孔 令 輝

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

淺埋地鐵出入口凍結(jié)法施工技術(shù)實(shí)踐

孔 令 輝

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

以上海某地鐵出入口凍結(jié)法施工為例，結(jié)合數(shù)值模擬分析，總結(jié)了凍結(jié)法在淺埋暗挖工程中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)措施，主要包括凍結(jié)壁安全措施、凍脹與融沉控制、信息化監(jiān)測(cè)等，為凍結(jié)法施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

凍結(jié)法，淺埋暗挖，施工技術(shù)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，城市交通壓力也日益嚴(yán)重，城市軌道交通成為各大城市治理?yè)矶碌倪x擇。目前地鐵出入口一般采用明挖法來(lái)施工，牽涉到管線改遷、道路封閉，給本來(lái)?yè)矶碌慕煌ㄔ黾恿素?fù)擔(dān)。出入口一般設(shè)計(jì)埋深比較淺，采用普通的礦山暗挖法施工往往導(dǎo)致地層變形比較大，無(wú)法保證周邊管線以及地面道路的安全。

凍結(jié)法具有加固體均勻、強(qiáng)度高、封水效果好、地層適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)境污染小等特點(diǎn)，近年來(lái)在城市軌道交通聯(lián)絡(luò)通道及端頭井進(jìn)出洞加固工程中得到了廣泛應(yīng)用。研究采用凍結(jié)法對(duì)出入口處地層進(jìn)行加固，可避免因管線改遷而導(dǎo)致的工期的延誤及對(duì)城市居民生活的影響，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

1 工程簡(jiǎn)介

上海軌道交通某出入口，通道長(zhǎng)度11 975 mm，凈寬度5 700 mm，凈高2 550 mm，為矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。出入口上方地面為市區(qū)主干道金沙江路，車流量較大，管線較多，主要管線有φ300 mm上水管，φ500 mm煤氣管道，φ800 mm雨水污水管道。通道結(jié)構(gòu)頂面距地表僅6.145 m，距上端管線最近距離2.54 m。出入口主要位于②3-1砂質(zhì)粉土及④淤泥質(zhì)粘土層中。環(huán)境復(fù)雜，方案設(shè)計(jì)以及工程施工必須嚴(yán)格控制地層變形，采取穩(wěn)妥措施來(lái)確保工程施工的安全。

出入口結(jié)構(gòu)、凍結(jié)壁及管線分布見圖1。

2 凍結(jié)方案設(shè)計(jì)要求

該處出入口埋深較淺，管線分布眾多，凍結(jié)壁設(shè)計(jì)要滿足以下三點(diǎn)要求：

1)土體承載力要求。凍結(jié)壁厚度應(yīng)滿足凍結(jié)設(shè)計(jì)規(guī)程中的凍結(jié)壁力學(xué)計(jì)算安全系數(shù)的要求，在計(jì)算荷載時(shí)應(yīng)考慮城市主干道的路面活荷載作用。

2)凍結(jié)壁擴(kuò)展范圍應(yīng)得到精確控制。該處出入口結(jié)構(gòu)層距上端管線最近距離僅2.54 m，考慮0.3 m的初期支護(hù)層，并按凍結(jié)壁厚度1.8 m計(jì)算，頂部?jī)鼋Y(jié)壁上緣距最近的管線距離僅為0.44 m。凍結(jié)壁在開挖過程中仍處在擴(kuò)展過程中，一旦擴(kuò)展至管線處，容易導(dǎo)致管線破壞或流體凍結(jié)，管線堵塞。因此必須采取措施控制凍結(jié)壁的擴(kuò)展范圍。

3)嚴(yán)格控制土體凍脹、融沉引起的地層變形。

凍結(jié)法施工必然伴隨著土體凍脹和融沉。土壤的凍脹與融沉是復(fù)雜的物理力學(xué)過程，其凍脹與融沉量影響因素眾多，很難通過定量分析計(jì)算作為參考予以控制。參考施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)土體凍脹融沉進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制是目前最為可行的途徑之一。該處出入口距離管線近，對(duì)變形具有非常嚴(yán)苛的要求，必須采取完善、連續(xù)的監(jiān)測(cè)手段及可靠地控制措施保證地層變形控制在管線允許變形范圍內(nèi)。

凍結(jié)孔布置圖如圖2所示。

3 凍結(jié)開挖方案

凍結(jié)壁形式為包裹結(jié)構(gòu)輪廓的箱體結(jié)構(gòu)，經(jīng)計(jì)算凍結(jié)壁厚度取1.8 m可以滿足承載力要求，采用89×8的無(wú)縫鋼管作凍結(jié)管。上部?jī)鼋Y(jié)管的間距600 mm，側(cè)墻和地板間距700 mm～800 mm。考慮到凍脹，在凍結(jié)帷幕內(nèi)設(shè)置12個(gè)φ108×8 mm花管卸壓孔，當(dāng)凍結(jié)壁交圈后及時(shí)卸除帷幕內(nèi)的凍脹壓力。

結(jié)構(gòu)跨度范圍較大，設(shè)計(jì)采用分區(qū)開挖，在結(jié)構(gòu)面中部設(shè)置一橫一縱兩排加強(qiáng)孔，將結(jié)構(gòu)面劃分為幾個(gè)小矩形。施工時(shí)先采用臺(tái)階法開挖兩側(cè)導(dǎo)硐，導(dǎo)硐初期支護(hù)完成后，挖除中間凍土部分(見圖3)。

4 凍結(jié)壁擴(kuò)展范圍控制

對(duì)上部?jī)鐾馏w的擴(kuò)展范圍進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，方法是在凍結(jié)壁上部邊緣以上300 mm處設(shè)置一排解凍孔。并且在凍結(jié)壁上部邊緣處設(shè)置一排測(cè)溫孔，用以監(jiān)測(cè)凍結(jié)壁的發(fā)展情況。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示凍結(jié)壁擴(kuò)展范圍超過設(shè)計(jì)要求時(shí)，在解凍孔內(nèi)下入供液管，進(jìn)行強(qiáng)制解凍，確保凍土向上的發(fā)展控制在一定的范圍內(nèi)，以避免引起較大的凍脹。解凍方法為采用加熱裝置，保持鹽水出口溫度在70 ℃，在孔內(nèi)循環(huán)較高溫度的熱鹽水，解凍孔間隔加熱，循環(huán)進(jìn)行。

5 凍脹量控制

為控制土體凍脹導(dǎo)致的上部土體隆起量在合理范圍內(nèi)，除上述控制凍結(jié)壁擴(kuò)展范圍外，還可通過泄壓措施予以控制。

為模擬泄壓效果，在凍土帷幕內(nèi)部及上方均布置泄壓孔進(jìn)行泄壓。泄壓模擬在Ansys中采取對(duì)非凍土設(shè)置線膨脹系數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)。

利用Ansys軟件進(jìn)行熱固耦合分析。模型平面應(yīng)變單元，尺寸：長(zhǎng)50 m，高20 m。由于熱分布與應(yīng)力分布相互影響較小，故先進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，得到溫度場(chǎng)分布，然后轉(zhuǎn)入力學(xué)計(jì)算。熱力學(xué)計(jì)算單元類型為Plane55單元，力學(xué)計(jì)算選用與之對(duì)應(yīng)的Plane182單元。根據(jù)《上海地區(qū)人工凍土試驗(yàn)報(bào)告》的相關(guān)成果，結(jié)合該工程地層特點(diǎn)選取土體參數(shù)。其中凍土膨脹率選取3%。Ansys分析時(shí)選取負(fù)值的線膨脹系數(shù)進(jìn)行模擬。

圖4為僅對(duì)凍土帷幕內(nèi)部進(jìn)行泄壓的模擬效果圖；圖5為同時(shí)對(duì)凍土帷幕內(nèi)部和上部進(jìn)行泄壓后的結(jié)果，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過不同部位的泄壓孔進(jìn)行泄壓，地表沉降完全可以控制在要求范圍內(nèi)。

在凍結(jié)壁上部設(shè)置兩排卸壓孔，當(dāng)土體隆起速率或累計(jì)隆起量過大時(shí)，及時(shí)適量卸除部分土體，抵消土體凍脹導(dǎo)致的地層隆起。外部卸壓孔采用φ108×8 mm低碳無(wú)縫鋼管，制作成花管形式。泄壓孔處安裝閥門，當(dāng)?shù)乇砺∑鹈黠@時(shí)，打開閥門，采用水平鉆機(jī)或插入供液管，向孔內(nèi)鉆進(jìn)并沖水，沖水速率根據(jù)經(jīng)驗(yàn)控制，并保持少量、均勻、多次的原則，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)控制卸除泥土量(見圖6)。

6 信息化監(jiān)測(cè)措施

本工程施工的一大特色為采用信息化監(jiān)測(cè)手段對(duì)工程進(jìn)展情況進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：

1)凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括冷凍機(jī)運(yùn)行各項(xiàng)參數(shù)、鹽水進(jìn)回路溫差監(jiān)測(cè)；

2)通過布置在土體內(nèi)的測(cè)溫孔對(duì)凍土帷幕發(fā)展速率、擴(kuò)展范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)和演算。采用CW-500型測(cè)溫儀記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并繪制測(cè)溫曲線；

3)對(duì)地表、管線變形進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。為控制管線變形，在凍結(jié)法施工區(qū)域上方金沙江路地面上布設(shè)10臺(tái)GHD-D型靜力水準(zhǔn)儀，通過傳感器采集并實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，為工程變形控制及時(shí)提供參考數(shù)據(jù)。

工程實(shí)踐表明，信息化監(jiān)測(cè)手段為動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目對(duì)地層凍脹和融沉控制提供了可靠的依據(jù)。

7 結(jié)語(yǔ)

本工程采用信息化監(jiān)測(cè)手段，并配合有效的泄壓和凍結(jié)壁擴(kuò)展范圍控制措施，及時(shí)有效地解決了凍結(jié)法施工中伴隨的凍脹和融沉等不利影響，為凍結(jié)法在市政工程中的應(yīng)用提供了值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

[1] 陳湘生.人工地層凍結(jié)法在巖土工程中的應(yīng)用[A].巖土工程力學(xué)與應(yīng)用討論會(huì)論文集[C].1991.

[2] 楊 平.人工凍結(jié)法在南京地鐵張府園車站的應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2006(5)：3-4.

The technology practice of the freezing construction in the shallow subway passageway

KONG Ling-hui

(BeijingChinaCoalMineEngineeringCo.,Ltd,Beijing100013,China)

Take the freezing construction of a subway passageway in Shanghai as an example, combining with the numerical simulation analysis, this article analyze and summarize the key technical measures of the freezing construction application in the shallow covered excavation construction. The content includes the control of the freezing wall extending area, the control of frost heaving and thawing settlement, and the informative monitoring, which has accumulated experience for freezing construction.

the freezing construction, shallow covered excavation, construction technology

1009-6825(2014)22-0103-02

2014-05-24

孔令輝(1985- )，男，碩士，助理工程師

U231.3

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