部門認真予以考慮。

2 地鐵旁通道（泵站）凍結法施工主要風險分析

上海所處地區(qū)的多數軟土層含砂、含水量高。上海地面的建筑物密集，地下管線設施稠密。由于旁通道（泵站）設置要求的特殊性，且所處位置較深（不少在黃浦江底）等的復雜性和不可確定性，造成旁通道（泵站）的施工難度和風險大大增加。故上海地鐵旁通道（泵站）施工一般不宜采用大開挖法，實施中大多只能采用凍結法施工。

凍結法（人工凍結法）施工是指：在復雜水文地質條件下，掘進各類地下工程時，在其周圍建造起臨時凍結壁，以保證不穩(wěn)定的飽水土體在掘進施工中穩(wěn)定的方法。

世界上人工凍結法運用于采礦、土木工程已達100 a，但在上海運用于地鐵建設才不到20 a，上海地鐵的建設者一直在努力不斷地改進和完善之中。

凍結法施工具有以下3個特點：

（1）適應復雜的地質條件，凍土強度高，阻水效果好。

（2）施工方法靈活，可形成圓柱形或棚拱形加固體。

（3）凍結法加固均勻、完整。加固體均勻、整體性好，可形成工程帷幕。

但凍結法施工的周期較長。凍結、開挖、結構澆筑加上凍融后的注漿處理，其正常工期約需5個月左右，工程費用高，施工風險大。

其中旁通道（泵站）凍結法施工主要的風險是：

（1）施工風險：從打凍結管（夯管或鉆管）開始到混凝土澆筑和養(yǎng)護等結束。重點要保證人工凍結帷幕有足夠的凍結強度，能維持整個開挖、防水、鋼筋綁扎、混凝土澆筑和養(yǎng)護等期間的施工安全。如上海復興東路越江隧道的旁通道（泵站）打凍結管（夯管）時發(fā)生涌水、涌砂達100 m3，隧道失穩(wěn)變形；地鐵4號線董家渡旁通道（泵站）開挖過程中，因其中一臺冷凍機故障，導致人工凍結失效，在黃浦江邊，地下水夾帶泥沙大量涌入。

（2）運營安全和環(huán)境保護：要盡可能減少凍脹和凍融沉降對工程附近建構筑物、地下管線的影響和破壞，尤其是防止對地鐵隧道區(qū)間本身的破壞，確保地鐵長期穩(wěn)定地運行。如地鐵1號線寧海西路旁通道和近來發(fā)現(xiàn)地鐵2號線河南路站—陸家嘴站的旁通道，由于施工中未控制好凍脹和凍融沉降，造成結構開裂，嚴重滲漏水、漏砂土，隧道日益變形嚴重。

其中人工凍結失效導致重大施工事故和凍融沉降引起永久結構破壞，這兩類風險，造成的破壞性大，后果嚴重，值得進一步深入研究。

2.1 人工凍結失效

引起人工凍結失效（原理上的和人為的）的原因很多：

（1）土質

人工凍結法主要是凍結自由水，其含量多少直接影響著冷量的消耗量、凍結速度和凍土強度。凍土中未凍水含量與土層溫度有關，圖表顯示（見參考文獻[2]），在-10℃時，粘土的未凍水含量非常高，甚至有的文獻認為人工凍結法施工不適宜于粘土層。

（2）地下水水質對巖土凍結的影響

式中：T0′——溶液冰點的降低度數；

k——冰點的降低常數，大小取決于溶劑，不是物資，取 1.86（水）；

g——在1 kg溶劑內所溶解物資的克數；

M——被溶解物資的分子量；

α——修正系數：一階金屬一元酸鹽類稀溶液α=2～2.3，二階金屬二元酸鹽類稀溶液α=3。

含鹽量高的土質不適宜人工凍結法施工。在人工凍結法施工中，由于利用了冷凍液不凍結的性質，故需特別注意凍結管凍裂后，冷凍水的滲漏會造成局部凍結土的失效。

（3）地下水的動態(tài)影響

自然條件引起地下水的流動，如礫石層，人為原因引起的地下水流動，如排水設備或自然鉆孔，會引起地下水的流動，造成局部凍結土的失效。

（4）實施人工凍結法施工時，一些人為的因素，如凍結管未按設計要求打偏了，會產生局部凍結土的失效。凍結管冷凍液的連接一般都是串聯(lián)，若串聯(lián)凍結管太多或太長，會造成端點的冷量不夠而形成局部凍結土的失效。

（5）土層雜質多而不均。如4號線出入場左線旁通道（泵站）施工時，挖出淤積粘土中沉積大量河蚌殼，凍結土的強度很低，施工過程中產生了滲漏水現(xiàn)象，幸而準備了液氮搶險，才得以完成了結構。

（6）地層中有空洞，沼氣等不良地質，而勘探不夠全面或未能探出。

（7）凍結法旁通道施工監(jiān)測不科學或不準確，造成施工指導錯誤。

（8）急于搶進度，施工中未能發(fā)現(xiàn)險情或發(fā)現(xiàn)了險情未引起重視。

另外，一般情況下，凍土的持久抗壓強度約為瞬間抗壓強度的1/2～1/2.5，凍土抗拉強度試驗都是脆性破壞。破壞時間短，無預兆，無法設防。

綜上所敘，凍結法旁通道施工，從勘探、設計、監(jiān)測、施工都存在多變的不確定的眾多不利因素，并且因現(xiàn)設計旁通道和泵站連在一起，所處位置深，極易離第⑤2層、第⑦層承壓水含水層近，故極有可能發(fā)生重大事故，必須引起建設者們高度重視。

必須指出，自從上海軌道交通4號線董家渡的旁通道重大事故以來，國家和各級政府有關部門相當重視，上海就先后頒布了《旁通道凍結法技術規(guī)程》（DG/TJ 08-902-2006）等文件和規(guī)范。上海地鐵建設的各大設計院聯(lián)合凍結法專業(yè)設計院，在設計圖紙和文件上都作了全面考慮，選用了美國ANSYS公司開發(fā)的大型數值計算運用有限元分析軟件，對凍結壁進行了三維有限元分析，按偏于安全的凍結帷幕受力和變形計算。同時為了確保施工過程安全，適當地擴大了凍結范圍和延長了凍結時間。按相關設計圖紙，凍結加固范圍要求為900 m3，實際考慮到水分遷移等情況，實際凍結加固范圍一般要超過1 000 m3。應該說凍結法施工過程中的事故和風險得到了很好的控制。但從近來的有關通報中表明凍融沉降和融沉注漿加固仍存在一定問題，有待進一步解決。

2.2 凍脹和凍融沉降

值得注意的是：過去已有不少因凍脹和凍融沉降引起的區(qū)間隧道嚴重滲漏，造成鋼管片嚴重變形和排水管（鑄鐵）拉裂等產生滲漏事例，如地鐵1號線寧海西路旁通道和近來地鐵2號線河南路站—陸家嘴站的旁通道。

為此，2008年上海申通集團頒布了《旁通道凍結法融沉注漿加固建設指導意見》（STB-DQ-010004），建設各方加強了程序和現(xiàn)場管理，按理不應該出問題了，但實際上卻并不盡人意，如近來通報的上海地鐵10號線好幾個標段的總包項目經理、技術負責人未做好旁通道融沉注漿的總包管理工作，監(jiān)理總監(jiān)未做好旁通道融沉注漿的監(jiān)理工作，導致旁通道發(fā)生較大沉降，影響隧道結構安全和耐久性。這些事例的后果，將嚴重影響地鐵建設的施工進度、安全和質量，危及了地鐵的運營安全和大大增加了百年運營維護的難度和費用。

似乎存在一個怪圈或一個悖論：從施工過程來看，要保證人工凍結帷幕有足夠的凍結強度，能維持整個開挖、防水、鋼筋綁扎、混凝土澆筑和養(yǎng)護等施工期間的安全。從這一點出發(fā)，凍結時間越長，凍結管越密，凍結溫度越低，凍結壁越厚，凍結的強度則越高（必然造成凍脹和凍融沉降越大），則施工過程越安全。

另一方面，從運營安全和環(huán)境保護來看，凍結時間越短，凍結管越少，凍結溫度越高，凍結壁越薄，凍結的強度越低，則凍脹和凍融的時間越短，凍融的范圍及影響越小，則運營和環(huán)境保護就能做到越安全。

為此，有必要用人工凍土的凍脹、融沉理論和現(xiàn)行設計的旁通道（泵站）結構受力變形分析深入探討：

（1）水結冰后體積增大9%，凍結土體產生凍脹現(xiàn)象，對周圍土體產生壓力，也稱凍脹力。

（2）土層凍結時會發(fā)生水分向凍結面遷移，隨著水分遷移的不斷增加，冰的體積會不斷增加，凍脹量也會不斷增加，當然凍脹力也會不斷增加。

（3）凍脹率和土體粉粘粒含量相關，當粉粘粒含量大于12%時，凍脹率明顯增大。

（4）在粉質粘土中（粒徑從0.05～0.002 mm的顆粒大于60%）可發(fā)生最強烈的遷移和凍脹。

（5）人工凍土的融沉量要顯著大于凍脹量，凍脹和融沉的規(guī)律存在很大差別。

（6）土體不均勻凍脹是人工凍結工程大量破壞的重要因素之一。有專家提出，各工程開工前，必須對工程所在土體作出凍脹敏感性評價，以便采取相應措施，確保工程構筑物的安全可靠。

（7）凍脹力與凍結速度有關，凍結時間延續(xù)越長，則水分可克服遷移過程的摩擦阻力，向冷凍鋒面轉移的量越大，凍脹力也越大。

（8）有專家建議，工程施工中可采取其他加固方法切斷水源，有助于克服凍脹，減少融沉。

（9）為減少凍脹，保護環(huán)境周圍管線和地下結構物的安全穩(wěn)定，溫度梯度較大對低溫快速凍結是有利的。縮短凍結工期不僅是費用問題，還是減少凍脹的有力措施。

（10）工程中采用安置卸壓孔，預留凍脹空間，邊界凍結孔熱循環(huán)等措施，減少凍脹力是有效的。

（11）融沉發(fā)生時，凍結土體溫度升高，凍土融化，冰融化成水，體積縮小，構成了融化沉降，同時土體在重力和上復荷載壓力的作用下要發(fā)生排水固結沉降，融沉由這兩部分的沉降量構成。

（12）由于人工凍結作用，土體經過凍融過程后，因形成冰以及水分的遷移，土體結構已被破壞，承載力由于結構的破壞而降低。

（13）由于凍土中產生冰晶時的劈裂作用以及凍結過程中發(fā)生的復雜的物理化學過程，使土體的滲透性顯著增加，因而在融解過程中水分容易流失，產生固結沉降作用。

（14）上海所處地區(qū)的多數軟土層，土體承載力低，盡管按設計要求旁通道的土體在凍結法施工前已作注漿加固處理，但從區(qū)間隧道的縱向看，環(huán)與環(huán)間是柔性連接，整個區(qū)間隧道就是個柔性體，難以抵御凍脹和凍融沉降。

（15）從區(qū)間隧道的橫向看，旁通道的結構重心偏下，受力上下不均勻，環(huán)與環(huán)間的柔性連接，螺栓連接僅起到定位作用，從上下行線圓環(huán)截面分析，先受到凍脹向上，后受到凍融沉降向下扭轉影響而增加沉降量。

（16）從旁通道（泵站）截面破壞來看，旁通道（泵站）與上、下行線隧道連接處，受扭矩影響，上部受壓，下部受拉，混凝土結構不能承受因凍融沉降產生的拉應力，造成下部結構開裂。

綜上所述，現(xiàn)有的文獻和資料表明，到目前為止人們對人工凍土凍脹以及凍脹力對結構和環(huán)境造成的破壞研究較多，而對于遠大于凍脹的凍融沉降規(guī)律及其危害和預防則研究得甚少，建議相關部門加強針對凍融沉降規(guī)律的試驗和研究，提高人工凍結施工的可靠性和耐久性。

3 思考和建議

（1）旁通道凍結法的施工，建設部已定為市政建設的重大風險源之一，建設各方都要提高思想認識，認真學習理解凍結法施工原理，辯證地分析凍結法施工過程安全、凍結法凍融沉降和注漿加固之間的對立統(tǒng)一的關系，深入了解現(xiàn)有工況條件、設計圖紙和文件，總結凍結法融沉注漿的成功經驗和失敗的經驗教訓，做好在建各線的旁通道凍結法施工，確保旁通道結構的安全和耐久性。

（2）建議相關部門加強針對凍融沉降規(guī)律的試驗和研究，加強旁通道的結構受力分析和受載變形的分析研究，加強凍結法凍融沉降和注漿加固之間關系的研究，進一步提高人工凍結施工的可靠性和耐久性。

（3）充分發(fā)揮專家智囊團的作用，除繼續(xù)按建設部市政建設的重大風險源管理控制的要求，對設計和施工組織設計方案進行專家評審論證。建議專家智囊團還可適當提前介入，在設計方案和初步設計階段提前介入，結合水文地質、地面建筑物、管線、道路和場地施工條件等，結合總體線路參與旁通道的前期方案評審論證。

（4）旁通道的鋼管片是在隧道區(qū)間推進時就安裝的，由于管片拼裝累計誤差，旁通道（泵站）前后位置是可以有一定的調節(jié)距離的。在施工現(xiàn)場要根據實際地面建筑物和管線適當調整：如地鐵4號線出入場左線適當提前了旁通道位置，避開了凱旋公寓;再如地鐵8號線曲陽路—四平路區(qū)間適當調整，避開了重要管線的閥門井。

（5）相關部門采納《利用鋼管片容積建造隧道區(qū)間泵站》的方案，優(yōu)化設計地鐵旁通道，提高地鐵區(qū)間隧道的建設質量，加快進度，進一步降低建設和維護成本，確保地鐵百年運營安全。

[1]翁家杰，白廷輝，楊國祥.城市軌道交通大型樞紐站立體交叉凍結施工新技術[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2006.

[2]馬芹永.人工凍結法的理論與施工技術[M].北京：人民交通出版社，2001.