北京某富水砂層聯絡通道凍結法設計施工研究

郭建濤，孫立柱，油新華

(1.中國建筑股份有限公司技術中心，北京 101300；2.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082)

1 工程概況

1號聯絡通道位于北京地鐵7號線東延工程萬盛南街西口站—云景東路站區間。采用明挖法、盾構法施工，其中，里程左線K32+279.578—K34+60.548為盾構法施工，K34+60.548—K34+86.878為明挖法施工；右線K32+279.578—K34+86.878均為盾構法施工。1號聯絡通道設置于規劃萬盛南街(規劃薈萃南大街)綠化帶內，1號聯絡通道中心里程右K32+700，覆土約21.5m，左、右線中心距為16m，左、右線隧道中心標高為-0.231m，地面標高約22.960m。聯絡通道平面布置如圖1所示。

圖1 7號線東延工程萬云區間聯絡通道平面布置

2 工程地質及水文條件

1號聯絡通道開挖范圍內土層主要由⑥粉質黏土層、⑦粉細砂層、⑧粉質黏土層 、⑧2黏質粉土～砂質粉土層、⑨細中砂層組成，拱部以上為較厚飽和水砂層，基底位于⑨細中砂層，加固范圍主要為細中砂層、粉質黏土層。

層間水主要含水層為④3粉細砂層、④2砂質粉土黏質粉土層、⑤細中砂層、⑤1砂質粉土黏質粉土層、⑤4中粗砂層、⑦粉細砂層、⑦1中粗砂層，主要接受側向徑流及越流補給，以側向徑流方式排泄，水頭埋深為9.75～12.00m，水頭標高為10.160～13.190m。承壓水主要含水層為⑨細中砂層、⑨4中粗砂層、⑨3圓礫層，含水層分布連續，水頭埋深為15.78～18.58m，水頭標高為3.890～7.160m，主要接受側向徑流及越流補給，以側向徑流、人工開采方式排泄。本工程聯絡通道開挖范圍內主要為承壓水，其中1號聯絡通道進入承壓水中，水頭高出聯絡通道2.6m。

3 凍結設計及參數選取

凍結法是向地層中打入鋼管，在鋼管內循環流動低溫鹽水，將地層內的熱量帶出，使地層慢慢冷卻到 0℃以下結成冰塊，形成一個密閉的堅硬殼體，不僅可承受四周水土壓力，還能隔絕地下水，保證施工安全。

目前，已有國內外專家采用現場實測、數值模擬 和室內試驗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系統研究。為確保工程安全，本文采用有限元和經典結構力學2種計算方法，確定1號聯絡通道凍結法的設計參數及凍結范圍。

3.1 凍結壁設計

水平通道外圍凍結壁有效厚度初步設計為2.2m，凍結壁平均溫度≤-10℃。設計取-10℃凍土，彈性模量為120MPa，泊松比為0.25，抗壓強度3.6MPa，抗折強度2.0MPa，抗剪強度1.5MPa。凍結法聯絡通道斷面如圖2所示。

圖2 凍結法聯絡通道斷面

3.2 有限元計算

聯絡通道凍結壁力學分析采用均質線彈性三維模型，考慮結構埋深較深，初始地應力產生的變形對凍結壁影響較大，故采用中間未凍土開挖進行模擬計算。凍土力學特性參數取凍結壁平均溫度下的凍土力學特性值，計算模型如圖3所示。

圖3 通道凍結壁有限元計算模型

采用有限元法進行凍結壁的受力分析與變形計算，1號聯絡通道有限元計算結果如圖4所示，存在應力集中現象，計算凍土壁安全系數如表1所示，計算所得變形為彈性變形，未考慮開挖后未開挖部分土體作用，因此，計算和實際相比偏于安全。

圖4 1號聯絡通道有限元計算結果

表1 1號聯絡通道凍結壁應力、位移計算值及安全系數

3.3 經典結構力學計算

凍土壁承載力驗算采用許用應力法，根據DG/TJ 08—902—2016《旁通道凍結法技術規程》中的Ⅲ類凍結壁強度檢驗，安全系數取抗壓強度2.0，抗折強度3.0，抗剪強度2.0。

凍結壁頂面所受土壓力根據開挖向下變形特性按主動土壓力計算，側面承受水土側壓力，靜止側壓力系數按0.4計算，土的平均重度取18.5kN/m3，正常斷面荷載值為HZ1=200.020kPa，HZ2=181.228kPa，HZ3=146.633kPa，HZ4=366.583kPa，未記地面超載20kPa及側向超載8kPa。計算模型如圖5所示，荷載計算簡圖如圖6所示，計算結果如圖7所示。

圖5 計算模型

圖6 荷載計算簡圖

圖7 經典結構力學計算結果

凍結壁最大應力、位移計算值及安全系數如表2所示。

表2 凍結壁最大應力、位移計算值及安全系數

4 凍結施工流程及地表沉降監測

1號聯絡通道凍結法施工流程為：施工凍結孔、測溫孔、卸壓孔→管路連接、開機調試→積極凍結→開挖構筑施工，如圖8所示。

圖8 凍結施工流程

施工過程中選取1號聯絡通道中部斷面為監測對象，以1號聯絡線中心線為中心，兩側分別布置5個點，監測點間距為2m，共計10個監測點，地表最終變形如圖9所示。

圖9 1號聯絡通道中部斷面地表變形

由監測數據可知，1號聯絡通道最大沉降變形值為14.24mm，滿足地鐵規范規定的變形要求(規范要求≤20mm)，因此，上述設計保證了施工安全。

5 結語

綜合2種計算結果，通道部分的凍結壁強度和剛度均滿足相關規范、規程要求。雖然水平通道中間部位位移較大，但水平通道中間是通道段的最后施工部位，在開挖時間內凍土作用還有一定發展，可保證施工安全。

因此，凍結壁設計參數取1號聯絡通道及泵站凍結壁厚度≥2.2m，凍結壁平均溫度≤-10℃能滿足施工要求。