用局部凍結(jié)法修復(fù)損壞的地鐵隧道

孫 闖，周興旺，韓玉福

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧阜新 123000；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013）

用局部凍結(jié)法修復(fù)損壞的地鐵隧道

孫 闖1，周興旺2，韓玉福2

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧阜新 123000；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013）

京滬高鐵樁基施工中造成上海某地鐵隧道管片破損，大量淤泥流入隧道內(nèi)部，工程采用臺階式封堵墻對隧道內(nèi)部土體進行封堵，并對破損隧道內(nèi)部進行注漿充填。隧道上部土體采用地面充填加固注漿的方法加固擾動土層；修復(fù)段采用“地面垂直凍結(jié)加固土體，結(jié)合隧道內(nèi)水平凍結(jié)加固土體，隧道內(nèi)開挖構(gòu)筑”的施工方案；在破損隧道上部及四周3 m范圍內(nèi)進行局部凍結(jié)，形成強度高，封閉性好的凍土帷幕。凍土帷幕形成后采用暗挖礦山法進行修復(fù)段隧道的開挖構(gòu)筑施工，對破損管片采用原位修復(fù)方案，施工取得圓滿成功。通過介紹隧道修復(fù)設(shè)計方案，并對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，為類似工程提供借鑒。

凍結(jié)法；凍土帷幕；隧道；封堵墻

1 概 述

近10年來，我國地下工程領(lǐng)域取得了突飛猛進的發(fā)展，尤其是城市地下工程的飛速發(fā)展，在設(shè)計與施工技術(shù)水平上已日趨成熟［1］。但隨著地鐵施工數(shù)量的增多，一些意外的施工事故也會對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響甚至損壞，尤其是遇到涌水、流砂、淤泥等復(fù)雜不穩(wěn)定地質(zhì)條件時，給修復(fù)工程帶來很大的難度。所以，地鐵修復(fù)工程設(shè)計與施工技術(shù)已成為巖土工程中的重點同時也是難點問題。隨著人工凍結(jié)技術(shù)在我國礦井與地下工程中的廣泛應(yīng)用，人工凍結(jié)施工技術(shù)已經(jīng)達到很高的水平，針對地質(zhì)條件較差的隧道修復(fù)工程，采用人工凍結(jié)法對隧道圍巖進行凍結(jié)，在破損隧道周圍形成強度高，封閉性好的凍土墻或凍土圈，使修復(fù)工程的安全性與效率大幅提高［2－5］。近幾年人工凍結(jié)技術(shù)的應(yīng)用在地鐵修復(fù)工程中起到了至關(guān)重要的作用，文獻［6］，［7］介紹了人工凍結(jié)法在特殊環(huán)境條件下上海軌道交通四號線修復(fù)工程中的修復(fù)工藝以及設(shè)備配置；文獻［8］介紹了采用水平凍結(jié)技術(shù)對隧道進行修復(fù)，工程中對破壞隧道與完好隧道連接段采用垂直封水擋土凍結(jié)與水平凍結(jié)暗挖法相結(jié)合的修復(fù)方案，修復(fù)工程取得了成功；文獻［9］詳細介紹了采用了4排管局部凍結(jié)法對地鐵隧道進行修復(fù)，并對現(xiàn)場凍結(jié)溫度、凍脹力等進行監(jiān)測分析；文獻［10］介紹了在含鹽地層中隧道涌水凍結(jié)法施工修復(fù)技術(shù)。

鑒于上海人民路地鐵隧道修復(fù)工程具有較高的風(fēng)險性和復(fù)雜性，經(jīng)專家組反復(fù)論證后，修復(fù)工程決定采用原位修復(fù)方案，上行線區(qū)間隧道修復(fù)段采用“地面垂直凍結(jié)加固土體，結(jié)合隧道內(nèi)水平凍結(jié)加固土體，隧道內(nèi)開挖構(gòu)筑”的施工方案，在破損隧道上部及四周3 m范圍內(nèi)進行局部凍結(jié)，凍土帷幕形成后采用礦山暗挖法進行修復(fù)段隧道的開挖構(gòu)筑施工。

2 工程概況

京滬高速鐵路某標(biāo)段拱橋工程樁基施工中，造成正在建設(shè)中的人民路地鐵隧道局部損壞，地面施工情況如圖1所示。上行線505環(huán)與535環(huán)之間的盾構(gòu)隧道管片，被5根PHC（預(yù)應(yīng)力高強混凝土）樁基所擊穿，造成泥土進入隧道，上行線受損部位被完全堵塞，長度約42 m，在隧道受損位置附近，上、下行線隧道的中心標(biāo)高分別為－14.507 m和－14.557 m，隧道中心距12.4 m。圖2為本工程的地質(zhì)情況示意圖，經(jīng)勘察，擬建場地50.0 m深度范圍內(nèi)地層埋藏分布較穩(wěn)定，區(qū)間隧道修復(fù)段施工區(qū)土層為⑤1－1黏土和⑥2灰色粉質(zhì)黏土，地基土物理性能見表1。

3 凍結(jié)設(shè)計方案

3.1 凍土帷幕設(shè)計參數(shù)

凍土帷幕頂面所受土壓力根據(jù)隧道內(nèi)部開挖后破損隧道上部土體向下變形特性，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)取0.7計算，土的平均重度取18.5 kN／m3。設(shè)計?。?0℃凍土的彈性模量和泊松比分別為150 MPa和0.27。凍土強度指標(biāo)為：抗壓強度3.6 MPa，抗折強度2.0 MPa。強度檢驗安全系數(shù)?。嚎箟?.0 MPa，抗折3.0 MPa，抗剪2.0 MPa。設(shè)計隧道兩側(cè)及底部凍土帷幕有效厚度為2.2 m，隧道上部凍土帷幕有效厚度為3 m。凍土帷幕應(yīng)力、位移計算值及安全系數(shù)見表2。

圖1 工程平面示意圖Fig.1 Plan of the project

圖2 地質(zhì)剖面示意圖Fig.2 Geological profile

表1 地基土物理力學(xué)性能指標(biāo)Table1 Physical and mechanical property indexes of the foundation soil

表2 凍土帷幕應(yīng)力、位移計算值及安全系數(shù)Table2 Calculated stress and displacement of freezing soil curtain and safety factors

3.2 凍結(jié)孔設(shè)計參數(shù)

對上行線隧道進行修復(fù)時，共布置10排246個凍結(jié)孔，開孔間距為0.6～1.5 m，其中共設(shè)在地面布置垂直凍結(jié)孔163個，傾斜孔40個，凍結(jié)管總長度為4 371.688 m，地面垂直孔2 836.054 m，傾斜孔969.84 m，在下行線隧道內(nèi)設(shè)水平孔565.794 m，根據(jù)設(shè)計凍結(jié)孔間距、凍結(jié)溫度和鹽水流量估算，凍土帷幕交圈時間為20～25 d，積極凍結(jié)45 d時，凍土帷幕厚度可達設(shè)計要求。凍結(jié)孔及測溫孔布置如圖3所示。由于事故范圍內(nèi)原施工臨時PHC樁很多，且樁體垂直精度相對較差，因此，雖然水平凍結(jié)管的布置均已避讓，但實施過程中仍有可能碰到樁體而使水平凍結(jié)孔無法施工。在此情況下，可考慮調(diào)整位置和角度重新打孔、打補孔、加強孔等措施，以確保凍結(jié)帷幕的質(zhì)量與安全。在凍結(jié)管施工過程中，垂直孔和傾斜孔鉆進完畢后，下入凍結(jié)管，外接箍焊接連接，下放凍結(jié)管時，對未凍結(jié)范圍內(nèi)隔板以上的凍結(jié)管外側(cè)采用聚苯乙烯泡沫塑料保溫，保溫層厚度為50 mm，保溫層的外面用塑料薄膜包扎。豎直局部凍結(jié)管結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 凍結(jié)壁和凍結(jié)管布置圖Fig.3 Layout of freezing wall and freezing tube

圖4 凍結(jié)管立面布置圖Fig.4 Elevation view of the layout of freezing tubes

3.3 隧道內(nèi)充填注漿與地面充填注漿

為了防止地面垂直凍結(jié)孔施工時造成泥漿沿破損管片處流入隧道，在被擊穿的管片范圍外側(cè)施工封堵墻進行封堵，封堵墻呈臺階式施工。由于隧道在凍脹力影響下會產(chǎn)生變形位移，本工程對隧道內(nèi)進行注漿充填和地面充填加固注漿，注漿材料采用粉煤灰、水泥加水玻璃，該材料具有較小的析水率和較小凍融率的特性。利用振動鉆機緊貼PHC樁造孔，確保造孔位置在原已經(jīng)破壞的管片與PHC樁之間的縫隙內(nèi)，避免對原有未破損管片造成破壞，保證凍結(jié)孔順利施工，并減少凍漲和融沉對隧道的影響，有利于施工安全，圖5為注漿示意圖。根據(jù)以往施工經(jīng)驗和考慮塌方區(qū)特點，本工程考慮管片破損情況和雙液漿的擴散要求，設(shè)計注漿壓力不高于0.6 MPa，利用振動鉆機造孔，開孔直徑32 mm，在振動鉆機鉆頭布設(shè)特定注漿裝置，在孔位到達設(shè)計深度后開始注漿，注入設(shè)計量后上提0.33 m，再注漿，直至到達加固土體頂部后注漿結(jié)束，其工藝流程為：造孔→連接系統(tǒng)管路→開始注漿→上提鉆桿→再注漿→再提鉆桿→再注漿→……注漿結(jié)束。

圖5 隧道封堵墻與充填注漿示意圖Fig.5 Plugging wall and the grout filling

4 現(xiàn)場監(jiān)測分析

4.1 凍結(jié)系統(tǒng)監(jiān)測

凍結(jié)系統(tǒng)監(jiān)測主要是針對去、回路鹽水溫度變化，在去、回路鹽水主管上安裝精密水銀溫度計和數(shù)字溫度傳感器，測量頻度為每天1次。凍結(jié)系統(tǒng)從4月14日開機運行，鹽水溫度迅速下降，凍結(jié)4 d后，輸送管路溫度降至－20.5℃，積極凍結(jié)期平均溫差為1.6℃，維護凍結(jié)平均溫差為1.2℃。說明凍結(jié)開始時熱交換量比較大，凍結(jié)帷幕形成良好。凍結(jié)30 d后，溫度降到最低－29.8℃。從最低點以后，積極凍結(jié)期輸送管路溫度平均維持在－30℃左右。維護凍結(jié)從凍結(jié)45 d開始，維護凍結(jié)輸送管路溫度平均維持在－29℃左右。

4.2 凍土帷幕監(jiān)測

凍結(jié)壁設(shè)計有效厚度底部及兩側(cè)不小于2.2 m，頂部不小于3.0 m，平均溫度低于－10℃，積極凍結(jié)期才能結(jié)束，轉(zhuǎn)為維護凍結(jié)。凍土帷幕的溫度監(jiān)測采用一線總線式測溫系統(tǒng)［11］，此系統(tǒng)可以對凍結(jié)壁進行實時監(jiān)測，在每個測溫孔內(nèi)下放5個測點，每個測點間距0.8 m，測溫孔布置如圖3所示，其中T1測溫孔為確定凍土帷幕的向外擴展距離，當(dāng)T1測溫孔下部各測點溫度均達到－10℃以下時，說明凍結(jié)壁以基本形成，T3測溫孔為確定凍土帷幕的交圈時間及凍結(jié)帷幕的厚度，當(dāng)T3測溫孔下部各測點溫度均達到－20℃以下時，說明凍結(jié)壁強度已經(jīng)達到要求。圖6、圖7為測溫孔T1、T3各測點溫度隨時間變化曲線，由圖可以看出，地面垂直凍結(jié)孔內(nèi)凍結(jié)20 d后，T1測孔測點底部土體溫度均達到－10℃以下，即凍土帷幕向完好隧道兩側(cè)擴展距離已經(jīng)全部到達T1位置，說明向外側(cè)延伸的凍土帷幕已經(jīng)基本形成。而T3測孔位置的測點溫度達到－20℃左右，說明凍結(jié)20 d后，隧道上部凍土已經(jīng)全部交圈。凍結(jié)33 d后凍土帷幕平均溫度低于－20℃，積極凍結(jié)期結(jié)束，轉(zhuǎn)為維護凍結(jié)。凍土帷幕擴展情況與設(shè)計時間基本保持一致。

圖6 T1孔內(nèi)各點溫度隨時間變化曲線Fig.6 Tem perature variation against time at each point in hole T1

圖7 T3孔內(nèi)各點溫度隨時間變化曲線Fig.7 Tem perature variation against time at each point in hole T3

4.3 隧道變形監(jiān)測

在凍結(jié)過程中，土體的凍脹力會對完整隧道管片形成壓應(yīng)力，如果控制不好，會導(dǎo)致未損壞隧道管片變形甚至損壞。本工程對隧道的變形量通過對測隧道內(nèi)管片的垂直與水平位移來反映。A，B兩測點布置在水平方向與豎直方向通過隧道中心的位置。此次分析截取了從凍結(jié)開始到凍結(jié)第17 d之間的隧道管片變形監(jiān)測情況，由圖8、圖9可以看出，由于下部凍結(jié)壁較為薄弱，為加強凍結(jié)，水平凍結(jié)器比地面垂直凍結(jié)器先冷凍5 d，所以，隧道底部由于受凍土膨脹的凍土力影響，在凍結(jié)4.5 d，隧道管片開始出現(xiàn)外移與上浮現(xiàn)象，但是隧道的最大外移度沒有超過4 mm，最大上浮度在6 mm左右，隨著隧道上部與兩側(cè)土體開始凍結(jié)，隧道的變形開始趨于穩(wěn)定，并沒有出現(xiàn)明顯的變形情況?？梢娪捎谒淼纼?nèi)部采用注漿填充處理，隧道上部采用分層注漿處理后，不僅增強了隧道上部巖體的穩(wěn)定性，同時也有效地控制了隧道的變形。

圖8 隧道管片垂直位移變化曲線Fig.8 Variation of vertical displacement of tunnel lining against time

圖9 隧道管片水平位移變化曲線Fig.9 Variation of horizontal disp lacement of tunnel lining against tim e

5 修復(fù)施工

凍土帷幕達到設(shè)計要求后，工程進行排水、清淤以及修復(fù)管片等。通過現(xiàn)場鉆探對上行線進行了探摸，20號PHC樁擊穿511環(huán)隧道頂部，同時可能擊穿隧道底部，因此511環(huán)可能需要整環(huán)修復(fù)；512環(huán)受511環(huán)影響，隧道頂部管片可能出現(xiàn)破損；513環(huán)隧道頂部可能破損，但初步判斷破損程度應(yīng)該比較??；514環(huán)沒有出現(xiàn)嚴(yán)重破損，而515環(huán)封頂塊、鄰接塊嚴(yán)重破壞，可能由于19號PHC樁偏移所致；受515環(huán)影響，516環(huán)可能存在較大程度破損；因18號PHC樁影響，517環(huán)、518環(huán)均有嚴(yán)重破損，而518環(huán)破損更甚，有需要整環(huán)修復(fù)的可能性；受相鄰環(huán)影響，519環(huán)有較小程度破損；520環(huán)、521環(huán)出現(xiàn)嚴(yán)重破損，應(yīng)是17號PHC樁所致，可能需要整環(huán)修復(fù)；按推理，522環(huán)、523環(huán)破損應(yīng)當(dāng)較小；525環(huán)封頂塊、鄰接塊發(fā)生嚴(yán)重破損，應(yīng)是由于16號PHC樁偏移所致，這樣524環(huán)破損程度就較小。根據(jù)上述分析，確定上行線修復(fù)范圍為511－525環(huán)，其中，511環(huán)、518環(huán)、520－521環(huán)可能需要整環(huán)修復(fù)，其余破損管片可能需要封頂塊與鄰接塊局部修復(fù)。

對局部修復(fù)的管片在開挖前架設(shè)防底鼓底梁與防收斂半圓支架，并在好管片處架設(shè)防松弛支撐，然后進行管片破除及壁后凍土開挖。開挖凍土后及時架設(shè)圓形臨時鋼支架，并掛錨網(wǎng)噴射混凝土做好臨時支護，然后開始破除局部連接塊施工。連接塊處進行臨時支護后，形成整體臨時支護，然后進行防水層施工?，F(xiàn)澆結(jié)構(gòu)與原管片采用植筋方式連接，防水層施工完成后開始植筋、綁扎鋼筋、立模板等工作?；炷翝沧⒆?25環(huán)側(cè)開始每兩環(huán)作為一個澆注段，最后完成混凝土封頂施工。

6 結(jié) 語

（1）設(shè)計采用局部凍結(jié)方案，在本工程條件下是適宜合理的，該方案加強了隧道破損部位周邊土體的強度，與上部土體全部凍結(jié)相比，不僅降低冷耗，還可以減少凍脹和融沉量，安全系數(shù)也沒有隨之下降，很大程度上改善了工程環(huán)境條件；

（2）修復(fù)工程中對隧道內(nèi)進行注漿填充，不僅控制了破損隧道上層淤泥繼續(xù)涌入隧道，同時也減少了凍結(jié)過程中土體形成的凍脹力對隧道管片的影響；

（3）隧道內(nèi)清淤排水以及隧道管片修復(fù)共進行了一個月時間，采用豎直管局部凍結(jié)法這種特殊施工工法，使得隧道清淤排水得以順利進行，施工取得了圓滿成功。今后隨著我國大力發(fā)展地下巖土工程，不可避免會遇到一些復(fù)雜工況與事故，因此本工程的成功施工能為將來類似工程提供借鑒。

［1］ 白 云，湯 競.上海地下工程建設(shè)中的經(jīng)驗和教訓(xùn)［J］.土木工程學(xué)報，2007，40（5）：105－110.（BAIYun，TANG Jing.Experience and Lessons from Underground Construction in Shanghai［J］.China Civil Engineering Journal，2007，40（5）：105－110.（in Chinese））

［2］ YAO Zhi shu，YANG Jun jie，SUNWen ruo.Experimen tal Study on Sliding Shaft Lining Mechanical Mechanisms under Ground Subsidence Conditions［J］.Journal of Coal Science＆Engineering，2003，9（1）：95－99.

［3］ ROMAN LACKNER，ANDREAS AMON，HANNES LAGGER.Artificial Ground Freezing of Fully Saturated Soil：Thermal Problem［J］.Journal of Engineering Me chanics，2005，131（2）：211－220.

［4］ HUANG R.Overview of Shanghai Yangtze River Tunnel Project［C］／／Proceedings of the 6th International Sympo sium on Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground.Shanghai：CRC Press，.2008：26－42.

［5］ 岳豐田，張水賓，李文勇，等.地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固融沉注漿研究［J］.巖土力學(xué)，2008，29（8）：2283－2286.（YUE Feng tian，ZHANG Shui bin，LIWen yong，etal.Study on Thaw Settlement Grouting Applied to Connected Aisle Construction with Artificial Ground Freezing Method in Metro Tunnel［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29（8）：2283－2286.（in Chinese））

［6］ 王秀志，梁 偉，曹文宏.特殊環(huán)境條件下的上海軌道交通4號線修復(fù)工程設(shè)計綜述［J］.地下工程與隧道，2007，26（4）：11－14.（WANG Xiu zhi，LIANG Wei，CAOWen hong.Restored Engineering Design of Shanghai Rail Transit Line 4 under Special Environment［J］.Un derground Engineering and Tunnel，2007，26（4）：11－14.（in Chinese））

［7］ 劉瑞鋒，張慶賀，胡向東，等.水平地層凍結(jié)法在上海地鐵修復(fù)工程中的應(yīng)用［J］.安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2008，16（3）：21－25.（LIU Rui feng，ZHANG Qing he， HU Xiang dong，etal.Application of Artificial Horizontal Ground Freezing Method to Recovering Collapse Tunnel in Shanghai Metro［J］.Journal of Anhui Institute of Archi tecture＆Industry（Natural Science），2008，16（3）：21－25.（in Chinese））

［8］ 肖朝昀，胡向東，張慶賀.地鐵修復(fù)工程中凍結(jié)法設(shè)計［J］.巖土工程學(xué)報，2006，28（11）：1716－1719.（XIAO Zhao yun，HU Xiang dong，ZHANG Qing he.Design of Freezing Method for Recovering Collapse Tunnels in ShanghaiMetro［J］.Chinese Journal of Geotechnical En gineering，2006，28（11）：1716－1719.（in Chinese））

［9］ 肖朝昀，胡向東，張慶賀.四排局部凍結(jié)法在上海地鐵修復(fù)工程中的應(yīng)用［J］.巖土力學(xué)，2007，27（11）：300－305.（XIAO Zhao yun，HU Xiang dong，ZHANG Qing he.Application of Limited Depth Freezing Method with Four row Freeze Tubes to Recovering Collapse Tunnel in Shanghai Metro［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，27（11）：300－305.（in Chinese））

［10］胡向東，程 樺.上海軌道交通四號線凍土物理力學(xué)性能試驗研究報告［R］.合肥：安徽建筑工業(yè)學(xué)院，2006.（HU Xiang dong，CHENG Hua.Experimental Study on Physical and Mechanical Properties of Artificial Frozen Soil of ShanghaiMetro Line No.4［R］.Hefei：Anhui Insti tute of Architecture and Industry，2006.（in Chinese））

［11］鐘貴榮，周國慶，王建州，等.深厚表土層非均質(zhì)凍結(jié)壁黏彈性分析［J］.煤炭學(xué)報，2010，35（3）：397－401.（ZHONG Gui rong，ZHOU Guo qing，WANG Jian zhou，et al.Viscoelastic Analysis of Heterogeneous Frozen Wall in Deep Alluvium［J］.Journal of China Coal Society，2010，35（3）：397－401.（in Chinese） ）

（編輯：周曉雁）

Partial Freezing M ethod Applied in the Restoration of Damaged Subway Tunnels

SUN Chuang1，ZHOU Xing wang2，HAN Yu fu2
（1.Institute of Civil Engineering and Transportation，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin Liaoning 123000，China；2.Beijing Coal Mining Engineering Company Ltd.，Beijing 100013，China）

The construction of the pile foundation of Beijing Shanghaihigh speed railway damaged the tunnel lining of a segment of Shanghai subway with large amounts of sludge silted into the tunnel.This paper introduces the re pairing of the damaged tunnel and analyzes the sitemonitoring data to provide reference for alike projects.Firstly，stepped plugging wallwas used to plug the solum in the tunnel，and the internal of the damaged tunnel was grou ted.The upper solum in the tunnelwas treated by ground filling and grouting to reinforce the turbulent solum.Mo reover，the restoration segmentwas reinforced by vertical freezing on the ground and horizontal freezing as well as excavation construction inside the tunnel.Freezing soil curtain with high strength and good sealing property was produced by partial freezing in the upper damaged tunnel and in its surrounding 3 meters area.Subsequently，min ingmethod was employed in the excavation and the damaged lining was repaired by in situ restoration.The restora tion finally achieved great success.

freezingmethod；freezing soil curtain；tunnel；plugging wall

U452.2

A

1001－5485（2011）08－0067－05

2010 09 03

孫 闖（1983 ），男，遼寧阜新人，博士研究生，主要從事隧道與地下工程領(lǐng)域研究，（電話）18041800070（電子信箱）scijjj＠189.cn。