平面斜交聯絡通道水平凍結及實測分析

馬 俊， 胡導云， 楊 平, *

(1. 南京林業大學土木工程學院， 江蘇 南京 210037； 2. 常州市軌道交通有限公司， 江蘇 常州 213022)

0 引言

隨著我國城市地下空間的大力開發，地鐵施工安全變得尤為重要。人工凍結加固技術相比其他工法具有諸多優點，如止水密封性好、強度高、環境適應性好等，因此被視為地鐵施工中土層加固的較優選擇，尤其是上海、杭州、南京等地下含水量較豐富的長三角城市[1-3]。

目前，關于人工凍結法已有詳細研究。國內外專家采用現場實測[1,4-5]、數值模擬[6-8]和室內試驗[9-11]等方法對人工凍結法凍結及解凍溫度場、土層位移、應力等物理力學特性進行了較為系統的研究。李大勇等[12]針對南京地鐵聯絡通道凍結法施工過程中鹽水溫度、土體溫度及地表變形等進行監測分析，獲得其變化規律，以此判斷最佳開挖時機。但現有研究均針對常規直交聯絡通道及盾構始發與接收工程。

目前，工程中多以水平直墻圓拱型結構的常規聯絡通道為主，但有時會遇到因施工不慎，導致聯絡通道預留鋼管片錯環，或因工程環境的需要，出現傾斜聯絡通道，而目前關于異型通道的研究尚鮮有報道。

樊文虎等[13]對出入口及風道矩形斷面加固工程進行方案比選，提出全斷面注漿+頂部管棚+矩形水平凍結加固方案，并進行土體溫度、地表及管線位移實測，獲得加固土體的溫度分布規律及地表位移規律。張軍等[14]對港珠澳大橋長距離曲線管幕凍結淺埋暗挖隧道工程的近20種方案進行比選，采用管幕間分段分區水平動態控制性凍結止水技術。首次建立了由常規、異形和限位凍結管構成的“管幕凍結法”凍結體系。文獻[15]對南京地鐵10號線大直徑跨江盾構隧道垂直凍結工程進行改造并現場實測，詳細分析隧道末端垂直凍土墻整個凍結期間溫度分布和地表變形情況。黃浩斌[16]以因特殊原因存在豎向高差的武漢某異型地鐵聯絡通道人工凍結法施工工程為背景，對其各影響因素及參數進行數值模擬分析，從而得到異型聯絡通道人工凍結法施工過程中各結構的應力與位移發展規律。

綜上，盡管人工凍結法在地鐵聯絡通道、盾構隧道端頭加固、地鐵事故修復及特殊工程等均有著廣泛應用，專家學者通過實測、室內試驗研究、數值模擬等手段對人工凍結法加固機制、凍結及解凍溫度場變化規律、開挖應力場與位移場等進行了針對性的研究，形成了一套成熟的凍結理論。但在聯絡通道的研究中主要集中于常規聯絡通道，對異型聯絡通道的研究很少，為此有必要對異型聯絡通道進行研究。本文以常州地鐵1號線翠竹站—常州火車站區間隧道平面斜交聯絡通道工程為依托，給出其凍結加固方案，并通過對土體溫度、地表沉降進行現場實測分析，研究凍結溫度場、位移場的變化規律，以便為今后類似工程提供參考依據。

1 工程概述

常州地鐵1號線1期工程翠竹站—常州火車站區間隧道平面斜交聯絡通道工程，兩隧道中心間距12.277 m，隧道襯砌采用預制鋼筋混凝土管片，錯縫拼裝。隧道外徑為6.2 m、內徑為5.5 m，隧道管片厚0.35 m、寬1.2 m。上行線隧道中心標高為-9.982 m，下行線隧道中心標高為-9.977 m，聯絡通道所處位置地面標高上行線約為+4.09 m(下行線為+4.91 m)。地面均為拆遷區，無重要建筑物及管線。但因施工原因，聯絡通道兩側安設的盾構鋼管片中心距偏差2.35 m。

該區間范圍內無不良地質環境，地質勘察報告顯示聯絡通道施工深度范圍內的土層由上而下分別為： ⑤1粉砂夾粉質黏土、⑤2粉砂、⑥3黏土，地下水系發達，表現出自穩能力差、易變形和坍塌的特征。

2 聯絡通道結構、凍結加固及監測方案

2.1 聯絡通道結構方案

基于聯絡通道兩側按盾構鋼管片中心距偏差已達2.35 m的情況，因此本通道必須設計成平面斜交聯絡通道。為緩解與隧道連接處受力狀態，與隧道連接的兩端部0.8 m為直交，其余部分轉為斜交，計算得聯絡通道傾斜部分水平傾角為31.2°，水平通道為直墻圓弧拱結構，通道初期支護(木背板+型鋼支架+噴射C25混凝土)厚0.15 m，二次襯砌為厚0.45 m的C35、P8模筑防水鋼筋混凝土，如圖1所示。

圖1 聯絡通道結構平面圖(單位： mm)

2.2 凍結加固方案

由于盾構隧道鋼管片中心距偏差較大，確定采用“水平人工凍結法+礦山法開挖”的平面斜交聯絡通道施工方案。

平面斜交聯絡通道布置采用從上、下行線隧道兩側打孔方式進行，凍結孔按上仰傾斜、水平、水平傾斜、下俯傾斜4種角度布置在通道的四周。共布置凍結孔79個，其中下行線54個(包括4個透孔)，上行線25個。因聯絡通道水平傾斜，所以大部分凍結管水平夾角為31.2°，只有少數加強凍結孔位于水平面上夾角0°處?？紤]到平面斜交聯絡通道拐角處存在應力集中現象，故在聯絡通道頂部、底部及兩側均增設長度較短的加強凍結孔共23個。其中下行線聯絡通道頂部與底部均布置6個，為F1—F6和F7—F12，長度為3.5 m；副線聯絡通道左右兩側分別增設E排7個(E1—E7)與E排4個(E8—E11)加強凍結孔，長度均超過1.5 m，即深入土體長度均超過聯絡通道拐角處，凍結管布置如圖2所示。

設計最低鹽水溫度-28～-30 ℃，凍結壁設計平均溫度≤-10 ℃，有效厚度≥1.7 m，喇叭口處≥1.4 m，凍結壁與管片交界面平均溫度≤-5 ℃，積極凍結45 d。

(a) 下行線凍結孔及測溫孔立面圖(單位： mm)

(b) 上行線凍結孔及測溫孔立面圖(單位： mm)

(c) 頂部凍結孔及測溫孔俯視圖

(d) 底部凍結孔及測溫孔俯視圖

(e) 凍結孔及測溫孔剖面圖(單位： mm)

2.3 測溫孔及地表位移點布置

2.3.1 測溫孔布置

為掌握凍土帷幕溫度變化情況，研究凍土體溫度發展規律，在上、下行線平面斜交聯絡通道四周分別埋設11個測溫孔，其中下行線凍結站側4個測溫孔，從左往右依次為C1—C4，副線7個溫測溫孔分別為C5—C11。其中，C1—C4、C6—C9位于聯絡通道主體結構兩側，且每個測孔內同等間距埋設4個溫度測點，由隧道管片外往土體內部依次位于0.50、1.10、1.70、2.30 m深度處。C5位于聯絡通道拱頂位置，測孔內同等間距埋設5個溫度測點，從隧道管片外往土體內部依次位于0.50、1.35、2.20、3.05、3.90 m深度處；C10、C11位于聯絡通道底部位置，測孔內同等間距埋設5個溫度測點，沿隧道管片往土體內部依次位于0.50、1.38、2.25、3.13、4.00 m深度處。除C6和C8垂直于隧道管片外，其余測溫孔在水平面上的夾角與斜交聯絡通道軸線相同，為31.2°，各測溫孔位置如圖2所示。

2.3.2 地表位移點布置

在聯絡通道正上方布置5排沉降監測點D2—D6，每排間距為3 m。D2、D3排測點編號為Di-1—Di-9及中間點Di共10個測點；D4、D5、D6排測點編號為Di-1—Di-8及中間點Di共9個測點。在聯絡通道上方區域測點間距為3 m，在聯絡通道區域外間距為5 m。地表沉降監測點布置如圖3所示。

圖3 地表沉降監測點布置圖

3 凍結實測分析

3.1 干管鹽水溫度分析

為高效控制干管與各分支管路中鹽水溫度的變化，在鹽水干管去、回路上均布設測溫點，并在各分支管路上布設測溫點，共17個。干管溫度變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，鹽水干管測點溫度曲線可細分為以下4個階段： 1)迅速降溫期，在該階段內迅速拉低鹽水干管溫度，10 d內總去管路溫度由-15 ℃降至-27 ℃，平均降溫速率達到1.2 ℃/d； 2)緩慢降溫期，在此14 d內，鹽水干管溫度下調至設計要求-31 ℃，平均降溫速率約0.29 ℃/d； 3)溫度穩定階段，鹽水干管溫度維持于-31 ℃左右； 4)維護凍結階段，為保證安全開挖，需維持干管鹽水溫度不回升。凍結降溫速率遠快于鹽水降溫計劃表(積極凍結7 d降至-18 ℃，15 d降至-24 ℃，開挖時降至-28 ℃以下)，積極凍結10 d已降至-27 ℃以下。各鹽水分支回路溫度變化曲線基本一致，且與鹽水干管溫度變化曲線基本保持同步，如圖5所示。

圖4 總去、回鹽水溫度隨時間變化曲線圖

Fig. 4 Curves of total temperature of desalination and brine water with time

(a) 左分支回路

(b) 右分支回路

Fig. 5 Curves of brine water temperature with time in branch circuit

3.2 測溫孔溫度分析

3.2.1 凍結帷幕發展速率分析

根據實際測溫數據可知，原始地層溫度約為25 ℃。凍結期間，各測點溫度變化趨勢大致相同。凍結前期，地層溫度高，與鹽水溫差大，測點降溫速率較快，隨著土體溫度降低，鹽水與地層溫差逐漸縮小，土體降溫速率亦逐漸減小。為獲得同一界面上凍結壁溫度發展及分布規律，選取位于主線一側同一界面上的測溫孔C1—C4進行分析，如圖6所示，該測溫孔均平行凍結管布置。

(a) C1測溫孔溫度變化曲線

(b) C2測溫孔溫度變化曲線

(c) C3測溫孔溫度變化曲線

(d) C4測溫孔溫度變化曲線

Fig. 6 Temperature variation curves of measuring points C1 to C4

測溫孔C1—C4在0.5 m深度處測點溫度下降至0 ℃所需時間分別為9、10、10、7 d。C1—C4測溫孔與相鄰凍結管的間距依次為55、76、83、45 cm，由此推算可得，凍土帷幕發展至C1-1—C4-1的發展速率分別為61.1、76.0、83.0、62.3 mm/d。由此可見，凍土帷幕往內側擴展速率是向外側擴展速率的1.3倍左右。這是由于凍結管冷量向外側擴散范圍較大，冷量損失嚴重，而凍結管向內側擴散范圍局限于聯絡通道內，冷量流失較小。

3.2.2 凍結壁內外側溫度規律差異性分析

測點間距如圖7所示。由圖7可知，C3內部測點與外部測點距凍結孔距離相同，但C4內部測點距凍結孔間距比外部測點小，故出現降溫速率不一致的情形。C1—C4測溫孔溫度下降速率較快，在凍結5～15 d各測點溫度均已降至0 ℃以下，同時水相變期亦不明顯。這一方面是由于干管鹽水溫度下降較快，使得土體降溫速率加快；另一方面是由于大部分測點與凍結孔實際距離較近，溫度傳至測點較快。

圖7 測點間距(單位： mm)

當積極凍結結束，進入維護凍結階段，各測點溫度保持在一個固定溫度附近上下波動。由于開挖使得位于凍結壁內側的C2、C3測溫孔周圍凍結土體暴露于空氣中，開挖后有效凍結壁厚度減小，溫度陡然升高，隨著凍結的持續，溫度逐漸趨于穩定。由于聯絡通道入口處與隧道直交，而中部與隧道平面斜交，以及測溫孔傾斜(見圖2(c))，使得同一測孔的不同測點與開挖邊線距離不一，導致測孔溫度規律不一。C3測孔內部測點C3-4更接近于開挖邊線，而外部測點C3-1距開挖面較遠，導致其C3-4溫度回升較大，但C3-1溫度未回升。C2測孔剛好與其相反，C2測孔內部測點C2-4距開挖邊線較遠，而外部測點C2-1距開挖面較近，造成開挖時測點C2-1溫度回升較大，而測點C2-4溫度未回升。這與平面直交聯絡通道的統一性有所區別。

3.2.3 不同降溫階段溫度變化

圖8示出C6—C9測溫孔溫度變化曲線。其中C7、C8位于聯絡通道開挖面內，在凍結54 d時由于聯絡通道開挖，2個測點被挖出，后期無數據。各測溫孔溫度變化曲線大致可分為4個階段，如圖8(d)所示。1)快速降溫期： 此階段內，土體初始溫度較高，低溫鹽水與其進行大量熱交換，使得該階段12 d內平均降溫速率達2.08 ℃/d，各測點溫度下降速率較快。 2)水相變期： 該階段內各測點溫度維持在0 ℃左右，在該階段的8 d內，溫度基本維持不變。 3)繼續降溫期： 當各測點溫度降至0 ℃以下后再次快速下降，但其降溫速率比第1階段慢，該階段持續約25 d左右，在此期間凍結帷幕迅速發展擴大，逐漸達到設計厚度。 4)開挖維護凍結期： 各測點溫度基本趨于平緩，此時土體內熱交換已達到平衡。當聯絡通道開挖時，由于部分測點靠近開挖面，甚至被挖出，溫度在短時間內會大幅上升，但此為正?，F象。

(a) C6測溫孔溫度變化曲線

(b) C7測溫孔溫度溫度變化曲線

(c) C8測溫孔溫度溫度變化曲線

(d) C9測溫孔溫度變化曲線

圖8C6—C9測溫孔溫度變化曲線

Fig. 8 Temperature variation curves of measuring points C6 to C9

不同測點各階段顯著程度不同，測點周圍加強凍結孔較多或與凍結管距離較小，則溫度下降較快，其水相變期較短，測點溫度較早進入穩定階段。由圖8分析可知，C6、C8測溫孔附近設有一排加強凍結孔，且距離較近，因此降溫速率比C7、C9快，最終溫度較低，無論測溫孔位于凍結管內側亦或是外側。由此可見加強凍結孔的存在對凍結起到積極推動的作用，使得土體降溫速率快，溫度低，凍土帷幕厚度大。

4 地表位移實測分析

4.1 不同斷面沉降分析

為掌握平面斜交聯絡通道水平凍結對地表凍脹融沉的影響，對地表變形進行監測，對地表沉降位移自2017年9月18日鉆孔起進行監測記錄，凍結起始日期為2017年10月18日，停止凍結日期為2017年12月24日，至2018年5月10日結束融沉注漿，然后繪制地表各斷面累計豎向位移曲線。圖9示出D4排各測點位移曲線。

圖9 D4排測點累計豎向位移曲線

由圖9可知，地表凍脹融沉變形可分為6個階段。1)鉆孔階段： 在該期間由于凍結孔施工，存在少量水土流失，導致地表有所沉降。2)地表緩慢隆起階段：該階段持續8 d左右，此時土體溫度雖快速下降，但尚未凍結成凍土，且由于鉆孔期間的影響地表甚至仍有所下沉，所以地表凍脹變形無顯著變化。 3)地表迅速隆起階段： 該階段持續約37 d左右，此時土體溫度降至0 ℃以下，凍結帷幕迅速擴展，土體產生的凍脹變形迅速傳至地表。 4)開挖階段： 由于開挖應力釋放導致地表略有沉降，但總體波動不大，趨于穩定。此階段持續至開挖結束停止凍結后10 d，這是由于第95 d停止凍結后凍土體尚未立即融化，所以地表未發生明顯沉降，而因工后充填注漿導致地表上抬。 5)地表快速下沉階段： 在105～140 d，凍土體開始融化，體積減小，土體在自重作用下壓縮變形產生顯著下沉。 6)融沉跟蹤注漿階段： 為防止土體發生過大融沉變形造成不良影響，在此期間根據地表變形進行跟蹤注漿，因此導致地表變形反復波動。進行多次跟蹤注漿后，地表逐漸趨于穩定。

總體上，地表變形規律與溫度變化規律相對應。溫度變化的前3個階段(溫度快速下降階段、水相變階段、溫度繼續下降階段)凍結帷幕迅速向外擴展，凍結壁厚度快速增大，導致地表快速隆起，這與地表凍脹變形第2、3階段相對應。溫度變化的第4階段至開挖結束，溫度變化不大，這與地表凍脹變形第4階段的結果相對應。

4.2 各斷面最大沉降分析

圖10示出各斷面最大累計豎向位移。由圖10可知，開機凍結后，凍結壁因凍結體積增大而向外膨脹變形，使得地表發生不均勻上抬，這與土體因凍結產生的凍脹變形相符。在整個凍結期間，由土體凍脹引起的地表變形不大，最大變形量為D4-5點的10.94 mm。該點位于聯絡通道正上方，這是由于聯絡通道中間應力無處釋放導致。隨著距聯絡通道水平距離增大，其產生的位移減小，且D4-5地表隆起值最大，向兩側逐漸減小。D2、D3、D4、D5排地表隆起最大值分別為測點D2-6、D3、D4-5、D5-5、D6-4，如圖11所示，由此推測平面斜交聯絡通道地表隆起最大值分布線也是斜交，其斜交角度約為36.2°，與聯絡通道相近。由此推斷，斜交聯絡通道地表隆起最大值分布線與凍結孔一致。且由圖10可知，主線聯絡通道上方地表隆起值比副線聯絡通道上方地表隆起值大，這是由于主線處拱頂與拱底均為3排凍結孔，相比副線均多1排凍結孔。

正值為隆起，負值為沉降。

圖10各斷面最大累計豎向位移曲線

Fig. 10 Maximum cumulative vertical displacement curve of each cross-section

圖11 75 d各測點豎向累計位移值(單位： mm)

Fig. 11 Vertical cumulative displacement of each measuring point in 75 days (unit： mm)

5 結論與建議

1)斜交聯絡通道采用Z型直墻圓拱結構形式，凍結采用平行于軸線的通長凍結孔加水平加強孔的凍結孔布置方案，本工程實踐驗證了其合理有效性。

2)凍結期間，各測點溫度變化趨勢大致相同。由于向外側擴散時冷量損失較大，而向內側擴散冷量流失較小，導致凍土帷幕往內側擴展速率相比于向外側擴展速率更快，大約為1.3倍。

3)由于平面斜交聯絡通道凍結管與測溫孔傾斜，導致部分測溫孔內部測點至凍結管的距離比外部測點小，并非隧道內直觀所見間距，使得同一界面處測溫孔內部與外部測點溫度降至0 ℃的先后次序不一致。這與常規直交聯絡通道有所不同。

4)由于聯絡通道入口處與隧道直交但中部與隧道平面斜交，以及測溫孔傾斜，使得同一測孔的不同測點與開挖邊線距離不一。部分測溫孔內部測點更接近于開挖邊線，而部分測溫孔剛好相反，使得開挖時溫度回升測點分別為土體深處測點和界面處測點。這與常規直交聯絡通道的統一性區別。

5)加強凍結孔的存在對凍結起到積極推動作用，致使土體降溫速率快，溫度低，凍土帷幕厚度大。

6)斜交聯絡通道地表隆起最大值分布線亦傾斜，其傾斜角度約為36.2°，與聯絡通道傾斜角度幾近相同。

7)因設計測溫孔數量限制及施工過程中測溫孔位置的偏差，本分析結果有限。今后可在凍結孔至凍結壁交界面處的內外兩側均布置2～3個測溫孔，以分析斜交聯絡通道平行凍結孔及垂直隧道土體溫度分布及發展規律。