用局部凍結法修復損壞的地鐵隧道

孫 闖，周興旺，韓玉福

（1.遼寧工程技術大學土木與交通學院，遼寧阜新 123000；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013）

用局部凍結法修復損壞的地鐵隧道

孫 闖1，周興旺2，韓玉福2

（1.遼寧工程技術大學土木與交通學院，遼寧阜新 123000；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013）

京滬高鐵樁基施工中造成上海某地鐵隧道管片破損，大量淤泥流入隧道內部，工程采用臺階式封堵墻對隧道內部土體進行封堵，并對破損隧道內部進行注漿充填。隧道上部土體采用地面充填加固注漿的方法加固擾動土層；修復段采用“地面垂直凍結加固土體，結合隧道內水平凍結加固土體，隧道內開挖構筑”的施工方案；在破損隧道上部及四周3 m范圍內進行局部凍結，形成強度高，封閉性好的凍土帷幕。凍土帷幕形成后采用暗挖礦山法進行修復段隧道的開挖構筑施工，對破損管片采用原位修復方案，施工取得圓滿成功。通過介紹隧道修復設計方案，并對現場監測數據進行分析，為類似工程提供借鑒。

凍結法；凍土帷幕；隧道；封堵墻

1 概 述

近10年來，我國地下工程領域取得了突飛猛進的發展，尤其是城市地下工程的飛速發展，在設計與施工技術水平上已日趨成熟［1］。但隨著地鐵施工數量的增多，一些意外的施工事故也會對隧道結構產生一定影響甚至損壞，尤其是遇到涌水、流砂、淤泥等復雜不穩定地質條件時，給修復工程帶來很大的難度。所以，地鐵修復工程設計與施工技術已成為巖土工程中的重點同時也是難點問題。隨著人工凍結技術在我國礦井與地下工程中的廣泛應用，人工凍結施工技術已經達到很高的水平，針對地質條件較差的隧道修復工程，采用人工凍結法對隧道圍巖進行凍結，在破損隧道周圍形成強度高，封閉性好的凍土墻或凍土圈，使修復工程的安全性與效率大幅提高［2－5］。近幾年人工凍結技術的應用在地鐵修復工程中起到了至關重要的作用，文獻［6］，［7］介紹了人工凍結法在特殊環境條件下上海軌道交通四號線修復工程中的修復工藝以及設備配置；文獻［8］介紹了采用水平凍結技術對隧道進行修復，工程中對破壞隧道與完好隧道連接段采用垂直封水擋土凍結與水平凍結暗挖法相結合的修復方案，修復工程取得了成功；文獻［9］詳細介紹了采用了4排管局部凍結法對地鐵隧道進行修復，并對現場凍結溫度、凍脹力等進行監測分析；文獻［10］介紹了在含鹽地層中隧道涌水凍結法施工修復技術。

鑒于上海人民路地鐵隧道修復工程具有較高的風險性和復雜性，經專家組反復論證后，修復工程決定采用原位修復方案，上行線區間隧道修復段采用“地面垂直凍結加固土體，結合隧道內水平凍結加固土體，隧道內開挖構筑”的施工方案，在破損隧道上部及四周3 m范圍內進行局部凍結，凍土帷幕形成后采用礦山暗挖法進行修復段隧道的開挖構筑施工。

2 工程概況

京滬高速鐵路某標段拱橋工程樁基施工中，造成正在建設中的人民路地鐵隧道局部損壞，地面施工情況如圖1所示。上行線505環與535環之間的盾構隧道管片，被5根PHC（預應力高強混凝土）樁基所擊穿，造成泥土進入隧道，上行線受損部位被完全堵塞，長度約42 m，在隧道受損位置附近，上、下行線隧道的中心標高分別為－14.507 m和－14.557 m，隧道中心距12.4 m。圖2為本工程的地質情況示意圖，經勘察，擬建場地50.0 m深度范圍內地層埋藏分布較穩定，區間隧道修復段施工區土層為⑤1－1黏土和⑥2灰色粉質黏土，地基土物理性能見表1。

3 凍結設計方案

3.1 凍土帷幕設計參數

凍土帷幕頂面所受土壓力根據隧道內部開挖后破損隧道上部土體向下變形特性，按主動土壓力計算，側面承受水土壓力靜止側壓力系數取0.7計算，土的平均重度取18.5 kN／m3。設計取－10℃凍土的彈性模量和泊松比分別為150 MPa和0.27。凍土強度指標為：抗壓強度3.6 MPa，抗折強度2.0 MPa。強度檢驗安全系數取：抗壓2.0 MPa，抗折3.0 MPa，抗剪2.0 MPa。設計隧道兩側及底部凍土帷幕有效厚度為2.2 m，隧道上部凍土帷幕有效厚度為3 m。凍土帷幕應力、位移計算值及安全系數見表2。

圖1 工程平面示意圖Fig.1 Plan of the project

圖2 地質剖面示意圖Fig.2 Geological profile

表1 地基土物理力學性能指標Table1 Physical and mechanical property indexes of the foundation soil

表2 凍土帷幕應力、位移計算值及安全系數Table2 Calculated stress and displacement of freezing soil curtain and safety factors

3.2 凍結孔設計參數

對上行線隧道進行修復時，共布置10排246個凍結孔，開孔間距為0.6～1.5 m，其中共設在地面布置垂直凍結孔163個，傾斜孔40個，凍結管總長度為4 371.688 m，地面垂直孔2 836.054 m，傾斜孔969.84 m，在下行線隧道內設水平孔565.794 m，根據設計凍結孔間距、凍結溫度和鹽水流量估算，凍土帷幕交圈時間為20～25 d，積極凍結45 d時，凍土帷幕厚度可達設計要求。凍結孔及測溫孔布置如圖3所示。由于事故范圍內原施工臨時PHC樁很多，且樁體垂直精度相對較差，因此，雖然水平凍結管的布置均已避讓，但實施過程中仍有可能碰到樁體而使水平凍結孔無法施工。在此情況下，可考慮調整位置和角度重新打孔、打補孔、加強孔等措施，以確保凍結帷幕的質量與安全。在凍結管施工過程中，垂直孔和傾斜孔鉆進完畢后，下入凍結管，外接箍焊接連接，下放凍結管時，對未凍結范圍內隔板以上的凍結管外側采用聚苯乙烯泡沫塑料保溫，保溫層厚度為50 mm，保溫層的外面用塑料薄膜包扎。豎直局部凍結管結構如圖4所示。

圖3 凍結壁和凍結管布置圖Fig.3 Layout of freezing wall and freezing tube

圖4 凍結管立面布置圖Fig.4 Elevation view of the layout of freezing tubes

3.3 隧道內充填注漿與地面充填注漿

為了防止地面垂直凍結孔施工時造成泥漿沿破損管片處流入隧道，在被擊穿的管片范圍外側施工封堵墻進行封堵，封堵墻呈臺階式施工。由于隧道在凍脹力影響下會產生變形位移，本工程對隧道內進行注漿充填和地面充填加固注漿，注漿材料采用粉煤灰、水泥加水玻璃，該材料具有較小的析水率和較小凍融率的特性。利用振動鉆機緊貼PHC樁造孔，確保造孔位置在原已經破壞的管片與PHC樁之間的縫隙內，避免對原有未破損管片造成破壞，保證凍結孔順利施工，并減少凍漲和融沉對隧道的影響，有利于施工安全，圖5為注漿示意圖。根據以往施工經驗和考慮塌方區特點，本工程考慮管片破損情況和雙液漿的擴散要求，設計注漿壓力不高于0.6 MPa，利用振動鉆機造孔，開孔直徑32 mm，在振動鉆機鉆頭布設特定注漿裝置，在孔位到達設計深度后開始注漿，注入設計量后上提0.33 m，再注漿，直至到達加固土體頂部后注漿結束，其工藝流程為：造孔→連接系統管路→開始注漿→上提鉆桿→再注漿→再提鉆桿→再注漿→……注漿結束。

圖5 隧道封堵墻與充填注漿示意圖Fig.5 Plugging wall and the grout filling

4 現場監測分析

4.1 凍結系統監測

凍結系統監測主要是針對去、回路鹽水溫度變化，在去、回路鹽水主管上安裝精密水銀溫度計和數字溫度傳感器，測量頻度為每天1次。凍結系統從4月14日開機運行，鹽水溫度迅速下降，凍結4 d后，輸送管路溫度降至－20.5℃，積極凍結期平均溫差為1.6℃，維護凍結平均溫差為1.2℃。說明凍結開始時熱交換量比較大，凍結帷幕形成良好。凍結30 d后，溫度降到最低－29.8℃。從最低點以后，積極凍結期輸送管路溫度平均維持在－30℃左右。維護凍結從凍結45 d開始，維護凍結輸送管路溫度平均維持在－29℃左右。

4.2 凍土帷幕監測

凍結壁設計有效厚度底部及兩側不小于2.2 m，頂部不小于3.0 m，平均溫度低于－10℃，積極凍結期才能結束，轉為維護凍結。凍土帷幕的溫度監測采用一線總線式測溫系統［11］，此系統可以對凍結壁進行實時監測，在每個測溫孔內下放5個測點，每個測點間距0.8 m，測溫孔布置如圖3所示，其中T1測溫孔為確定凍土帷幕的向外擴展距離，當T1測溫孔下部各測點溫度均達到－10℃以下時，說明凍結壁以基本形成，T3測溫孔為確定凍土帷幕的交圈時間及凍結帷幕的厚度，當T3測溫孔下部各測點溫度均達到－20℃以下時，說明凍結壁強度已經達到要求。圖6、圖7為測溫孔T1、T3各測點溫度隨時間變化曲線，由圖可以看出，地面垂直凍結孔內凍結20 d后，T1測孔測點底部土體溫度均達到－10℃以下，即凍土帷幕向完好隧道兩側擴展距離已經全部到達T1位置，說明向外側延伸的凍土帷幕已經基本形成。而T3測孔位置的測點溫度達到－20℃左右，說明凍結20 d后，隧道上部凍土已經全部交圈。凍結33 d后凍土帷幕平均溫度低于－20℃，積極凍結期結束，轉為維護凍結。凍土帷幕擴展情況與設計時間基本保持一致。

圖6 T1孔內各點溫度隨時間變化曲線Fig.6 Tem perature variation against time at each point in hole T1

圖7 T3孔內各點溫度隨時間變化曲線Fig.7 Tem perature variation against time at each point in hole T3

4.3 隧道變形監測

在凍結過程中，土體的凍脹力會對完整隧道管片形成壓應力，如果控制不好，會導致未損壞隧道管片變形甚至損壞。本工程對隧道的變形量通過對測隧道內管片的垂直與水平位移來反映。A，B兩測點布置在水平方向與豎直方向通過隧道中心的位置。此次分析截取了從凍結開始到凍結第17 d之間的隧道管片變形監測情況，由圖8、圖9可以看出，由于下部凍結壁較為薄弱，為加強凍結，水平凍結器比地面垂直凍結器先冷凍5 d，所以，隧道底部由于受凍土膨脹的凍土力影響，在凍結4.5 d，隧道管片開始出現外移與上浮現象，但是隧道的最大外移度沒有超過4 mm，最大上浮度在6 mm左右，隨著隧道上部與兩側土體開始凍結，隧道的變形開始趨于穩定，并沒有出現明顯的變形情況?？梢娪捎谒淼纼炔坎捎米{填充處理，隧道上部采用分層注漿處理后，不僅增強了隧道上部巖體的穩定性，同時也有效地控制了隧道的變形。

圖8 隧道管片垂直位移變化曲線Fig.8 Variation of vertical displacement of tunnel lining against time

圖9 隧道管片水平位移變化曲線Fig.9 Variation of horizontal disp lacement of tunnel lining against tim e

5 修復施工

凍土帷幕達到設計要求后，工程進行排水、清淤以及修復管片等。通過現場鉆探對上行線進行了探摸，20號PHC樁擊穿511環隧道頂部，同時可能擊穿隧道底部，因此511環可能需要整環修復；512環受511環影響，隧道頂部管片可能出現破損；513環隧道頂部可能破損，但初步判斷破損程度應該比較?。?14環沒有出現嚴重破損，而515環封頂塊、鄰接塊嚴重破壞，可能由于19號PHC樁偏移所致；受515環影響，516環可能存在較大程度破損；因18號PHC樁影響，517環、518環均有嚴重破損，而518環破損更甚，有需要整環修復的可能性；受相鄰環影響，519環有較小程度破損；520環、521環出現嚴重破損，應是17號PHC樁所致，可能需要整環修復；按推理，522環、523環破損應當較小；525環封頂塊、鄰接塊發生嚴重破損，應是由于16號PHC樁偏移所致，這樣524環破損程度就較小。根據上述分析，確定上行線修復范圍為511－525環，其中，511環、518環、520－521環可能需要整環修復，其余破損管片可能需要封頂塊與鄰接塊局部修復。

對局部修復的管片在開挖前架設防底鼓底梁與防收斂半圓支架，并在好管片處架設防松弛支撐，然后進行管片破除及壁后凍土開挖。開挖凍土后及時架設圓形臨時鋼支架，并掛錨網噴射混凝土做好臨時支護，然后開始破除局部連接塊施工。連接塊處進行臨時支護后，形成整體臨時支護，然后進行防水層施工?，F澆結構與原管片采用植筋方式連接，防水層施工完成后開始植筋、綁扎鋼筋、立模板等工作?；炷翝沧⒆?25環側開始每兩環作為一個澆注段，最后完成混凝土封頂施工。

6 結 語

（1）設計采用局部凍結方案，在本工程條件下是適宜合理的，該方案加強了隧道破損部位周邊土體的強度，與上部土體全部凍結相比，不僅降低冷耗，還可以減少凍脹和融沉量，安全系數也沒有隨之下降，很大程度上改善了工程環境條件；

（2）修復工程中對隧道內進行注漿填充，不僅控制了破損隧道上層淤泥繼續涌入隧道，同時也減少了凍結過程中土體形成的凍脹力對隧道管片的影響；

（3）隧道內清淤排水以及隧道管片修復共進行了一個月時間，采用豎直管局部凍結法這種特殊施工工法，使得隧道清淤排水得以順利進行，施工取得了圓滿成功。今后隨著我國大力發展地下巖土工程，不可避免會遇到一些復雜工況與事故，因此本工程的成功施工能為將來類似工程提供借鑒。

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（編輯：周曉雁）

Partial Freezing M ethod Applied in the Restoration of Damaged Subway Tunnels

SUN Chuang1，ZHOU Xing wang2，HAN Yu fu2
（1.Institute of Civil Engineering and Transportation，Liaoning Technical University，Fuxin Liaoning 123000，China；2.Beijing Coal Mining Engineering Company Ltd.，Beijing 100013，China）

The construction of the pile foundation of Beijing Shanghaihigh speed railway damaged the tunnel lining of a segment of Shanghai subway with large amounts of sludge silted into the tunnel.This paper introduces the re pairing of the damaged tunnel and analyzes the sitemonitoring data to provide reference for alike projects.Firstly，stepped plugging wallwas used to plug the solum in the tunnel，and the internal of the damaged tunnel was grou ted.The upper solum in the tunnelwas treated by ground filling and grouting to reinforce the turbulent solum.Mo reover，the restoration segmentwas reinforced by vertical freezing on the ground and horizontal freezing as well as excavation construction inside the tunnel.Freezing soil curtain with high strength and good sealing property was produced by partial freezing in the upper damaged tunnel and in its surrounding 3 meters area.Subsequently，min ingmethod was employed in the excavation and the damaged lining was repaired by in situ restoration.The restora tion finally achieved great success.

freezingmethod；freezing soil curtain；tunnel；plugging wall

U452.2

A

1001－5485（2011）08－0067－05

2010 09 03

孫 闖（1983 ），男，遼寧阜新人，博士研究生，主要從事隧道與地下工程領域研究，（電話）18041800070（電子信箱）scijjj＠189.cn。