風化砂礫地層地鐵凍結施工引起的沉降分析與加固控制技術

莫云波

（浙江省建投交通基礎建設集團有限公司，浙江 杭州 310000）

穿越全風化與強風化砂礫巖地層是杭州市地鐵盾構施工經常碰到的一類典型地質，在全風化與強風化砂礫巖地層以下，還往往蘊藏著孔隙潛水和基巖裂隙水等。在區間凍結加固施工中，打設的凍結孔將穿越全風化與強風化砂礫巖，鉆孔時鉆進難度大、涌水事故概率高，風險較大，是地鐵凍結施工的棘手的問題。國內外有關學者就穿越全風化和強風化砂礫巖層凍結技術開展了大量的工作，如王書磊等研究了復雜工況下超長聯絡通道凍結法設計與施工；尚忠升學者研究了聯絡通道凍結法施工對盾構隧道影響研究；姚燕明等對寧波軌道交通4 號線盾構隧道聯絡通道多種工法實踐進行了研究。任輝等對超淺埋暗挖隧道管幕凍結法積極凍結方案試驗進行了研究。Kang Yongshui等研究了軟土地基海濱城市隧道凍封聯合新管頂施工方法。目前缺乏針對杭州風化砂礫地層凍結施工引起的沉降分析與加固控制技術方面的研究。

因此，本文以杭州地鐵某號線某區間聯絡通道為背景，對穿越全風化與強風化砂礫巖，凍結施工過程引起的地表沉降進行分析，提出杭州穿越全風化與強風化砂礫巖凍結加固控制技術，對杭州同類項目的建設具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

圖1 聯絡通道周邊位置圖

2 砂礫巖凍結加固控制技術

凍結法設計，采用“隧道內鉆取孔眼，凍結土體臨時加強穩固土體，再用礦山法暗挖施工”的技術施工方案。

2.1 凍結壁設計

（1）凍土強度設計指標可以選用：單軸抗壓設計大于等于3.6MPa，彎折抗拉大于等于2.0MPa，抗剪大于等于1.5MPa（-10℃）。

2.2 凍結孔布置

依照凍結法的設計和聯絡通道的主體結構，聯絡通道的凍結孔洞按角度可分為三種，分別是上仰、水平、下俯，分別布設在聯絡通道和泵站的附近四周。聯絡通道及泵站一共布設了76 個凍結孔數，單側布置凍結站，其中凍結站側52 個、凍結站對側20 個，4 個透孔。見圖2～圖4。

圖2 位于聯絡通道內凍結孔布設立面透視圖

圖3 聯絡通道凍結站側凍結孔布置平面圖（A-A）

圖4 聯絡通道凍結站對側凍結孔平面布置圖(B-B)

2.3 測溫孔、泄壓孔及冷排管布設

可根據掌握的資料，依照凍結溫度場的變化情況，在聯絡通道和泵站的隧道里部一共設置12 個測溫孔，以準確掌握凍結溫度場的變化。用來記錄凍結壁厚度、凍結壁平均溫度、凍結壁與隧道管片接觸面溫度改變以及開挖區域附近地層土體的凍結狀態。依照現場凍結法設計及聯絡通道的結構的實際情況，聯絡通道與泵站側面，沿外通道凍結壁布置6 排凍結管，間距設置為400mm。凍結管采用45 根無縫鋼管，安裝在隧道管片附近。為了防止土層水土凍脹壓力的釋放，在與通道相接的隧道內的沒有被凍結的部位，在聯絡通道和泵站放置4 個泄壓孔，以保證精確控制凍結壁是否能夠交圈。

2.4 凍結加固施工技術要求

（1）普通凍結孔的開孔位置，誤差應不超過50 mm，特別構造如鋼管片肋片等，鉆孔位置，誤差應該不超過100 mm，孔距偏差不超過150 mm。最大允許的凍結孔偏斜為150 mm。

（2）冷凍孔的有效深度不低于設計的凍結孔的深度。凍結管不能再循環鹽水的管頭，管頭的長度不能超過150mm。

（3）凍結管道安裝完畢后，應進行試壓，其測試壓力應為凍結工作面鹽壓的2.0 倍，確保不得低于0.8 MPa。在測試壓力30 min 內，壓力降低不大于0.05 MPa。

（4）在施工中，凍結孔內的土壤流失不能超過凍結孔的體積，必須及時注漿，防止地層塌陷沉降。

（5）在凍結啟動之前，在凍結墻附近的隧道管片內側鋪設一層隔熱材料，并將其覆蓋到設計凍結壁的邊緣1 米處。

（6）設計積極凍結期設定為50 天，積極冷凍7天，鹽水溫度下降到-18℃及以下；冷凍15 天，鹽水溫度下降到-24℃以下，施工過程中鹽水溫度下降到-28℃，去、回路鹽水溫差不超過2℃。

（7）主動凍結時，凍結區周圍200 米范圍內不能進行降水，凍結區土層中也不能有集中水流。在開挖區域周邊凍結孔的布設圈，其上部凍結壁和隧道管片的交界處，平均溫度應保持-5℃以下；在其他區域，平均溫度在-10℃以下。

3 凍結施工引起的地表沉降分析

聯絡通道段隧道地面沉降的變化情況見圖5。從圖5可以看出，在平均水平上，隧道地面沉降的平均值為-0.30mm，平均沉降得到了很好的控制，但是累計地表沉降為-13.9mm，最大隆起值為-2.3mm。聯絡通道區間的地面沉降率見圖6。從圖6可以看出，在平均-0.10mm 的情況下，地面平均沉降率得到了很好的控制，但累積的地面沉降率只有-4.60mm。在點號DBC3-8 累計最大變化量為-15.00mm，隧道收斂在點號GGJSR10 最大變化量為-2.3mm，在點號GGJSL1 累計最大變化量為-2.5mm。隧道沉降在點號LGGC10 最大變化量為-1.4mm，在點號RGGC9 累計最大變化量為-2.4mm。

圖5 地表沉降變化量

圖6 地表變化速率

4 結論

（1）聯絡通道穿越全風化與強風化砂礫巖凍結加固技術施工中，地表沉降變化量平均值為-0.30mm，累計地表沉降為-13.9mm，最大隆起值為-2.3mm；聯絡通道區間隧道地表沉降變化速率平均值為-0.10mm，累計地表沉降速率為-4.60mm。

（2）砂礫巖體凍結加固技術主要有凍結壁設計、凍結孔布置、溫度測溫孔、泄壓孔、冷排管布置等。本項目設計凍結孔數共計76 個，其中凍結站側52 個、凍結站對側20 個、透孔4 個，凍結壁有效厚度設計時重點區分正常段和喇叭口位置凍結壁厚度的差異化設計，凍結壁與管片交界面平均溫度是一項重要的控制技術。

（3）常規凍結孔的開孔位置偏差不超過50 mm，凍結孔最大偏差150 mm，凍結管布置完成后的測試壓力不低于0.8 MPa，積極凍結15 天鹽水溫度下降到-24℃以下，開挖時鹽水溫度降至-28℃以下，去、回路鹽水溫差不能大于2℃。