穿越富水砂卵石層盾構隧道凍結施工技術

沈春盛

(中國鐵建股份有限公司華東區域總部 浙江杭州 310011)

1 引言

地下軌道交通常下穿既有構建筑物，對其穩定性造成不利影響，隧道下穿引起的重要建筑沉降尤為關鍵。對于富水的松散地層，一旦開挖擾動，極有可能造成洞內涌水、涌泥等危害，因而采用凍結加固法則是該類地層的首選。

為此，眾多學者開展了一系列的研究。崔灝[1]以超長地鐵聯絡通道為研究對象，分析了凍結法施工下聯絡通道水平凍結溫度場的變化趨勢。于長一[2]以某凍結法施工的地鐵聯絡通道，分析了施工過程中土層的凍脹、融沉規律。阮慶松等[3]通過數值模擬手段分析了凍結法施工下聯絡通道和地層在施工過程中變形規律。陳生[4]利用數值模擬軟件模擬了天津地鐵隧道聯絡通道施工，獲得了施工過程中聯絡通道和地層的受力變形規律。金洲[5]對南寧地鐵富水圓礫地層中的聯絡通道凍結施工進行分析，研究表明凍結法施工能很好地限制聯絡通道和地層的變形。郝潤霞等[6]針對軟土地區的聯絡通道凍結法施工過程及解凍過程，對凍結孔的打設與隧道的位移關系進行了研究。李增理等[7]針對南京地鐵凍融沉問題，研究了劈裂-擠密注漿并同步降低地層水位的方法，可以有效控制沉降。姜耀東[8]、孫立建[9]、郭正偉[10]等人分別通過現場監測、數值模擬手段，研究了凍結加固與融沉注漿等技術，并分析了聯絡通道的受力變形規律。

以某地鐵下穿城市廣場工程為研究對象，針對二級分項工程地下聯絡通道施工開挖項目，總結了凍結固結施工難點以及相應的改進措施。基于數值模擬和現場實測分析了地下聯絡通道地表變形規律。

2 工程概況

某城市軌道交通包含2個地下車站、2個地下盾構區間。其中某盾構區間線路下穿城市廣場8 232.584 m，礦山法隧道全長44 m，洞門12個，隧道頂部埋深在8.1～41.8 m之間。其中1號盾構區間段設置一座聯絡通道，即1＃聯絡通道，埋深為20.7 m，擬采用凍結法加固進行施工。

該工程區域巖土層信息從上至下分述如表1所示。本區間范圍內地表河流、溝渠、湖泊、水塘等地表水不發育。根據地勘報告，對工程影響較大的為第四系砂、卵石層的孔隙潛水。其中，1＃聯絡通道的地下水運動方向為北西至南東方向，實際流速為0.66 m/d，滲透速度為0.198 m/d。

表1 工程區地層巖性特征

地下聯絡通道位于廣場停車場下方，對地表沉降有嚴格的要求。按照工程設計文件及相關規范要求[11-12]，聯絡通道的監測內容及控制標準如表2所示。

表2 變形控制標準

3 地下聯絡通道凍結固結施工難點分析

根據工程特點結合以往凍結法的施工經驗，聯絡通道土體加固方案擬采用凍結法，隧道施工采用暗挖法。由于地質巖性的差異性，該工程存在以往未曾有過施工難點:

(1)凍結加固區位于卵石土地層中，富含地下水，并且滲透系數較大，流速超過凍結法所適用的地下水流速，不利于凍結法加固，易造成凍結帷幕不均勻。

(2)施工范圍處于停車場下方，施工過程中要嚴格控制停車場沉降，減小不利影響。

(3)砂卵石地層卵石粒徑大，鉆孔困難，可能會造成鉆孔期間斷管、偏斜大等不利影響。

(4)卵石地層凍結發展速度相對較快，尤其向內發展，常規設計凍結孔布置距離開挖面1 m左右，如開挖面井幫處遇到大直徑卵石，會造成超挖或破壞有效凍結帷幕，使凍結帷幕厚度減小。

4 主要優化及改進技術措施

4.1 控制地下水流速過大對凍結的影響措施

(1)在鉆孔過程中對滲透性強的地層用膨潤土進行凍結孔護壁，同時還可預先改良凍結孔周圍地層，以減小水流速。

(2)為解決鉆孔難的問題，可以通過鉆孔注水泥漿，改良土層，注漿孔環向間距0.6 m，采用φ42 mm花管，單個聯絡通道單側布置51個，長度L＝7 m，單個聯絡通道注漿管長度714 m，從而降低土體滲透系數。

(3)在凍結帷幕處多布置溫度測點。尤其是拱頂處在凍結過程中要密切觀察溫度變化，如凍結壁被影響時可以局部加強凍結。

4.2 中密度以上卵石鉆孔措施

常規鉆孔不能滿足施工需要，參考以往類似地層的施工經驗，優化采用以下措施:

(1)采用MD-80強力水平鉆機，該設備動力足，扭矩大。

(2)凍結管可加大壁厚，確保其質量。

(3)采用大八角三翼鉆頭。

(4)必要時采用水平沖擊液壓鉆機，邊鉆邊沖擊前進。

4.3 對停車場和管線、隧道結構的保護控制措施

(1)對凍結范圍內的土層采用雙液預注漿加固。

(2)可架設鋼支架。

4.4 防止凍結不連續的控制措施

(1)工程開挖階段保證設備的電力供應，儲備發電機組，保證停電時自發電量能滿足正常供電的75%以上。

(2)在現場采用大蓄水池，以滿足停水后不少于2 d的水量需求。

5 地下聯絡通道地表變形分析

5.1 數值模擬分析

采用有限元軟件構建盾構施工過程中對下穿城市廣場進行數值模擬分析。砂卵石地層及預注漿土層設置為實體單元，盾構襯砌管片使用2D結構單元模擬。地層屬性采用摩爾-庫倫準則，襯砌及預注漿土層滿足彈性準則。整體建模如圖1所示。

圖1 三維數值模型

模擬結果顯示如圖2、圖3，盾構下穿引起的停車場等構筑物的最大沉降變形位于上下線隧洞之間，其最大沉降值為5.71 mm。此外，地下管線的變形顯示出沉降的趨勢，其最大豎向位移值為5.43 mm，滿足設計文件的要求。

圖2 下穿地下管道變形

圖3 地表位移變形云圖

5.2 現場監測結果分析

地下聯絡通道的頂部是廣場的停車場，以聯絡通道的軸線為中線，向兩側對稱布置監測點位，布點及編號如圖4所示。其中通道兩側分別矗立著兩盞高燈桿，其監測編號分別為QX1、QX2。

圖4 地下聯絡通道監測點位布置

為了有效地反映地下聯絡通道的下部含水砂卵石層在凍結加固處理的效果，對聯絡通道周邊一定范圍內的監測點進行分析。地表位移沉降監測點分別取 DBZ11425、DBZ11430、DBZ11435、DBZ11440、DBZ11445、DBZ11450、DBZ11455、DBZ11460 共8 個位移監測點。高燈桿傾斜監測點分別為:QX1、QX2。

按照施工方案監測工作從冷凍固結開始并與監測同步進行直至聯通隧道貫通，完成二次支護后中止。將監測數據整理后得到監測點的沉降位移與時間的關系曲線，見圖5、圖6。在冷凍固結階段，如圖5所示，在通道上部的點:DBZ11435、DBZ11440、DBZ11445、DBZ11450 的垂直位移為正值，主要是由于冷凍范圍內的動土產生體積膨脹，使得地面土體上拱，最大值僅為6 mm，滿足地表上拱的限值。在聯絡通道開挖階段，隨著開挖的進行凍結土體地應力重新分布，土體開始向洞內運動，導致地表在凍結上拱的基礎上出現了稍大于原始土體平衡位置的沉降。從而驗證了冷凍固結技術對控制圍巖土體及地表沉降的良好作用。

圖5 地下聯絡通道上部監測點沉降-時間曲線

圖6 地下聯絡通道兩側監測點沉降-時間曲線

如圖6所示，聯絡通道兩側的監測點:DBZ11425、DBZ11430、DBZ11455、DBZ11460 在凍固結階段出現輕微下沉，主要是由于該部分的土體未被冷凍固結，因受通道附近土體冷凍固結作用的影響，土中水產生運移，形成動水壓力，從而使土體產生沉降位移，最大沉降位移也僅為-4.10 mm，滿足工程對垂直位移的要求。隨后由于聯絡通道周圍的冷凍固結作用基本穩定，動水壓力消散，趨于靜水壓力，使得該部分監測點的沉降趨于穩定甚至略有回彈。在聯絡通道開挖階段，由于開挖擾動土體，使得該部分的土體產生應力重分布，產生一定附加沉降，其累積最大沉降值為-4.14 mm，滿足工程對沉降的要求。

高燈桿基礎QX1、QX2傾斜率隨時間變形曲線如圖7所示，對其監測從通道開挖階段開始。從圖中可以看出，QX1、QX2凍結加固措施撤除過程開始出現傾斜。這是因為冷凍解除土體固態冰開始融化，土體有效應力降低，砂卵石層的不均勻性導致差異性沉降，形成傾斜，但傾斜率相對較小，最大傾斜率為3.5‰。隨后便自動調整差異沉降值，從而滿足傾斜的要求。緊接著砂卵石層在冷凍完全解除后，土體的水分逐步均一化，沉降趨于同步。最終在沉降調整過程中傾斜率逐漸恢復。

圖7 1＃聯絡通道高燈桿基礎傾斜率-時間監測曲線

通過上述分析可見這種砂卵石沖洪積平原地下水復雜、豐富，在對沉降要求較高的工程建設中冷凍固結法優勢明顯。本工程對冷凍固結法采取了上述改進措施滿足地表沉降的要求。

6 結論

以某地鐵下穿城市廣場工程為研究對象，針對二級分項工程地下聯絡通道施工開挖項目，總結了凍結固結施工難點以及相應的改進措施?；跀抵的M和現場實測分析了地下聯絡通道地表變形規律。主要得到以下結論:

(1)針對富水砂卵石層本身具有的松散性、不穩定性及變形遲滯性使得地下施工難以開展的難題，本工程創新性地在該類地區采用冷凍固結措施?？偨Y了地下聯絡通道凍結固結施工難點，并提出了優化及改進技術措施。

(2)凍結加固區位于卵石土地層中，富含地下水，并且滲透系數較大，流速超過凍結法所適用的地下水流速，不利于凍結法加固，易造成凍結帷幕不均勻。因此，在鉆孔過程中對滲透性強的地層用膨潤土進行凍結孔護壁，同時通過鉆孔注水泥漿，以改良土層并減小水流速。

(3)通過現場實測與數值模擬可知，在卵石土地層，對沉降要求較高的工程冷凍固結法優勢明顯。