軟土地層凍結(jié)暗挖法車站施工技術(shù)

楊棟寅

（上海申通地鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，上海市 200070）

1 工程背景

1.1 工程概況

上海軌道交通某地鐵車站位于上海市浦東新區(qū)金橋地區(qū)，車站主體結(jié)構(gòu)采用地下二層雙柱三跨結(jié)構(gòu)，車站西南角基坑內(nèi)有一“釘子戶”，為磚砌條形基礎(chǔ)+二層磚混結(jié)構(gòu)體系。車站主體結(jié)構(gòu)受“釘子戶”建筑影響尺寸20.6 m（長(zhǎng)）×11.55 m（寬）×7.79 m（高），位于下行線軌行區(qū)。自然地面至設(shè)計(jì)頂板覆土厚度約3.6 m，至設(shè)計(jì)中板覆土厚度約10.1 m。“釘子戶”與車站主體結(jié)構(gòu)平面、實(shí)體位置關(guān)系如圖1、圖2。

圖1 “釘子戶”與車站主體結(jié)構(gòu)平面位置關(guān)系圖

圖2 “釘子戶”與車站主體結(jié)構(gòu)實(shí)體位置關(guān)系圖

由于“釘子戶”建筑拆遷費(fèi)用高、協(xié)調(diào)難度大、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，因此考慮就地保障其基本安全的情況下采用凍結(jié)暗挖法施工，暗挖段采用周邊凍結(jié)+初期支護(hù)+二襯結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系。

由于“釘子戶”建筑采用空斗磚砌筑，房齡較長(zhǎng)且自重較大，為確?！搬斪討簟苯Y(jié)構(gòu)安全及冷凍暗挖結(jié)構(gòu)安全，確保開挖頂板上具備足夠的凍結(jié)圍護(hù)厚度及承載力，受“釘子戶”影響區(qū)域只進(jìn)行站臺(tái)層施工，原設(shè)計(jì)中板改為頂板。

1.2 凍結(jié)暗挖法地質(zhì)條件

1.2.1地質(zhì)概況

本站位于上海市濱海平原地貌區(qū)，結(jié)合本站《詳勘階段巖土工程勘察報(bào)告》揭示，本車站地基土在60.00 m深度范圍內(nèi)均為第四紀(jì)松散沉積物，屬第四系濱海平原地基土沉積層，各土層的特征如表1。

表1 地層特性表

其中③層、④層土層均屬高壓縮性、低強(qiáng)度性、低滲透性以及流變性和觸變性等不良工程地質(zhì)特性，是上海地區(qū)典型軟土層；⑤2灰色砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土層,飽和,中密,具水平微層理,層內(nèi)氣孔發(fā)育,屬中偏低壓縮性，也是區(qū)內(nèi)的主要微承壓含水層，地下工程活動(dòng)時(shí)極易產(chǎn)生流砂現(xiàn)象。

1.2.2水文概況

場(chǎng)地內(nèi)③t 層灰色黏質(zhì)粉土為主要潛水含水層，勘察實(shí)測(cè)水位埋深為0.60～1.40 m，相應(yīng)水位埋深標(biāo)高2.28～3.41 m；⑤2層灰色砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土層為主要微承壓水層，勘察實(shí)測(cè)水位埋深為3.22～3.23 m，水位標(biāo)高為0.64～1.59 m。

2 方案技術(shù)難點(diǎn)

2.1 地質(zhì)條件差

由地質(zhì)條件分析可知，擬實(shí)施本方案的場(chǎng)地地質(zhì)條件較差，上部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏性土層，有高含水率、高孔隙比、高壓縮性、流塑性等性質(zhì)，導(dǎo)致凍漲比較嚴(yán)重；下部為⑤2灰色砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土層微承壓水層，滲透系數(shù)較大，此層位于下部?jī)鼋Y(jié)壁厚度范圍內(nèi)，對(duì)凍結(jié)壁凍結(jié)強(qiáng)度及厚度有一定影響，需同步進(jìn)行地下水處理。

2.2 附加荷載大

由于影響車站主體結(jié)構(gòu)施工上部“釘子戶”建筑自重達(dá)400 t，且原車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案頂板距自然地面約3.3 m，若站廳層、站臺(tái)層均建造，則采用凍結(jié)法施工上部地層空間無(wú)法提供足夠的凍結(jié)厚度，凍結(jié)壁承載力無(wú)法滿足上部附加荷載要求。

2.3 變形控制難

之所以采用凍結(jié)暗挖法施工就是為了不破壞“釘子戶”建筑，凍結(jié)、開挖以及解凍階段均應(yīng)達(dá)到“裂而不倒”的控制目標(biāo)。由于“釘子戶”建筑結(jié)構(gòu)房齡較長(zhǎng)，且結(jié)構(gòu)為淺埋條基磚混結(jié)構(gòu)，受地層變形擾動(dòng)特征較明顯，整個(gè)凍結(jié)暗挖施工階段變形控制難度較大。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 凍結(jié)施工方案

根據(jù)原設(shè)計(jì)方案，受“釘子戶”影響區(qū)域車站主體結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻隔離，隔離區(qū)域東西兩側(cè)車站主體結(jié)構(gòu)采用明挖法施工，明挖段主體結(jié)構(gòu)用作凍結(jié)法施工場(chǎng)地，由于影響區(qū)域內(nèi)南側(cè)地下連續(xù)墻未閉合，為保證凍結(jié)壁有效厚度同時(shí)確保暗挖施工階段結(jié)構(gòu)安全，未封閉區(qū)域采用注漿加固法，以便圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成封閉結(jié)構(gòu)體系。

隔離區(qū)域凍結(jié)施工方案如下：

（1）房屋南側(cè)采用17 根φ2400mm，間距@1600mm，深度33 mMJS 工法樁與車站主體地下連續(xù)墻形成封閉止水帷幕。

（2）暗挖區(qū)北側(cè)上部施工兩排凍結(jié)孔、下部施工三排凍結(jié)孔，南側(cè)從東西兩側(cè)各施工兩排凍結(jié)孔，東側(cè)十字交叉施工兩列凍結(jié)孔，共布置175 個(gè)凍結(jié)孔，與地下連續(xù)墻、MJS 共同形成封閉承載體系。凍結(jié)壁厚度2.0～2.9 m，平均溫度≤-10℃。為加強(qiáng)地下連續(xù)墻交界面凍結(jié)效果，在東、西兩側(cè)地連墻頂部外側(cè)各布置7 根冷凍排管。

（3）為了準(zhǔn)確掌握凍結(jié)溫度場(chǎng)變化情況，在凍結(jié)帷幕內(nèi)設(shè)置12 個(gè)測(cè)溫孔監(jiān)測(cè)凍結(jié)壁厚度、平均溫度、凍結(jié)壁與地連墻界面溫度。測(cè)溫孔實(shí)際位置、數(shù)量可根據(jù)凍結(jié)孔施工后的實(shí)際偏斜情況做適當(dāng)調(diào)整，確保測(cè)溫孔位于預(yù)計(jì)凍結(jié)壁薄弱處。

（4）為準(zhǔn)確判斷凍結(jié)壁是否交圈，并釋放減少土層水土凍脹壓力，在暗挖區(qū)東西兩側(cè)分別布置泄壓孔4 個(gè)，共計(jì)8 個(gè)。在暗挖區(qū)上部布置14 個(gè)泄壓孔兼融沉注漿孔。

3.2 凍結(jié)參數(shù)確定

（1）凍結(jié)需冷量計(jì)算：式中：l 為凍結(jié)管總長(zhǎng)度（含冷排管），m；d 為凍結(jié)管直徑，m；k 為凍結(jié)管散熱系數(shù)。

根據(jù)上述公式，本工況凍結(jié)需冷量25.6 萬(wàn)kcal/h。

（2）凍結(jié)施工主要技術(shù)參數(shù)如表2。

表2 凍結(jié)施工主要技術(shù)參數(shù)表

3.3 開挖施工方案

由于車站主體結(jié)構(gòu)橫斷面跨度較大，為避免暗挖階段凍結(jié)壁在上部荷載作用下發(fā)生冒頂事故，將暗挖段采用“側(cè)洞法+中隔壁法”進(jìn)行開挖及初期支護(hù)，初期支護(hù)采用“型鋼+木背板+噴射混凝土”結(jié)構(gòu)體系。

按暗挖段橫斷面分為分成6 個(gè)區(qū)，待掘進(jìn)面凍結(jié)壁形成后，自西向東分區(qū)、分段“開挖一段，初支一段”，縱向開挖布局不大于型鋼支架縱向間距，即每開挖一段立即安裝初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，每開挖2～4 段掛網(wǎng)噴射混凝土。

暗挖段開挖結(jié)束后，進(jìn)行局部防水層、二襯結(jié)構(gòu)澆筑。

二襯結(jié)構(gòu)施工完后成壁后填充注漿，自然解凍并根據(jù)融沉監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償注漿，暗挖段橫斷面劃分見圖3。

圖3 暗挖段橫斷面劃分示意圖

具體施工流程（見圖4）。

圖4 施工流程圖

3.4 初期支護(hù)方案

（1）暗挖段采用“I25b 工字鋼支架+30 mm 木背板+C25 掛網(wǎng)噴射混凝土”聯(lián)合支護(hù)方式，支架縱向間距0.45 m，噴射土厚度250 mm，鋼筋網(wǎng)規(guī)格φ6@200。

（2）為控制開挖面頂板變形，在Ⅰ～Ⅳ區(qū)中間豎向支撐上各增加2 個(gè)受力10 t 的螺旋式千斤頂，變形過(guò)大時(shí)可及時(shí)增加預(yù)應(yīng)力。

（3）每區(qū)開挖2～4 榀鋼支架時(shí)預(yù)埋融沉注漿管，頂、底噴射混凝土形成初期支護(hù)層。

4 充填注漿與融沉注漿

4.1 填充注漿

暗挖段車站主體結(jié)構(gòu)（二襯結(jié)構(gòu)）澆筑完成且達(dá)到一定強(qiáng)度并停止凍結(jié)后3～5 d 即可進(jìn)行襯砌后填充注漿。

注漿料采用1 比0.8 到1 單液水泥漿，注漿壓力不大于0.5 MPa。注入水泥漿前應(yīng)先注清水，檢查各注漿孔之間襯砌后間隙是否暢通。

注漿宜按由下而上分層進(jìn)行，當(dāng)上一層注漿孔連續(xù)返漿后即可停止下一層注漿，直至注到拱頂結(jié)束。

4.2 融沉注漿

暗挖段主體結(jié)構(gòu)（二次襯砌）在施工完畢并達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后，凍結(jié)壁自然解凍，解凍時(shí)間持續(xù)3～4 個(gè)月，解凍過(guò)程中根據(jù)車站主體結(jié)構(gòu)、地面、管線、“釘子戶”建筑的沉降以及解凍溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)控制注漿量及注漿時(shí)間間隔。

（1）注漿材料

融沉補(bǔ)償注漿漿液采用單液水泥漿或雙液漿。

（2）注漿順序及范圍

注漿的順序是先底板后側(cè)墻再頂板。底板注漿時(shí)，先從暗挖區(qū)中部的注漿孔開始注漿，然后依次向兩端的注漿孔灌注。注漿范圍為整個(gè)凍結(jié)區(qū)域。

（3）注漿原則及方法

融沉補(bǔ)償注漿應(yīng)遵循“少量、多點(diǎn)、多次、均勻”的原則。單孔一次注漿量為0.5 m3，最大不超過(guò)1 m3。注漿壓力不大于0.5 MPa。

注漿前，將待注漿的注漿管和其相鄰的注漿管閥門全部打開，注漿過(guò)程中，當(dāng)相鄰孔連續(xù)出漿時(shí)關(guān)閉鄰孔閥門，定量壓入后即可停止本孔注漿，關(guān)閉閥門，然后接著對(duì)鄰孔注漿。遇到注漿管內(nèi)竄漿固結(jié)而引起堵管時(shí)，需用加長(zhǎng)沖擊鉆頭通管。

（4）注漿施工過(guò)程的監(jiān)測(cè)

控制地面沉降變形是注漿的目的。因此，化凍過(guò)程中，要加強(qiáng)地面變形監(jiān)測(cè)、凍土溫度監(jiān)測(cè)、凍結(jié)壁后水土壓力監(jiān)測(cè)。另外，注漿施工過(guò)程中，漿液的壓力可以通過(guò)在相鄰注漿孔安裝壓力表來(lái)反映。以上綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是注漿參數(shù)調(diào)整的依據(jù)。

（5）融沉注漿開始和結(jié)束條件

充填注漿結(jié)束，當(dāng)一天內(nèi)暗挖區(qū)上部地面沉降大于0.5 mm，或累計(jì)沉降大于3 mm 時(shí)，應(yīng)進(jìn)行融沉補(bǔ)償注漿；當(dāng)?shù)孛媛∑? mm 應(yīng)暫停注漿。具體要根據(jù)地面變形監(jiān)測(cè)情況做適當(dāng)調(diào)整。

融沉注漿的結(jié)束是以地面沉降變形穩(wěn)定為依據(jù)。若凍結(jié)壁已全部融化，且不注漿的情況下實(shí)測(cè)地層沉降，持續(xù)一個(gè)月每半月不大于0.5mm，可停止融沉補(bǔ)償注漿。

5 施工監(jiān)測(cè)

本方案實(shí)施過(guò)程中加強(qiáng)了凍結(jié)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)以及周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)。

根據(jù)施工監(jiān)測(cè)資料顯示，北側(cè)上下排凍結(jié)40 d后，凍結(jié)壁平均溫度達(dá)-13.4 攝氏度，最小凍結(jié)壁厚度達(dá)3.2 m；東西兩側(cè)與地下連續(xù)墻交界面凍結(jié)40 d后，凍結(jié)壁平均溫度-12.7℃，最小凍結(jié)壁厚度達(dá)2.7 m，南側(cè)與MJS 工法樁圍護(hù)交界面凍結(jié)40 d 后，凍結(jié)壁平均溫度-12.1 攝氏度，最小凍結(jié)壁厚度達(dá)2.3 m，均達(dá)到了設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

根據(jù)施工監(jiān)測(cè)資料現(xiàn)示，凍結(jié)期間“釘子戶”建筑最大隆起量18 mm，開挖階段凍結(jié)壁采用維護(hù)冷凍，由于“釘子戶”建筑自重較大，開挖階段最大單次沉降達(dá)20 mm，最大累積沉降達(dá)32 cm，為確?！搬斪討簟苯ㄖY(jié)構(gòu)安全及暗挖段作業(yè)面安全，凍結(jié)系統(tǒng)及時(shí)恢復(fù)積極冷凍，單次沉降變化值逐漸收斂，至二襯結(jié)構(gòu)澆筑完成累積沉降控制在11 cm,“釘子戶”建筑結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

根據(jù)施工監(jiān)測(cè)資料顯示，凍結(jié)壁自然解凍階段通過(guò)動(dòng)態(tài)融沉補(bǔ)償注漿措施，“釘子戶”建筑結(jié)構(gòu)及地表沉降得到有效控制，截止3 月5 日“釘子戶”建筑結(jié)構(gòu)最大沉降19 cm，地表沉降最大沉降7 cm，基本處于安全狀態(tài)。

6 結(jié)語(yǔ)

由于本工程的特殊性，參照軟弱土層旁通道凍結(jié)法及軟弱圍巖暗挖法的特點(diǎn)，在充分分析凍結(jié)暗挖法、箱涵置換法等多種方法的優(yōu)缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，大膽的提出了軟土地層中采用“凍結(jié)法+側(cè)洞法+中隔壁法”，使得受外界環(huán)境影響區(qū)域車站結(jié)構(gòu)得以成功實(shí)施。

本方案的成功實(shí)施，驗(yàn)證在上海軟土地層高水條件下采用凍結(jié)暗挖法進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)施工的可行性。長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的引擎，其城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)呈現(xiàn)井噴狀態(tài)，尤其是在城市軌道交通、城市快速通道等工程建設(shè)中，由于其應(yīng)具備服務(wù)城市交通功能，建設(shè)過(guò)程中往往受環(huán)境制約無(wú)法采用常規(guī)的施工方案。通過(guò)本方案成功的實(shí)施不僅節(jié)約了高昂的動(dòng)遷費(fèi)用，而且取得了良好的社會(huì)效應(yīng)，今后類似工程難點(diǎn)的解決方案的選擇提供了參照。