北京地鐵區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工技術(shù)

黃金龍 黃建 賈德華

（1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068；2.鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京 100081）

北京地鐵一區(qū)間由上下行線組成，隧道外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m。管片寬1.2 m，厚0.3 m。區(qū)間中部設(shè)一處聯(lián)絡(luò)通道兼泵房。當(dāng)一條隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)、涌水、倒塌等突發(fā)性事件時(shí)，乘客可就地下車，經(jīng)聯(lián)絡(luò)通道轉(zhuǎn)移到另一條隧道，并迅速向地面疏散［1］。聯(lián)絡(luò)通道土體開挖前，必須對(duì)周圍土體進(jìn)行加固［2］。凍結(jié)法因其防水效果好、對(duì)周圍環(huán)境影響小等特點(diǎn)越來越多地被應(yīng)用于地鐵建設(shè)中，特別是對(duì)環(huán)境保護(hù)要求高、處在軟土地質(zhì)條件下的聯(lián)絡(luò)通道，其應(yīng)用更為廣泛［3-7］。

本文區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道采取凍結(jié)法施工，根據(jù)其現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析凍結(jié)鹽水溫度、凍土溫度、泄壓孔壓力等參數(shù)的變化規(guī)律，判定是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并結(jié)合實(shí)際施工情況驗(yàn)證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，研究?jī)鼋Y(jié)法施工的可行性。

1 凍結(jié)設(shè)計(jì)

區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道兼泵房覆土厚度為15.8 m，結(jié)構(gòu)周圍所處地層從上至下依次為⑤細(xì)砂、⑥粉質(zhì)黏土、⑦2粉砂、⑦細(xì)砂、⑧粉質(zhì)黏土層、⑨細(xì)沙。地層中存在強(qiáng)承壓水，位于隧道上方，分別距離聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)頂部垂直距離約4.6，2.9，2.0 m。

根據(jù)本地區(qū)土層特性，并參考以往施工經(jīng)驗(yàn)及北京地鐵企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)參數(shù)確定為：積極凍結(jié)期鹽水溫度低于-28℃，維護(hù)凍結(jié)期溫度不高于-25℃；積極凍結(jié)時(shí)間為40～45 d，凍結(jié)帷幕平均溫度設(shè)計(jì)為-10℃；凍結(jié)壁厚度為2.0 m，相應(yīng)凍土強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)為單軸抗壓強(qiáng)度4.0 MPa、抗折強(qiáng)度1.8 MPa、抗剪強(qiáng)度1.5 MPa［8］。

為保證聯(lián)絡(luò)通道開挖安全，采用在2條隧道分別布孔的方案，并在隧道底部設(shè)2處凍結(jié)孔，將聯(lián)絡(luò)通道及泵房封閉，這樣泵房?jī)?nèi)挖不到凍結(jié)管，確保了凍土強(qiáng)度和安全。根據(jù)管片配筋情況，在避開管片縫、主筋前提下可適當(dāng)調(diào)整凍結(jié)管。聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)管布置按上仰、水平、下俯3種角度布置，共布置凍結(jié)孔70個(gè)（圖1），造孔工程745.67 m。

圖1 凍結(jié)管三維布置

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)方法及測(cè)點(diǎn)布置

聯(lián)絡(luò)通道共布置測(cè)溫孔10個(gè)，如圖2所示。其中主凍結(jié)側(cè)隧道凍結(jié)面上設(shè)置2個(gè)測(cè)溫孔C1和C2，并分別在孔深0.5，2.0 m處布置測(cè)溫點(diǎn)；輔凍結(jié)側(cè)隧道凍結(jié)面上設(shè)置8個(gè)測(cè)溫孔C3—C10，C3—C7設(shè)置0.5，2.0 m 2個(gè)不同深度測(cè)溫點(diǎn)，C8—C10布置4個(gè)不同深度測(cè)溫點(diǎn)，分別為0.5，3.0，6.0，8.4 m。在凍結(jié)帷幕封閉區(qū)域內(nèi)布置4個(gè)泄壓孔（X1—X4），上下行線各2個(gè)，在泄壓孔上安裝壓力表，可以直觀地監(jiān)測(cè)凍結(jié)帷幕內(nèi)壓力變化情況。通過每日觀測(cè)，及時(shí)判斷凍結(jié)帷幕的形成，并直接釋放由凍結(jié)所形成的凍脹壓力。

圖2 溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.2 鹽水溫度監(jiān)測(cè)分析

鹽水去、回路溫度曲線見圖3，最初降溫速度較快，積極凍結(jié)第7 d，鹽水溫度低于-18℃，從積極凍結(jié)第13 d開始，最低鹽水溫度低于-28℃，維持在-30℃左右，達(dá)到凍結(jié)設(shè)計(jì)要求。直到凍結(jié)第30 d，鹽水去、回路溫度相差無幾，溫度差約1℃，表明地層熱負(fù)荷降低，凍土帷幕形成良好。

圖3 鹽水去、回路溫度曲線

2.3 凍土溫度監(jiān)測(cè)分析

1）C8—C10測(cè)溫孔0.5 m和3.0 m處凍土溫度曲線見圖4，0.5 m處溫度近似呈指數(shù)函數(shù)變化，先是急劇下降，然后逐漸趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)闇y(cè)溫點(diǎn)深度較淺，離外界環(huán)境較近，溫度很快受到外界的影響而趨穩(wěn)；3.0 m處溫度整體呈線性變化，隨著時(shí)間的增加溫度下降，之后逐漸趨于穩(wěn)定，只是由于深度的原因，導(dǎo)致受外界影響達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間延長(zhǎng)。

圖4 C8—C10測(cè)溫孔凍土溫度曲線

2）C8測(cè)溫孔各測(cè)點(diǎn)溫度曲線見圖5，在積極凍結(jié)期，同一孔內(nèi)4個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度不同，孔越深溫度越低。原因是孔深度越淺，距離外界就越近，即與外界的熱交換就越大，反之越小［9］。

圖5 C8測(cè)溫孔各測(cè)點(diǎn)溫度曲線

3）C1—C7測(cè)溫孔2.0 m處溫度曲線見圖6，同一孔深度2.0 m處各測(cè)點(diǎn)的降溫趨勢(shì)相似，反映出對(duì)稱孔的溫度發(fā)展情況相似，說明凍結(jié)是均勻發(fā)展的，凍結(jié)情況良好。

圖6 測(cè)溫孔2.0 m處溫度曲線

以孔深度2.0 m處C1測(cè)溫孔為例，距離最近凍結(jié)管D1距離906 mm，降至0℃所需時(shí)間為18 d，平均發(fā)展速度為50.33 mm/d。同理，根據(jù)所有測(cè)點(diǎn)平均發(fā)展速度取平均值，得到最終平均發(fā)展速度為36 mm/d，積極凍結(jié)時(shí)間為40 d，凍土平均發(fā)展半徑為1.44 m。

圖7 X1—X4泄壓孔壓力曲線

2.4 泄壓孔監(jiān)測(cè)分析

X1—X4泄壓孔壓力曲線見圖7，4個(gè)泄壓孔在積極凍結(jié)第19 d孔內(nèi)壓力開始呈線性增加，說明此時(shí)凍結(jié)壁開始交圈。在積極凍結(jié)第31 d，為了了解凍土發(fā)展?fàn)顩r，打開X1泄壓孔觀察凍結(jié)情況，可以看到剩余3個(gè)泄壓孔明顯有小范圍壓力下降現(xiàn)象。在積極凍結(jié)第35 d，剩余3個(gè)泄壓孔壓力值進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)，此時(shí)說明凍土帷幕已基本形成，此后凍土壓力逐漸趨于穩(wěn)定，符合凍土凍結(jié)規(guī)律。在積極凍結(jié)40 d后，泄壓孔泄壓，壓力降至0且泄壓孔無水流出，說明凍土帷幕形成良好，符合開挖要求。

2.5 凍結(jié)壁最小凍結(jié)壁厚度及平均溫度計(jì)算分析

2.5.1 最小凍結(jié)壁厚度

由2.3節(jié)可知，凍土平均發(fā)展半徑R為1.44 m，凍結(jié)孔間距D為1.347 m，按照?qǐng)A柱交圈成凍結(jié)壁（圖8），最小凍結(jié)壁厚度H計(jì)算式為

圖8 凍結(jié)壁交圈

通過計(jì)算得出最小凍結(jié)壁厚度為2.58 m，大于設(shè)計(jì)值2.0 m，達(dá)到開挖要求。

2.5.2 凍結(jié)壁平均溫度

根據(jù)《簡(jiǎn)明建井工程手冊(cè)》凍結(jié)施工成冰公式計(jì)算凍結(jié)帷幕的平均溫度。

式中：tc為凍結(jié)壁平均溫度，℃；toc為按0℃邊界線計(jì)算的凍結(jié)壁平均溫度，℃；tn為井幫凍結(jié)帷幕溫度，取-6℃；tb為鹽水溫度，取-31℃；l為凍結(jié)孔間距，取1.347 m；E為凍結(jié)壁厚度，取2.58 m。

通過計(jì)算凍結(jié)壁平均溫度為-10.67℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證

聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)采用臺(tái)階法開挖，分為4步：開挖聯(lián)絡(luò)通道上臺(tái)階土體，施作拱部及上臺(tái)階邊墻初期支護(hù)；上下臺(tái)階拉開4～6 m，開挖聯(lián)絡(luò)通道下臺(tái)階土體，施作下臺(tái)階邊墻及仰拱初期支護(hù)；鋪設(shè)仰拱防水層及防水保護(hù)層，施作仰拱及部分邊墻二次襯砌結(jié)構(gòu)；鋪設(shè)邊墻及拱頂防水層，施作剩余二次襯砌結(jié)構(gòu)。

通道開挖前，在開挖面一側(cè)施工1個(gè)探孔，探孔距凍結(jié)孔1.2 m，實(shí)測(cè)土層溫度-5.1℃，證明凍結(jié)壁厚度已達(dá)到2.4 m以上，滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)溫度、泄壓孔壓力等數(shù)據(jù)分析結(jié)果，在積極凍結(jié)第35 d，凍土帷幕就已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，可以進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道開挖，實(shí)際開挖時(shí)間為積極凍結(jié)第40 d。開口處采用爬坡開挖，角度控制在30°以內(nèi)，開挖土體呈塊狀，沒有地下水出現(xiàn)，凍結(jié)情況良好。

通道開挖期間C8—C10測(cè)溫孔3.0 m處溫度曲線見圖9，對(duì)比圖4，在聯(lián)絡(luò)通道開挖期間C8—C10測(cè)點(diǎn)溫度下降速度變緩，逐漸趨于穩(wěn)定，與前文土層溫度分析結(jié)果相吻合。測(cè)溫點(diǎn)C9溫度在后期突然升高，是由于C9靠近泵房底部，泵房開挖破壞了先前穩(wěn)定狀態(tài)，與外界熱交換變大所致。

圖9 通道開挖期間C8—C10測(cè)溫孔3.0 m處溫度曲線

圖10為聯(lián)絡(luò)通道地表沉降測(cè)點(diǎn)布置。地表沉降記錄數(shù)據(jù)自開挖到結(jié)束，所有測(cè)點(diǎn)的值均較穩(wěn)定（圖11），在一個(gè)小范圍內(nèi)變化，可知沒有發(fā)生土體隆起、坍塌、凹陷，周圍土體穩(wěn)定，表明通道開挖施工凍土帷幕穩(wěn)定，強(qiáng)度滿足安全施工要求。

圖10 地表沉降測(cè)點(diǎn)布置

圖11 地表沉降監(jiān)測(cè)曲線

4 結(jié)論

1）積極凍結(jié)第7 d時(shí)，鹽水溫度低于-18℃，積極凍結(jié)第13 d開始，最低鹽水溫度低于-28℃，維持在-30℃左右，滿足設(shè)計(jì)要求。

2）各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間先是急劇下降，之后逐漸趨于穩(wěn)定，且孔深越大趨于穩(wěn)定溫度的時(shí)間越長(zhǎng)。

3）積極凍結(jié)第19 d，泄壓孔壓力開始增長(zhǎng)，凍結(jié)壁開始交圈。積極凍結(jié)第35 d，泄壓孔壓力穩(wěn)定，凍結(jié)帷幕形成。最小凍結(jié)壁厚度2.58 m大于設(shè)計(jì)值2.0 m，凍結(jié)壁平均溫度-10.67℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

4）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果與實(shí)際情況相吻合，說明凍結(jié)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠很好地指導(dǎo)施工。

下一步將建立凍結(jié)模型，通過計(jì)算機(jī)仿真模擬研究地下水流動(dòng)在積極凍結(jié)期對(duì)凍土帷幕形成的影響。