新建車站下穿運營車站凍結(jié)施工變形影響分析

石 巖，張文祥，貝幫禹

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210000)

隨著各地區(qū)軌道交通的大規(guī)模發(fā)展，新建線路與既有運營線路出現(xiàn)越來越多的換乘、并行和交叉(上跨、下穿)等情況。新建車站在近距離密貼下穿既有運營車站施工過程中，下穿暗挖段通常采用“MJS水平加固+水平凍結(jié)+暗挖”施工工藝。其中，凍結(jié)法是利用制冷技術(shù)使土層中的水凝固形成凍土，從而具備一定的承載力，并在凍結(jié)壁的保護下進行地下工程暗挖施工[1]，在富水軟土地區(qū)的地鐵建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。但是，凍結(jié)后的土體內(nèi)因水分凝固導(dǎo)致體積膨脹產(chǎn)生的凍脹現(xiàn)象，會引起凍結(jié)區(qū)域鄰近建(構(gòu))筑物產(chǎn)生不均勻變形，尤其是周邊既有運營線路的結(jié)構(gòu)變形，嚴重影響運營安全。因此，在凍結(jié)施工過程中，應(yīng)采取措施減緩凍脹對周邊建(構(gòu))筑物的變形影響，確保既有建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)[2]。

綜合目前研究現(xiàn)狀，影響凍脹效果的主要因素有凍結(jié)過程中的鹽水流量及溫度、土體密實程度和地下水滲流，通常從鹽水流量和溫度等方面進行施工工法的參數(shù)控制。本文以新建中勝站下穿既有運營車站工程為背景，分析新建車站暗挖區(qū)段凍結(jié)施工對既有車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，提出采取調(diào)節(jié)鹽水流量及溫度、設(shè)置泄壓孔等措施對凍脹變形進行緩解控制，并根據(jù)對采取措施后的既有車站變形監(jiān)測數(shù)據(jù)來量化凍脹效果。最后，總結(jié)了凍結(jié)法施工在漫灘地區(qū)施工條件下的適用性，為確保凍結(jié)施工后暗挖穿越工程的安全、穩(wěn)定及高效提供參考。

1 工程概況

新建地鐵車站位于交通道路的交叉口，總長201 m，沿南北方向展布。新建地鐵車站為地下二層(局部三層)島式車站，雙柱三跨矩形框架結(jié)構(gòu)，采用明挖法(局部暗挖法)施工。新建車站與既有車站是十字換乘，需要實現(xiàn)“零距離”下穿。換乘節(jié)點采用水平MJS加固+水平凍結(jié)+暗挖新工法施工。

新建地鐵車站的地形屬長江漫灘，起伏較為平緩，地面高程為6.6～7.3 m。結(jié)合地質(zhì)資料，既有車站處于②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，新建車站處于②-3b3-4+d3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂及粉砂夾粉土。

1.1 施工關(guān)鍵點

(1)凍結(jié)孔布設(shè)在MJS加固體中，以減緩凍脹效果；

(2)在非凍結(jié)處設(shè)置泄壓孔，釋放土層水土凍脹壓力[3]。

水平凍結(jié)孔的施工難度大，凍結(jié)過程難以穩(wěn)定控制。凍結(jié)孔施工時應(yīng)采取以下針對性措施：

(1)采用二次開孔技術(shù)，避免一次開孔出現(xiàn)涌水涌砂；

(2)采用跟管鉆進法打設(shè)凍結(jié)管，以便準確測定鉆進位置和方向；

(3)確保鉆孔定位準確和鉆機安裝牢固穩(wěn)定，鉆進過程中要及時測斜；

(4)增設(shè)泄壓孔及加熱孔，減少凍脹效應(yīng)；

(5)必要時進行補孔，控制凍結(jié)孔的間距；

(6)在凍土帷幕及周邊未凍土區(qū)域設(shè)置泄壓孔，通過釋放泥水來減弱既有線底板上的凍結(jié)附加力；

(7)在凍結(jié)區(qū)域上部既有車站底板具備條件時開設(shè)凍結(jié)孔與加熱孔(加熱孔兼作測溫孔)[4]。

1.2 凍結(jié)加固技術(shù)措施

根據(jù)暗挖段車站地質(zhì)情況及斷面形狀，將凍結(jié)帷幕設(shè)計為兩個“田”字形，以確保開挖面土體穩(wěn)定且上覆車站結(jié)構(gòu)不會因后期開挖出現(xiàn)嚴重沉降。兩個暗挖斷面要同時進行凍結(jié)施工[5]。

水平凍結(jié)加固施工首先進行凍結(jié)孔鉆進施工，其次安裝調(diào)試制冷系統(tǒng)并積極凍結(jié)，最后維護凍結(jié)。

施工過程中，當平均溫度超過設(shè)計平均溫度時，可適當調(diào)節(jié)鹽水溫度，維護凍結(jié)[6]。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 影響段既有線車站結(jié)構(gòu)監(jiān)測

新建車站暗挖下穿段按方案實施了凍結(jié)施工，期間運營車站結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著抬升，其中，道床最大抬升33.9 mm，結(jié)構(gòu)底板最大抬升18.9 mm，結(jié)構(gòu)柱最大抬升14.7 mm。圖1為暗挖中部影響最大區(qū)域15軸斷面各監(jiān)測點凍結(jié)期間垂直位移階段變化量曲線。

圖1 15軸斷面各監(jiān)測點凍結(jié)期間垂直位移階段變化量曲線

表1 暗挖段水平凍結(jié)期間各測項數(shù)據(jù)變化統(tǒng)計

從表1和圖1可以看出，凍結(jié)施工導(dǎo)致隧道正投影段產(chǎn)生明顯上抬變形，且上抬速率逐漸加快，車站結(jié)構(gòu)各部位的豎向變形均隨著凍結(jié)天數(shù)的增加而持續(xù)上升。

由于暗挖段凍結(jié)施工導(dǎo)致車站結(jié)構(gòu)垂直位移變化量持續(xù)增大，為了控制對既有車站結(jié)構(gòu)的影響，降低了變形最大區(qū)域的冷凍管流量，同時在開挖面設(shè)置泄壓孔進行泄壓[7]。自對變形最大區(qū)域調(diào)節(jié)鹽水流量后，既有車站結(jié)構(gòu)上升速率逐漸減緩，車站結(jié)構(gòu)柱、底板和道床較之前最大了降低67.3%(結(jié)構(gòu)柱)。

2.2 凍結(jié)區(qū)域溫度監(jiān)測

(1)溫度監(jiān)測

凍結(jié)施工期間，凍結(jié)區(qū)域各項溫度監(jiān)測結(jié)果如下：

①鹽水溫度。設(shè)計要求7 d鹽水溫度降至-18 ℃以下，15 d鹽水溫度降至-24 ℃以下，開挖時鹽水溫度降至-28 ℃以下。實際監(jiān)測小里程7 d鹽水溫度降至-15.2 ℃，15 d鹽水溫度降至-26.1 ℃；實際監(jiān)測大里程7 d鹽水溫度降至-21.4 ℃，15 d鹽水溫度降至-25 ℃。

②鹽水去回路溫差。設(shè)計要求凍結(jié)開挖時去回路鹽水溫差不大于2 ℃；實際監(jiān)測大、小里程凍結(jié)站鹽水去回路溫差在1 ℃左右。

③鹽水流量。單個工作井內(nèi)188個凍結(jié)孔共44分組回路，鹽水流量為295 m3/h，單孔鹽水流量達到6.7 m3/h，滿足設(shè)計單孔流量5～8 m3/h的要求。

④凍結(jié)壁平均溫度。凍結(jié)60 d時，頂部凍結(jié)壁最薄弱處的平均溫度為-9.5 ℃，設(shè)計要求凍結(jié)帷幕平均溫度≤-8 ℃；側(cè)墻凍結(jié)壁最薄弱處的平均溫度為-12.2 ℃，底板凍結(jié)壁最薄弱處的平均溫度為-12.8 ℃，設(shè)計要求凍結(jié)帷幕平均溫度≤-13 ℃。

(2)測溫孔分析

對現(xiàn)場設(shè)置的17個測溫孔進行監(jiān)測分析，按最低發(fā)展速度考慮，頂部平均發(fā)展速度取18 mm/d，開挖面加強孔平均發(fā)展速度取26 mm/d，通道兩側(cè)及底板平均發(fā)展速度取21 mm/d。凍結(jié)壁有效區(qū)頂部凍結(jié)最薄弱處厚度1 849 mm，通道底部凍結(jié)最薄弱處厚度3 175 mm，通道兩側(cè)凍結(jié)壁最薄弱處厚度2 890 mm，通道間最薄弱處厚度3 653 mm，均大于設(shè)計有效凍結(jié)厚度。

(3)泄壓孔分析

小、大里程工作井各設(shè)置了8個泄壓孔，這些泄壓孔在凍結(jié)12 d、16 d開始有規(guī)律上漲，最大壓力達到0.2 MPa，現(xiàn)場根據(jù)監(jiān)測情況進行泄壓，證明凍結(jié)壁已經(jīng)交圈。

2.3 影響段既有線車站上方地表監(jiān)測

結(jié)合凍結(jié)區(qū)域影響段既有車站上方地表監(jiān)測數(shù)據(jù)，在水平凍結(jié)期間，地表出現(xiàn)了明顯抬升趨勢，最大變形速率達0.411 mm/d，平均變形速率達0.198 mm/d，且隆起最大處位于左右暗挖凍結(jié)面中間通道位置DB11-01，對應(yīng)地下車站結(jié)構(gòu)15軸處，與既有車站結(jié)構(gòu)變形最大處位置一致，從側(cè)面印證了人工水平凍結(jié)法施工對土體及既有車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的凍脹力隆起效應(yīng)。圖2為凍結(jié)影響段地表垂直位移階段變化量曲線。

3 變形處理

3.1 變形處理措施

凍結(jié)期間，根據(jù)既有地鐵車站結(jié)構(gòu)監(jiān)測反饋，道床變形最大點位Z22(33.9 mm)，車站底板變形最大點位ZSZD21(18.9 mm)，結(jié)構(gòu)柱變形最大點位為16軸(14.7 mm)。針對該區(qū)域出現(xiàn)的明顯隆起以及經(jīng)現(xiàn)場巡視發(fā)現(xiàn)的部分裂縫等病害，采取了以下措施。

(1)為了減小凍脹對地面管線的影響，在大、小里程暗挖井各打設(shè)8個泄壓孔。當泄壓孔壓力上漲超過初始壓力0.2 MPa時，放水泄壓，以隔絕凍脹力在土地中的傳遞，保證上部建(構(gòu))筑物安全[8]。

(2)凍結(jié)孔中設(shè)置緩凍孔，對于內(nèi)圈輔助十字凍結(jié)孔部分，根據(jù)現(xiàn)場溫度情況適當減少積極凍結(jié)時間，并保持鹽水流量不大于6 m3/h。

(3)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，既有地鐵沉降較大部位集中于通道間凍結(jié)壁。對大、小里程工作井內(nèi)通道間凍結(jié)孔進行流量調(diào)節(jié)，采用凍結(jié)孔隔管減少鹽水流量的方式[9]，在凍結(jié)壁有效厚度不減少的前提下，持續(xù)觀察沉降及測溫數(shù)據(jù)。

圖2 凍結(jié)影響段地表垂直位移階段變化量曲線

(4)根據(jù)既有線監(jiān)測布點及監(jiān)測數(shù)據(jù)情況，有計劃地對車站15～16軸(即隆起最大點位對應(yīng)處)十字凍結(jié)部位進行取土。

3.2 變形影響分析

(1)根據(jù)工程實例分析在實施相應(yīng)凍結(jié)措施下的車站結(jié)構(gòu)凍脹變化規(guī)律，將既有結(jié)構(gòu)的凍脹變形劃分為3個變形階段：第一階段凍脹初期。隨著凍結(jié)區(qū)域凍結(jié)壁的發(fā)展，凍結(jié)區(qū)域上部既有結(jié)構(gòu)出現(xiàn)隆起跡象，但變形速率比較小，變形趨勢平穩(wěn)。第二階段凍脹快速發(fā)展。對暗挖段進行積極凍結(jié)，凍結(jié)溫度逐漸降低，凍結(jié)壁厚度增大，凍結(jié)區(qū)域上部既有結(jié)構(gòu)迅速上升，隆起速率不斷加快。第一階段凍脹平緩階段。對凍脹布設(shè)泄壓孔、緩凍孔并減小鹽水流量，既有結(jié)構(gòu)隆起速率減緩，凍脹變形趨于平穩(wěn)。

(2)通過對不同階段數(shù)據(jù)進行分析，提出了在施工工程中采取泄壓、調(diào)整凍結(jié)參數(shù)等措施控制凍脹對車站結(jié)構(gòu)的影響。實際施工過程中，提高鹽水溫度并在工作井內(nèi)通道泄壓后，車站底板受凍脹力影響減弱，變形速率逐漸平緩，車站結(jié)構(gòu)變形得到明顯控制。

4 結(jié) 論

結(jié)合既有運營車站及地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合分析了暗挖段凍結(jié)施工對上覆結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的凍脹變形，通過計算分析得到采取凍脹控制措施下的實際效果，結(jié)果表明：在提高鹽水溫度和降低流量的同時，對十字凍結(jié)部位泄壓后，車站結(jié)構(gòu)柱、底板變形速率分別減緩67.3%和30.4%，凍脹壓力影響得到了減緩和控制，為類似地區(qū)工程項目的適用性提供了數(shù)據(jù)支撐和相關(guān)經(jīng)驗。