凍結(jié)暗挖法在地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

方忠強(qiáng) 孫曉鋒 陳 磊

(江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，210005，南京∥第一作者，高級工程師)

南京地鐵10號線夢都大街站東側(cè)平行分布3 條地下高壓電纜管廊橫跨擬建車站附屬結(jié)構(gòu)。通常，車站出入口和風(fēng)亭等附屬結(jié)構(gòu)采用明挖法施工，受影響的管線臨時改遷到施工區(qū)域以外，待結(jié)構(gòu)完成后再回遷。但是，這三組高壓電纜管廊為區(qū)域主干供電線路，遷移費(fèi)用大、時間長、協(xié)調(diào)難度大，因此考慮就地保護(hù)，管廊下方的出入口及風(fēng)道結(jié)構(gòu)采用暗挖施工，暗挖段采用水平凍結(jié)加初期支護(hù)加二次襯砌形式。

近年來，我國城市軌道交通建設(shè)發(fā)展迅速，水平凍結(jié)暗挖法技術(shù)已在部分工程中得到應(yīng)用［1-5］，但應(yīng)用多限于覆土較大、跨度小、頂部拱形的聯(lián)絡(luò)通道。本工程為矩形斷面，跨度大、覆土小，并且地質(zhì)條件差、周邊環(huán)境復(fù)雜，國內(nèi)尚未有相似工程的案例報道。本文以此為研究背景，對工程技術(shù)難點(diǎn)、凍結(jié)設(shè)計方案及關(guān)鍵施工措施進(jìn)行詳細(xì)介紹，采用有限元軟件進(jìn)行計算分析，驗證方案的可行性。

1 工程概況

1.1 地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)概況

南京地鐵10號線夢都大街站東側(cè)平行分布3 條地下高壓電纜管廊，分別為220 kV (1 200 mm ×500 mm)、110 kV (1 600 mm ×400 mm)、10 kV (900 mm ×600 mm)，管廊總寬度約6.0 m。車站1號出入口及1號風(fēng)道、2號出入口、2號風(fēng)道下穿高壓電纜管廊。

1.2 地質(zhì)條件

1.2.1 地層分布

項目地處南京河西地區(qū)長江漫灘區(qū)，其沉積物多呈二元或多元結(jié)構(gòu)，上細(xì)下粗，上部以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主，下部由厚層粉細(xì)砂、中粗砂等組成。本項目開挖主要涉及地層為①-1 雜填土層、②-2b4 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂層、②-3c3 粉土夾粉砂層和②-4d2 粉砂層，車站附屬結(jié)構(gòu)底板位于②-2b4 層和②-3c3 層。

1.2.2 地下水概況

地下水類型主要為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水。孔隙潛水主要含水層為①-1 層雜填土及②-2b4 層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂，標(biāo)高 2.89～4.26 m。微承壓水主要含水層為②-3c3 層粉土夾粉砂，②-4d2 層粉砂等，微承壓水水位標(biāo)高2.0～3.0 m。

2 技術(shù)難點(diǎn)

(1)地質(zhì)條件差，上部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，高含水率、高孔隙比、高壓縮性、流塑狀;下部為厚層粉砂，含有微承壓水，地層的自穩(wěn)能力差，連同地下水的處理成為項目設(shè)計的難點(diǎn)。

(2)地下通道為矩形斷面，但斷面型式和尺寸各不相同。2號出入口通道跨度大，其與電纜通道的交角為47°，順著電纜通道方向的開挖跨度達(dá)到12.5 m，1號出入口及1號風(fēng)道為雙層結(jié)構(gòu)，總高度為6.9 m。由于結(jié)構(gòu)高、跨度大，暗挖支護(hù)結(jié)構(gòu)以及工法選擇成為設(shè)計的難點(diǎn)。地鐵工程中的聯(lián)絡(luò)通道也有凍結(jié)支護(hù)加暗挖施工工法，但其開挖跨度均小于4 m，高度為4 m 左右，且頂部為拱形，圍巖的穩(wěn)定性較好。

(3)覆土較薄，僅 2.9～4.3 m，距離電纜通道底板0.7～1.8 m。供電部門要求不破壞高壓管廊，而調(diào)查資料顯示電纜管廊頂部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，兩側(cè)為磚砌結(jié)構(gòu)，底板為素混凝土，底板下面為碎石墊層，抗變形能力差，設(shè)計須對其進(jìn)行有效保護(hù)。

(4)周邊環(huán)境條件復(fù)雜?；舆吷嫌兄睆?00 mm 的自來水管，周邊建筑則緊靠基坑，對支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性及變形控制要求很高，不允許出現(xiàn)塌方、漏水等工程事故。

3 凍結(jié)設(shè)計施工方案

3.1 施工分區(qū)及施工順序

將附屬結(jié)構(gòu)劃分為三部分，高壓電纜管廊所在區(qū)域采用暗挖施工，兩側(cè)采用明挖施工。通道頂部采用密排管棚托舉高壓管廊，沿通道結(jié)構(gòu)四周布置水平凍結(jié)管，形成強(qiáng)度高、封閉性好的凍結(jié)帷幕，兼做擋土和隔水作用。

主要施工順序如下:

(1)先施工電纜通道兩側(cè)基坑。沿電纜通道兩側(cè)采用咬合樁作為封堵墻，其他區(qū)域采用SMW(型鋼水泥土攪拌墻)。待明挖基坑結(jié)構(gòu)底板封閉后，從一側(cè)的明挖基坑內(nèi)向另一側(cè)打設(shè)管棚和冷凍管。為保證水平凍結(jié)帷幕有足夠厚度，同時給冷凍管施工預(yù)留工作空間，施作管棚和凍結(jié)管一側(cè)的明挖基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面外擴(kuò)、底板下沉，外擴(kuò)及下沉尺寸2.5～3.0 m。

(2)對開挖掌子面進(jìn)行全斷面加固，之后采用CRD(交叉中隔壁)工法進(jìn)行暗挖施工。按照分段、分塊、階梯開挖的原則進(jìn)行，縱向開挖步距0.5 m。每開挖一小塊之后立即架設(shè)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)采用型鋼支架加掛網(wǎng)噴射混凝土。

(3)在全部開挖結(jié)束后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)防水層、澆筑二襯混凝土施工。

(4)結(jié)構(gòu)施工完成后進(jìn)行充填注漿，最后進(jìn)行解凍，根據(jù)融沉監(jiān)測情況進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償注漿。

3.2 凍結(jié)孔設(shè)計

凍結(jié)孔按水平角度布置，凍結(jié)壁厚度按3 m 設(shè)計。結(jié)構(gòu)兩側(cè)及底部各布置兩排凍結(jié)孔，排距1 000 mm，梅花形布置，凍結(jié)孔距離初期支護(hù)外側(cè)1 000 mm，凍結(jié)孔之間孔距為700 mm。

此外，1號出入口及1號風(fēng)道由于結(jié)構(gòu)高度較大，因此在中部增加一排橫向布置的凍結(jié)孔，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)兩側(cè)凍結(jié)帷幕橫向支撐。2號出入口由于跨度較大，因此在中部增加一列垂直方向布置的凍結(jié)孔，相當(dāng)于對凍結(jié)帷幕增加一排豎向支撐。

凍結(jié)孔及管棚布置見圖1～圖3。

圖1 1號出入口及1號風(fēng)道凍結(jié)孔布置剖面圖

圖2 2號出入口凍結(jié)孔布置剖面圖

圖3 2號風(fēng)道凍結(jié)孔布置剖面圖

3.3 凍結(jié)參數(shù)確定

(1)凍結(jié)壁平均溫度-10 ℃。

(2)開挖期間維護(hù)凍結(jié)鹽水溫度為-28 ℃～-30 ℃。

(3)外圍凍結(jié)孔終孔間距Lmax≤1 000 mm。

(4)1號出入口及1號風(fēng)道凍結(jié)孔布置101個，凍結(jié)管總長度為834 m;2號出入口凍結(jié)孔布置125 個，凍結(jié)管總長度為1 593 m;2號風(fēng)道凍結(jié)孔布置78 個，凍結(jié)管總長度為686 m。

(5)測溫孔布置一般定在終孔間距較大的位置，位置可根據(jù)實際施工時進(jìn)行調(diào)整。

(6)凍結(jié)需冷量:

式中:

l——凍結(jié)總長度(凍結(jié)管長度加冷排管長度150 m)，m;

d——凍結(jié)管直徑，m;

k——凍結(jié)管散熱系數(shù)。

將相關(guān)參數(shù)數(shù)值代入式1 得:

1號出入口及 1號風(fēng)道 Q=50.65 ×104KJ/h;

2號出入口 Q=96.91 ×104KJ/h;

2號風(fēng)道 Q=41.73 ×104KJ/h。

3.4 管棚設(shè)計

管棚鋼管型號為φ108 mm×8 mm，鋼管間距0.3 m，鋼管穿過兩端封堵墻600 mm，在封堵墻外側(cè)用H 型鋼支架對管棚進(jìn)行支托。

3.5 暗挖順序及臨時支護(hù)

考慮初支結(jié)構(gòu)后，1號出入口及1號風(fēng)道開挖斷面跨度8.5 m，2號出入口開挖斷面跨度12.5 m，2號風(fēng)道開挖斷面跨度6.0 m。

由于開挖斷面大，而且地質(zhì)條件以自立性差的淤泥質(zhì)黏土、砂層為主。為確保暗挖施工的安全，按照分層、分塊、階梯開挖的原則進(jìn)行。

2號出入口分上、下兩層，每層3 個區(qū)域，一共劃分為6 個開挖區(qū);1號出入口及1號風(fēng)道、2號風(fēng)道分上、下兩層，每層2 個區(qū)域，一共劃分為4 個開挖區(qū)。

初期支護(hù)形式為型鋼支架加掛網(wǎng)噴射混凝土。型鋼支架為30#工字鋼，支架間距為0.4 m。網(wǎng)噴混凝土采用C25 混凝土，厚度35 cm，中部臨時支撐也要進(jìn)行網(wǎng)噴混凝土施工。型鋼支架背后墊5 cm 厚木背板，木背板與凍結(jié)帷幕之間的空隙用高強(qiáng)度砂漿充填密實。

4 充填注漿及融沉控制

融沉是因被加固土體融化而引起的土體下沉，容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)差異沉降。暗挖段主體結(jié)構(gòu)(二次襯砌)在施工完畢并達(dá)到一定的強(qiáng)度后，需對外圍凍結(jié)壁進(jìn)行解凍，解凍過程中會發(fā)生融沉現(xiàn)象。解決融沉的主要措施是根據(jù)監(jiān)測反饋的信息，進(jìn)行地層跟蹤注漿壓密加固土體，注漿材料采用雙液水泥漿。

4.1 注漿孔布設(shè)

初期支護(hù)外地層注漿，注漿孔間距2 m，縱向每2 m 布置一個注漿斷面。注漿管采用6.6 cm 的焊接管，頂端接帶螺紋的管箍，并用絲堵封閉。充填注漿孔每4 m 布設(shè)一個。

4.2 注漿時間

結(jié)構(gòu)施工完成，強(qiáng)度達(dá)到60%以上，停止凍結(jié)，停機(jī)3～7 天后開始進(jìn)行充填注漿。這樣能有效避免因凍土融化而損壞上部及周圍管線，減少結(jié)構(gòu)下沉。由于凍土量較大，注漿需4 個月左右。注漿采用小壓力多注次的方式，注漿壓力為0.2～0.5 MPa。

4.3 注漿量

根據(jù)以前類似工程經(jīng)驗，注漿水泥用量達(dá)到凍土體積的50%。根據(jù)推算，1號出入口及1號風(fēng)道、2號出入口、2號風(fēng)道融沉注漿水泥用量分別為850 t、1 200 t 和 700 t。

4.4 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)一天內(nèi)上部地面沉降大于0.5 mm，或上部地面累計沉降大于3 mm 時，應(yīng)進(jìn)行融沉補(bǔ)償注漿;當(dāng)上部地面隆起3 mm 應(yīng)暫停注漿。具體要根據(jù)地面變形監(jiān)測情況做適當(dāng)調(diào)整。融沉注漿的結(jié)束時間是以地面沉降變形穩(wěn)定為依據(jù)。若凍結(jié)壁已全部融化，且在不注漿的情況下實測地層沉降每半月不大于0.5 mm，可停止融沉補(bǔ)償注漿。

5 計算分析

5.1 凍結(jié)壁受力計算原則

參照《旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程》［6］中的相關(guān)規(guī)定，凍結(jié)壁既要求承載又要求止水，屬Ⅲ類凍結(jié)壁，其厚度按承載力要求進(jìn)行設(shè)計，抗壓、抗折和抗剪強(qiáng)度滿足:

式中:

多年以來，高職院校外語教學(xué)工作一直面臨著諸多問題，一方面是社會對外語語言教學(xué)的要求的不斷變化和提高，一方面是教學(xué)人員構(gòu)成復(fù)雜造成的外語教師隊伍建設(shè)緩慢，此外還有外語課程建設(shè)發(fā)展方向不明，學(xué)生生源結(jié)構(gòu)變化等多種問題。而如何有效利用有限的授課時間，提高課堂“抬頭率”，提高高職院校學(xué)生學(xué)習(xí)效能是當(dāng)下高職院校外語教學(xué)的需要解決的首要問題。本文嘗試通過外語通識課程建設(shè)提高目前高職院校外語教學(xué)效能，增加學(xué)生外語學(xué)習(xí)動能。

σ——為凍結(jié)壁應(yīng)力，MPa;

R——為凍土的強(qiáng)度指標(biāo)，MPa;

K——為安全系數(shù)，Ⅲ類凍結(jié)壁強(qiáng)度檢驗安全系數(shù)按表1 選取。

表1 Ⅲ類凍結(jié)壁強(qiáng)度檢驗安全系數(shù)

5.2 凍結(jié)壁受力計算方法及參數(shù)取值

凍結(jié)壁受力采用有限元方法進(jìn)行驗算，凍土和未凍土均按均質(zhì)線彈性體簡化。凍結(jié)壁平均溫度為-10℃，參照相關(guān)工程的試驗數(shù)據(jù)［7-9］，取凍土的彈性模量和泊松比分別為120 MPa 和0.25，凍土強(qiáng)度指標(biāo)為:抗壓 3.6 MPa，抗折 2.0 MPa，抗剪 1.5 MPa。中間未凍土參數(shù)彈性模量和泊松比分別取22.0 MPa 和 0.30。

5.3 計算邊界條件選取

凍結(jié)壁外圍的未凍土厚度取凍結(jié)壁厚度的5倍，即15 m(頂板除外)。采用plane42 單元進(jìn)行模擬，考慮到施工范圍內(nèi)管線保護(hù)的特殊性工況，計算模型不考慮地表附加荷載。

5.4 計算結(jié)果分析

本文對3 個附屬結(jié)構(gòu)均采用有限元軟件模擬計算。以1號出入口及1號風(fēng)道為例，其計算模型如圖4所示，3 個附屬結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果見表2～表4。

圖4 1號出入口及1號風(fēng)道有限元計算模型

1號出入口及1號風(fēng)道凍結(jié)壁應(yīng)力、位移計算值及安全系數(shù)見表2。

表2 1號出入口及1號風(fēng)道凍結(jié)壁應(yīng)力、位移計算值及安全系數(shù)

表3 2號出入口凍結(jié)壁應(yīng)力、位移計算值及安全系數(shù)

2號風(fēng)道凍結(jié)壁應(yīng)力、位移計算值及安全系數(shù)見表4。

表4 2號風(fēng)道凍結(jié)壁應(yīng)力、位移計算值及安全系數(shù)

從表2～表4 可以判斷，凍結(jié)壁主要處于受壓狀態(tài)，抗壓安全系數(shù)滿足要求;1號出入口及1號風(fēng)道抗剪安全系數(shù)1.9，略小于2.0，但是從剪應(yīng)力圖中能看出最大剪應(yīng)力僅分布在底板兩個角部的局部位置，忽略剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，整體上剪應(yīng)力可以滿足要求。

由于開挖斷面較大，通道開挖之后，頂板有一定下沉，但位移最大位置在底板，明顯向上隆起，即底臌。但計算過程沒有考慮初期支護(hù)(型鋼支架加掛網(wǎng)噴射混凝土)對凍結(jié)壁受力的有利因素，雖然位移較大，但在施工措施可控范圍之內(nèi)。凍結(jié)壁頂板位移約20～30 mm，考慮管棚的有利影響，位移完全滿足施工要求。

6 施工監(jiān)測

根據(jù)施工監(jiān)測資料，1號出入口及1號風(fēng)道開機(jī)凍結(jié)54 天后，凍結(jié)壁平均溫度為-14.2 ℃，最小凍結(jié)壁厚度3.72 m;2號出入口開機(jī)凍結(jié)45 天后，凍結(jié)壁平均溫度為-12.1 ℃，最小凍結(jié)壁厚度3.16 m;2號風(fēng)道開機(jī)凍結(jié)31 天后，凍結(jié)壁平均溫度為-11.3 ℃，最小凍結(jié)壁厚度 2.2 m。

凍結(jié)土層主要是②-2b4 層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，根據(jù)凍結(jié)土樣的室內(nèi)試驗成果，抗壓強(qiáng)度平均值達(dá)到 4.03 MPa，抗剪強(qiáng)度為 1.6 MPa。

凍結(jié)期間高壓管廊最大隆起量僅5 mm，開挖期間監(jiān)測到高壓管廊最大沉降30 mm，未對電力供應(yīng)產(chǎn)生不利影響。

7 結(jié)語

(1)在軟土地層中使用水平凍結(jié)支護(hù)，通道四周形成的凍結(jié)帷幕起到擋土和隔水的雙重作用。

(2)暗挖采用CRD 工法，分上、下兩層，按照分段、分塊、階梯開挖的原則進(jìn)行。

(3)采用有限元計算軟件對凍結(jié)帷幕進(jìn)行計算分析。通過模擬開挖工況，得到凍結(jié)帷幕的內(nèi)力及變形結(jié)果，通過對凍結(jié)壁的應(yīng)力場和位移場分析，判斷其安全狀態(tài)。

(4)采用密排管棚托舉高壓管，監(jiān)測結(jié)果顯示該措施有效地控制了管廊的沉降變形。

本工程已成功實施，說明在南京河西地區(qū)的地質(zhì)條件下(地下水位高、上部軟土、下部砂層)采用凍結(jié)暗挖施工是可行的。國內(nèi)城市軌道交通事業(yè)正如火如荼地發(fā)展，而城市地下管線錯綜復(fù)雜，主干管線的改遷費(fèi)用高、周期長，經(jīng)常停水、停電容易造成不良的社會影響。本項目的成功實施不僅節(jié)省了昂貴的管線改遷費(fèi)用，對今后類似工程的設(shè)計和施工也具有很好的參考作用。

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