譚佳

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣州 510220）

1 引言

由于城市地鐵工程施工時(shí)，經(jīng)常遇到地質(zhì)條件惡劣、周邊環(huán)境復(fù)雜、市政管線眾多的情況，如何在加固地層的基礎(chǔ)上，有效控制地表和管線沉降，是施工過程中經(jīng)常遇到的難題[1]?！皟鐾?鋼管棚”復(fù)合加固結(jié)構(gòu)，以管棚受力、凍土止水的加固理念可以提高不良地質(zhì)條件下淺埋暗挖工程施工的安全可靠性。某地鐵站2號出入口位于康王中路與長壽西路交叉口下方，覆土淺、地層軟弱、地面存在重要道路以及市政管線敏感，采用此復(fù)合加固結(jié)構(gòu)成功實(shí)施暗挖。

2 工程概況

某地鐵車站2號出入口凍結(jié)段位于車站主體結(jié)構(gòu)負(fù)1層和華林國際D館連接段，切入華林國際D館地下弧形維護(hù)結(jié)構(gòu)樁，短邊距5.6m，長邊距8.3m，頂部埋深僅3.9m。加固區(qū)域地面標(biāo)高為+7.500m，2號出入口集水井底開挖面標(biāo)高為-4.708m。

根據(jù)地勘資料揭示加固區(qū)域主要地層為：＜1＞雜填土、＜2-1A＞海陸交互相沉積淤泥層、＜2-2＞海陸交互相沉積粉細(xì)砂及淤泥質(zhì)粉質(zhì)細(xì)砂層。

該凍結(jié)加固區(qū)域主要管路自上而下分別為：1×1m電力管溝，φ500mm煤氣管、φ300mm給水管、φ800mm給水管、φ800mm排水管，各管路與凍結(jié)區(qū)域呈正交狀態(tài)。加固位置上方管線較多，距離近、風(fēng)險(xiǎn)大。

3 凍結(jié)設(shè)計(jì)施工方案

3.1 凍結(jié)設(shè)計(jì)

1）頂部凍結(jié)壁共設(shè)計(jì)管棚孔（兼作凍結(jié)孔）21個(gè)，拱部凍結(jié)壁厚度1m，遵循“強(qiáng)管棚弱凍結(jié)”的設(shè)計(jì)思路，拱部以上荷載完全由管棚承擔(dān)，凍結(jié)達(dá)到止水效果。在管棚及凍土帷幕的雙重保護(hù)之下，進(jìn)行暗挖施工作業(yè)。

兩側(cè)及底部各布置2排凍結(jié)孔，梅花形布置，底部管棚凍結(jié)孔距離初支240mm，兩側(cè)凍

結(jié)孔距離初期支護(hù)外側(cè)700mm，底部凍結(jié)孔距離初期支護(hù)外側(cè)600mm。此外，2號出入口由于結(jié)構(gòu)高度較大又存在較大的開挖仰角（23°），為保證分塊開挖區(qū)的穩(wěn)定性，中間增加橫向和豎向1.5m厚凍結(jié)壁分隔墻，采用全斷面加固凍結(jié)以保證開挖掌子面的穩(wěn)定性。加固后的地基具有良好的均勻性、穩(wěn)定性和必要的強(qiáng)度。

2）對凍結(jié)壁采用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行了有限元數(shù)值分析，求解凍結(jié)壁厚度發(fā)展情況、平均溫度。根據(jù)溫度場計(jì)算，設(shè)計(jì)積極凍結(jié)時(shí)間為45d；考慮維護(hù)結(jié)構(gòu)散熱影響，設(shè)計(jì)底板、側(cè)墻有效凍結(jié)壁平均溫度-10℃，有效凍結(jié)壁厚度為2.5m；頂板有效凍結(jié)壁平均溫度-10℃，有效凍結(jié)壁厚度為1.0m（控制凍結(jié)）；中板、中墻有效凍結(jié)壁平均溫度-10℃，有效凍結(jié)壁厚度為1.5m。

3）凍土結(jié)構(gòu)計(jì)算：凍結(jié)加固范圍內(nèi)土層主要為＜2-2＞淤泥質(zhì)粉細(xì)砂，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)暫取-10℃凍土和-10℃管棚凍土強(qiáng)度指標(biāo)：抗壓5.0MPa，抗折2.5MPa，抗剪2.0MPa。設(shè)計(jì)取-10℃凍土的彈性模量和泊松比分別取150MPa和0.25；設(shè)計(jì)取-10℃管棚凍土的彈性模量和泊松比分別取300MPa和0.25。設(shè)計(jì)底板、側(cè)墻有效凍結(jié)壁平均溫度-10℃，有效凍結(jié)壁厚度為2.5m；頂板有效凍結(jié)壁平均溫度-10℃，有效凍結(jié)壁厚度為1.0m；不考慮中板和中墻凍土作用。計(jì)算內(nèi)容主要為在中間土體一次性全斷面開挖的情況下（相對實(shí)際開挖情況為最不利情況），周圍凍土結(jié)構(gòu)是否可滿足強(qiáng)度和變形要求。

4）計(jì)算結(jié)論：一次性開挖全部凍土中間土體方式，開挖產(chǎn)生最大變形位于凍土底板中間位置，最大達(dá)66mm；計(jì)算在一次性開挖的情況下地面沉降達(dá)到22～29mm，開挖變形偏大。為減少地面沉降變形，開挖時(shí)需要采取措施以減小凍土變形確保工程施工安全，開挖方式應(yīng)分區(qū)開挖，及時(shí)支護(hù)。

由于原計(jì)算未考慮分區(qū)開挖，中板凍土和中墻凍土的作用，且實(shí)際施工再次優(yōu)化凍結(jié)孔設(shè)計(jì)布置方式，底部凍結(jié)壁厚度超過設(shè)計(jì)2.5m厚度，并采用臨時(shí)型鋼中隔壁措施，實(shí)際開挖變形控制在10mm內(nèi)。

開挖期間沉降實(shí)際值與模擬值對比如圖1所示。

3.2 管棚施工工藝

凍結(jié)+管棚聯(lián)合施工，一方面凍土具有良好的水密性、均值性和復(fù)原性；另一方面，管棚剛度大、承載力高，在一定程度上減少了凍土工程量，提高了經(jīng)濟(jì)效益。管棚的造孔施工是本工程的重大難點(diǎn)之一，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

1）需穿越圍護(hù)樁障礙物。華林國際側(cè)存在φ1 000mm@1 100mm弧形圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)，管棚鉆進(jìn)需穿過此結(jié)構(gòu)并嵌入華林國際地下室結(jié)構(gòu)墻15cm，以形成共同受力體系。

圖1 沉降實(shí)際值與模擬值對比

2）鉆孔偏斜控制難度較大。管棚位于雜填土層，穿越土層軟硬不均，鉆孔時(shí)易出現(xiàn)卡鉆、偏鉆，鉆孔精度不易控制。

3）易引起地表沉降。管棚孔設(shè)計(jì)端部位置距離地面僅1 007mm，尤其在穿越混凝土障礙物時(shí)，極易引起地層的擾動(dòng)，造成地面沉降。

針對以上特點(diǎn)，本項(xiàng)目采用雙重套管工藝施工：安裝調(diào)試鉆機(jī)→φ200mm一次開孔安裝孔口管→φ168mm×8mm管棚套管跟管鉆進(jìn)至圍護(hù)樁→φ146mm×10mm管棚套管跟管鉆進(jìn)至對側(cè)地下室板墻并嵌入15cm→下放φ76mm×5mm凍結(jié)管→采用雙液漿充填環(huán)形間隙并滿焊管棚和凍結(jié)管間隙。

4 凍脹控制措施

1）管棚抗凍脹。管棚由車站側(cè)結(jié)構(gòu)墻+地連墻、華林國際側(cè)維護(hù)樁以及華林國際結(jié)構(gòu)墻體（嵌入15 cm）作為支撐，共同形成超靜定梁結(jié)構(gòu)，能夠抵抗下部凍結(jié)帶來的凍脹影響。

2）土體改良。鉆孔施工期間地層注入水泥-水玻璃雙漿液，共計(jì)水泥100.6t，水玻璃20t，對土層性質(zhì)進(jìn)行了改變，抑制了水分遷移，在一定程度上起到減小土體凍脹的作用。

3）地面鋪設(shè)防水層。廣州雨水豐沛，在2號出入口正上方的華林國際商城前方步行道區(qū)域鋪設(shè)防水層，阻止雨水下滲到凍結(jié)區(qū)域，較少凍脹影響。

4）設(shè)置溫控區(qū)域。在開挖區(qū)域上部設(shè)置溫控區(qū)域，溫控區(qū)域是由在泄壓孔穿插設(shè)置12個(gè)加熱孔組成。一方面通過建立溫控區(qū)域控制凍土向外發(fā)展邊界，進(jìn)而控制凍土體量，減小凍脹量；另一方面加熱孔可確保泄壓孔周邊土體不被凍結(jié)，保證泄壓孔有效性。當(dāng)凍土帷幕上邊界的測點(diǎn)溫度達(dá)到0℃時(shí)，開啟加熱孔進(jìn)行人工強(qiáng)制解凍。

5）物理泄壓。根據(jù)凍結(jié)設(shè)計(jì)要求，在頂部及開挖面布設(shè)泄壓孔22個(gè)。泄壓孔鉆孔工序同凍結(jié)孔，泄壓孔采用φ108mm×8m低碳無縫鋼管制作，加工成花管形式?？紤]到實(shí)際過程中泄壓的困難和失效，選用φ110mm的螺旋鉆桿重新鉆孔疏通泄壓。

6）間歇性開停機(jī)凍結(jié)。在確保凍結(jié)效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前提下，可以通過間歇性開停機(jī)凍結(jié)的方式來控制凍脹。2號出入口自2020年1月26日開始，采用開機(jī)24h停機(jī)24h的間歇凍結(jié)方案，地面及管線沉降得到了有效控制。

5 沉降監(jiān)測

在2號出入口上方的φ300mm給水管上布設(shè)了沉降監(jiān)測點(diǎn)GX9～GX11,監(jiān)測頻率每天1次。監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖2所示。

從圖2中可以看出：積極凍結(jié)前期管線抬升較為明顯，最大值為+38mm，通過卸壓以及后期間歇性開停機(jī)等措施后管線抬升速度小，凍脹控制效果較為理想。

6 結(jié)語

圖2 管線沉降變化曲線

管棚法輔助凍結(jié)的復(fù)合加固是適用于淤泥地層、淺覆土及凍脹控制要求高的礦山法施工加固工法。本工程成功運(yùn)用了該工法對淺埋地層進(jìn)行加固，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果采取臨時(shí)支護(hù)措施并調(diào)整開挖步序，可進(jìn)一步優(yōu)化底部凍結(jié)壁布孔且確保凍土底板位置變形可控。通過設(shè)置溫控區(qū)域、物理泄壓、間歇性開停機(jī)凍結(jié)等輔助措施，有效地控制了地面及凍結(jié)區(qū)域上方的管線凍脹抬升，對類似城市地下工程建設(shè)項(xiàng)目具有很好的參考作用。