地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工引起地表變形實(shí)測(cè)分析

陶東軍 桂 林 李建望

(1.蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司，215004，蘇州；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，430063，武漢∥第一作者，高級(jí)工程師)

0 引言

城市地下管道及各種線網(wǎng)交互密集，城市周邊建(構(gòu))筑物環(huán)境復(fù)雜，地鐵隧道、聯(lián)絡(luò)通道施工引發(fā)的地層土體變形，必然會(huì)影響地下管道及周邊建(構(gòu))筑物的安全，故在地鐵聯(lián)絡(luò)通道的施工過(guò)程中須嚴(yán)格控制土層的變形。針對(duì)當(dāng)前面臨的工程問(wèn)題，文獻(xiàn)[1-2]基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、文獻(xiàn)[3-4]采用數(shù)值模擬等手段開(kāi)展了研究。文獻(xiàn)[5]在哈爾濱某地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工過(guò)程中對(duì)土體溫度進(jìn)行研究，總結(jié)了土體溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在鹽水凍結(jié)的初期，土體溫度下降的較快，當(dāng)溫度降到零度左右時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)期，溫度降至零度以下后，土體的降溫速率明顯變慢。文獻(xiàn)[6]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到了含水量豐富的粉質(zhì)黏土地層聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工過(guò)程中，溫度場(chǎng)及地表位移場(chǎng)的變形規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：土體凍結(jié)期間，各測(cè)溫孔溫度變化趨勢(shì)基本相同，但凍結(jié)壁遠(yuǎn)離凍結(jié)管方向的凍結(jié)速率約是趨向凍結(jié)管方向速率的1.35倍；開(kāi)挖期間，距離開(kāi)挖面較遠(yuǎn)的測(cè)溫孔溫度比距離開(kāi)挖面較近的測(cè)溫孔溫度下降的快；同時(shí)，將凍結(jié)施工期間的地表豎向位移分為5個(gè)階段，分別是小幅隆起、凍脹加快、凍融起伏、地表下沉和融沉注漿5個(gè)階段；開(kāi)挖期間最大凍脹量、最大沉降量曲線分別呈倒V型和W型。文獻(xiàn)[7]基于南昌地鐵1號(hào)線聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件ABAQUS模擬了凍結(jié)溫度、凍脹位移及管片應(yīng)力。數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，表明其所建模型合理。在此基礎(chǔ)上，還模擬了冷凍液溫度在-25 ℃、-30 ℃和-35 ℃時(shí)形成的不同凍結(jié)壁厚度所需時(shí)間。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，凍結(jié)壁厚度受冷凍液溫度影響，冷凍液溫度越低，形成凍結(jié)壁厚度所需時(shí)間越小。文獻(xiàn)[8]基于南京地鐵2號(hào)線聯(lián)絡(luò)通道水平凍結(jié)法施工，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí)的溫度場(chǎng)變化，以及凍脹、融沉引起的地表位移及管片應(yīng)力，得到了許多有價(jià)值的結(jié)論，以期為后續(xù)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工提供參考。

本文以蘇州軌道交通5號(hào)線長(zhǎng)江路站—塔園路站區(qū)間2#聯(lián)絡(luò)通道兼泵房為例進(jìn)行分析。該區(qū)間土層特性相差較大，上、下土層強(qiáng)度差異可能會(huì)引起工作面不穩(wěn)定等問(wèn)題。隧道底部縱向土層性質(zhì)分布不同，也極有可能會(huì)導(dǎo)致隧道縱向及聯(lián)絡(luò)通道橫向不均勻沉降。此外，土層含水量較豐富，且④2粉土夾粉砂層和⑤2粉土層為微承壓含水層，具有微承壓性，施工時(shí)地表沉降控制難度較大。本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以期能夠得到蘇州地區(qū)地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工的變形規(guī)律，為類似工程的施工提供參考。

1 工程簡(jiǎn)介及場(chǎng)地地質(zhì)條件

1.1 工程簡(jiǎn)介

蘇州軌道交通5號(hào)線V-TS-04標(biāo)包含兩站兩區(qū)間，兩站即長(zhǎng)江路站、塔園路站，兩區(qū)間即楓瑞路站—長(zhǎng)江路站區(qū)間、長(zhǎng)江路站—塔園路站區(qū)間。區(qū)間采用盾構(gòu)法掘進(jìn)施工，工程總體走向如圖1所示。

圖1 蘇州軌道交通5號(hào)線V-TS-04標(biāo)工程示意圖Fig.1 Diagram of Suzhou Rail Transit Line 5 V-TS-04 project

長(zhǎng)江路站—塔園路站區(qū)間右線隧道全長(zhǎng)1 378.529 m；左線隧道全長(zhǎng)1 405.704 m，長(zhǎng)鏈26.511 m，區(qū)間左、右線總長(zhǎng)2 784.233 m。本區(qū)間線路自長(zhǎng)江路站出站后向北方向穿行，右線設(shè)置兩段半徑分別為400 m和350 m的平面曲線，左線設(shè)置兩段半徑分別為400 m和360 m的平面曲線，到達(dá)竹園路后沿竹園路到達(dá)塔園路站，線間距為13～16 m。左、右線均采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間在里程右DK 13+710.000處設(shè)一處聯(lián)絡(luò)通道、在右DK 14+121.000處設(shè)置一處聯(lián)絡(luò)通道兼泵房。由于該區(qū)間地層土質(zhì)特性相差較大且土層含水量較豐富，故聯(lián)絡(luò)通道施工中易出現(xiàn)土體加固失效、隧道塌方及結(jié)構(gòu)受損、地面沉降較大和開(kāi)挖面涌水等問(wèn)題，嚴(yán)重危及工程安全。

1.2 場(chǎng)地工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)資料，長(zhǎng)江路站—塔園路站區(qū)間地層層序自上而下依次為：①1雜填土層、①3素填土層、③1黏土、③2粉質(zhì)黏土、③3粉土、④2粉砂夾粉土、⑤1粉質(zhì)黏土、⑤1a粉土夾粉質(zhì)黏土、⑦1粉質(zhì)黏土、⑦3粉質(zhì)黏土夾粉土。各土層的主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 長(zhǎng)江路站—塔園路站區(qū)間土層主要物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Main physical and mechanical indicators of soil layers of Changjiang Road Station—Tayuan Road Station interval

本場(chǎng)區(qū)地下水分為孔隙潛水、微承壓水、承壓水三類。其中孔隙潛水水位埋深1.2～2.0 m，高程1.72～2.04 m；微承壓水賦存于第一隔水層下的粉(砂)土層中，埋深5～6 m，厚度5～7 m，賦水性中等。據(jù)區(qū)域資料，蘇州市歷年最高微承壓水頭標(biāo)高為1.74 m，近3～5年的最高微承壓水水位為1.60 m左右，年變幅為1 m左右；承壓水主要賦存于深部的粉(砂)土層中，埋深約35 m，賦水性中等。根據(jù)《蘇州市水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)綜合勘察報(bào)告》(江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，1987年7月)等區(qū)域資料，承壓水頭埋深3～5 m，年變幅為1 m左右。

2 施工監(jiān)測(cè)方案

為確保盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道施工安全，依據(jù)《蘇州市軌道交通工程安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化系列手冊(cè)(上冊(cè) 管理類)》有關(guān)規(guī)定，對(duì)聯(lián)絡(luò)通道施工的影響區(qū)進(jìn)行沉降變形監(jiān)測(cè)。施工時(shí)，聯(lián)絡(luò)通道上方地表點(diǎn)橫斷面間距為5 m，共布設(shè)5個(gè)斷面，每個(gè)斷面布置11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，布置范圍為聯(lián)絡(luò)通道底板埋深2倍范圍內(nèi)。地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖2所示。

圖2 2#聯(lián)絡(luò)通道地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工時(shí)監(jiān)測(cè)頻率為：鉆孔期，1次/d；凍結(jié)加固期，1次/3 d；融沉控制期，1次/d；施工結(jié)束，1次/5d。聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí)的監(jiān)測(cè)頻率不應(yīng)少于1次/d，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定后，監(jiān)測(cè)頻率為每15～30 d監(jiān)測(cè)1次。聯(lián)絡(luò)通道沉降監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 聯(lián)絡(luò)通道沉降監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)

3 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工引起地表位移分析

3.1 與聯(lián)絡(luò)通道中軸線垂直斷面地表點(diǎn)豎向位移分析

2#聯(lián)絡(luò)通道DB3-3—DB3-9監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表豎向位移如圖3所示。由圖3可知，聯(lián)絡(luò)通道中軸線斷面地表豎向位移變化可大致分為以下5個(gè)階段：

圖3 2#聯(lián)絡(luò)通道DB3-3—DB3-9監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表豎向位移

1) 鉆孔微變階段(階段1)：此階段地表基本穩(wěn)定，整體呈現(xiàn)微幅的下沉趨勢(shì)。其中在鉆孔施工第13天時(shí)地表出現(xiàn)較大位移，沉降最大的是DB3-3監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為1.07 mm。主要原因?yàn)椋@孔施工時(shí)，土體發(fā)生水土流失，進(jìn)而導(dǎo)致地表呈下沉趨勢(shì)。

2) 冷凍隆起(凍脹)階段(階段2)：此階段地表逐漸隆起，隆起最大值可達(dá)6.76 mm。該階段土體溫度降到0 ℃以下，各凍結(jié)孔交圈、凍結(jié)帷幕迅速擴(kuò)展。由于原位凍脹(水凍結(jié)成冰后體積膨脹)以及分凝凍脹(水分遷移)，故而引起地表隆起。

3) 開(kāi)挖起伏階段(階段3)：此階段隆起最大值達(dá)7.58 mm，最小值為0.63 mm。該階段聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)始施工，導(dǎo)致土層應(yīng)力得到迅速釋放，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移變化較大。由于此時(shí)凍結(jié)仍在進(jìn)行，凍結(jié)帷幕繼續(xù)向外擴(kuò)展，凍結(jié)膨脹引起的地表隆起與聯(lián)絡(luò)通道土體開(kāi)挖卸荷引起的地表沉降相互疊加，導(dǎo)致地表豎向位移起伏震蕩。隨著聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)始砌筑，地表豎向位移又開(kāi)始上升。

4) 解凍下沉(融沉)階段(階段4)：隨著聯(lián)絡(luò)通道施工完成，冷凍孔開(kāi)始封孔并停止冷凍，聯(lián)絡(luò)通道周圈開(kāi)始回溫，土體發(fā)生熱融沉降和固結(jié)沉降，從而導(dǎo)致地表快速下降，最大沉降點(diǎn)為DB3-7，沉降值為11.85 mm。

5) 注漿趨穩(wěn)階段(階段5)：此階段地表沉降又出現(xiàn)起伏現(xiàn)象，但總體呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)閮鼋Y(jié)停止后，熱融沉降一段時(shí)間后也接著停止。然而，土的固結(jié)沉降不會(huì)隨之停止，而是繼續(xù)隨時(shí)間產(chǎn)生累積。此時(shí)又進(jìn)行注漿加固，故在第290天左右各點(diǎn)均出現(xiàn)回升，隨著注漿在不斷地進(jìn)行，地表沉降出現(xiàn)起伏現(xiàn)象。

3.2 各垂直斷面的地表最大豎向位移分析

在聯(lián)絡(luò)通道施工過(guò)程中，導(dǎo)致地表沉降的原因有很多。圖4～5反映了垂直于聯(lián)絡(luò)通道中軸線5個(gè)斷面地表豎向位移在聯(lián)絡(luò)通道施工過(guò)程中的最大凍脹量和最大融沉量的變化趨勢(shì)。

圖4 2#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工期間最大凍脹分布

由圖4可知，最大凍脹量變化趨勢(shì)大致呈凸起的半橢圓型。最大凍脹量是DB3-4監(jiān)測(cè)點(diǎn)，凍脹量為7.58 mm。凍脹量較大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)大致位于聯(lián)絡(luò)通道及凍結(jié)壁上方的地表。這是因?yàn)槁?lián)絡(luò)通道上方及左右兩側(cè)有凍結(jié)管布置，且凍結(jié)時(shí)土體應(yīng)力不易釋放，進(jìn)而導(dǎo)致中間位置出現(xiàn)相對(duì)明顯的凍脹抬升。隨著距離聯(lián)絡(luò)通道中軸線水平距離越遠(yuǎn)，最大凍脹量逐漸變小。

由圖5可知，最大融沉量變化趨勢(shì)大致呈V型。最大融沉量是DB2-8監(jiān)測(cè)點(diǎn)，融沉量為18.64 mm。最大融沉量較小的監(jiān)測(cè)點(diǎn)大致位于遠(yuǎn)離聯(lián)絡(luò)通道的地表。這是由于聯(lián)絡(luò)通道上方及左右兩側(cè)有凍結(jié)管布置，形成的凍結(jié)壁融化后土體隨之沉降。隨著距離聯(lián)絡(luò)通道中軸線水平方向距離越遠(yuǎn)，最大融沉量也相對(duì)減小。

圖5 2#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工后的最大融沉分布

綜合上述分析可知，聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工期間，在垂直聯(lián)絡(luò)通道中軸線水平方向距離約25 m的范圍內(nèi)，土體受凍結(jié)法施工影響較大，超出這個(gè)范圍，土體所受的影響較小。

3.3 聯(lián)絡(luò)通道中軸線斷面地表點(diǎn)豎向位移分析

2#聯(lián)絡(luò)通道DB1-6—DB5-6監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表豎向位移如圖6所示。由圖6可知，聯(lián)絡(luò)通道中軸線斷面地表豎向位移變化同樣可大致分為鉆孔微變、冷凍隆起(凍脹)、開(kāi)挖起伏、解凍下沉(融沉)和注漿趨穩(wěn)階段5個(gè)階段。其中：在鉆孔微變階段，由于鉆孔施工時(shí)存在施工工序先后，故同一斷面各點(diǎn)變化趨勢(shì)略有不同，最大沉降點(diǎn)是DB5-6測(cè)點(diǎn)，沉降量為0.67 mm；在冷凍隆起(凍脹)和開(kāi)挖起伏階段，各測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)基本一致；在解凍下沉(融沉)和注漿趨穩(wěn)階段，冷凍孔開(kāi)始封孔并停止冷凍，土體進(jìn)行熱融沉降和固結(jié)沉降，此時(shí)又進(jìn)行注漿加固，故地表位移表現(xiàn)出起伏現(xiàn)象并最終趨于平穩(wěn)。

圖6 2#聯(lián)絡(luò)通道DB1-6—DB5-6監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表豎向位移

3.4 中軸線斷面地表點(diǎn)最大豎向位移分析

2#聯(lián)絡(luò)通道施工過(guò)程中的最大凍脹量和最大融沉量分布如圖7～8所示。

圖7 2#聯(lián)絡(luò)通道施工期間最大凍脹分布

圖8 2#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工后的最大融沉分布

由圖7～8可見(jiàn)， 2#聯(lián)絡(luò)通道施工期間中軸線斷面地表最大凍脹量為4～7 mm范圍，最大融沉量為7～15 mm范圍。這表明，在聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工過(guò)程中，融沉量要顯著大于凍脹量，需要引起高度重視。此外，聯(lián)絡(luò)通道中軸線的沉降線在理論上應(yīng)該呈“對(duì)稱”分布，但實(shí)際上圖中呈現(xiàn)出了左線至右線(DB5-6—DB1-6)漸變的沉降趨勢(shì)。分析其原因是，在該區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道施工期間，右線上方的市政道路仍保持通車狀態(tài)，這限制了凍脹期間的地表抬升，同時(shí)也加劇了凍融期間的地表沉降。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 凍結(jié)法施工期間，聯(lián)絡(luò)通道中軸線斷面地表豎向位移變化可大致分為鉆孔微變、冷凍隆起(凍脹)、開(kāi)挖起伏、解凍下沉(融沉)和注漿趨穩(wěn)階段5個(gè)階段。其中，鉆孔造成的水土流失對(duì)地表土體豎向位移影響不大。

2) 土體溫度降到0 ℃以下后，各凍結(jié)孔交圈形成凍結(jié)帷幕，地表迅速隆起。隨著聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)始施工，土層應(yīng)力得到迅速釋放。凍結(jié)膨脹引起的地表隆起與聯(lián)絡(luò)通道土體開(kāi)挖卸荷引起的地表沉降相互疊加，使得地表豎向位移起伏震蕩。

3) 凍結(jié)法施工期間，垂直于聯(lián)絡(luò)通道中軸線方向的各斷面地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大凍脹量變化趨勢(shì)大致呈凸起的半橢圓型，最大融沉量變化趨勢(shì)大致呈V型。

4) 在垂直聯(lián)絡(luò)通道中軸線水平方向距離約25 m的范圍內(nèi)，土體受凍結(jié)法施工影響較大，超出這個(gè)范圍，土體所受的影響較小，故在此范圍內(nèi)的地下管線等設(shè)施需注意采取相應(yīng)的保護(hù)措施，尤其是穿越聯(lián)絡(luò)通道左右及上方土體的設(shè)施。