新建車站下穿運營車站凍結施工變形影響分析

石 巖，張文祥，貝幫禹

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210000)

隨著各地區軌道交通的大規模發展，新建線路與既有運營線路出現越來越多的換乘、并行和交叉(上跨、下穿)等情況。新建車站在近距離密貼下穿既有運營車站施工過程中，下穿暗挖段通常采用“MJS水平加固+水平凍結+暗挖”施工工藝。其中，凍結法是利用制冷技術使土層中的水凝固形成凍土，從而具備一定的承載力，并在凍結壁的保護下進行地下工程暗挖施工[1]，在富水軟土地區的地鐵建設中得到了廣泛應用。但是，凍結后的土體內因水分凝固導致體積膨脹產生的凍脹現象，會引起凍結區域鄰近建(構)筑物產生不均勻變形，尤其是周邊既有運營線路的結構變形，嚴重影響運營安全。因此，在凍結施工過程中，應采取措施減緩凍脹對周邊建(構)筑物的變形影響，確保既有建(構)筑物結構處于安全狀態[2]。

綜合目前研究現狀，影響凍脹效果的主要因素有凍結過程中的鹽水流量及溫度、土體密實程度和地下水滲流，通常從鹽水流量和溫度等方面進行施工工法的參數控制。本文以新建中勝站下穿既有運營車站工程為背景，分析新建車站暗挖區段凍結施工對既有車站結構產生的影響，提出采取調節鹽水流量及溫度、設置泄壓孔等措施對凍脹變形進行緩解控制，并根據對采取措施后的既有車站變形監測數據來量化凍脹效果。最后，總結了凍結法施工在漫灘地區施工條件下的適用性，為確保凍結施工后暗挖穿越工程的安全、穩定及高效提供參考。

1 工程概況

新建地鐵車站位于交通道路的交叉口，總長201 m，沿南北方向展布。新建地鐵車站為地下二層(局部三層)島式車站，雙柱三跨矩形框架結構，采用明挖法(局部暗挖法)施工。新建車站與既有車站是十字換乘，需要實現“零距離”下穿。換乘節點采用水平MJS加固+水平凍結+暗挖新工法施工。

新建地鐵車站的地形屬長江漫灘，起伏較為平緩，地面高程為6.6～7.3 m。結合地質資料，既有車站處于②-2b4淤泥質粉質黏土層，新建車站處于②-3b3-4+d3淤泥質粉質黏土夾粉砂及粉砂夾粉土。

1.1 施工關鍵點

(1)凍結孔布設在MJS加固體中，以減緩凍脹效果；

(2)在非凍結處設置泄壓孔，釋放土層水土凍脹壓力[3]。

水平凍結孔的施工難度大，凍結過程難以穩定控制。凍結孔施工時應采取以下針對性措施：

(1)采用二次開孔技術，避免一次開孔出現涌水涌砂；

(2)采用跟管鉆進法打設凍結管，以便準確測定鉆進位置和方向；

(3)確保鉆孔定位準確和鉆機安裝牢固穩定，鉆進過程中要及時測斜；

(4)增設泄壓孔及加熱孔，減少凍脹效應；

(5)必要時進行補孔，控制凍結孔的間距；

(6)在凍土帷幕及周邊未凍土區域設置泄壓孔，通過釋放泥水來減弱既有線底板上的凍結附加力；

(7)在凍結區域上部既有車站底板具備條件時開設凍結孔與加熱孔(加熱孔兼作測溫孔)[4]。

1.2 凍結加固技術措施

根據暗挖段車站地質情況及斷面形狀，將凍結帷幕設計為兩個“田”字形，以確保開挖面土體穩定且上覆車站結構不會因后期開挖出現嚴重沉降。兩個暗挖斷面要同時進行凍結施工[5]。

水平凍結加固施工首先進行凍結孔鉆進施工，其次安裝調試制冷系統并積極凍結，最后維護凍結。

施工過程中，當平均溫度超過設計平均溫度時，可適當調節鹽水溫度，維護凍結[6]。

2 數據分析

2.1 影響段既有線車站結構監測

新建車站暗挖下穿段按方案實施了凍結施工，期間運營車站結構發生了顯著抬升，其中，道床最大抬升33.9 mm，結構底板最大抬升18.9 mm，結構柱最大抬升14.7 mm。圖1為暗挖中部影響最大區域15軸斷面各監測點凍結期間垂直位移階段變化量曲線。

圖1 15軸斷面各監測點凍結期間垂直位移階段變化量曲線

表1 暗挖段水平凍結期間各測項數據變化統計

從表1和圖1可以看出，凍結施工導致隧道正投影段產生明顯上抬變形，且上抬速率逐漸加快，車站結構各部位的豎向變形均隨著凍結天數的增加而持續上升。

由于暗挖段凍結施工導致車站結構垂直位移變化量持續增大，為了控制對既有車站結構的影響，降低了變形最大區域的冷凍管流量，同時在開挖面設置泄壓孔進行泄壓[7]。自對變形最大區域調節鹽水流量后，既有車站結構上升速率逐漸減緩，車站結構柱、底板和道床較之前最大了降低67.3%(結構柱)。

2.2 凍結區域溫度監測

(1)溫度監測

凍結施工期間，凍結區域各項溫度監測結果如下：

①鹽水溫度。設計要求7 d鹽水溫度降至-18 ℃以下，15 d鹽水溫度降至-24 ℃以下，開挖時鹽水溫度降至-28 ℃以下。實際監測小里程7 d鹽水溫度降至-15.2 ℃，15 d鹽水溫度降至-26.1 ℃；實際監測大里程7 d鹽水溫度降至-21.4 ℃，15 d鹽水溫度降至-25 ℃。

②鹽水去回路溫差。設計要求凍結開挖時去回路鹽水溫差不大于2 ℃；實際監測大、小里程凍結站鹽水去回路溫差在1 ℃左右。

③鹽水流量。單個工作井內188個凍結孔共44分組回路，鹽水流量為295 m3/h，單孔鹽水流量達到6.7 m3/h，滿足設計單孔流量5～8 m3/h的要求。

④凍結壁平均溫度。凍結60 d時，頂部凍結壁最薄弱處的平均溫度為-9.5 ℃，設計要求凍結帷幕平均溫度≤-8 ℃；側墻凍結壁最薄弱處的平均溫度為-12.2 ℃，底板凍結壁最薄弱處的平均溫度為-12.8 ℃，設計要求凍結帷幕平均溫度≤-13 ℃。

(2)測溫孔分析

對現場設置的17個測溫孔進行監測分析，按最低發展速度考慮，頂部平均發展速度取18 mm/d，開挖面加強孔平均發展速度取26 mm/d，通道兩側及底板平均發展速度取21 mm/d。凍結壁有效區頂部凍結最薄弱處厚度1 849 mm，通道底部凍結最薄弱處厚度3 175 mm，通道兩側凍結壁最薄弱處厚度2 890 mm，通道間最薄弱處厚度3 653 mm，均大于設計有效凍結厚度。

(3)泄壓孔分析

小、大里程工作井各設置了8個泄壓孔，這些泄壓孔在凍結12 d、16 d開始有規律上漲，最大壓力達到0.2 MPa，現場根據監測情況進行泄壓，證明凍結壁已經交圈。

2.3 影響段既有線車站上方地表監測

結合凍結區域影響段既有車站上方地表監測數據，在水平凍結期間，地表出現了明顯抬升趨勢，最大變形速率達0.411 mm/d，平均變形速率達0.198 mm/d，且隆起最大處位于左右暗挖凍結面中間通道位置DB11-01，對應地下車站結構15軸處，與既有車站結構變形最大處位置一致，從側面印證了人工水平凍結法施工對土體及既有車站結構產生的凍脹力隆起效應。圖2為凍結影響段地表垂直位移階段變化量曲線。

3 變形處理

3.1 變形處理措施

凍結期間，根據既有地鐵車站結構監測反饋，道床變形最大點位Z22(33.9 mm)，車站底板變形最大點位ZSZD21(18.9 mm)，結構柱變形最大點位為16軸(14.7 mm)。針對該區域出現的明顯隆起以及經現場巡視發現的部分裂縫等病害，采取了以下措施。

(1)為了減小凍脹對地面管線的影響，在大、小里程暗挖井各打設8個泄壓孔。當泄壓孔壓力上漲超過初始壓力0.2 MPa時，放水泄壓，以隔絕凍脹力在土地中的傳遞，保證上部建(構)筑物安全[8]。

(2)凍結孔中設置緩凍孔，對于內圈輔助十字凍結孔部分，根據現場溫度情況適當減少積極凍結時間，并保持鹽水流量不大于6 m3/h。

(3)根據現場監測數據，既有地鐵沉降較大部位集中于通道間凍結壁。對大、小里程工作井內通道間凍結孔進行流量調節，采用凍結孔隔管減少鹽水流量的方式[9]，在凍結壁有效厚度不減少的前提下，持續觀察沉降及測溫數據。

圖2 凍結影響段地表垂直位移階段變化量曲線

(4)根據既有線監測布點及監測數據情況，有計劃地對車站15～16軸(即隆起最大點位對應處)十字凍結部位進行取土。

3.2 變形影響分析

(1)根據工程實例分析在實施相應凍結措施下的車站結構凍脹變化規律，將既有結構的凍脹變形劃分為3個變形階段：第一階段凍脹初期。隨著凍結區域凍結壁的發展，凍結區域上部既有結構出現隆起跡象，但變形速率比較小，變形趨勢平穩。第二階段凍脹快速發展。對暗挖段進行積極凍結，凍結溫度逐漸降低，凍結壁厚度增大，凍結區域上部既有結構迅速上升，隆起速率不斷加快。第一階段凍脹平緩階段。對凍脹布設泄壓孔、緩凍孔并減小鹽水流量，既有結構隆起速率減緩，凍脹變形趨于平穩。

(2)通過對不同階段數據進行分析，提出了在施工工程中采取泄壓、調整凍結參數等措施控制凍脹對車站結構的影響。實際施工過程中，提高鹽水溫度并在工作井內通道泄壓后，車站底板受凍脹力影響減弱，變形速率逐漸平緩，車站結構變形得到明顯控制。

4 結 論

結合既有運營車站及地表變形監測數據，綜合分析了暗挖段凍結施工對上覆結構產生的凍脹變形，通過計算分析得到采取凍脹控制措施下的實際效果，結果表明：在提高鹽水溫度和降低流量的同時，對十字凍結部位泄壓后，車站結構柱、底板變形速率分別減緩67.3%和30.4%，凍脹壓力影響得到了減緩和控制，為類似地區工程項目的適用性提供了數據支撐和相關經驗。