軟土地層地鐵車站淺埋凍結暗挖法施工方案分析

盛應平

（1.上海軌道交通十八號線發展有限公司，200135，上海；2.上海申通地鐵集團有限公司，200135，上海∥高級工程師）

當地鐵隧道穿越軟弱、破碎、富含水地層或斷層破碎帶，而盾構法等常規施工方法不可行時，常采用凍結法對不良土層進行加固，以增加其強度和穩定性。隔絕了地下水與地下工程的聯系后，再采用礦山法進行施工［1-3］。但由于地鐵隧道多處于市政交通樞紐區域，對周邊環境的敏感性強，采用凍結法對大斷面隧道施工時，需要考慮凍脹對地表環境的影響［4-7］。

上海軌道交通18號線江浦路站埋深淺、開挖斷面大。車站處于市政交通樞紐區域，周邊環境敏感。為控制該站凍結工程對周邊環境的影響，車站施工擬在管棚凍結法加固地層后采用礦山法進行開挖支護施工［8-10］。由于大斷面車站凍結工程在國內尚屬首次，為此，特對凍結方案進行分析，并結合數值分析，研究凍結法施工時凍脹對地表的影響，提出相應的控制措施。

1 工程概況

18號線江浦路站沿江浦路南北走向，與已通車的8號線江浦路站進行“十”字換乘，換乘段靠近8號線。車站結構為上下兩層島式建筑，結構寬度23.0 m，高12.45 m。車站斷面呈矩形，分為南北兩段，其中南段長度15.21 m（地下連續墻至地下連續墻），北段長度10.31 m（地下連續墻至地下連續墻）。站臺中心處頂板覆土約2.47 m，底板埋深約14.97 m。車站周邊建（構）筑物及管線較多。

如圖1所示，該站所處土層由上至下分別為：①1填土層；③灰色淤泥質粉質黏土層；③J灰色淤泥質粉質黏土與砂質粉土互層；④灰色淤泥質黏土層；⑤1-1灰色黏土層。土體滲透系數最大的為灰色砂質粉土與淤泥質粉質黏土層（③J層），滲透系數為5.36×10-5cm/s，屬于非滲透性土層。

圖1 江浦路站地質橫斷面圖

2 車站加固方案

2.1 工程特點

綜上所述，車站采用凍結預加固的淺埋暗挖法施工，具有以下難點：

（1）周邊環境復雜。車站上方覆土僅為2.47 m，且覆土內市政管線較多，因此在施工過程中若產生較大變形，將會引起房屋傾斜開裂、道路破壞或地下管線破損，從而在社會上造成嚴重的負面影響。

（2）地層條件差。車站結構主要位于③灰色淤泥質粉質黏土層、③J灰色淤泥質粉質黏土與砂質粉土互層、④灰色淤泥質黏土層中，為典型的上海地區軟土層。地層中的灰色淤泥質土具有高含水量、高壓縮性、低強度等特點，易出現突發涌水流砂事故。

（3）開挖斷面大、跨度長。待建車站斷面總寬度達23.7 m，總高度達12.5 m，若在施工中處理不當，易引發塌方、冒頂等事故。

2.2 施工方案比選

車站施工方案的選擇需要綜合考慮安全、經濟、工期等指標。在確保施工安全的前提下，從工期、設備、材料等方面綜合考慮經濟合理性，盡量滿足施工便利以及縮短工期。因此，從經濟、施工風險、技術、交通影響、工期等方面對明挖順作法、管幕+凍結暗挖法、凍結暗挖法這3種方案進行比選，詳見表1。除了要分析上述3種方案本身的造價和施工因素外，還要考慮對商業活動和地面交通的影響，以及由此而波及的對整個城市的經濟活動、市政建設的發展和財政收入等因素的影響。

表1 江浦路站施工方案比選

該車站原計劃采用明挖順作方案。明挖法具有施工作業面多、保護主體結構工程質量等特點，但對地面環境影響較大，在飽和的軟土地層中，深基坑開挖引起的地面沉降較難控制。由表1綜合比選可知，車站施工方案選取凍結暗挖法最優。凍結暗挖法可全天候施工，施工期為14個月，滿足工期的要求；而且，凍結暗挖法不占用道路，對交通影響小。

3 工程參考實例

上海軌道交通采用凍結暗挖的類似工程案列有4號線上海體育場站零距離穿越1號線體育館站。如圖2所示，上海軌道交通4號線上海體育場站施工段與已運營的軌道交通1號線上海體育館站由東向西斜交約78°。穿越段結構由相鄰的上行線隧道、下行線隧道和換乘通道3部分組成。穿越段結構橫截面尺寸（高×寬）都為5.74 m×21.5 m。穿越段頂面緊貼1號線車站站底板，穿越段結構頂部絕對標高為-10.08 m，底板底標高為-15.82 m，地面絕對標高為+4.19 m，穿越段總長度約22.6 m。穿越段東端與4號線上海體育場站相連，西端為4號線區間盾構隧道。

圖2 上海軌道交通4號線上海體育場站穿越段平剖面

3.1 凍結設計

凍結孔布置見圖3，凍結壁和凍結孔設計參數見表2。

圖3 穿越段凍結孔布置圖

3.2 工程效果

通過對穿越段施工全過程的監測，在鉆孔、凍結、開挖與融沉注漿的各個階段，1號線軌道的豎向位移為-0.5～2.8 mm，完全滿足軌道交通運營線路的沉降控制要求。

表2 穿越段凍結壁設計參數

4 江浦路站車站凍結方案

江浦路站為矩形對接結構，因此凍結壁整體呈矩形布置。內側根據開挖分區劃分，設置“井”字形凍結壁（見圖4），左右兩側及底部凍結壁厚度為3.0 m，橫向凍結壁厚度從上之下依次為1.0 m、1.0 m、1.6 m，將凍結區分為9個獨立部分。

4.1 凍土帷幕設計

圖4 江浦路站凍結孔位布置圖

4.2 凍結參數設計

本工程管棚管規格采用φ273 mm×10 mm無縫鋼管，橫排和豎排管棚孔間距分別為300 mm、500 mm。凍結孔采用兩種布孔方式：一種為獨立凍結孔，凍結孔采用φ89 mm×8 mm凍結管；另一種為管棚內下放凍結管，并在管棚管和凍結管之間用水泥砂漿充填。根據位置不同，采用凍結管的規格分別為φ57 mm×4 mm、φ89 mm×5 mm。此外，為了監測凍結壁發展狀況以及控制內部凍脹壓力，分別布置了測溫孔和泄壓孔。具體參數如表3所示，孔位布置如圖4所示。

表3 江浦路站鹽水凍結主要參數表

4.3 凍脹控制方案

綜上所述，本凍結工程現場施工條件較差、風險較高。要實現車站凍結工程的順利施工，需要采取凍脹控制措施以減小土體凍脹對周邊環境的影響。具體措施如下：①路面裂縫處理（包括路面原有裂縫、凍結期間凍脹裂縫）。采用熱瀝青灌縫和寬40 cm的抗裂貼，在地表路面攤鋪，增加防水面，阻止水分下滲。②管棚抗凍脹。管棚嵌入8號線墻體10 cm，形成超靜定梁結構，以抵抗下部凍結帶來的凍脹影響。③泄壓孔泄壓。在圖4中9個封閉凍結區域內設置泄壓孔，進行物理取土泄壓。

5 凍結施工方案數值分析

5.1 幾何模型與邊界條件

依據初步凍結設計方案，溫度場數值分析采用有限元軟件ANSYS進行三維建模。車站橫斷面方向為x、y方向，車站縱向為z方向；車站計算模型沿x、y、z方向上尺寸取50.000 m ×30.000 m ×10.308 m。溫度場分析采用具有10節點的Solid 90單元，結構分析采用與之對應的Solid 185單元。為提高計算精度，對車站周圍的土體進行網格加密。

模型邊界條件：由于土體初始溫度為18～22℃，因此假定初始地溫為20℃；由凍結溫度場控制方程中凍結管邊界條件可知，凍結管壁溫度為鹽水溫度；在凍脹位移計算過程中，模型兩側邊界限定水平位移，底部邊界限定水平及豎直位移，前后側邊界限定縱向位移。

5.2 計算參數

為簡化計算，視車站主要位于灰色淤泥質黏土中，委托相關單位對開挖地層原狀土進行了物理力學特性試驗，取得了土層熱學物理參數如表4所示。

表4 地層溫度場計算參數

5.3 計算結果分析

5.3.1 溫度場結果分析

車站設計積極凍結期為45 d。圖5為凍結45 d時車站凍結溫度場擴展分布情況，可看出，側墻凍結壁厚度為3.2 m，凍結壁整體平均溫度達-14.5℃。凍結壁滿足設計值要求。

圖5 凍結45 d時車站的溫度場云圖

選取C1、C2兩處測溫點（位置見圖4）進行分析。圖6為C1、C2的溫降曲線。從圖6可以看出：凍結初期，地層溫降速率較快，凍結的前20 d，2號測溫孔的溫降速度約為1℃/d；第20～30 d時，溫降速度約為0.85℃/d；第35～45 d時，溫降速度約為0.2℃/d。這是由于：凍結管初期，土體與凍結管之間熱交換迅速，溫降速率快；隨著凍結時間的增加，土體與凍結管熱交換逐漸趨于平衡，故溫降曲線的斜率逐漸變緩直至消失；測溫點C1的溫降規律與測溫點C2基本一致，但由于C2測溫點靠近車站內側凍結管，受“群孔效應”影響，C2的溫降速率明顯快于C1。

圖6 車站兩個測溫點的降溫曲線

5.3.2 凍脹位移場結果分析

在該車站積極凍結期內，地表豎向位移分布規律如圖7所示。車站積極凍結過程中，車站上方土層產生了較大的垂直隆起位移，且因凍結壁隨凍結時間逐步擴展，車站上方土層隆起位移也逐漸增大。車站中心軸線處地表隆起位移在任意凍結時刻都較大，凍結45 d時的最大隆起位移值為9 mm；車站上方土層隆起位移與距車站中心線水平距離呈負相關，距離車站中心線水平越遠，車站上方的土層隆起位移越小。

圖7 車站地表豎向位移分布規律

在無凍脹控制措施的條件下，地表凍脹位移較大。因此，考慮采用大體積時空錯峰凍結和全方位，高壓噴射法（MJS），對凍結開挖區域土層進行加固，改良土體性能以控制地層凍脹。

（1）錯峰凍結控制凍脹：如圖8所示，錯峰凍結前期（20 d時），地表凍脹位移明顯減小，豎向最大位移僅為2.5 mm。隨著凍結時間增長，地表位移逐漸增大，45 d時的豎向最大位移達8.3 mm，與初始方案相比地表位移減少0.7 mm。

圖8 錯峰凍結時車站地表豎向位移分布

圖9 MJS加固時車站地表豎向位移分布

（2）土性改良控制凍脹：如圖9所示，采用MJS加固土體后，改善了土體性質，降低了土體的凍脹率，凍結20 d時豎向最大位移為3 mm，45 d時豎向最大位移達6.5 mm，與初始方案相比地表位移減少了2.5 mm。可見，凍結法施工前采用MJS加固土層，對控制地層凍脹具有顯著效果。

6 結語

基于上海軌道交通18號線江浦路車站工程，根據地質條件、周邊環境等因素提出了3種施工方案，經方案比選，最終選擇“凍結+暗挖”法施工方案。但大體量凍結工程會對地表環境產生巨大的施工風險。因此，結合類似的工程實踐經驗，提出了相應凍結設計，并根據有限元分析得出車站凍結溫度場擴展規律，確認方案可行；在此基礎上，根據有限元分析可知，采用MJS加固土層，以改良土體性能，可有效地控制地層凍脹對周圍環境的影響。