李曉英，杜香剛

(1.中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，天津300131;2.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081; 3.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

地鐵區(qū)間泵房下穿既有地鐵結(jié)構(gòu)凍結(jié)加固技術(shù)研究

李曉英1，杜香剛2，3

(1.中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，天津300131;2.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081; 3.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

目前城市地鐵建設(shè)中往往容易遇到各種既有地鐵結(jié)構(gòu)，施工時(shí)必須確保這些既有地鐵結(jié)構(gòu)的安全。北京地鐵六號線二期工程起點(diǎn)—物資學(xué)院站區(qū)間泵房采用凍結(jié)法下穿既有地鐵結(jié)構(gòu)，結(jié)合該工程系統(tǒng)地介紹了凍土帷幕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、水平凍結(jié)工藝，以及自然解凍和融沉注漿，并從凍結(jié)溫度場變化及地表變形兩方面探討了凍結(jié)法下穿既有地鐵結(jié)構(gòu)的安全性。結(jié)果表明:凍結(jié)法下穿既有地鐵結(jié)構(gòu)關(guān)鍵在于冷凍體的成形質(zhì)量;本工程施工中冷凍體溫度穩(wěn)定在-25℃以下，整個(gè)施工過程中的凍脹融沉量均控制在±6 mm以內(nèi)，既保證了既有地鐵結(jié)構(gòu)的安全性，又最大程度減少了施工對周邊環(huán)境的影響。

地鐵 既有結(jié)構(gòu) 凍結(jié)加固 融沉注漿

地鐵隧道施工風(fēng)險(xiǎn)主要存在于隧道掘進(jìn)和聯(lián)絡(luò)通道施工兩個(gè)階段，其中聯(lián)絡(luò)通道事故更為常見。聯(lián)絡(luò)通道施工通常采用暗挖礦山法，常因土體加固質(zhì)量存在問題，使聯(lián)絡(luò)通道開挖面土體失穩(wěn)，不僅會造成已貫通隧道襯砌結(jié)構(gòu)損壞，而且還會引起周邊建筑物的破壞［1］。特別是在下穿既有地鐵結(jié)構(gòu)時(shí)，如果土體加固止水效果差，容易使既有結(jié)構(gòu)破壞，甚至造成重大工程事故帶來惡劣社會影響。

地層凍結(jié)加固技術(shù)是一種封水性好、強(qiáng)度高、復(fù)原性好的環(huán)保型施工技術(shù)［2］，而且加固效果明顯，還可避免大面積拆遷。隨著凍結(jié)工藝的改進(jìn)，加之凍結(jié)法低成本化趨勢，其在城市地下工程中被廣泛采用，特別是在類似聯(lián)絡(luò)通道這種復(fù)雜的隧道施工中，其作用無可替代。

1 工程概況

北京地鐵六號線二期工程起點(diǎn)—物資學(xué)院站區(qū)間泵房位于左線最低點(diǎn)處，泵房處隧道中心軌面標(biāo)高3.827 m，地面標(biāo)高26.7 m，結(jié)構(gòu)覆土19.523 m，結(jié)構(gòu)距上部既有六號線一期出入段線結(jié)構(gòu)4.978 m，泵房結(jié)構(gòu)包括與隧道二襯相接的喇叭口、直墻圓弧拱結(jié)構(gòu)的橫通道和中部矩形集水井三個(gè)部分，見圖1。

圖1 側(cè)式泵房結(jié)構(gòu)示意

橫通道及泵房主要位于⑤2粉細(xì)砂層、⑤1中粗砂層、⑥黏土層中，地層透水性強(qiáng)、承載力低，極易在開挖中發(fā)生大的沉降造成既有結(jié)構(gòu)破壞，因此，在該地層內(nèi)開挖構(gòu)筑泵房，必須先對施工影響范圍內(nèi)的土體進(jìn)行加固處理。

2 工法選擇

本工程區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)情況復(fù)雜，地下水流速大，地層含水率高，易產(chǎn)生涌泥、涌水現(xiàn)象;結(jié)構(gòu)施工環(huán)境差，空間小;泵房拱頂混凝土不易澆搗密實(shí)，不易保證結(jié)構(gòu)的抗?jié)B要求;環(huán)境要求高、干擾多、工期緊;地表交通繁忙;既有地鐵結(jié)構(gòu)對沉降及變形要求高。

在含水砂層中開挖地鐵隧道，主要是固砂堵水，保證地層穩(wěn)定，控制地表沉降［3］。根據(jù)該泵房埋深和土層特性，若采用普通單軸和雙軸攪拌樁、旋噴樁等地面加固方法，很難保證加固質(zhì)量。若選用大型三軸攪拌樁，占用地面場地過大［4］，很難進(jìn)行交通疏解和管線遷移，同時(shí)會對既有地鐵結(jié)構(gòu)造成影響。

綜合地質(zhì)情況和周邊環(huán)境因素，并結(jié)合地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工經(jīng)驗(yàn)，確定采用“隧道內(nèi)鉆孔，水平凍結(jié)臨時(shí)加固土體，礦山法暗挖構(gòu)筑”的施工方案，即:在隧道內(nèi)利用水平孔和部分傾斜孔凍結(jié)加固地層，使聯(lián)絡(luò)通道及集水井外圍土體凍結(jié)，形成強(qiáng)度高、封閉性好的凍土帷幕，然后根據(jù)新奧法的基本原理，在凍土中采用礦山法進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道及泵房的開挖構(gòu)筑施工。地層凍結(jié)和開挖構(gòu)筑施工均在區(qū)間隧道內(nèi)進(jìn)行。其施工順序?yàn)?施工準(zhǔn)備→凍結(jié)孔施工(同時(shí)安裝凍結(jié)制冷系統(tǒng)、鹽水系統(tǒng)和檢測系統(tǒng))→隧道支撐→積極凍結(jié)→探孔試挖→拆鋼管片→聯(lián)絡(luò)通道掘進(jìn)與臨時(shí)支護(hù)→聯(lián)絡(luò)通道永久支護(hù)→泵房開挖與臨時(shí)支護(hù)→泵房永久支護(hù)→土層注漿充填→自然解凍融沉注漿。凍結(jié)孔施工、臨時(shí)支護(hù)施工和自然解凍融沉注漿為本工程的關(guān)鍵工序［5-8］。

3 凍結(jié)加固設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

人工凍結(jié)法施工時(shí)，凍結(jié)壁起臨時(shí)支護(hù)作用，必須具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，這就要求凍結(jié)壁有一定厚度。凍結(jié)壁厚度取決于結(jié)構(gòu)所受的外荷載和材料的強(qiáng)度。外荷載主要包括溫度荷載和土壓力。溫度荷載是因?yàn)榈叵滤?℃以下結(jié)成冰，體積會發(fā)生膨脹，由于凍結(jié)體受周圍土體約束，就產(chǎn)生了凍脹力;土壓力是由土體自重產(chǎn)生的作用力，受土體本身特性、地下水位、埋深等因素影響［9］。

凍結(jié)法可實(shí)際應(yīng)用于各種形狀、大小和深度的場地，連接通道的形狀將決定冰凍管的現(xiàn)場布置以及是否需將冰凍管豎向或水平移動(dòng)［10］。冰凍管布置的間距和位置取決于要求時(shí)間內(nèi)開挖區(qū)凍土要達(dá)到的強(qiáng)度和凍結(jié)墻厚度。凍結(jié)管將與循環(huán)管路系統(tǒng)連接用以傳遞制冷介質(zhì)，冰凍墻的形成速度直接由制冷介質(zhì)的溫度、熱量轉(zhuǎn)換區(qū)域的大小及冰凍管的間距決定。

選擇凍土層形狀時(shí)應(yīng)考慮盡可能減少連接通道開挖過程中土壓力變化在凍土中產(chǎn)生的彎矩，確定凍土厚度時(shí)應(yīng)考慮凍土厚度和凍土強(qiáng)度參數(shù)的組合，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)和安全的目的?；驹O(shè)計(jì)原則為凍土中不容許出現(xiàn)拉應(yīng)力以及屈服點(diǎn)。同時(shí)還應(yīng)考慮冷凍管的合理布置及冷凍管對主隧道的影響等因素。

遵照以上原則，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，進(jìn)行如下設(shè)計(jì)。

3.2 凍結(jié)壁設(shè)計(jì)

凍結(jié)壁設(shè)計(jì)圖見圖2。

圖2 凍結(jié)壁設(shè)計(jì)(單位:mm)

1)凍土強(qiáng)度的設(shè)計(jì)指標(biāo)為單軸抗壓不小于6 MPa，彎折抗拉不小于2.0 MPa，抗剪不小于1.5 MPa (-10℃)。

2)積極凍結(jié)時(shí)，在凍結(jié)區(qū)附近200 m范圍內(nèi)不得采取降水措施。在凍結(jié)區(qū)內(nèi)土層中不得有集中水流。

3)在凍結(jié)壁附近隧道管片內(nèi)側(cè)敷設(shè)保溫層，敷設(shè)范圍至設(shè)計(jì)凍結(jié)壁邊界外2 m。保溫層采用阻燃(或難燃)的軟質(zhì)塑料泡沫軟板，厚度20 mm，導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.04 W/(m·K);塑料軟板外噴30 mm厚的發(fā)泡聚氨脂保溫層。

4)設(shè)計(jì)積極凍結(jié)時(shí)間為42 d。要求凍結(jié)孔單孔流量不小于5 m/h;積極凍結(jié)7 d鹽水溫度降至-18℃以下;積極凍結(jié)15 d鹽水溫度降至-24℃以下，去路和回路鹽水溫差不大于2℃;開挖時(shí)鹽水溫度降至-28℃以下。如鹽水溫度和鹽水流量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，應(yīng)延長積極凍結(jié)時(shí)間。每米凍結(jié)管的設(shè)計(jì)散熱量不應(yīng)小于100 kcal/h。

5)開挖區(qū)外圍凍結(jié)孔布置圈上凍結(jié)壁與隧道二襯交界面處平均溫度不高于-5℃。其它部位凍結(jié)壁平均溫度≤-10℃。

3.3 凍結(jié)孔設(shè)計(jì)

凍結(jié)孔布置見圖3。

1)凍結(jié)孔開孔位置誤差不大于100 mm，應(yīng)避開管片接縫、螺栓、主筋和鋼管片肋板。

2)凍結(jié)孔最大允許偏斜200 mm(凍結(jié)孔成孔軌跡與設(shè)計(jì)軌跡之間的距離)。

圖3 凍結(jié)孔布置立面

3)凍結(jié)孔最大允許間距為1 800 mm。

4)凍結(jié)管用φ89×8 mm低碳鋼無縫鋼管。凍結(jié)管耐壓不低于0.8 MPa，并且不低于凍結(jié)工作面鹽水壓力的1.5倍。

5)凍結(jié)管接頭抗拉強(qiáng)度不低于母管的80%。

6)施工凍結(jié)孔時(shí)土體流失量不得大于凍結(jié)孔體積，否則應(yīng)及時(shí)進(jìn)行注漿控制地層沉降。

3.4 凍脹融沉控制

凍結(jié)過程中主要采取凍結(jié)釋壓的方法控制凍脹。為減小凍結(jié)施工對主隧道和周圍環(huán)境的影響，隧道壁上布置2個(gè)泄壓孔。凍結(jié)過程中要加強(qiáng)對泄壓孔壓力的監(jiān)測，當(dāng)壓力上漲超過初始壓力0.2 MPa時(shí)，需及時(shí)打開泄壓孔，釋放因地層凍脹引起的凍脹力。同時(shí)在凍結(jié)壁交圈之前，安裝好預(yù)應(yīng)力支架，進(jìn)一步控制隧道壁的變形。整個(gè)凍結(jié)過程引起的凍脹量小于允許值(6 mm)，說明凍結(jié)施工過程中的各種控制凍脹措施可行。

融沉主要是凍土融化時(shí)排水固結(jié)引起的，滯后于凍土融化［11］。為加速凍土融化，工程中對凍結(jié)土體采取自然解凍的方式解凍，并根據(jù)地層監(jiān)測情況進(jìn)行凍結(jié)壁融沉補(bǔ)償注漿。融沉補(bǔ)償注漿通過預(yù)埋的注漿管和隧道內(nèi)的注漿孔進(jìn)行，補(bǔ)償注漿加速了融土固結(jié)，減少了后期因融土壓密固結(jié)產(chǎn)生的沉降。至施工結(jié)束，沉降量小于允許值(6 mm)，完全控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

4 施工監(jiān)測

4.1 溫度監(jiān)測

為了準(zhǔn)確掌握凍結(jié)溫度場變化情況，掌握凍結(jié)壁厚度和平均溫度、凍結(jié)壁與隧道壁界面溫度、開挖區(qū)附近地層凍結(jié)情況以及確定開挖施工時(shí)間，對溫度進(jìn)行了同步監(jiān)測。設(shè)置6個(gè)測溫孔用于測量凍結(jié)和解凍時(shí)期的溫度場。典型測溫孔T1的監(jiān)測結(jié)果見圖4。

圖4 凍結(jié)期間T1孔溫度變化曲線

由圖4可見，在凍結(jié)初期，凍結(jié)土體的溫度呈線性下降。當(dāng)土體的溫度降到-15℃后，溫度下降梯度變小，這是由于測點(diǎn)處土體中的液態(tài)水發(fā)生相變，熱交換比較劇烈。在凍結(jié)45 d前后凍結(jié)壁開始交圈。此后土體進(jìn)入平緩負(fù)降溫期，土中仍含有一部分未凍水，隨著凍結(jié)的繼續(xù)進(jìn)行，溫度繼續(xù)下降，土中未凍水含量減少，溫度下降梯度趨于平緩。

圖5 通道中部地表變形曲線

4.2 地表變形監(jiān)測

在施工期間應(yīng)監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)變形、地面及周圍管線、建(構(gòu))筑物變形。監(jiān)測范圍:泵房及通道結(jié)構(gòu)外側(cè)各20 m以內(nèi)。監(jiān)測結(jié)果見圖5。由圖5(a)可見，積極凍結(jié)初期由于凍結(jié)孔施工地表發(fā)生沉降，約10 d后土體發(fā)生凍脹，最終凍脹量為5 mm。由圖5(b)可見，融沉注漿初期沉降較大，但隨著注漿量的增加，地表上抬，沉降逐步得到控制。整個(gè)注漿過程中地表沉降量＜6 mm，滿足結(jié)構(gòu)沉降控制要求。

5 結(jié)語

1)實(shí)踐證明凍土帷幕和凍結(jié)工藝設(shè)計(jì)合理，利用地表、地鐵隧道的跟蹤變形監(jiān)測數(shù)據(jù)及其它信息指導(dǎo)、調(diào)整各環(huán)節(jié)的施工工藝，是保證施工安全的重要措施。

2)積極凍結(jié)期間凍土的凍脹量＜6 mm，對既有結(jié)構(gòu)不致造成危害，表明土體凍結(jié)時(shí)引起的過量凍脹通過設(shè)置壓力釋放孔、局部凍結(jié)等措施得到了有效控制。

3)融沉注漿期間凍土的融沉＜6 mm，表明土體融沉通過自然解凍和融沉注漿得到了有效控制。

4)該實(shí)例為北京地區(qū)首次采用冷凍法下穿既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的工程，即保證了地鐵通道施工的安全，又保證了工程質(zhì)量和進(jìn)度。施工監(jiān)測和質(zhì)量跟蹤觀測結(jié)果表明該冷凍法施工是成功的，可供同類工程施工參考。

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Study on freezing reinforcing technology for running sand during construction of water pump house in running tunnel of Beijing metro under existing metro structure

LI Xiaoying1，DU Xianggang2，3
(1.China Railway Tunnel Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300131，China; 2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 3.State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China)

T here are various existing metro structures of urban subway construction，the safety of which must be ensured during the construction.M aterial Institute interval pumping station which is the Beijing subway line six PhaseⅡstarting point runs beneath the existing subway structure by using freezing method.Based on this project，this paper systematically introduced the design of frozen soil curtain structure，level freezing technology，natural thawing and thaw settlement grouting，and discussed the safety of running beneath the existing subway structure with freezing method from such aspects as freezing temperature field change and surface deformation.T he results showed that the key of running beneath the existing subway structure with freezing method is the forming quality of the frozen soil，the frozen soil temperature is below 25℃and the frost heave thawing settlement amount is within±6 mm during construction，which could ensure the existing metro structure safety and minimize the effect of construction on the surrounding environment.

Subway;Existing structure;Freezing reinforcement;T haw settlement grouting

U455

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.16

1003-1995(2015)02-0058-04

(責(zé)任審編葛全紅)

2014-09-10;

2014-11-25

李曉英(1984—)，男，山西朔州人，工程師，碩士。