武相坤 WU Xiang-kun；豆紅堯 DOU Hong-yao；張元師 ZHANG Yuan-shi；錢棟棟 QIAN Dong-dong

（①中車智能交通工程技術(shù)有限公司，北京 100078；②江蘇中車城市發(fā)展有限公司，無錫 214105；③中國鐵路沈陽局集團有限公司工電檢測所，沈陽 110001）

0 引言

當前，國家大力發(fā)展城市軌道交通，輕軌或地鐵在軟土或沙土地區(qū)施工難度大，風險高。冷凍法作為一種土體加固施工技術(shù)，在軟弱土層的聯(lián)絡(luò)通道開挖及襯砌施工過程中具有重要作用[1-3]。本文以臺州市域鐵路S1 線一期工程為例，首次在該地區(qū)軌道交通中應(yīng)用冷凍法技術(shù)施工，通過對冷凍結(jié)果分析驗證冷凍法施工在該地區(qū)軟弱土層加固效果，研究是否具有擴大推廣應(yīng)用意義。

1 工程設(shè)計概況

1.1 工程概況

萬昌路站～溫嶺體育場站區(qū)間，線路出萬昌路站沿中華路向東南方向行進，下穿東月河橋，沿體育場路至溫嶺體育場站，線路基本敷設(shè)于中華路和體育場路下。區(qū)間1#聯(lián)絡(luò)通道兼泵房位于里程右S1DK45+300.000 （左S1ZDK45+300.84），1#聯(lián)絡(luò)通道兼泵房長7.072m；通道口寬1.5m；高2.25m；通道內(nèi)寬2.9m；通道高內(nèi)3m；泵房長5.2m；寬3m；高4.08m。聯(lián)絡(luò)通道由水平通道以及與隧道管片相連的喇叭口構(gòu)成，采用水平凍結(jié)技術(shù)對地層進行加固，然后采用暗挖法施工。聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 1# 聯(lián)絡(luò)通道兼泵房結(jié)構(gòu)剖面圖

1.2 地質(zhì)條件

1#聯(lián)絡(luò)通道兼泵房埋深18.224m，所處地層為2-4 礫砂、3-2 黏土和3-3 黏土層，隧道上覆土層為1-0 黏土、1黏土和2-2 淤泥，隧道下臥土層為3-3 黏土。場地分布的地下水主要有下部碎礫石層中的孔隙微承壓水和賦存于淺部黏性土層中的孔隙潛水。

1.3 凍結(jié)帷幕設(shè)計

①聯(lián)絡(luò)通道由專業(yè)單位進行凍結(jié)設(shè)計，凍結(jié)壁有效厚度為2m，凍結(jié)壁平均溫度為-10℃；②凍土強度的設(shè)計指標：單軸抗壓強度≥4.0MPa，彎折抗拉強度≥1.8MPa，抗剪強度≥1.5MPa（-10℃）。

2 施工技術(shù)方法

根據(jù)聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)形式和凍結(jié)帷幕設(shè)計要求，凍結(jié)孔按下俯、水平、上仰3 種角度布置在泵站和聯(lián)絡(luò)通道的四周，同時考慮到安全，為增強凍結(jié)效果，在通道下方布設(shè)一排凍結(jié)孔，把積水泵坑和通道作為2 個獨立的區(qū)域進行凍結(jié)，這樣可將聯(lián)絡(luò)通道中間（最危險斷面）處視為封閉。1#聯(lián)絡(luò)通道兼泵站凍結(jié)孔數(shù)為76 個（冷凍站側(cè)隧道內(nèi)布置53 個凍結(jié)孔，冷凍站對側(cè)布置23 個凍結(jié)孔）。

3 施工工藝及技術(shù)參數(shù)

3.1 凍結(jié)施工技術(shù)流程

圖2 為凍結(jié)施工流程圖。

圖2 凍結(jié)施工流程圖

圖3 鹽水去路和回路溫度曲線圖

3.2 施工技術(shù)參數(shù)

施工技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 凍結(jié)施工主要技術(shù)參數(shù)表

4 冷凍施工效果分析

4.1 鹽水降溫情況分析

1#聯(lián)絡(luò)通道于2021年9月18日開始積極凍結(jié)，至11月14日，凍結(jié)歷時45d。 2021年9月24日積極凍結(jié)7d，測得鹽水溫度下降至-21℃，符合設(shè)計要求（設(shè)計凍結(jié)7d，要求鹽水溫度降至-18℃以下）；10月5日積極凍結(jié)15d，測得鹽水溫度降至-26℃，符合設(shè)計要求（設(shè)計凍結(jié)15d，要求鹽水溫度降至-24℃以下）；10月21日鹽水溫度降至-30℃。最終去、回路鹽水溫差不大于2℃，以上均符合設(shè)計要求。

4.2 測溫孔溫度監(jiān)測及分析

開挖面布置了8 個溫度孔，其編號分別為C1、C2、C3、C4 、C5、C6、C7、C8，鑒于篇幅，以C4 為例，其溫度變化曲線詳見圖4。C4 測溫點距離最近凍結(jié)孔930mm，于2021年10月28日溫度降至0℃以下，歷時29 天，平均每天擴展速度32mm/d。

圖4 4# 測溫孔溫度變化曲線圖

根據(jù)凍結(jié)壁擴展厚度計算公式：Eyj=Vdp·t

式中：Eyj——預(yù)計凍結(jié)壁厚度，m；Vdp——凍結(jié)壁平均擴展速度，m/d；T——凍結(jié)時間，d。

通過統(tǒng)計監(jiān)測數(shù)據(jù)，凍土的最慢發(fā)展速度為29.6mm/d，凍結(jié)45d 后通過計算得到發(fā)展半徑r＝1332mm，按凍結(jié)發(fā)展半徑1332mm 作圖，從交圈圖上測量出：聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕最薄有效厚度為2131.8mm，大于設(shè)計要求的聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕最薄有效厚度2000mm。

利用《建井工程手冊》凍結(jié)施工成冰公式確定1#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕的平均溫度，見下公式：

式中：toc——通過零度邊界線計算凍結(jié)壁的平均溫度，℃；tc——凍結(jié)壁平均溫度，℃；tb——鹽水溫度，取-30℃；l——凍結(jié)孔間距，取1.1m；E——凍結(jié)壁厚度，取2.13m；tn——井幫凍結(jié)帷幕溫度，取-5.4℃；經(jīng)計算：凍結(jié)壁平均溫度為-10.58℃，達到設(shè)計要求。

5 有限元方法驗算

5.1 設(shè)計計算參數(shù)

根據(jù)1#聯(lián)絡(luò)通道埋深及所處位置地層設(shè)計，凍土帷幕有效厚度為2.0m，凍土帷幕平均溫度為≤-10℃。設(shè)計取-10℃凍土的彈性模量（150MPa）和泊松比（0.3），凍土強度指標為：抗壓強度4.0MPa，抗折強度1.8MPa，抗剪強度1.5MPa。凍結(jié)之后承載力驗算采用容許應(yīng)力法，強度檢驗安全系數(shù)抗壓取2.0，抗折取3.0，抗剪取2.0。根據(jù)開挖向下變形特性，凍土帷幕頂面所受土壓力按主動土壓力計算，側(cè)面承受水土壓力靜止側(cè)壓力系數(shù)計算時取0.7，土的平均重度取18.5kN/m3。

5.2 凍土帷幕承載力驗算

驗算過程采用均質(zhì)線彈性平面應(yīng)變模型，對1#通道凍土帷幕進行力學分析。取凍土帷幕平均溫度下的凍土力學特性值作為力學特性參數(shù)。根據(jù)1#通道對稱性，取結(jié)構(gòu)的1/4 作為計算模型。凍土帷幕承載力驗算如下：

凍土帷幕頂面土壓力：

凍結(jié)壁頂板反力主要受靜水壓力和開挖時因頂板向下變形，上部土體的作用力。

凍土帷幕側(cè)面土壓力：

K0－0.7，靜止側(cè)壓力系數(shù)。

通過有限元分析凍土帷幕的受力與變力，從分析結(jié)果可得出：凍結(jié)后土體應(yīng)力值遠小于強度，安全系數(shù)高于指標要求，凍土帷幕的承載力滿足要求。

計算顯示在隧道外側(cè)的交接處、隧道內(nèi)側(cè)與凍結(jié)壁接處局部存在應(yīng)力集中，但是范圍比較小，且凍土帷幕角度為圓弧過渡，而且凍土帷幕中間尚有土體或支撐體。（圖5、圖6、表2）

表2 通道凍土帷幕應(yīng)力、位移計算值及安全系數(shù)

圖5 通道凍土帷幕有限元計算模型

圖6 水平通道凍土帷幕有限元計算模型

6 結(jié)論

冷凍法施工過程中應(yīng)加強監(jiān)測，以保證土體凍結(jié)的安全性和可靠性。根據(jù)日常溫度監(jiān)測進行計算得知該聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁平均溫度為-10.6℃、凍結(jié)帷幕最薄有效厚度為2.13m、井壁處探孔溫度為-5.4℃，均滿足設(shè)計要求，土體冷凍質(zhì)量好，加固效果得到保證，證明在臺州地區(qū)軟土采用冷凍法施工可以滿足強度和安全性要求，為聯(lián)絡(luò)通道后續(xù)開挖及襯砌施工提供了技術(shù)保障和安全作業(yè)條件，也為同類工程冷凍加固施工提供了借鑒和參考。