董新平 井景鳳 王余飛 張毅豪

(1.鄭州大學(xué)水利與土木學(xué)院， 450001， 鄭州； 2.洛陽(yáng)市軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司， 471009， 洛陽(yáng)∥第一作者， 副教授)

AGF(人工地層凍結(jié))法為地鐵聯(lián)絡(luò)通道的主要施工方法之一，盡管其工藝已較為成熟，但因凍結(jié)失敗導(dǎo)致工程事故的案例仍并不少見(jiàn)[1]。如：2003年上海軌道交通4號(hào)線聯(lián)絡(luò)通道的涌水事故，2005年高雄捷運(yùn)橘線聯(lián)絡(luò)通道泵站的流砂事故，均導(dǎo)致已建盾構(gòu)隧道垮塌；2014年北京某聯(lián)絡(luò)通道1月15日開(kāi)始凍結(jié)，3月12日凍結(jié)壁仍不交圈[2]。上述事故均與凍土帷幕的局部缺陷有關(guān)。

任何凍土帷幕局部缺陷的發(fā)生均不是偶然的，通常是多種因素綜合作用的結(jié)果。對(duì)其進(jìn)行多方位、多角度綜合研究是事故防治的有效手段。文獻(xiàn)[3-9]從管片散熱、地下水、地層、冷排管形式、凍結(jié)管位置誤差等方面研究了凍土帷幕缺陷產(chǎn)生的原因。凍結(jié)管布置形式對(duì)凍土帷幕溫度場(chǎng)有重要影響[3]，凍結(jié)管布置有雙排水平布置、雙排放射布置、單排放射布置、雙排+單排放射布置等形式。國(guó)內(nèi)采用最多的是凍結(jié)管傾斜放射布置形式，且拱部和底部為雙排管，邊墻為單排管，實(shí)際凍結(jié)管開(kāi)孔位置需避開(kāi)管片接頭，這使得凍結(jié)管間距在縱向和橫向上呈現(xiàn)變化趨勢(shì)。本文重點(diǎn)對(duì)凍結(jié)管布置形式影響進(jìn)行研究，并從凍土帷幕溫度場(chǎng)整體性狀層面探究?jī)鼋Y(jié)失敗的可能原因。

1 工程概況

某城市地鐵1號(hào)線在DK21+972.000處設(shè)1座聯(lián)絡(luò)通道兼廢水泵房，隧道埋深為15.3 m，所處地層為②92卵石、③93卵石層。其中，卵石地層中漂石占20%～40%，最大粒徑為400 mm，滲透系數(shù)為80～120 m/d。卵石層為強(qiáng)透水層，且和附近河流有水力聯(lián)系，水量豐富。

該聯(lián)絡(luò)通道采用礦山法+ AGF法施工。冷凍站布置在盾構(gòu)隧道右線(南側(cè))，凍結(jié)管布置剖面如圖1所示。其中，凍結(jié)孔69個(gè)(φ89 mm)，長(zhǎng)2.5～11.1 m；測(cè)溫孔8個(gè)(淺孔φ32 mm，深孔φ89 mm)，長(zhǎng)2.0～6.0 m。

2 計(jì)算模型及參數(shù)選取

2.1 計(jì)算模型和邊界條件

考慮對(duì)稱性，以左線盾構(gòu)隧道中心線和聯(lián)絡(luò)通道中心線交叉點(diǎn)作為原點(diǎn)，沿左線盾構(gòu)隧道走向(z軸負(fù)向)建立分析模型(見(jiàn)圖2)。

左、右線盾構(gòu)隧道管片外徑為3.1 m，內(nèi)徑為2.75 m，管片厚0.35 m。聯(lián)絡(luò)通道中心位置處左、右線盾構(gòu)隧道的中心線距離為15.0 m。聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖寬度為3.8 m，凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度為1.9 m。

自盾構(gòu)隧道與聯(lián)絡(luò)通道交界中心，沿著左、右線盾構(gòu)隧道z軸負(fù)向2.85 m范圍內(nèi)，在盾構(gòu)隧道管片表面敷設(shè)保溫層。該位置按絕熱面處理，其余位置盾構(gòu)隧道管片設(shè)為對(duì)流邊界。

2.2 參數(shù)選取

根據(jù)盾構(gòu)區(qū)間的地質(zhì)勘察報(bào)告，主要計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同溫度下卵石地層的熱力學(xué)參數(shù)

3 凍土帷幕縱向分布特征及薄弱部位

3.1 凍土帷幕性狀定量分析

為對(duì)凍土帷幕整體性狀進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，本文采用以下方法：

1) 將凍結(jié)壁發(fā)展演變過(guò)程按照關(guān)鍵特征溫度細(xì)化分為4個(gè)階段：I階段——第I凍結(jié)區(qū)(即-1～-10 ℃帶狀凍結(jié)區(qū)域)形成，III階段——第II凍結(jié)區(qū)(即-10～-20 ℃帶狀凍結(jié)區(qū)域)形成，IV階段——第III凍結(jié)區(qū)(即<-20 ℃過(guò)度凍結(jié)區(qū)域)形成。第II凍結(jié)區(qū)(凍結(jié)壁)的形成及其厚度的發(fā)展過(guò)程是AGF施工的關(guān)鍵控制指標(biāo)。

2) 對(duì)凍結(jié)帷幕特征等溫線(如-1 ℃ 、-10 ℃、-20 ℃)的坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖輪廓線、凍土帷幕外輪廓線坐標(biāo)，計(jì)算得到凍結(jié)壁位置及其厚度，并對(duì)其進(jìn)行后續(xù)比較和性狀評(píng)價(jià)。

3.2 拱部?jī)鐾玲∧?/h3>

第45天時(shí)z=0剖面處模型的溫度場(chǎng)分布如圖3所示。圖3中，根據(jù)坐標(biāo)信息繪制了凍結(jié)壁外輪廓線(線1、線4)和聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖輪廓線(線2、線3)。

由圖3可見(jiàn)，凍結(jié)壁的溫度在縱向上不均勻，左線盾構(gòu)隧道側(cè)(北側(cè))主要位于第II凍結(jié)區(qū)，右線盾構(gòu)隧道側(cè)(南側(cè))主要位于第I凍結(jié)區(qū)。

凍結(jié)壁的溫度在縱向上不均衡導(dǎo)致拱部?jī)鼋Y(jié)壁厚度在縱向上發(fā)生變化。以第45天為例，計(jì)算第II凍結(jié)區(qū)坐標(biāo)，沿隧道縱向分布如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，拱部?jī)鼋Y(jié)壁從北側(cè)向南側(cè)厚度不均衡，距離左線隧道外側(cè)1～3 m位置的凍結(jié)壁厚度最大，達(dá)2.2 m左右；在右線隧道開(kāi)挖處，凍結(jié)壁厚度最小，約1.7 m。

由于拱頂凍結(jié)管以6°～10°上挑，使得南側(cè)凍結(jié)管與開(kāi)挖邊界距離較近，故開(kāi)挖邊界溫度較低；而在靠近北側(cè)區(qū)域，由于凍結(jié)管與凍結(jié)邊界較近，則凍結(jié)邊界溫度較低。

3.3 泵站區(qū)域凍土帷幕

z=0剖面處泵站下部區(qū)域凍結(jié)管編號(hào)、凍結(jié)壁外輪廓線及節(jié)點(diǎn)編號(hào)，如圖5所示。

凍結(jié)管M4、N4的凍結(jié)壁交圈控制節(jié)點(diǎn)310的溫度變化如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，節(jié)點(diǎn)281和282的凍結(jié)歷程基本一致；節(jié)點(diǎn)310第I階段的開(kāi)始時(shí)間為第10天，比鄰近節(jié)點(diǎn)281晚3 d，該節(jié)點(diǎn)需18 d左右才能進(jìn)入第I凍結(jié)階段。

凍結(jié)管M4和N4的閉合處(見(jiàn)圖5)是整個(gè)泵站區(qū)域的薄弱位置，該位置凍結(jié)壁的形成最晚。

4 凍土帷幕橫向分布特征及薄弱部位

以x=7.5 m剖面為例，對(duì)聯(lián)絡(luò)通道邊墻進(jìn)行凍結(jié)分析。凍結(jié)壁演變?nèi)鐖D7所示。

凍土帷幕隨時(shí)間演變具有以下特點(diǎn)：

1) 聯(lián)絡(luò)通道拱部和底部采用雙凍結(jié)管設(shè)計(jì)，凍結(jié)壁厚度較厚，而邊墻是單層凍結(jié)管設(shè)計(jì)，凍結(jié)壁厚度相對(duì)較薄。

2) 第18天時(shí)，可完成聯(lián)絡(luò)通道中部區(qū)域第I階段凍結(jié)壁交圈，其順序依次為：底板M凍結(jié)管→側(cè)墻D凍結(jié)管→底板與側(cè)墻連接區(qū)域→拱部區(qū)域→拱部與側(cè)墻連接區(qū)域(A6與D1、A12與D2)。拱部與邊墻連接區(qū)域的凍結(jié)壁交圈時(shí)間最長(zhǎng)，最容易成為涌水點(diǎn)。

第45天時(shí)，剖面x=5.0 m、x=7.5 m、x=12.0 m凍結(jié)線與聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖輪廓線坐標(biāo)對(duì)比，如圖8所示。

由圖8可見(jiàn)，3個(gè)剖面的第I凍結(jié)鋒線(0 ℃凍結(jié)線)均可以滿足1.9 m凍結(jié)壁厚度的設(shè)計(jì)要求，但第II凍結(jié)鋒線則局部不滿足該要求：拱頂、底板的第II凍結(jié)鋒線(-10 ℃凍結(jié)線)處有效凍結(jié)壁厚度為1.19～2.18 m，而側(cè)墻處凍結(jié)壁厚度為1.04～1.38 m。凍結(jié)壁厚度的薄弱截面位于側(cè)墻，其中左線x=5 m處的凍結(jié)壁厚度最薄(y=-0.45 m)，即聯(lián)絡(luò)通道北側(cè)邊墻部位冷凍管D5、D6和D7、D8之間區(qū)域(凍結(jié)管間距相對(duì)較大)是凍土帷幕的薄弱位置。

5 結(jié)語(yǔ)

1) 凍土帷幕整體性狀定量評(píng)價(jià)方法可以準(zhǔn)確揭示出任意時(shí)刻凍結(jié)壁、特征等溫線等與聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖輪廓線和設(shè)計(jì)凍土帷幕之間的空間相對(duì)關(guān)系，便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)凍土帷幕在縱向和橫向的整體性狀特征。

2) 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)管單側(cè)開(kāi)孔和放射狀布置形式，使得凍土帷幕整體性狀在局部區(qū)域的凍結(jié)壁厚度和平均溫度上存在薄弱點(diǎn)，增加了AGF法施工的控制難度。

3) 輔助凍結(jié)側(cè)凍結(jié)壁厚度大于其設(shè)計(jì)值，平均溫度較低；而主凍結(jié)側(cè)凍結(jié)壁厚度小于其設(shè)計(jì)值，平均溫度較高。主凍結(jié)側(cè)的拱頂位置是凍結(jié)壁的薄弱點(diǎn)。

4) 聯(lián)絡(luò)通道泵站下部區(qū)域凍結(jié)管相交部位是凍結(jié)薄弱位置，該區(qū)域凍結(jié)壁形成最晚，第II凍結(jié)壁厚度最薄。

5) 聯(lián)絡(luò)通道拱部與邊墻的角部連接區(qū)域凍結(jié)壁交圈時(shí)間最長(zhǎng)，輔助凍結(jié)側(cè)邊墻部位凍結(jié)管間距較大區(qū)域的凍結(jié)壁厚度最薄，為凍土帷幕薄弱部位。

6)采用AGF法施工時(shí)，尤其在強(qiáng)透水性地層、附近有水源等高風(fēng)險(xiǎn)條件下，測(cè)溫孔位置和長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)應(yīng)覆蓋薄弱點(diǎn)，施工中應(yīng)對(duì)薄弱點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。