凍結(jié)法在北京地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工中的應(yīng)用研究

張海洋 王莉賢 羅富榮

(1.湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068； 2.阜陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 阜陽 236031； 3.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100037)

凍結(jié)法在北京地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工中的應(yīng)用研究

張海洋1王莉賢2羅富榮3

(1.湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068； 2.阜陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 阜陽 236031； 3.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100037)

以北京地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工為研究對象，通過人工凍土力學(xué)實驗，獲得了北京地區(qū)典型土層凍土物理力學(xué)參數(shù)，同時給出了北京地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁經(jīng)驗設(shè)計厚度，闡述了凍結(jié)施工中的主要工序，經(jīng)實踐表明，凍結(jié)法在北京地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工中的應(yīng)用是可行且成功的。

地鐵，聯(lián)絡(luò)通道，凍結(jié)法，地質(zhì)條件

0 引言

在北京地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工中，因所處地層主要為砂卵石層，強度高，自立性好，一般采用超前小導(dǎo)管注漿法配合降水法或地面預(yù)注漿加固的地基處理方法。但遇到諸如承壓水、流砂以及穿越河流等特殊地層，注漿法等普通地基加固方法效果不佳，存在流砂涌水的安全隱患。人工地層凍結(jié)法以其絕對的封水性，在處理流砂地層時體現(xiàn)出了不可替代的優(yōu)勢[1]。

人工地層凍結(jié)法在城市地鐵建設(shè)中被廣泛采用，但在北京地區(qū)少有工程應(yīng)用，鑒于地層的特殊性，采用凍結(jié)法進行施工時，應(yīng)進行個性化的設(shè)計與施工，本文以北京地鐵6號線東延伸段區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工為例，詳細介紹凍結(jié)法在北京地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工中的應(yīng)用。

1 地質(zhì)條件

北京地區(qū)西部以厚層砂土和卵、礫石地層為主，向東于城市中心區(qū)大部分范圍內(nèi)地層過渡為粘性土、粉土與砂土、卵礫石土互層，再向東北的東郊及北郊地區(qū)，則以厚層粘性土、粉土為主，表現(xiàn)出由西向東土顆粒由粗到細的遞變規(guī)律。與上海地區(qū)典型粘性土層不同的是，北京地區(qū)典型土層為粉土、砂性土及砂卵石地層。北京地鐵6號線東延伸段區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道主要處于中粗砂層以及細砂層中，局部為卵礫石層，其中中粗砂層滲透系數(shù)為3.31×10-2cm/s，卵礫石層滲透系數(shù)高達9.65×10-2cm/s，存在較大的涌水流砂風(fēng)險。

北京地鐵6號線東延伸段區(qū)間所處地層含承壓水，且區(qū)間線路與北運河斜交，河水對承壓水層的補給作用使得地下水活動頻繁，地層涌水流砂風(fēng)險尤為突出。

2 凍土力學(xué)指標與凍結(jié)壁設(shè)計

凍土物理力學(xué)參數(shù)是凍結(jié)法設(shè)計的基礎(chǔ)，針對北京地區(qū)缺乏凍土實驗資料的情況，課題選取了北京地區(qū)5種典型地層土樣在

煤礦深井建設(shè)技術(shù)國家工程試驗室進行了凍土物理力學(xué)參數(shù)實驗，得到-10 ℃時凍土的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 北京地區(qū)典型土層凍土物理力學(xué)參數(shù)表

3 施工流程

選取表1中參數(shù)，采用容許應(yīng)力法，抗壓強度安全系數(shù)取2.0，抗折強度安全系數(shù)取3.0，抗剪強度安全系數(shù)取2.0，按照結(jié)構(gòu)力學(xué)方法確定凍結(jié)壁厚度，同時利用有限元數(shù)值計算軟件對設(shè)計凍結(jié)壁厚土進行驗算。根據(jù)北京地區(qū)地層特點以及實驗所得的凍土物理力學(xué)參數(shù)，給出了北京地區(qū)凍結(jié)壁厚度設(shè)計的經(jīng)驗取值，如表2所示。

表2 北京地區(qū)設(shè)計凍結(jié)壁厚度取值 m

凍結(jié)施工主要包括凍結(jié)孔施工、凍結(jié)系統(tǒng)安裝、積極凍結(jié)、維護凍結(jié)以及凍結(jié)完成后的融沉注漿五個階段[2]，其中凍結(jié)站安裝通常與凍結(jié)孔施工平行作業(yè)，以壓縮凍結(jié)施工工期，提高施工效率，土方開挖及聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)施工的同時，為保障施工安全，凍結(jié)系統(tǒng)仍需繼續(xù)運轉(zhuǎn)稱為維護凍結(jié)，結(jié)構(gòu)施工完成后停止凍結(jié)，凍土融化會產(chǎn)生一定的地層沉降，因此凍結(jié)完成后還應(yīng)進行融沉注漿[3]，以防止地層產(chǎn)生過大沉降。

同時，在凍結(jié)施工過程中還應(yīng)進行監(jiān)測，包括對地表、建(構(gòu))筑物、地下管線與隧道管片等進行的沉降監(jiān)測[4]，以及凍結(jié)施工過程中對凍結(jié)系統(tǒng)(如冷凍機組參數(shù)、鹽水流量與地層溫度等)進行的監(jiān)測。

4 工程應(yīng)用效果

北京地鐵聯(lián)絡(luò)通道通常采用超前小導(dǎo)管注漿法以及地面降水法施工，但在如承壓水等地下水情況復(fù)雜或不具備地面加固條件及沉降控制要求高的工況條件下，凍結(jié)法以其安全性高、不污染環(huán)境且沉降控制好等優(yōu)勢被稱為“終極工法”[5]。北京地鐵6號線東延伸段因線路下穿京哈鐵路、大運河、民房，且主要處于含承壓水的砂性地層，區(qū)間4座聯(lián)絡(luò)通道均采用凍結(jié)法施工，包括起點站—物資學(xué)院站區(qū)間單線泵房、玉帶河大街站—郝家府站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道、玉帶河大街站—郝家府站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道兼泵房、東部新城站—東小營站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道兼泵房。

以東部新城站—東小營站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道兼泵房施工為例，聯(lián)絡(luò)通道上覆土厚度19.16 m，隧道中心線間距為13 m，處于⑤2層飽和粉細砂及⑦層飽和中砂(兩層位均含承壓水)，設(shè)計凍結(jié)壁厚度為1.8 m，凍結(jié)壁平均溫度不大于-10 ℃，積極凍結(jié)時間為45 d，凍結(jié)孔布置圖如圖1所示。凍結(jié)施工過程中安全可控，施工過程較為順利，未發(fā)生涌水流砂以及塌方等異常情況。如圖2所示[6]為凍結(jié)施工過程中各階段地表某監(jiān)測點的變形情況。鉆孔階段由于采用的是跟管鉆進法[7,8]，承壓水從凍結(jié)管與地層的環(huán)形空間流失，造成地層稍有沉降，但鉆孔結(jié)束后進行了地層補償注漿，因而地表變形得以恢復(fù)；積極凍結(jié)階段，由于凍脹效應(yīng)，地層產(chǎn)生隆起，期間隨著泄壓而有所緩解，凍結(jié)壁形成后，凍脹效應(yīng)最為劇烈，此時泄壓孔泄壓，地層隆起量得到控制，變形量有限；維護凍結(jié)階段即開挖構(gòu)筑階段，隨著土方開挖的卸荷作用地層沉降明顯，由于開

挖過程中控制開挖步距且及時進行支護，地層沉降量被控制在允許范圍內(nèi)；停止凍結(jié)后，凍土融化而產(chǎn)生一定的沉降，此時隨著融沉注漿的進行，前期地層沉降得到彌補，地表沉降逐漸減小，當(dāng)?shù)貙映两涤叿€(wěn)定即停止融沉注漿。

北京地鐵6號線東延伸段區(qū)間4座聯(lián)絡(luò)通道沉降情況如表3所示，其中最大隆起量為3.01 mm，最大沉降量為-6.11 mm，地表變形量均控制在允許范圍內(nèi)，凍結(jié)環(huán)境效應(yīng)得到了較好的控制，表明凍結(jié)法在北京地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工中的應(yīng)用是成功的。

表3 凍結(jié)施工各階段的地表變形量 mm

5 結(jié)語

凍結(jié)法在北京地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工中的成功應(yīng)用體現(xiàn)了凍結(jié)法在諸如流砂地層等復(fù)雜工況條件的突出優(yōu)勢，但在設(shè)計與施工過程中也遇到了許多難題，同時也為凍結(jié)法在北京地區(qū)的應(yīng)用與發(fā)展指明了方向。1)針對北京地區(qū)典型土層的凍土物理力學(xué)參數(shù)等基礎(chǔ)資料缺乏，需建立并完善典型土層的凍土物理力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，為凍結(jié)勘察設(shè)計與施工提供依據(jù)。2)凍結(jié)施工工藝與參數(shù)需針對北京地區(qū)水文地質(zhì)條件、環(huán)境條件及結(jié)構(gòu)型式進行調(diào)整，使其適應(yīng)北京地鐵的建設(shè)需要。3)為使凍結(jié)法在北京地區(qū)應(yīng)用與發(fā)展，需制定與完善北京地區(qū)凍結(jié)施工技術(shù)規(guī)范，使凍結(jié)施工更為系統(tǒng)和規(guī)范。

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Application of ground freezing method in cross passage of Beijing metro

Zhang Haiyang1Wang Lixian2Luo Furong3

(1.HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China; 2.FuyangInstituteofTechnology,Fuyang236031,China; 3.BeijingMTRConstructionAdministrationCorporation,Beijing100037,China)

Taking Beijing subway connecting passage construction with freezing method as the research target, through artificial frozen soil mechanics testing, the paper obained physical mechanics parameters of frozen soil of typical soil layer in Beijing region, shows freezing wall experience design thickness of Beijing subway connecting passage, and illustrates major freezing construction procedures. Practice proves that: it is feasible and successful to apply freezing method in Beijing subway connecting passage construction.

subway, connectional passage, freezing method, geological conditions

1009-6825(2017)02-0142-02

2016-11-09

張海洋(1979- )，男，在讀碩士; 王莉賢(1988- )，女，助教; 羅富榮(1968- )，男，教授級高級工程師

TU472.9

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