凍結法在北京地鐵聯絡通道施工中的應用研究

張海洋 王莉賢 羅富榮

(1.湖北工業大學，湖北 武漢 430068； 2.阜陽職業技術學院，安徽 阜陽 236031； 3.北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100037)

凍結法在北京地鐵聯絡通道施工中的應用研究

張海洋1王莉賢2羅富榮3

(1.湖北工業大學，湖北 武漢 430068； 2.阜陽職業技術學院，安徽 阜陽 236031； 3.北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100037)

以北京地鐵聯絡通道凍結法施工為研究對象，通過人工凍土力學實驗，獲得了北京地區典型土層凍土物理力學參數，同時給出了北京地鐵聯絡通道凍結壁經驗設計厚度，闡述了凍結施工中的主要工序，經實踐表明，凍結法在北京地鐵聯絡通道施工中的應用是可行且成功的。

地鐵，聯絡通道，凍結法，地質條件

0 引言

在北京地鐵聯絡通道施工中，因所處地層主要為砂卵石層，強度高，自立性好，一般采用超前小導管注漿法配合降水法或地面預注漿加固的地基處理方法。但遇到諸如承壓水、流砂以及穿越河流等特殊地層，注漿法等普通地基加固方法效果不佳，存在流砂涌水的安全隱患。人工地層凍結法以其絕對的封水性，在處理流砂地層時體現出了不可替代的優勢[1]。

人工地層凍結法在城市地鐵建設中被廣泛采用，但在北京地區少有工程應用，鑒于地層的特殊性，采用凍結法進行施工時，應進行個性化的設計與施工，本文以北京地鐵6號線東延伸段區間聯絡通道凍結法施工為例，詳細介紹凍結法在北京地鐵聯絡通道施工中的應用。

1 地質條件

北京地區西部以厚層砂土和卵、礫石地層為主，向東于城市中心區大部分范圍內地層過渡為粘性土、粉土與砂土、卵礫石土互層，再向東北的東郊及北郊地區，則以厚層粘性土、粉土為主，表現出由西向東土顆粒由粗到細的遞變規律。與上海地區典型粘性土層不同的是，北京地區典型土層為粉土、砂性土及砂卵石地層。北京地鐵6號線東延伸段區間聯絡通道主要處于中粗砂層以及細砂層中，局部為卵礫石層，其中中粗砂層滲透系數為3.31×10-2cm/s，卵礫石層滲透系數高達9.65×10-2cm/s，存在較大的涌水流砂風險。

北京地鐵6號線東延伸段區間所處地層含承壓水，且區間線路與北運河斜交，河水對承壓水層的補給作用使得地下水活動頻繁，地層涌水流砂風險尤為突出。

2 凍土力學指標與凍結壁設計

凍土物理力學參數是凍結法設計的基礎，針對北京地區缺乏凍土實驗資料的情況，課題選取了北京地區5種典型地層土樣在

煤礦深井建設技術國家工程試驗室進行了凍土物理力學參數實驗，得到-10 ℃時凍土的力學參數如表1所示。

表1 北京地區典型土層凍土物理力學參數表

3 施工流程

選取表1中參數，采用容許應力法，抗壓強度安全系數取2.0，抗折強度安全系數取3.0，抗剪強度安全系數取2.0，按照結構力學方法確定凍結壁厚度，同時利用有限元數值計算軟件對設計凍結壁厚土進行驗算。根據北京地區地層特點以及實驗所得的凍土物理力學參數，給出了北京地區凍結壁厚度設計的經驗取值，如表2所示。

表2 北京地區設計凍結壁厚度取值 m

凍結施工主要包括凍結孔施工、凍結系統安裝、積極凍結、維護凍結以及凍結完成后的融沉注漿五個階段[2]，其中凍結站安裝通常與凍結孔施工平行作業，以壓縮凍結施工工期，提高施工效率，土方開挖及聯絡通道結構施工的同時，為保障施工安全，凍結系統仍需繼續運轉稱為維護凍結，結構施工完成后停止凍結，凍土融化會產生一定的地層沉降，因此凍結完成后還應進行融沉注漿[3]，以防止地層產生過大沉降。

同時，在凍結施工過程中還應進行監測，包括對地表、建(構)筑物、地下管線與隧道管片等進行的沉降監測[4]，以及凍結施工過程中對凍結系統(如冷凍機組參數、鹽水流量與地層溫度等)進行的監測。

4 工程應用效果

北京地鐵聯絡通道通常采用超前小導管注漿法以及地面降水法施工，但在如承壓水等地下水情況復雜或不具備地面加固條件及沉降控制要求高的工況條件下，凍結法以其安全性高、不污染環境且沉降控制好等優勢被稱為“終極工法”[5]。北京地鐵6號線東延伸段因線路下穿京哈鐵路、大運河、民房，且主要處于含承壓水的砂性地層，區間4座聯絡通道均采用凍結法施工，包括起點站—物資學院站區間單線泵房、玉帶河大街站—郝家府站區間聯絡通道、玉帶河大街站—郝家府站區間聯絡通道兼泵房、東部新城站—東小營站區間聯絡通道兼泵房。

以東部新城站—東小營站區間聯絡通道兼泵房施工為例，聯絡通道上覆土厚度19.16 m，隧道中心線間距為13 m，處于⑤2層飽和粉細砂及⑦層飽和中砂(兩層位均含承壓水)，設計凍結壁厚度為1.8 m，凍結壁平均溫度不大于-10 ℃，積極凍結時間為45 d，凍結孔布置圖如圖1所示。凍結施工過程中安全可控，施工過程較為順利，未發生涌水流砂以及塌方等異常情況。如圖2所示[6]為凍結施工過程中各階段地表某監測點的變形情況。鉆孔階段由于采用的是跟管鉆進法[7,8]，承壓水從凍結管與地層的環形空間流失，造成地層稍有沉降，但鉆孔結束后進行了地層補償注漿，因而地表變形得以恢復；積極凍結階段，由于凍脹效應，地層產生隆起，期間隨著泄壓而有所緩解，凍結壁形成后，凍脹效應最為劇烈，此時泄壓孔泄壓，地層隆起量得到控制，變形量有限；維護凍結階段即開挖構筑階段，隨著土方開挖的卸荷作用地層沉降明顯，由于開

挖過程中控制開挖步距且及時進行支護，地層沉降量被控制在允許范圍內；停止凍結后，凍土融化而產生一定的沉降，此時隨著融沉注漿的進行，前期地層沉降得到彌補，地表沉降逐漸減小，當地層沉降愈趨穩定即停止融沉注漿。

北京地鐵6號線東延伸段區間4座聯絡通道沉降情況如表3所示，其中最大隆起量為3.01 mm，最大沉降量為-6.11 mm，地表變形量均控制在允許范圍內，凍結環境效應得到了較好的控制，表明凍結法在北京地鐵聯絡通道施工中的應用是成功的。

表3 凍結施工各階段的地表變形量 mm

5 結語

凍結法在北京地鐵聯絡通道施工中的成功應用體現了凍結法在諸如流砂地層等復雜工況條件的突出優勢，但在設計與施工過程中也遇到了許多難題，同時也為凍結法在北京地區的應用與發展指明了方向。1)針對北京地區典型土層的凍土物理力學參數等基礎資料缺乏，需建立并完善典型土層的凍土物理力學參數數據庫，為凍結勘察設計與施工提供依據。2)凍結施工工藝與參數需針對北京地區水文地質條件、環境條件及結構型式進行調整，使其適應北京地鐵的建設需要。3)為使凍結法在北京地區應用與發展，需制定與完善北京地區凍結施工技術規范，使凍結施工更為系統和規范。

[1] 李方政.人工地層凍結的環境效應及工程對策研究[J].公路交通科技,2004,21(3):67-69.

[2] DG/T J08—902—2006，旁通道凍結法技術規程[S].

[3] 韓玉福,李方政.地鐵聯絡通道凍土融化規律實測研究[J].上海建設科技,2009(4):53-55.

[4] 付 財,韓圣銘,韓玉福.淺覆土條件下地鐵出入口凍結法暗挖施工技術[J].施工技術,2014(7):91-93.

[5] 敖 松,韓圣銘.淺覆土凍結法加固的凍脹控制技術應用[J].城市軌道交通研究,2015(4):107-110，127.

[6] 李方政,羅富榮,韓玉福,等.復雜條件下地鐵聯絡通道凍結壁不交圈原因分析及對策[J].工業建筑,2015(11):187-190.

[7] 王勝利,韓圣銘.氣動夯管法施工水平凍結孔技術[J].中國市政工程,2007(1):61-63,100.

[8] 胡向東,陳 蕊.雙層越江隧道聯絡通道凍結法施工技術[J].低溫建筑技術,2006(5):64-66.

Application of ground freezing method in cross passage of Beijing metro

Zhang Haiyang1Wang Lixian2Luo Furong3

(1.HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China; 2.FuyangInstituteofTechnology,Fuyang236031,China; 3.BeijingMTRConstructionAdministrationCorporation,Beijing100037,China)

Taking Beijing subway connecting passage construction with freezing method as the research target, through artificial frozen soil mechanics testing, the paper obained physical mechanics parameters of frozen soil of typical soil layer in Beijing region, shows freezing wall experience design thickness of Beijing subway connecting passage, and illustrates major freezing construction procedures. Practice proves that: it is feasible and successful to apply freezing method in Beijing subway connecting passage construction.

subway, connectional passage, freezing method, geological conditions

1009-6825(2017)02-0142-02

2016-11-09

張海洋(1979- )，男，在讀碩士; 王莉賢(1988- )，女，助教; 羅富榮(1968- )，男，教授級高級工程師

TU472.9

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