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.洛陽市軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司， 471009， 洛陽∥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[1]。如：2003年上海軌道交通4號線聯(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)管布置形式對凍土帷幕溫度場有重要影響[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)管開孔位置需避開管片接頭，這使得凍結(jié)管間距在縱向和橫向上呈現(xiàn)變化趨勢。本文重點(diǎn)對凍結(jié)管布置形式影響進(jìn)行研究，并從凍土帷幕溫度場整體性狀層面探究凍結(jié)失敗的可能原因。

1 工程概況

某城市地鐵1號線在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(φ89 mm)，長2.5～11.1 m；測溫孔8個(淺孔φ32 mm，深孔φ89 mm)，長2.0～6.0 m。

2 計算模型及參數(shù)選取

2.1 計算模型和邊界條件

考慮對稱性，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)通道開挖寬度為3.8 m，凍結(jié)壁設(shè)計厚度為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)勘察報告，主要計算參數(shù)見表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

為對凍土帷幕整體性狀進(jìn)行定量評價，本文采用以下方法：

1) 將凍結(jié)壁發(fā)展演變過程按照關(guān)鍵特征溫度細(xì)化分為4個階段：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)展過程是AGF施工的關(guān)鍵控制指標(biāo)。

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

3.2 拱部凍土帷幕

第45天時z=0剖面處模型的溫度場分布如圖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)通道開挖輪廓線(線2、線3)。

由圖3可見，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)致拱部凍結(jié)壁厚度在縱向上發(fā)生變化。以第45天為例，計算第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，拱部凍結(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)管與開挖邊界距離較近，故開挖邊界溫度較低；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、凍結(jié)壁外輪廓線及節(jié)點(diǎn)編號，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，節(jié)點(diǎn)281和282的凍結(jié)歷程基本一致；節(jié)點(diǎn)310第I階段的開始時間為第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(見圖5)是整個泵站區(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，凍結(jié)壁厚度較厚，而邊墻是單層凍結(jié)管設(shè)計，凍結(jié)壁厚度相對較薄。

2) 第18天時，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)壁交圈時間最長，最容易成為涌水點(diǎn)。

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

由圖8可見，3個剖面的第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)管間距相對較大)是凍土帷幕的薄弱位置。

5 結(jié)語

1) 凍土帷幕整體性狀定量評價方法可以準(zhǔn)確揭示出任意時刻凍結(jié)壁、特征等溫線等與聯(lián)絡(luò)通道開挖輪廓線和設(shè)計凍土帷幕之間的空間相對關(guān)系，便于實(shí)時監(jiān)測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)壁交圈時間最長，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，尤其在強(qiáng)透水性地層、附近有水源等高風(fēng)險條件下，測溫孔位置和長度的設(shè)計應(yīng)覆蓋薄弱點(diǎn)，施工中應(yīng)對薄弱點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。