凍結法施工在地鐵聯絡通道中的應用

史繼堯

(中鐵隧道集團技術中心，河南洛陽 471009)

0 引言

地鐵聯絡通道是聯絡地鐵上、下行隧道的地下通道，主要起到集、排水的作用，同時也有疏散乘客的功能［1-4］。其作為地鐵隧道施工過程中的最后一道工序，技術施工難度大，在富水的軟土地層中，聯絡通道的開挖還存在著坍塌的風險;因此，在聯絡通道開挖前，必須對周圍土體進行加固。目前比較常用的加固方法主要有:凍結法、礦山法、旋噴樁加固、深層攪拌樁加固等。凍結法在國內外被廣泛應用于城市地下工程和煤礦建設已經有100多年的歷史，近幾年隨著現代技術不斷發展，其作為一種行之有效的土體加固方法，因其具有防水效果好、對周圍環境影響較小等眾多優點而被工程設計和施工單位所青睞。在國內地鐵建設中也得到了廣泛的應用［5-9］，并積累了一定的成功經驗。本文將在前人研究的基礎上，結合凍結法在天津地鐵某聯絡通道施工中的成功應用，對施工過程中鹽水溫度、凍土溫度、地表沉降等進行詳細的分析，從而提出聯絡通道在凍結施工中的一些注意事項及建議。

1 工程概況

天津地鐵3號線水上北路站—吳家窯站區間隧道聯絡通道左(右)線里程為左DK9+165.291(右DK 9+174.000)，中心距為11.038 m，左(右)行線隧道中心標高約為-21.191 m(-21.261 m)，地面標高約為+3.15 m，聯絡通道位于平泉道下方。聯絡通道由隧道鋼管片相連的喇叭口、水平通道和泵站構成，設計輪廓尺寸為3.5 m×4.8 m。根據地質勘探資料顯示，聯絡通道通過土層主要為粉土和粉質黏土類，聯絡通道所在地層處于微承壓水地層，地下穩定水位為1.8 m。各項土層物理力學參數見表1。

表1 各土層計算參數Table 1 Calculation parameters of each stratum

2 聯絡通道凍結加固設計和施工

2.1 凍結加固設計

2.1.1 計算參數的選取

根據凍結法加固原理，含水地層經凍結后形成堅硬整體，凍結壁受外圍土層應力和地面荷載作用，凍結壁形狀與通道結構形狀近似，可視為一矩形剛架。

聯絡通道水平通道外圍凍結壁有效厚度為2.0 m，凍結壁平均溫度為不高于-10℃。設計取-10℃凍土的彈性模量和泊松比分別為150 MPa和0.3。凍土強度指標為:抗壓3.6 MPa，抗折2.0 MPa，抗剪1.5 MPa。凍土壁承載力驗算采用許用應力法，根據《旁通道凍結法技術規程》中的Ⅲ類凍結壁強度檢驗，安全系數取:抗壓2.0，抗折3.0，抗剪2.0。凍結壁頂面所受土壓力根據開挖向下變形特性按主動土壓力計算，側面承受水土壓力取靜止側壓力系數0.7計算，土的平均重度取18.5 kN/m3。通道凍結壁應力、位移計算值及安全系數見表2。

表2 通道凍結壁應力、位移計算值及安全系數Table 2 Stress，displacement calculation value and safety factor of freezing wall

2.1.2 有限元驗算

根據聯絡通道的對稱性，忽略兩隧道之間的高差，選取結構的1/4作為計算模型。有限元計算模型見圖1。

圖1 三維數值模型示意圖Fig.1 3D numerical model

凍結壁頂板主要受靜水壓力和開挖時因頂板向下變形，上部土體的作用力

式中:H為土計算深度，取14.744 m。

凍結壁側面土壓力

式中:K0為靜止側壓力系數，取0.7。

用有限元法進行凍結壁的受力分析與變形計算，水平通道開挖計算模型、豎向和水平向應力云圖和豎向位移云圖見圖2—5。由計算結果和表2相對比可以看出，計算的應力值小于強度值，凍結壁的總體承載能力是足夠的。計算顯示在凍結壁內側局部存在應力集中，但范圍很小，且凍結壁角部是圓弧過渡的，并且凍結壁中間尚有土體或支撐作用，是安全的。計算變形值為彈性變形，且為減去初始地應力產生的變形。

圖5 豎向位移云圖Fig.5 Displacement cloud at vertical direction

2.2 凍結加固施工

聯絡通道及泵站根據凍結帷幕設計及通道的結構，凍結孔按上仰、近水平、下俯3種角度布置在通道和泵站的四周，在通道下部布置1排凍結孔，加強通道凍結效果，把泵站和通道分為2個獨立的凍結區域。凍結孔數共計64個(左線隧道51個且包括4個穿孔、右線隧道13個)。根據凍結帷幕設計及通道的結構，凍結孔按近水平角度布置。其中4個對穿孔，為對面冷板和凍結孔供冷，計算凍結總長度為566.279 m(包括冷板長度)。設計測溫孔7個，凍結站右線隧道布置2個，左線隧道布置5個;泄壓孔4個，每側隧道各布置2個，具體位置視現場情況而定。凍結孔的布置見圖6。

圖6 凍結孔剖面圖Fig.6 Profile of freezing holes

圖7 聯絡通道凍結效果圖Fig.7 Freezing effect of connected aisle

根據工程結構特點，在凍結完成后，聯絡通道開挖施工采取分層分步進行，先開挖通道部分，然后再開挖喇叭口和集水井部位。凍結效果和開挖現狀見圖7和圖8。

圖8 聯絡通道初期支護圖Fig.8 Primary support of connected aisle

3 監測數據分析

此聯絡通道的施工經歷了以下幾個階段:2009年12月12至30日冷凍管鉆孔階段;2010年1月10日至3月5日凍結階段;2010年3月10日至4月10日聯絡通道開挖施工階段;隨后的注漿消融等階段持續到2010年7月26日結束。

3.1 鹽水溫度監測分析

積極凍結時間為50 d。凍結孔單孔流量6.04m3/h;積極凍結7 d鹽水溫度已降至-20℃以下;積極凍結15 d鹽水溫度已降至-24℃以下，去、回路鹽水溫差不大于2℃;在2010年4月10日開挖時鹽水溫度降至-28℃以下。隨著通道的開挖鹽水溫度有所回升，但溫度仍能保證在-26～-29℃之間，去、回鹽水溫度差不大于0.9℃。

3.2 地表沉降監測分析

在聯絡通道施工地表50 m范圍內布置地表沉降監測點網，監測聯絡通道及其泵站施工期間地表沉降變化量。由于大部分測點沉降規律基本相同，本文僅取其軸線點D0和開挖影響范圍邊緣的測點D1-1為研究對象，測點布設見圖9。

圖9 地表測點布置圖Fig.9 Layout of monitoring points on the ground

由圖10的測點沉降歷時曲線圖可以看出:1)在剛開始的鉆孔、安裝凍結管的過程中，其振動對聯絡通道地面各測點沉降影響很小，各測點略有下沉;2)自2010年1月10日開始積極凍結之后，隨著凍結溫度的下降，土體凍結膨脹，使得地面沉降有輕微回升趨勢，但由于此聯絡通道埋深較深，地面各測點受凍脹影響不是很大;3)在凍結歷時50 d后，鹽水溫度穩定在-28℃以下，具備開挖條件之后進行開挖施工，隨著聯絡通道開挖的進行，地面沉降趨勢明顯，從3月12日至3月26日14 d沉降將近11 mm，各測點的變化趨勢均呈直線下降且速率較大;4)隨著聯絡通道土體開挖結束、初期支護和二次襯砌的完成，地表沉降趨勢趨緩;5)在隨后的消融和自然解凍階段，由于注漿及時且注漿壓力控制較好，聯絡通道上部地表沉降變化很小，沉降也基本趨于穩定。

圖10 地面測點沉降歷時曲線圖Fig.10 Time-dependent curves of ground settlement of monitoring points

4 結論

1)在冷凍管鉆孔階段，地鐵隧道和地表會略有下沉，但影響不太大。在冷凍管完成之后建議立即注漿固管和加固受擾動的地層，從而減少對其周圍環境的影響。

2)聯絡通道冷凍階段，由于受土層凍脹原因，地表和隧道沉降均有所抬升，但地表沉降隨著埋深的增加而逐漸減小，在積極凍結的50 d期間，地表受地層凍脹影響向上抬升2 mm左右。

3)在凍結法施工地鐵聯絡通道的過程中，距離聯絡通道中心越近沉降越大，反之則沉降變小。這是因為距離聯絡通道越近，開挖施工形成的圍巖松動圈對其影響就越大，反之就越小。因此，建議進行后期融沉注漿時，對臨近其軸線附近的區域應進行強化注漿，從而可以有效地減小地表累計沉降量。

4)隨著聯絡通道的開挖，雖然地表地層受凍結有效壁厚的保護，其地層擾動不太明顯，但是隨著聯絡通道的開挖的進行，凍結壁厚也不斷變化，應變也在不斷增加，所以地表沉降也會隨著增大，開挖階段造成的地表沉降量占整個沉降量的68%左右，隨著初期支護和二次襯砌的完成，沉降趨勢也逐漸趨于穩定。

5)在聯絡通道主體結構完成之后要及時進行融沉注漿，這樣可以有效地控制隧道及地面的累計沉降量，從而盡可能地減小對其周圍環境的影響。

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