張一寧

（上海斯美科匯建設(shè)工程咨詢有限公司，上海市200092）

0 引言

2003年7月1日上午7時，上海地鐵4號線位于黃浦江邊的董家渡地面以下約30 m的，正在凍結(jié)法施工的地鐵旁通道發(fā)生流砂事故，工程搶險和恢復耗費了大量的人力、財力和時間，由此造成了十分重大的經(jīng)濟損失。

正在運營中的地鐵1號線寧海西路旁通道和地鐵2號線河南路站—陸家嘴站的旁通道等，都因結(jié)構(gòu)滲漏嚴重并引起隧道變形，嚴重危及地鐵運營安全。

其中地鐵1號線寧海西路旁通道，雖然經(jīng)過多次注漿處理，仍無法堵漏，隧道日益嚴重變形，且難以控制，最后采用了碳纖維加高強度樹脂加固。但近來地鐵陜西南路堵漏加固后的碳纖維剝落至地鐵接觸網(wǎng)，造成機車供電線路短路的重大地鐵運營事故。

作為地鐵建設(shè)重大風險源之一的地鐵旁通道和泵站的建設(shè)和維護，一直是困擾建設(shè)者和運營商的難題。本文對地鐵旁通道和泵站的設(shè)計，凍結(jié)法施工的主要風險進行分析探討，試圖提出一些對策，供建設(shè)各方在地鐵區(qū)間優(yōu)化、創(chuàng)新時參考。

1 地鐵旁通道（泵站）優(yōu)化設(shè)計的必要性

旁通道又稱聯(lián)絡通道，是指隧道或地鐵上行、下行線的兩條大致平行隧道之間的連接通道，目前在上海的設(shè)計中，一般設(shè)置在兩條隧道區(qū)間的最低部位處，其主要有兩個功能：（1）消防疏散。當列車在隧道中間發(fā)生火情，需要疏散乘客時，乘客可以通過旁通道緊急疏散至相鄰隧道。它是各種隧道和地鐵區(qū)間等地下工程的一個必不可少的重要組成部分，是關(guān)系到發(fā)生突發(fā)事件時人身安全的重大措施。（2）區(qū)間排水。由于旁通道一般處于隧道內(nèi)坡道最低處，結(jié)合旁通道設(shè)置水泵，可以排除隧道內(nèi)的積水，且在發(fā)生火警并用水滅火時也可迅速用來排除消防用水。

按目前旁通道設(shè)置的有關(guān)規(guī)定，要求地鐵區(qū)間隧道超過600 m就應設(shè)置，一般是旁通道和泵站的集水井在一起。另外為保證地鐵的空氣環(huán)境的質(zhì)量，世界各國在有關(guān)設(shè)計規(guī)范中規(guī)定，地鐵區(qū)間超過1 200 m必須設(shè)置中間風井（現(xiàn)上海規(guī)定最長為1 600 m）。因此旁通道、區(qū)間泵站和中間風井往往還因為施工場地等原因在結(jié)構(gòu)上結(jié)合在一起，如軌道交通4號線董家渡的中間風井和旁通道。

目前上海地鐵旁通道的設(shè)計已基本達到標準化，一般帶有防火門、泵站等。其中泵站的集水井有效蓄水容積為12 m3。但也有資料認為：為滿足地鐵區(qū)間消防滅火30 min的排水需要，集水井蓄水容積至少應為30 m3以上，如按這種觀點，則泵站的排水量至少應達到1 m3/min以上，才不會造成積水。集水井的蓄水容積，因本文篇幅有限在此不作討論。

地鐵4號線董家渡重大事故后，“為何設(shè)旁通道？如何設(shè)？”至今似乎仍有一定的討論必要。

很明顯,董家渡的中間風井本身就是出事故時人員疏散的大通道，人員可直接從中間風井疏散到地面，何須再建造旁通道？難道僅僅是為了在兩條隧道區(qū)間的最低部位處的排水所需建造集水井，從而又不得不設(shè)置了旁通道嗎？從這種意義上說，上海地鐵4號線董家渡重大事故是完全可以避免的。

再如,有些上海地鐵區(qū)間為排水需要建造集水井，進而變成為了建造集水井而設(shè)置旁通道。在建的地鐵11號線某區(qū)間方案，確實值得引起地鐵建設(shè)各方的重視，進行深入地探討研究。該地鐵區(qū)間隧道僅長460 m，按國家和上?，F(xiàn)行規(guī)范都是不必設(shè)置旁通道的，很明顯，因區(qū)間隧道排水的需要而必須設(shè)置集水井，從而又不得不設(shè)置了旁通道，不得不采取凍結(jié)法施工,既增加了不必要的投資,又延長了工期，還增加了施工和運營風險。從優(yōu)化設(shè)計角度出發(fā)，這兩種類型的地鐵區(qū)間旁通道是不必設(shè)置的。

在此有必要研究一下黃浦江越江隧道（大隧道）旁通道和區(qū)間泵站設(shè)置：同地鐵區(qū)間隧道一樣，原來黃浦江越江隧道，江底的旁通道也和區(qū)間泵站設(shè)置在一起，也采用凍結(jié)法施工。在上海地鐵4號線董家渡重大事故后，上海復興東路越江隧道的旁通道也還是這樣設(shè)計的。在凍結(jié)法施工中，打集水井凍結(jié)管時發(fā)生了重大險情，以致?lián)岆U成功后不敢再打集水井了，只得重新調(diào)整設(shè)計，利用了大隧道下部空間建造集水井獲得了成功。從那以后,所有上海黃浦江越江隧道均利用大隧道下部空間建造集水井，在結(jié)構(gòu)上實際形成了旁通道和集水井的分離，取得了很好的效果。在結(jié)構(gòu)上旁通道和集水井的分離，可利用大隧道下部空間建造集水井，旁通道、區(qū)間泵站（集水井）和風井的位置就不必在一起了，再不必僅為了在兩條隧道區(qū)間的最低部位處的排水需要來建造集水井，為建造集水井而采用凍結(jié)法施工來建造旁通道了。

最重要的是：這樣的設(shè)計使得旁通道凍結(jié)法施工中的凍結(jié)土體體積大大減少，從而旁通道凍結(jié)土體的凍脹量和凍融沉降量大大減少，由此產(chǎn)生的滲漏水和結(jié)構(gòu)破壞的可能性大大減少，明顯地提高了隧道結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。黃浦江越江隧道（大隧道）的成功經(jīng)驗，值得地鐵建設(shè)者學習和借鑒。

綜上所述，地鐵區(qū)間旁通道的設(shè)計優(yōu)化是十分必要的，建議相關(guān)部門認真予以考慮。

2 地鐵旁通道（泵站）凍結(jié)法施工主要風險分析

上海所處地區(qū)的多數(shù)軟土層含砂、含水量高。上海地面的建筑物密集，地下管線設(shè)施稠密。由于旁通道（泵站）設(shè)置要求的特殊性，且所處位置較深（不少在黃浦江底）等的復雜性和不可確定性，造成旁通道（泵站）的施工難度和風險大大增加。故上海地鐵旁通道（泵站）施工一般不宜采用大開挖法，實施中大多只能采用凍結(jié)法施工。

凍結(jié)法（人工凍結(jié)法）施工是指：在復雜水文地質(zhì)條件下，掘進各類地下工程時，在其周圍建造起臨時凍結(jié)壁，以保證不穩(wěn)定的飽水土體在掘進施工中穩(wěn)定的方法。

世界上人工凍結(jié)法運用于采礦、土木工程已達100 a，但在上海運用于地鐵建設(shè)才不到20 a，上海地鐵的建設(shè)者一直在努力不斷地改進和完善之中。

凍結(jié)法施工具有以下3個特點：

（1）適應復雜的地質(zhì)條件，凍土強度高，阻水效果好。

（2）施工方法靈活，可形成圓柱形或棚拱形加固體。

（3）凍結(jié)法加固均勻、完整。加固體均勻、整體性好，可形成工程帷幕。

但凍結(jié)法施工的周期較長。凍結(jié)、開挖、結(jié)構(gòu)澆筑加上凍融后的注漿處理，其正常工期約需5個月左右，工程費用高，施工風險大。

其中旁通道（泵站）凍結(jié)法施工主要的風險是：

（1）施工風險：從打凍結(jié)管（夯管或鉆管）開始到混凝土澆筑和養(yǎng)護等結(jié)束。重點要保證人工凍結(jié)帷幕有足夠的凍結(jié)強度，能維持整個開挖、防水、鋼筋綁扎、混凝土澆筑和養(yǎng)護等期間的施工安全。如上海復興東路越江隧道的旁通道（泵站）打凍結(jié)管（夯管）時發(fā)生涌水、涌砂達100 m3，隧道失穩(wěn)變形；地鐵4號線董家渡旁通道（泵站）開挖過程中，因其中一臺冷凍機故障，導致人工凍結(jié)失效，在黃浦江邊，地下水夾帶泥沙大量涌入。

（2）運營安全和環(huán)境保護：要盡可能減少凍脹和凍融沉降對工程附近建構(gòu)筑物、地下管線的影響和破壞，尤其是防止對地鐵隧道區(qū)間本身的破壞，確保地鐵長期穩(wěn)定地運行。如地鐵1號線寧海西路旁通道和近來發(fā)現(xiàn)地鐵2號線河南路站—陸家嘴站的旁通道，由于施工中未控制好凍脹和凍融沉降，造成結(jié)構(gòu)開裂，嚴重滲漏水、漏砂土，隧道日益變形嚴重。

其中人工凍結(jié)失效導致重大施工事故和凍融沉降引起永久結(jié)構(gòu)破壞，這兩類風險，造成的破壞性大，后果嚴重，值得進一步深入研究。

2.1 人工凍結(jié)失效

引起人工凍結(jié)失效（原理上的和人為的）的原因很多：

（1）土質(zhì)

人工凍結(jié)法主要是凍結(jié)自由水，其含量多少直接影響著冷量的消耗量、凍結(jié)速度和凍土強度。凍土中未凍水含量與土層溫度有關(guān)，圖表顯示（見參考文獻[2]），在-10℃時，粘土的未凍水含量非常高，甚至有的文獻認為人工凍結(jié)法施工不適宜于粘土層。

（2）地下水水質(zhì)對巖土凍結(jié)的影響

式中：T0′——溶液冰點的降低度數(shù)；

k——冰點的降低常數(shù)，大小取決于溶劑，不是物資，取 1.86（水）；

g——在1 kg溶劑內(nèi)所溶解物資的克數(shù)；

M——被溶解物資的分子量；

α——修正系數(shù)：一階金屬一元酸鹽類稀溶液α=2～2.3，二階金屬二元酸鹽類稀溶液α=3。

含鹽量高的土質(zhì)不適宜人工凍結(jié)法施工。在人工凍結(jié)法施工中，由于利用了冷凍液不凍結(jié)的性質(zhì)，故需特別注意凍結(jié)管凍裂后，冷凍水的滲漏會造成局部凍結(jié)土的失效。

（3）地下水的動態(tài)影響

自然條件引起地下水的流動，如礫石層，人為原因引起的地下水流動，如排水設(shè)備或自然鉆孔，會引起地下水的流動，造成局部凍結(jié)土的失效。

（4）實施人工凍結(jié)法施工時，一些人為的因素，如凍結(jié)管未按設(shè)計要求打偏了，會產(chǎn)生局部凍結(jié)土的失效。凍結(jié)管冷凍液的連接一般都是串聯(lián)，若串聯(lián)凍結(jié)管太多或太長，會造成端點的冷量不夠而形成局部凍結(jié)土的失效。

（5）土層雜質(zhì)多而不均。如4號線出入場左線旁通道（泵站）施工時，挖出淤積粘土中沉積大量河蚌殼，凍結(jié)土的強度很低，施工過程中產(chǎn)生了滲漏水現(xiàn)象，幸而準備了液氮搶險，才得以完成了結(jié)構(gòu)。

（6）地層中有空洞，沼氣等不良地質(zhì)，而勘探不夠全面或未能探出。

（7）凍結(jié)法旁通道施工監(jiān)測不科學或不準確，造成施工指導錯誤。

（8）急于搶進度，施工中未能發(fā)現(xiàn)險情或發(fā)現(xiàn)了險情未引起重視。

另外，一般情況下，凍土的持久抗壓強度約為瞬間抗壓強度的1/2～1/2.5，凍土抗拉強度試驗都是脆性破壞。破壞時間短，無預兆，無法設(shè)防。

綜上所敘，凍結(jié)法旁通道施工，從勘探、設(shè)計、監(jiān)測、施工都存在多變的不確定的眾多不利因素，并且因現(xiàn)設(shè)計旁通道和泵站連在一起，所處位置深，極易離第⑤2層、第⑦層承壓水含水層近，故極有可能發(fā)生重大事故，必須引起建設(shè)者們高度重視。

必須指出，自從上海軌道交通4號線董家渡的旁通道重大事故以來，國家和各級政府有關(guān)部門相當重視，上海就先后頒布了《旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程》（DG/TJ 08-902-2006）等文件和規(guī)范。上海地鐵建設(shè)的各大設(shè)計院聯(lián)合凍結(jié)法專業(yè)設(shè)計院，在設(shè)計圖紙和文件上都作了全面考慮，選用了美國ANSYS公司開發(fā)的大型數(shù)值計算運用有限元分析軟件，對凍結(jié)壁進行了三維有限元分析，按偏于安全的凍結(jié)帷幕受力和變形計算。同時為了確保施工過程安全，適當?shù)財U大了凍結(jié)范圍和延長了凍結(jié)時間。按相關(guān)設(shè)計圖紙，凍結(jié)加固范圍要求為900 m3，實際考慮到水分遷移等情況，實際凍結(jié)加固范圍一般要超過1 000 m3。應該說凍結(jié)法施工過程中的事故和風險得到了很好的控制。但從近來的有關(guān)通報中表明凍融沉降和融沉注漿加固仍存在一定問題，有待進一步解決。

2.2 凍脹和凍融沉降

值得注意的是：過去已有不少因凍脹和凍融沉降引起的區(qū)間隧道嚴重滲漏，造成鋼管片嚴重變形和排水管（鑄鐵）拉裂等產(chǎn)生滲漏事例，如地鐵1號線寧海西路旁通道和近來地鐵2號線河南路站—陸家嘴站的旁通道。

為此，2008年上海申通集團頒布了《旁通道凍結(jié)法融沉注漿加固建設(shè)指導意見》（STB-DQ-010004），建設(shè)各方加強了程序和現(xiàn)場管理，按理不應該出問題了，但實際上卻并不盡人意，如近來通報的上海地鐵10號線好幾個標段的總包項目經(jīng)理、技術(shù)負責人未做好旁通道融沉注漿的總包管理工作，監(jiān)理總監(jiān)未做好旁通道融沉注漿的監(jiān)理工作，導致旁通道發(fā)生較大沉降，影響隧道結(jié)構(gòu)安全和耐久性。這些事例的后果，將嚴重影響地鐵建設(shè)的施工進度、安全和質(zhì)量，危及了地鐵的運營安全和大大增加了百年運營維護的難度和費用。

似乎存在一個怪圈或一個悖論：從施工過程來看，要保證人工凍結(jié)帷幕有足夠的凍結(jié)強度，能維持整個開挖、防水、鋼筋綁扎、混凝土澆筑和養(yǎng)護等施工期間的安全。從這一點出發(fā)，凍結(jié)時間越長，凍結(jié)管越密，凍結(jié)溫度越低，凍結(jié)壁越厚，凍結(jié)的強度則越高（必然造成凍脹和凍融沉降越大），則施工過程越安全。

另一方面，從運營安全和環(huán)境保護來看，凍結(jié)時間越短，凍結(jié)管越少，凍結(jié)溫度越高，凍結(jié)壁越薄，凍結(jié)的強度越低，則凍脹和凍融的時間越短，凍融的范圍及影響越小，則運營和環(huán)境保護就能做到越安全。

為此，有必要用人工凍土的凍脹、融沉理論和現(xiàn)行設(shè)計的旁通道（泵站）結(jié)構(gòu)受力變形分析深入探討：

（1）水結(jié)冰后體積增大9%，凍結(jié)土體產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象，對周圍土體產(chǎn)生壓力，也稱凍脹力。

（2）土層凍結(jié)時會發(fā)生水分向凍結(jié)面遷移，隨著水分遷移的不斷增加，冰的體積會不斷增加，凍脹量也會不斷增加，當然凍脹力也會不斷增加。

（3）凍脹率和土體粉粘粒含量相關(guān)，當粉粘粒含量大于12%時，凍脹率明顯增大。

（4）在粉質(zhì)粘土中（粒徑從0.05～0.002 mm的顆粒大于60%）可發(fā)生最強烈的遷移和凍脹。

（5）人工凍土的融沉量要顯著大于凍脹量，凍脹和融沉的規(guī)律存在很大差別。

（6）土體不均勻凍脹是人工凍結(jié)工程大量破壞的重要因素之一。有專家提出，各工程開工前，必須對工程所在土體作出凍脹敏感性評價，以便采取相應措施，確保工程構(gòu)筑物的安全可靠。

（7）凍脹力與凍結(jié)速度有關(guān)，凍結(jié)時間延續(xù)越長，則水分可克服遷移過程的摩擦阻力，向冷凍鋒面轉(zhuǎn)移的量越大，凍脹力也越大。

（8）有專家建議，工程施工中可采取其他加固方法切斷水源，有助于克服凍脹，減少融沉。

（9）為減少凍脹，保護環(huán)境周圍管線和地下結(jié)構(gòu)物的安全穩(wěn)定，溫度梯度較大對低溫快速凍結(jié)是有利的。縮短凍結(jié)工期不僅是費用問題，還是減少凍脹的有力措施。

（10）工程中采用安置卸壓孔，預留凍脹空間，邊界凍結(jié)孔熱循環(huán)等措施，減少凍脹力是有效的。

（11）融沉發(fā)生時，凍結(jié)土體溫度升高，凍土融化，冰融化成水，體積縮小，構(gòu)成了融化沉降，同時土體在重力和上復荷載壓力的作用下要發(fā)生排水固結(jié)沉降，融沉由這兩部分的沉降量構(gòu)成。

（12）由于人工凍結(jié)作用，土體經(jīng)過凍融過程后，因形成冰以及水分的遷移，土體結(jié)構(gòu)已被破壞，承載力由于結(jié)構(gòu)的破壞而降低。

（13）由于凍土中產(chǎn)生冰晶時的劈裂作用以及凍結(jié)過程中發(fā)生的復雜的物理化學過程，使土體的滲透性顯著增加，因而在融解過程中水分容易流失，產(chǎn)生固結(jié)沉降作用。

（14）上海所處地區(qū)的多數(shù)軟土層，土體承載力低，盡管按設(shè)計要求旁通道的土體在凍結(jié)法施工前已作注漿加固處理，但從區(qū)間隧道的縱向看，環(huán)與環(huán)間是柔性連接，整個區(qū)間隧道就是個柔性體，難以抵御凍脹和凍融沉降。

（15）從區(qū)間隧道的橫向看，旁通道的結(jié)構(gòu)重心偏下，受力上下不均勻，環(huán)與環(huán)間的柔性連接，螺栓連接僅起到定位作用，從上下行線圓環(huán)截面分析，先受到凍脹向上，后受到凍融沉降向下扭轉(zhuǎn)影響而增加沉降量。

（16）從旁通道（泵站）截面破壞來看，旁通道（泵站）與上、下行線隧道連接處，受扭矩影響，上部受壓，下部受拉，混凝土結(jié)構(gòu)不能承受因凍融沉降產(chǎn)生的拉應力，造成下部結(jié)構(gòu)開裂。

綜上所述，現(xiàn)有的文獻和資料表明，到目前為止人們對人工凍土凍脹以及凍脹力對結(jié)構(gòu)和環(huán)境造成的破壞研究較多，而對于遠大于凍脹的凍融沉降規(guī)律及其危害和預防則研究得甚少，建議相關(guān)部門加強針對凍融沉降規(guī)律的試驗和研究，提高人工凍結(jié)施工的可靠性和耐久性。

3 思考和建議

（1）旁通道凍結(jié)法的施工，建設(shè)部已定為市政建設(shè)的重大風險源之一，建設(shè)各方都要提高思想認識，認真學習理解凍結(jié)法施工原理，辯證地分析凍結(jié)法施工過程安全、凍結(jié)法凍融沉降和注漿加固之間的對立統(tǒng)一的關(guān)系，深入了解現(xiàn)有工況條件、設(shè)計圖紙和文件，總結(jié)凍結(jié)法融沉注漿的成功經(jīng)驗和失敗的經(jīng)驗教訓，做好在建各線的旁通道凍結(jié)法施工，確保旁通道結(jié)構(gòu)的安全和耐久性。

（2）建議相關(guān)部門加強針對凍融沉降規(guī)律的試驗和研究，加強旁通道的結(jié)構(gòu)受力分析和受載變形的分析研究，加強凍結(jié)法凍融沉降和注漿加固之間關(guān)系的研究，進一步提高人工凍結(jié)施工的可靠性和耐久性。

（3）充分發(fā)揮專家智囊團的作用，除繼續(xù)按建設(shè)部市政建設(shè)的重大風險源管理控制的要求，對設(shè)計和施工組織設(shè)計方案進行專家評審論證。建議專家智囊團還可適當提前介入，在設(shè)計方案和初步設(shè)計階段提前介入，結(jié)合水文地質(zhì)、地面建筑物、管線、道路和場地施工條件等，結(jié)合總體線路參與旁通道的前期方案評審論證。

（4）旁通道的鋼管片是在隧道區(qū)間推進時就安裝的，由于管片拼裝累計誤差，旁通道（泵站）前后位置是可以有一定的調(diào)節(jié)距離的。在施工現(xiàn)場要根據(jù)實際地面建筑物和管線適當調(diào)整：如地鐵4號線出入場左線適當提前了旁通道位置，避開了凱旋公寓;再如地鐵8號線曲陽路—四平路區(qū)間適當調(diào)整，避開了重要管線的閥門井。

（5）相關(guān)部門采納《利用鋼管片容積建造隧道區(qū)間泵站》的方案，優(yōu)化設(shè)計地鐵旁通道，提高地鐵區(qū)間隧道的建設(shè)質(zhì)量，加快進度，進一步降低建設(shè)和維護成本，確保地鐵百年運營安全。

[1]翁家杰，白廷輝，楊國祥.城市軌道交通大型樞紐站立體交叉凍結(jié)施工新技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2006.

[2]馬芹永.人工凍結(jié)法的理論與施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2001.