淺埋地鐵出入口凍結法施工技術實踐

孔 令 輝

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

淺埋地鐵出入口凍結法施工技術實踐

孔 令 輝

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

以上海某地鐵出入口凍結法施工為例，結合數(shù)值模擬分析，總結了凍結法在淺埋暗挖工程中應用的關鍵技術措施，主要包括凍結壁安全措施、凍脹與融沉控制、信息化監(jiān)測等，為凍結法施工積累了經(jīng)驗。

凍結法，淺埋暗挖，施工技術

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，城市交通壓力也日益嚴重，城市軌道交通成為各大城市治理擁堵的選擇。目前地鐵出入口一般采用明挖法來施工，牽涉到管線改遷、道路封閉，給本來擁堵的交通增加了負擔。出入口一般設計埋深比較淺，采用普通的礦山暗挖法施工往往導致地層變形比較大，無法保證周邊管線以及地面道路的安全。

凍結法具有加固體均勻、強度高、封水效果好、地層適應性強、環(huán)境污染小等特點，近年來在城市軌道交通聯(lián)絡通道及端頭井進出洞加固工程中得到了廣泛應用。研究采用凍結法對出入口處地層進行加固，可避免因管線改遷而導致的工期的延誤及對城市居民生活的影響，具有很好的應用價值。

1 工程簡介

上海軌道交通某出入口，通道長度11 975 mm，凈寬度5 700 mm，凈高2 550 mm，為矩形鋼筋混凝土結構。出入口上方地面為市區(qū)主干道金沙江路，車流量較大，管線較多，主要管線有φ300 mm上水管，φ500 mm煤氣管道，φ800 mm雨水污水管道。通道結構頂面距地表僅6.145 m，距上端管線最近距離2.54 m。出入口主要位于②3-1砂質粉土及④淤泥質粘土層中。環(huán)境復雜，方案設計以及工程施工必須嚴格控制地層變形，采取穩(wěn)妥措施來確保工程施工的安全。

出入口結構、凍結壁及管線分布見圖1。

2 凍結方案設計要求

該處出入口埋深較淺，管線分布眾多，凍結壁設計要滿足以下三點要求：

1)土體承載力要求。凍結壁厚度應滿足凍結設計規(guī)程中的凍結壁力學計算安全系數(shù)的要求，在計算荷載時應考慮城市主干道的路面活荷載作用。

2)凍結壁擴展范圍應得到精確控制。該處出入口結構層距上端管線最近距離僅2.54 m，考慮0.3 m的初期支護層，并按凍結壁厚度1.8 m計算，頂部凍結壁上緣距最近的管線距離僅為0.44 m。凍結壁在開挖過程中仍處在擴展過程中，一旦擴展至管線處，容易導致管線破壞或流體凍結，管線堵塞。因此必須采取措施控制凍結壁的擴展范圍。

3)嚴格控制土體凍脹、融沉引起的地層變形。

凍結法施工必然伴隨著土體凍脹和融沉。土壤的凍脹與融沉是復雜的物理力學過程，其凍脹與融沉量影響因素眾多，很難通過定量分析計算作為參考予以控制。參考施工監(jiān)測數(shù)據(jù)對土體凍脹融沉進行動態(tài)控制是目前最為可行的途徑之一。該處出入口距離管線近，對變形具有非常嚴苛的要求，必須采取完善、連續(xù)的監(jiān)測手段及可靠地控制措施保證地層變形控制在管線允許變形范圍內。

凍結孔布置圖如圖2所示。

3 凍結開挖方案

凍結壁形式為包裹結構輪廓的箱體結構，經(jīng)計算凍結壁厚度取1.8 m可以滿足承載力要求，采用89×8的無縫鋼管作凍結管。上部凍結管的間距600 mm，側墻和地板間距700 mm～800 mm?？紤]到凍脹，在凍結帷幕內設置12個φ108×8 mm花管卸壓孔，當凍結壁交圈后及時卸除帷幕內的凍脹壓力。

結構跨度范圍較大，設計采用分區(qū)開挖，在結構面中部設置一橫一縱兩排加強孔，將結構面劃分為幾個小矩形。施工時先采用臺階法開挖兩側導硐，導硐初期支護完成后，挖除中間凍土部分(見圖3)。

4 凍結壁擴展范圍控制

對上部凍土體的擴展范圍進行動態(tài)控制，方法是在凍結壁上部邊緣以上300 mm處設置一排解凍孔。并且在凍結壁上部邊緣處設置一排測溫孔，用以監(jiān)測凍結壁的發(fā)展情況。當監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示凍結壁擴展范圍超過設計要求時，在解凍孔內下入供液管，進行強制解凍，確保凍土向上的發(fā)展控制在一定的范圍內，以避免引起較大的凍脹。解凍方法為采用加熱裝置，保持鹽水出口溫度在70 ℃，在孔內循環(huán)較高溫度的熱鹽水，解凍孔間隔加熱，循環(huán)進行。

5 凍脹量控制

為控制土體凍脹導致的上部土體隆起量在合理范圍內，除上述控制凍結壁擴展范圍外，還可通過泄壓措施予以控制。

為模擬泄壓效果，在凍土帷幕內部及上方均布置泄壓孔進行泄壓。泄壓模擬在Ansys中采取對非凍土設置線膨脹系數(shù)的方法實現(xiàn)。

利用Ansys軟件進行熱固耦合分析。模型平面應變單元，尺寸：長50 m，高20 m。由于熱分布與應力分布相互影響較小，故先進行熱力學計算，得到溫度場分布，然后轉入力學計算。熱力學計算單元類型為Plane55單元，力學計算選用與之對應的Plane182單元。根據(jù)《上海地區(qū)人工凍土試驗報告》的相關成果，結合該工程地層特點選取土體參數(shù)。其中凍土膨脹率選取3%。Ansys分析時選取負值的線膨脹系數(shù)進行模擬。

圖4為僅對凍土帷幕內部進行泄壓的模擬效果圖；圖5為同時對凍土帷幕內部和上部進行泄壓后的結果，結合監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過不同部位的泄壓孔進行泄壓，地表沉降完全可以控制在要求范圍內。

在凍結壁上部設置兩排卸壓孔，當土體隆起速率或累計隆起量過大時，及時適量卸除部分土體，抵消土體凍脹導致的地層隆起。外部卸壓孔采用φ108×8 mm低碳無縫鋼管，制作成花管形式。泄壓孔處安裝閥門，當?shù)乇砺∑鹈黠@時，打開閥門，采用水平鉆機或插入供液管，向孔內鉆進并沖水，沖水速率根據(jù)經(jīng)驗控制，并保持少量、均勻、多次的原則，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)控制卸除泥土量(見圖6)。

6 信息化監(jiān)測措施

本工程施工的一大特色為采用信息化監(jiān)測手段對工程進展情況進行實時反饋，主要監(jiān)測內容包括：

1)凍結系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，包括冷凍機運行各項參數(shù)、鹽水進回路溫差監(jiān)測；

2)通過布置在土體內的測溫孔對凍土帷幕發(fā)展速率、擴展范圍進行監(jiān)測和演算。采用CW-500型測溫儀記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)并繪制測溫曲線；

3)對地表、管線變形進行實時動態(tài)監(jiān)控。為控制管線變形，在凍結法施工區(qū)域上方金沙江路地面上布設10臺GHD-D型靜力水準儀，通過傳感器采集并實時傳輸數(shù)據(jù)，為工程變形控制及時提供參考數(shù)據(jù)。

工程實踐表明，信息化監(jiān)測手段為動態(tài)地實現(xiàn)該項目對地層凍脹和融沉控制提供了可靠的依據(jù)。

7 結語

本工程采用信息化監(jiān)測手段，并配合有效的泄壓和凍結壁擴展范圍控制措施，及時有效地解決了凍結法施工中伴隨的凍脹和融沉等不利影響，為凍結法在市政工程中的應用提供了值得借鑒的經(jīng)驗。

[1] 陳湘生.人工地層凍結法在巖土工程中的應用[A].巖土工程力學與應用討論會論文集[C].1991.

[2] 楊 平.人工凍結法在南京地鐵張府園車站的應用[J].巖土力學，2006(5)：3-4.

The technology practice of the freezing construction in the shallow subway passageway

KONG Ling-hui

(BeijingChinaCoalMineEngineeringCo.,Ltd,Beijing100013,China)

Take the freezing construction of a subway passageway in Shanghai as an example, combining with the numerical simulation analysis, this article analyze and summarize the key technical measures of the freezing construction application in the shallow covered excavation construction. The content includes the control of the freezing wall extending area, the control of frost heaving and thawing settlement, and the informative monitoring, which has accumulated experience for freezing construction.

the freezing construction, shallow covered excavation, construction technology

1009-6825(2014)22-0103-02

2014-05-24

孔令輝(1985- )，男，碩士，助理工程師

U231.3

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