郭建濤，孫立柱，油新華

(1.中國(guó)建筑股份有限公司技術(shù)中心，北京 101300；2.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100082)

1 工程概況

1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道位于北京地鐵7號(hào)線東延工程萬(wàn)盛南街西口站—云景東路站區(qū)間。采用明挖法、盾構(gòu)法施工，其中，里程左線K32+279.578—K34+60.548為盾構(gòu)法施工，K34+60.548—K34+86.878為明挖法施工；右線K32+279.578—K34+86.878均為盾構(gòu)法施工。1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置于規(guī)劃萬(wàn)盛南街(規(guī)劃薈萃南大街)綠化帶內(nèi)，1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道中心里程右K32+700，覆土約21.5m，左、右線中心距為16m，左、右線隧道中心標(biāo)高為-0.231m，地面標(biāo)高約22.960m。聯(lián)絡(luò)通道平面布置如圖1所示。

圖1 7號(hào)線東延工程萬(wàn)云區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道平面布置

2 工程地質(zhì)及水文條件

1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖范圍內(nèi)土層主要由⑥粉質(zhì)黏土層、⑦粉細(xì)砂層、⑧粉質(zhì)黏土層 、⑧2黏質(zhì)粉土～砂質(zhì)粉土層、⑨細(xì)中砂層組成，拱部以上為較厚飽和水砂層，基底位于⑨細(xì)中砂層，加固范圍主要為細(xì)中砂層、粉質(zhì)黏土層。

層間水主要含水層為④3粉細(xì)砂層、④2砂質(zhì)粉土黏質(zhì)粉土層、⑤細(xì)中砂層、⑤1砂質(zhì)粉土黏質(zhì)粉土層、⑤4中粗砂層、⑦粉細(xì)砂層、⑦1中粗砂層，主要接受側(cè)向徑流及越流補(bǔ)給，以側(cè)向徑流方式排泄，水頭埋深為9.75～12.00m，水頭標(biāo)高為10.160～13.190m。承壓水主要含水層為⑨細(xì)中砂層、⑨4中粗砂層、⑨3圓礫層，含水層分布連續(xù)，水頭埋深為15.78～18.58m，水頭標(biāo)高為3.890～7.160m，主要接受側(cè)向徑流及越流補(bǔ)給，以側(cè)向徑流、人工開(kāi)采方式排泄。本工程聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖范圍內(nèi)主要為承壓水，其中1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)入承壓水中，水頭高出聯(lián)絡(luò)通道2.6m。

3 凍結(jié)設(shè)計(jì)及參數(shù)選取

凍結(jié)法是向地層中打入鋼管，在鋼管內(nèi)循環(huán)流動(dòng)低溫鹽水，將地層內(nèi)的熱量帶出，使地層慢慢冷卻到 0℃以下結(jié)成冰塊，形成一個(gè)密閉的堅(jiān)硬殼體，不僅可承受四周水土壓力，還能隔絕地下水，保證施工安全。

目前，已有國(guó)內(nèi)外專家采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬 和室內(nèi)試驗(yàn)等方法對(duì)人工凍結(jié)法凍結(jié)及解凍溫度場(chǎng)、土層位移、應(yīng)力等物理力學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。為確保工程安全，本文采用有限元和經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學(xué)2種計(jì)算方法，確定1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法的設(shè)計(jì)參數(shù)及凍結(jié)范圍。

3.1 凍結(jié)壁設(shè)計(jì)

水平通道外圍凍結(jié)壁有效厚度初步設(shè)計(jì)為2.2m，凍結(jié)壁平均溫度≤-10℃。設(shè)計(jì)取-10℃凍土，彈性模量為120MPa，泊松比為0.25，抗壓強(qiáng)度3.6MPa，抗折強(qiáng)度2.0MPa，抗剪強(qiáng)度1.5MPa。凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道斷面如圖2所示。

圖2 凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道斷面

3.2 有限元計(jì)算

聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁力學(xué)分析采用均質(zhì)線彈性三維模型，考慮結(jié)構(gòu)埋深較深，初始地應(yīng)力產(chǎn)生的變形對(duì)凍結(jié)壁影響較大，故采用中間未凍土開(kāi)挖進(jìn)行模擬計(jì)算。凍土力學(xué)特性參數(shù)取凍結(jié)壁平均溫度下的凍土力學(xué)特性值，計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 通道凍結(jié)壁有限元計(jì)算模型

采用有限元法進(jìn)行凍結(jié)壁的受力分析與變形計(jì)算，1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道有限元計(jì)算結(jié)果如圖4所示，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，計(jì)算凍土壁安全系數(shù)如表1所示，計(jì)算所得變形為彈性變形，未考慮開(kāi)挖后未開(kāi)挖部分土體作用，因此，計(jì)算和實(shí)際相比偏于安全。

圖4 1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道有限元計(jì)算結(jié)果

表1 1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁應(yīng)力、位移計(jì)算值及安全系數(shù)

3.3 經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算

凍土壁承載力驗(yàn)算采用許用應(yīng)力法，根據(jù)DG/TJ 08—902—2016《旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程》中的Ⅲ類凍結(jié)壁強(qiáng)度檢驗(yàn)，安全系數(shù)取抗壓強(qiáng)度2.0，抗折強(qiáng)度3.0，抗剪強(qiáng)度2.0。

凍結(jié)壁頂面所受土壓力根據(jù)開(kāi)挖向下變形特性按主動(dòng)土壓力計(jì)算，側(cè)面承受水土側(cè)壓力，靜止側(cè)壓力系數(shù)按0.4計(jì)算，土的平均重度取18.5kN/m3，正常斷面荷載值為HZ1=200.020kPa，HZ2=181.228kPa，HZ3=146.633kPa，HZ4=366.583kPa，未記地面超載20kPa及側(cè)向超載8kPa。計(jì)算模型如圖5所示，荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖6所示，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖5 計(jì)算模型

圖6 荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖7 經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算結(jié)果

凍結(jié)壁最大應(yīng)力、位移計(jì)算值及安全系數(shù)如表2所示。

表2 凍結(jié)壁最大應(yīng)力、位移計(jì)算值及安全系數(shù)

4 凍結(jié)施工流程及地表沉降監(jiān)測(cè)

1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工流程為：施工凍結(jié)孔、測(cè)溫孔、卸壓孔→管路連接、開(kāi)機(jī)調(diào)試→積極凍結(jié)→開(kāi)挖構(gòu)筑施工，如圖8所示。

圖8 凍結(jié)施工流程

施工過(guò)程中選取1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道中部斷面為監(jiān)測(cè)對(duì)象，以1號(hào)聯(lián)絡(luò)線中心線為中心，兩側(cè)分別布置5個(gè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距為2m，共計(jì)10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，地表最終變形如圖9所示。

圖9 1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道中部斷面地表變形

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道最大沉降變形值為14.24mm，滿足地鐵規(guī)范規(guī)定的變形要求(規(guī)范要求≤20mm)，因此，上述設(shè)計(jì)保證了施工安全。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合2種計(jì)算結(jié)果，通道部分的凍結(jié)壁強(qiáng)度和剛度均滿足相關(guān)規(guī)范、規(guī)程要求。雖然水平通道中間部位位移較大，但水平通道中間是通道段的最后施工部位，在開(kāi)挖時(shí)間內(nèi)凍土作用還有一定發(fā)展，可保證施工安全。

因此，凍結(jié)壁設(shè)計(jì)參數(shù)取1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道及泵站凍結(jié)壁厚度≥2.2m，凍結(jié)壁平均溫度≤-10℃能滿足施工要求。