地鐵區(qū)間泵房下穿既有地鐵結構凍結加固技術研究

李曉英，杜香剛

(1.中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津300131;2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081; 3.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京100081)

地鐵區(qū)間泵房下穿既有地鐵結構凍結加固技術研究

李曉英1，杜香剛2，3

(1.中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津300131;2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081; 3.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京100081)

目前城市地鐵建設中往往容易遇到各種既有地鐵結構，施工時必須確保這些既有地鐵結構的安全。北京地鐵六號線二期工程起點—物資學院站區(qū)間泵房采用凍結法下穿既有地鐵結構，結合該工程系統(tǒng)地介紹了凍土帷幕結構的設計、水平凍結工藝，以及自然解凍和融沉注漿，并從凍結溫度場變化及地表變形兩方面探討了凍結法下穿既有地鐵結構的安全性。結果表明:凍結法下穿既有地鐵結構關鍵在于冷凍體的成形質量;本工程施工中冷凍體溫度穩(wěn)定在-25℃以下，整個施工過程中的凍脹融沉量均控制在±6 mm以內，既保證了既有地鐵結構的安全性，又最大程度減少了施工對周邊環(huán)境的影響。

地鐵 既有結構 凍結加固 融沉注漿

地鐵隧道施工風險主要存在于隧道掘進和聯絡通道施工兩個階段，其中聯絡通道事故更為常見。聯絡通道施工通常采用暗挖礦山法，常因土體加固質量存在問題，使聯絡通道開挖面土體失穩(wěn)，不僅會造成已貫通隧道襯砌結構損壞，而且還會引起周邊建筑物的破壞［1］。特別是在下穿既有地鐵結構時，如果土體加固止水效果差，容易使既有結構破壞，甚至造成重大工程事故帶來惡劣社會影響。

地層凍結加固技術是一種封水性好、強度高、復原性好的環(huán)保型施工技術［2］，而且加固效果明顯，還可避免大面積拆遷。隨著凍結工藝的改進，加之凍結法低成本化趨勢，其在城市地下工程中被廣泛采用，特別是在類似聯絡通道這種復雜的隧道施工中，其作用無可替代。

1 工程概況

北京地鐵六號線二期工程起點—物資學院站區(qū)間泵房位于左線最低點處，泵房處隧道中心軌面標高3.827 m，地面標高26.7 m，結構覆土19.523 m，結構距上部既有六號線一期出入段線結構4.978 m，泵房結構包括與隧道二襯相接的喇叭口、直墻圓弧拱結構的橫通道和中部矩形集水井三個部分，見圖1。

圖1 側式泵房結構示意

橫通道及泵房主要位于⑤2粉細砂層、⑤1中粗砂層、⑥黏土層中，地層透水性強、承載力低，極易在開挖中發(fā)生大的沉降造成既有結構破壞，因此，在該地層內開挖構筑泵房，必須先對施工影響范圍內的土體進行加固處理。

2 工法選擇

本工程區(qū)域內水文地質情況復雜，地下水流速大，地層含水率高，易產生涌泥、涌水現象;結構施工環(huán)境差，空間小;泵房拱頂混凝土不易澆搗密實，不易保證結構的抗?jié)B要求;環(huán)境要求高、干擾多、工期緊;地表交通繁忙;既有地鐵結構對沉降及變形要求高。

在含水砂層中開挖地鐵隧道，主要是固砂堵水，保證地層穩(wěn)定，控制地表沉降［3］。根據該泵房埋深和土層特性，若采用普通單軸和雙軸攪拌樁、旋噴樁等地面加固方法，很難保證加固質量。若選用大型三軸攪拌樁，占用地面場地過大［4］，很難進行交通疏解和管線遷移，同時會對既有地鐵結構造成影響。

綜合地質情況和周邊環(huán)境因素，并結合地鐵聯絡通道施工經驗，確定采用“隧道內鉆孔，水平凍結臨時加固土體，礦山法暗挖構筑”的施工方案，即:在隧道內利用水平孔和部分傾斜孔凍結加固地層，使聯絡通道及集水井外圍土體凍結，形成強度高、封閉性好的凍土帷幕，然后根據新奧法的基本原理，在凍土中采用礦山法進行聯絡通道及泵房的開挖構筑施工。地層凍結和開挖構筑施工均在區(qū)間隧道內進行。其施工順序為:施工準備→凍結孔施工(同時安裝凍結制冷系統(tǒng)、鹽水系統(tǒng)和檢測系統(tǒng))→隧道支撐→積極凍結→探孔試挖→拆鋼管片→聯絡通道掘進與臨時支護→聯絡通道永久支護→泵房開挖與臨時支護→泵房永久支護→土層注漿充填→自然解凍融沉注漿。凍結孔施工、臨時支護施工和自然解凍融沉注漿為本工程的關鍵工序［5-8］。

3 凍結加固設計

3.1 設計原則

人工凍結法施工時，凍結壁起臨時支護作用，必須具有足夠的強度和穩(wěn)定性，這就要求凍結壁有一定厚度。凍結壁厚度取決于結構所受的外荷載和材料的強度。外荷載主要包括溫度荷載和土壓力。溫度荷載是因為地下水在0℃以下結成冰，體積會發(fā)生膨脹，由于凍結體受周圍土體約束，就產生了凍脹力;土壓力是由土體自重產生的作用力，受土體本身特性、地下水位、埋深等因素影響［9］。

凍結法可實際應用于各種形狀、大小和深度的場地，連接通道的形狀將決定冰凍管的現場布置以及是否需將冰凍管豎向或水平移動［10］。冰凍管布置的間距和位置取決于要求時間內開挖區(qū)凍土要達到的強度和凍結墻厚度。凍結管將與循環(huán)管路系統(tǒng)連接用以傳遞制冷介質，冰凍墻的形成速度直接由制冷介質的溫度、熱量轉換區(qū)域的大小及冰凍管的間距決定。

選擇凍土層形狀時應考慮盡可能減少連接通道開挖過程中土壓力變化在凍土中產生的彎矩，確定凍土厚度時應考慮凍土厚度和凍土強度參數的組合，以達到經濟和安全的目的?；驹O計原則為凍土中不容許出現拉應力以及屈服點。同時還應考慮冷凍管的合理布置及冷凍管對主隧道的影響等因素。

遵照以上原則，結合現場實際情況，進行如下設計。

3.2 凍結壁設計

凍結壁設計圖見圖2。

圖2 凍結壁設計(單位:mm)

1)凍土強度的設計指標為單軸抗壓不小于6 MPa，彎折抗拉不小于2.0 MPa，抗剪不小于1.5 MPa (-10℃)。

2)積極凍結時，在凍結區(qū)附近200 m范圍內不得采取降水措施。在凍結區(qū)內土層中不得有集中水流。

3)在凍結壁附近隧道管片內側敷設保溫層，敷設范圍至設計凍結壁邊界外2 m。保溫層采用阻燃(或難燃)的軟質塑料泡沫軟板，厚度20 mm，導熱系數不大于0.04 W/(m·K);塑料軟板外噴30 mm厚的發(fā)泡聚氨脂保溫層。

4)設計積極凍結時間為42 d。要求凍結孔單孔流量不小于5 m/h;積極凍結7 d鹽水溫度降至-18℃以下;積極凍結15 d鹽水溫度降至-24℃以下，去路和回路鹽水溫差不大于2℃;開挖時鹽水溫度降至-28℃以下。如鹽水溫度和鹽水流量達不到設計要求，應延長積極凍結時間。每米凍結管的設計散熱量不應小于100 kcal/h。

5)開挖區(qū)外圍凍結孔布置圈上凍結壁與隧道二襯交界面處平均溫度不高于-5℃。其它部位凍結壁平均溫度≤-10℃。

3.3 凍結孔設計

凍結孔布置見圖3。

1)凍結孔開孔位置誤差不大于100 mm，應避開管片接縫、螺栓、主筋和鋼管片肋板。

2)凍結孔最大允許偏斜200 mm(凍結孔成孔軌跡與設計軌跡之間的距離)。

圖3 凍結孔布置立面

3)凍結孔最大允許間距為1 800 mm。

4)凍結管用φ89×8 mm低碳鋼無縫鋼管。凍結管耐壓不低于0.8 MPa，并且不低于凍結工作面鹽水壓力的1.5倍。

5)凍結管接頭抗拉強度不低于母管的80%。

6)施工凍結孔時土體流失量不得大于凍結孔體積，否則應及時進行注漿控制地層沉降。

3.4 凍脹融沉控制

凍結過程中主要采取凍結釋壓的方法控制凍脹。為減小凍結施工對主隧道和周圍環(huán)境的影響，隧道壁上布置2個泄壓孔。凍結過程中要加強對泄壓孔壓力的監(jiān)測，當壓力上漲超過初始壓力0.2 MPa時，需及時打開泄壓孔，釋放因地層凍脹引起的凍脹力。同時在凍結壁交圈之前，安裝好預應力支架，進一步控制隧道壁的變形。整個凍結過程引起的凍脹量小于允許值(6 mm)，說明凍結施工過程中的各種控制凍脹措施可行。

融沉主要是凍土融化時排水固結引起的，滯后于凍土融化［11］。為加速凍土融化，工程中對凍結土體采取自然解凍的方式解凍，并根據地層監(jiān)測情況進行凍結壁融沉補償注漿。融沉補償注漿通過預埋的注漿管和隧道內的注漿孔進行，補償注漿加速了融土固結，減少了后期因融土壓密固結產生的沉降。至施工結束，沉降量小于允許值(6 mm)，完全控制在設計范圍內。

4 施工監(jiān)測

4.1 溫度監(jiān)測

為了準確掌握凍結溫度場變化情況，掌握凍結壁厚度和平均溫度、凍結壁與隧道壁界面溫度、開挖區(qū)附近地層凍結情況以及確定開挖施工時間，對溫度進行了同步監(jiān)測。設置6個測溫孔用于測量凍結和解凍時期的溫度場。典型測溫孔T1的監(jiān)測結果見圖4。

圖4 凍結期間T1孔溫度變化曲線

由圖4可見，在凍結初期，凍結土體的溫度呈線性下降。當土體的溫度降到-15℃后，溫度下降梯度變小，這是由于測點處土體中的液態(tài)水發(fā)生相變，熱交換比較劇烈。在凍結45 d前后凍結壁開始交圈。此后土體進入平緩負降溫期，土中仍含有一部分未凍水，隨著凍結的繼續(xù)進行，溫度繼續(xù)下降，土中未凍水含量減少，溫度下降梯度趨于平緩。

圖5 通道中部地表變形曲線

4.2 地表變形監(jiān)測

在施工期間應監(jiān)測隧道結構變形、地面及周圍管線、建(構)筑物變形。監(jiān)測范圍:泵房及通道結構外側各20 m以內。監(jiān)測結果見圖5。由圖5(a)可見，積極凍結初期由于凍結孔施工地表發(fā)生沉降，約10 d后土體發(fā)生凍脹，最終凍脹量為5 mm。由圖5(b)可見，融沉注漿初期沉降較大，但隨著注漿量的增加，地表上抬，沉降逐步得到控制。整個注漿過程中地表沉降量＜6 mm，滿足結構沉降控制要求。

5 結語

1)實踐證明凍土帷幕和凍結工藝設計合理，利用地表、地鐵隧道的跟蹤變形監(jiān)測數據及其它信息指導、調整各環(huán)節(jié)的施工工藝，是保證施工安全的重要措施。

2)積極凍結期間凍土的凍脹量＜6 mm，對既有結構不致造成危害，表明土體凍結時引起的過量凍脹通過設置壓力釋放孔、局部凍結等措施得到了有效控制。

3)融沉注漿期間凍土的融沉＜6 mm，表明土體融沉通過自然解凍和融沉注漿得到了有效控制。

4)該實例為北京地區(qū)首次采用冷凍法下穿既有地鐵區(qū)間結構的工程，即保證了地鐵通道施工的安全，又保證了工程質量和進度。施工監(jiān)測和質量跟蹤觀測結果表明該冷凍法施工是成功的，可供同類工程施工參考。

［1］李戈.高承壓水粉細砂地層中地鐵隧道聯絡通道冷凍法施工技術［D］.西安:長安大學，2012.

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［11］岳豐田，張水賓，仇培云，等.地鐵聯絡通道凍結加固技術研究［J］.地下空間與工程學報，2006，2(8):1341-1345.

Study on freezing reinforcing technology for running sand during construction of water pump house in running tunnel of Beijing metro under existing metro structure

LI Xiaoying1，DU Xianggang2，3
(1.China Railway Tunnel Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300131，China; 2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 3.State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China)

T here are various existing metro structures of urban subway construction，the safety of which must be ensured during the construction.M aterial Institute interval pumping station which is the Beijing subway line six PhaseⅡstarting point runs beneath the existing subway structure by using freezing method.Based on this project，this paper systematically introduced the design of frozen soil curtain structure，level freezing technology，natural thawing and thaw settlement grouting，and discussed the safety of running beneath the existing subway structure with freezing method from such aspects as freezing temperature field change and surface deformation.T he results showed that the key of running beneath the existing subway structure with freezing method is the forming quality of the frozen soil，the frozen soil temperature is below 25℃and the frost heave thawing settlement amount is within±6 mm during construction，which could ensure the existing metro structure safety and minimize the effect of construction on the surrounding environment.

Subway;Existing structure;Freezing reinforcement;T haw settlement grouting

U455

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.16

1003-1995(2015)02-0058-04

(責任審編葛全紅)

2014-09-10;

2014-11-25

李曉英(1984—)，男，山西朔州人，工程師，碩士。