方忠強 孫曉鋒 陳 磊

(江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，210005，南京∥第一作者，高級工程師)

南京地鐵10號線夢都大街站東側(cè)平行分布3 條地下高壓電纜管廊橫跨擬建車站附屬結(jié)構(gòu)。通常，車站出入口和風亭等附屬結(jié)構(gòu)采用明挖法施工，受影響的管線臨時改遷到施工區(qū)域以外，待結(jié)構(gòu)完成后再回遷。但是，這三組高壓電纜管廊為區(qū)域主干供電線路，遷移費用大、時間長、協(xié)調(diào)難度大，因此考慮就地保護，管廊下方的出入口及風道結(jié)構(gòu)采用暗挖施工，暗挖段采用水平凍結(jié)加初期支護加二次襯砌形式。

近年來，我國城市軌道交通建設(shè)發(fā)展迅速，水平凍結(jié)暗挖法技術(shù)已在部分工程中得到應用［1-5］，但應用多限于覆土較大、跨度小、頂部拱形的聯(lián)絡通道。本工程為矩形斷面，跨度大、覆土小，并且地質(zhì)條件差、周邊環(huán)境復雜，國內(nèi)尚未有相似工程的案例報道。本文以此為研究背景，對工程技術(shù)難點、凍結(jié)設(shè)計方案及關(guān)鍵施工措施進行詳細介紹，采用有限元軟件進行計算分析，驗證方案的可行性。

1 工程概況

1.1 地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)概況

南京地鐵10號線夢都大街站東側(cè)平行分布3 條地下高壓電纜管廊，分別為220 kV (1 200 mm ×500 mm)、110 kV (1 600 mm ×400 mm)、10 kV (900 mm ×600 mm)，管廊總寬度約6.0 m。車站1號出入口及1號風道、2號出入口、2號風道下穿高壓電纜管廊。

1.2 地質(zhì)條件

1.2.1 地層分布

項目地處南京河西地區(qū)長江漫灘區(qū)，其沉積物多呈二元或多元結(jié)構(gòu)，上細下粗，上部以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主，下部由厚層粉細砂、中粗砂等組成。本項目開挖主要涉及地層為①-1 雜填土層、②-2b4 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂層、②-3c3 粉土夾粉砂層和②-4d2 粉砂層，車站附屬結(jié)構(gòu)底板位于②-2b4 層和②-3c3 層。

1.2.2 地下水概況

地下水類型主要為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水?？紫稘撍饕畬訛棰?1 層雜填土及②-2b4 層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂，標高 2.89～4.26 m。微承壓水主要含水層為②-3c3 層粉土夾粉砂，②-4d2 層粉砂等，微承壓水水位標高2.0～3.0 m。

2 技術(shù)難點

(1)地質(zhì)條件差，上部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，高含水率、高孔隙比、高壓縮性、流塑狀;下部為厚層粉砂，含有微承壓水，地層的自穩(wěn)能力差，連同地下水的處理成為項目設(shè)計的難點。

(2)地下通道為矩形斷面，但斷面型式和尺寸各不相同。2號出入口通道跨度大，其與電纜通道的交角為47°，順著電纜通道方向的開挖跨度達到12.5 m，1號出入口及1號風道為雙層結(jié)構(gòu)，總高度為6.9 m。由于結(jié)構(gòu)高、跨度大，暗挖支護結(jié)構(gòu)以及工法選擇成為設(shè)計的難點。地鐵工程中的聯(lián)絡通道也有凍結(jié)支護加暗挖施工工法，但其開挖跨度均小于4 m，高度為4 m 左右，且頂部為拱形，圍巖的穩(wěn)定性較好。

(3)覆土較薄，僅 2.9～4.3 m，距離電纜通道底板0.7～1.8 m。供電部門要求不破壞高壓管廊，而調(diào)查資料顯示電纜管廊頂部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，兩側(cè)為磚砌結(jié)構(gòu)，底板為素混凝土，底板下面為碎石墊層，抗變形能力差，設(shè)計須對其進行有效保護。

(4)周邊環(huán)境條件復雜。基坑邊上有直徑800 mm 的自來水管，周邊建筑則緊靠基坑，對支護結(jié)構(gòu)的安全性及變形控制要求很高，不允許出現(xiàn)塌方、漏水等工程事故。

3 凍結(jié)設(shè)計施工方案

3.1 施工分區(qū)及施工順序

將附屬結(jié)構(gòu)劃分為三部分，高壓電纜管廊所在區(qū)域采用暗挖施工，兩側(cè)采用明挖施工。通道頂部采用密排管棚托舉高壓管廊，沿通道結(jié)構(gòu)四周布置水平凍結(jié)管，形成強度高、封閉性好的凍結(jié)帷幕，兼做擋土和隔水作用。

主要施工順序如下:

(1)先施工電纜通道兩側(cè)基坑。沿電纜通道兩側(cè)采用咬合樁作為封堵墻，其他區(qū)域采用SMW(型鋼水泥土攪拌墻)。待明挖基坑結(jié)構(gòu)底板封閉后，從一側(cè)的明挖基坑內(nèi)向另一側(cè)打設(shè)管棚和冷凍管。為保證水平凍結(jié)帷幕有足夠厚度，同時給冷凍管施工預留工作空間，施作管棚和凍結(jié)管一側(cè)的明挖基坑圍護結(jié)構(gòu)平面外擴、底板下沉，外擴及下沉尺寸2.5～3.0 m。

(2)對開挖掌子面進行全斷面加固，之后采用CRD(交叉中隔壁)工法進行暗挖施工。按照分段、分塊、階梯開挖的原則進行，縱向開挖步距0.5 m。每開挖一小塊之后立即架設(shè)初期支護結(jié)構(gòu)，初期支護采用型鋼支架加掛網(wǎng)噴射混凝土。

(3)在全部開挖結(jié)束后，進行結(jié)構(gòu)防水層、澆筑二襯混凝土施工。

(4)結(jié)構(gòu)施工完成后進行充填注漿，最后進行解凍，根據(jù)融沉監(jiān)測情況進行跟蹤補償注漿。

3.2 凍結(jié)孔設(shè)計

凍結(jié)孔按水平角度布置，凍結(jié)壁厚度按3 m 設(shè)計。結(jié)構(gòu)兩側(cè)及底部各布置兩排凍結(jié)孔，排距1 000 mm，梅花形布置，凍結(jié)孔距離初期支護外側(cè)1 000 mm，凍結(jié)孔之間孔距為700 mm。

此外，1號出入口及1號風道由于結(jié)構(gòu)高度較大，因此在中部增加一排橫向布置的凍結(jié)孔，以加強結(jié)構(gòu)兩側(cè)凍結(jié)帷幕橫向支撐。2號出入口由于跨度較大，因此在中部增加一列垂直方向布置的凍結(jié)孔，相當于對凍結(jié)帷幕增加一排豎向支撐。

凍結(jié)孔及管棚布置見圖1～圖3。

圖1 1號出入口及1號風道凍結(jié)孔布置剖面圖

圖2 2號出入口凍結(jié)孔布置剖面圖

圖3 2號風道凍結(jié)孔布置剖面圖

3.3 凍結(jié)參數(shù)確定

(1)凍結(jié)壁平均溫度-10 ℃。

(2)開挖期間維護凍結(jié)鹽水溫度為-28 ℃～-30 ℃。

(3)外圍凍結(jié)孔終孔間距Lmax≤1 000 mm。

(4)1號出入口及1號風道凍結(jié)孔布置101個，凍結(jié)管總長度為834 m;2號出入口凍結(jié)孔布置125 個，凍結(jié)管總長度為1 593 m;2號風道凍結(jié)孔布置78 個，凍結(jié)管總長度為686 m。

(5)測溫孔布置一般定在終孔間距較大的位置，位置可根據(jù)實際施工時進行調(diào)整。

(6)凍結(jié)需冷量:

式中:

l——凍結(jié)總長度(凍結(jié)管長度加冷排管長度150 m)，m;

d——凍結(jié)管直徑，m;

k——凍結(jié)管散熱系數(shù)。

將相關(guān)參數(shù)數(shù)值代入式1 得:

1號出入口及 1號風道 Q=50.65 ×104KJ/h;

2號出入口 Q=96.91 ×104KJ/h;

2號風道 Q=41.73 ×104KJ/h。

3.4 管棚設(shè)計

管棚鋼管型號為φ108 mm×8 mm，鋼管間距0.3 m，鋼管穿過兩端封堵墻600 mm，在封堵墻外側(cè)用H 型鋼支架對管棚進行支托。

3.5 暗挖順序及臨時支護

考慮初支結(jié)構(gòu)后，1號出入口及1號風道開挖斷面跨度8.5 m，2號出入口開挖斷面跨度12.5 m，2號風道開挖斷面跨度6.0 m。

由于開挖斷面大，而且地質(zhì)條件以自立性差的淤泥質(zhì)黏土、砂層為主。為確保暗挖施工的安全，按照分層、分塊、階梯開挖的原則進行。

2號出入口分上、下兩層，每層3 個區(qū)域，一共劃分為6 個開挖區(qū);1號出入口及1號風道、2號風道分上、下兩層，每層2 個區(qū)域，一共劃分為4 個開挖區(qū)。

初期支護形式為型鋼支架加掛網(wǎng)噴射混凝土。型鋼支架為30#工字鋼，支架間距為0.4 m。網(wǎng)噴混凝土采用C25 混凝土，厚度35 cm，中部臨時支撐也要進行網(wǎng)噴混凝土施工。型鋼支架背后墊5 cm 厚木背板，木背板與凍結(jié)帷幕之間的空隙用高強度砂漿充填密實。

4 充填注漿及融沉控制

融沉是因被加固土體融化而引起的土體下沉，容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)差異沉降。暗挖段主體結(jié)構(gòu)(二次襯砌)在施工完畢并達到一定的強度后，需對外圍凍結(jié)壁進行解凍，解凍過程中會發(fā)生融沉現(xiàn)象。解決融沉的主要措施是根據(jù)監(jiān)測反饋的信息，進行地層跟蹤注漿壓密加固土體，注漿材料采用雙液水泥漿。

4.1 注漿孔布設(shè)

初期支護外地層注漿，注漿孔間距2 m，縱向每2 m 布置一個注漿斷面。注漿管采用6.6 cm 的焊接管，頂端接帶螺紋的管箍，并用絲堵封閉。充填注漿孔每4 m 布設(shè)一個。

4.2 注漿時間

結(jié)構(gòu)施工完成，強度達到60%以上，停止凍結(jié)，停機3～7 天后開始進行充填注漿。這樣能有效避免因凍土融化而損壞上部及周圍管線，減少結(jié)構(gòu)下沉。由于凍土量較大，注漿需4 個月左右。注漿采用小壓力多注次的方式，注漿壓力為0.2～0.5 MPa。

4.3 注漿量

根據(jù)以前類似工程經(jīng)驗，注漿水泥用量達到凍土體積的50%。根據(jù)推算，1號出入口及1號風道、2號出入口、2號風道融沉注漿水泥用量分別為850 t、1 200 t 和 700 t。

4.4 注漿結(jié)束標準

當一天內(nèi)上部地面沉降大于0.5 mm，或上部地面累計沉降大于3 mm 時，應進行融沉補償注漿;當上部地面隆起3 mm 應暫停注漿。具體要根據(jù)地面變形監(jiān)測情況做適當調(diào)整。融沉注漿的結(jié)束時間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，且在不注漿的情況下實測地層沉降每半月不大于0.5 mm，可停止融沉補償注漿。

5 計算分析

5.1 凍結(jié)壁受力計算原則

參照《旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程》［6］中的相關(guān)規(guī)定，凍結(jié)壁既要求承載又要求止水，屬Ⅲ類凍結(jié)壁，其厚度按承載力要求進行設(shè)計，抗壓、抗折和抗剪強度滿足:

式中:

多年以來，高職院校外語教學工作一直面臨著諸多問題，一方面是社會對外語語言教學的要求的不斷變化和提高，一方面是教學人員構(gòu)成復雜造成的外語教師隊伍建設(shè)緩慢，此外還有外語課程建設(shè)發(fā)展方向不明，學生生源結(jié)構(gòu)變化等多種問題。而如何有效利用有限的授課時間，提高課堂“抬頭率”，提高高職院校學生學習效能是當下高職院校外語教學的需要解決的首要問題。本文嘗試通過外語通識課程建設(shè)提高目前高職院校外語教學效能，增加學生外語學習動能。

σ——為凍結(jié)壁應力，MPa;

R——為凍土的強度指標，MPa;

K——為安全系數(shù)，Ⅲ類凍結(jié)壁強度檢驗安全系數(shù)按表1 選取。

表1 Ⅲ類凍結(jié)壁強度檢驗安全系數(shù)

5.2 凍結(jié)壁受力計算方法及參數(shù)取值

凍結(jié)壁受力采用有限元方法進行驗算，凍土和未凍土均按均質(zhì)線彈性體簡化。凍結(jié)壁平均溫度為-10℃，參照相關(guān)工程的試驗數(shù)據(jù)［7-9］，取凍土的彈性模量和泊松比分別為120 MPa 和0.25，凍土強度指標為:抗壓 3.6 MPa，抗折 2.0 MPa，抗剪 1.5 MPa。中間未凍土參數(shù)彈性模量和泊松比分別取22.0 MPa 和 0.30。

5.3 計算邊界條件選取

凍結(jié)壁外圍的未凍土厚度取凍結(jié)壁厚度的5倍，即15 m(頂板除外)。采用plane42 單元進行模擬，考慮到施工范圍內(nèi)管線保護的特殊性工況，計算模型不考慮地表附加荷載。

5.4 計算結(jié)果分析

本文對3 個附屬結(jié)構(gòu)均采用有限元軟件模擬計算。以1號出入口及1號風道為例，其計算模型如圖4所示，3 個附屬結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果見表2～表4。

圖4 1號出入口及1號風道有限元計算模型

1號出入口及1號風道凍結(jié)壁應力、位移計算值及安全系數(shù)見表2。

表2 1號出入口及1號風道凍結(jié)壁應力、位移計算值及安全系數(shù)

表3 2號出入口凍結(jié)壁應力、位移計算值及安全系數(shù)

2號風道凍結(jié)壁應力、位移計算值及安全系數(shù)見表4。

表4 2號風道凍結(jié)壁應力、位移計算值及安全系數(shù)

從表2～表4 可以判斷，凍結(jié)壁主要處于受壓狀態(tài)，抗壓安全系數(shù)滿足要求;1號出入口及1號風道抗剪安全系數(shù)1.9，略小于2.0，但是從剪應力圖中能看出最大剪應力僅分布在底板兩個角部的局部位置，忽略剪應力集中現(xiàn)象，整體上剪應力可以滿足要求。

由于開挖斷面較大，通道開挖之后，頂板有一定下沉，但位移最大位置在底板，明顯向上隆起，即底臌。但計算過程沒有考慮初期支護(型鋼支架加掛網(wǎng)噴射混凝土)對凍結(jié)壁受力的有利因素，雖然位移較大，但在施工措施可控范圍之內(nèi)。凍結(jié)壁頂板位移約20～30 mm，考慮管棚的有利影響，位移完全滿足施工要求。

6 施工監(jiān)測

根據(jù)施工監(jiān)測資料，1號出入口及1號風道開機凍結(jié)54 天后，凍結(jié)壁平均溫度為-14.2 ℃，最小凍結(jié)壁厚度3.72 m;2號出入口開機凍結(jié)45 天后，凍結(jié)壁平均溫度為-12.1 ℃，最小凍結(jié)壁厚度3.16 m;2號風道開機凍結(jié)31 天后，凍結(jié)壁平均溫度為-11.3 ℃，最小凍結(jié)壁厚度 2.2 m。

凍結(jié)土層主要是②-2b4 層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，根據(jù)凍結(jié)土樣的室內(nèi)試驗成果，抗壓強度平均值達到 4.03 MPa，抗剪強度為 1.6 MPa。

凍結(jié)期間高壓管廊最大隆起量僅5 mm，開挖期間監(jiān)測到高壓管廊最大沉降30 mm，未對電力供應產(chǎn)生不利影響。

7 結(jié)語

(1)在軟土地層中使用水平凍結(jié)支護，通道四周形成的凍結(jié)帷幕起到擋土和隔水的雙重作用。

(2)暗挖采用CRD 工法，分上、下兩層，按照分段、分塊、階梯開挖的原則進行。

(3)采用有限元計算軟件對凍結(jié)帷幕進行計算分析。通過模擬開挖工況，得到凍結(jié)帷幕的內(nèi)力及變形結(jié)果，通過對凍結(jié)壁的應力場和位移場分析，判斷其安全狀態(tài)。

(4)采用密排管棚托舉高壓管，監(jiān)測結(jié)果顯示該措施有效地控制了管廊的沉降變形。

本工程已成功實施，說明在南京河西地區(qū)的地質(zhì)條件下(地下水位高、上部軟土、下部砂層)采用凍結(jié)暗挖施工是可行的。國內(nèi)城市軌道交通事業(yè)正如火如荼地發(fā)展，而城市地下管線錯綜復雜，主干管線的改遷費用高、周期長，經(jīng)常停水、停電容易造成不良的社會影響。本項目的成功實施不僅節(jié)省了昂貴的管線改遷費用，對今后類似工程的設(shè)計和施工也具有很好的參考作用。

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