用局部冻结法修复损坏的地铁隧道

孙 闯，周兴旺，韩玉福

（1.辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁阜新 123000；2.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013）

用局部冻结法修复损坏的地铁隧道

孙 闯1，周兴旺2，韩玉福2

（1.辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁阜新 123000；2.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013）

京沪高铁桩基施工中造成上海某地铁隧道管片破损，大量淤泥流入隧道内部，工程采用台阶式封堵墙对隧道内部土体进行封堵，并对破损隧道内部进行注浆充填。隧道上部土体采用地面充填加固注浆的方法加固扰动土层；修复段采用“地面垂直冻结加固土体，结合隧道内水平冻结加固土体，隧道内开挖构筑”的施工方案；在破损隧道上部及四周3 m范围内进行局部冻结，形成强度高，封闭性好的冻土帷幕。冻土帷幕形成后采用暗挖矿山法进行修复段隧道的开挖构筑施工，对破损管片采用原位修复方案，施工取得圆满成功。通过介绍隧道修复设计方案，并对现场监测数据进行分析，为类似工程提供借鉴。

冻结法；冻土帷幕；隧道；封堵墙

1 概 述

近10年来，我国地下工程领域取得了突飞猛进的发展，尤其是城市地下工程的飞速发展，在设计与施工技术水平上已日趋成熟［1］。但随着地铁施工数量的增多，一些意外的施工事故也会对隧道结构产生一定影响甚至损坏，尤其是遇到涌水、流砂、淤泥等复杂不稳定地质条件时，给修复工程带来很大的难度。所以，地铁修复工程设计与施工技术已成为岩土工程中的重点同时也是难点问题。随着人工冻结技术在我国矿井与地下工程中的广泛应用，人工冻结施工技术已经达到很高的水平，针对地质条件较差的隧道修复工程，采用人工冻结法对隧道围岩进行冻结，在破损隧道周围形成强度高，封闭性好的冻土墙或冻土圈，使修复工程的安全性与效率大幅提高［2－5］。近几年人工冻结技术的应用在地铁修复工程中起到了至关重要的作用，文献［6］，［7］介绍了人工冻结法在特殊环境条件下上海轨道交通四号线修复工程中的修复工艺以及设备配置；文献［8］介绍了采用水平冻结技术对隧道进行修复，工程中对破坏隧道与完好隧道连接段采用垂直封水挡土冻结与水平冻结暗挖法相结合的修复方案，修复工程取得了成功；文献［9］详细介绍了采用了4排管局部冻结法对地铁隧道进行修复，并对现场冻结温度、冻胀力等进行监测分析；文献［10］介绍了在含盐地层中隧道涌水冻结法施工修复技术。

鉴于上海人民路地铁隧道修复工程具有较高的风险性和复杂性，经专家组反复论证后，修复工程决定采用原位修复方案，上行线区间隧道修复段采用“地面垂直冻结加固土体，结合隧道内水平冻结加固土体，隧道内开挖构筑”的施工方案，在破损隧道上部及四周3 m范围内进行局部冻结，冻土帷幕形成后采用矿山暗挖法进行修复段隧道的开挖构筑施工。

2 工程概况

京沪高速铁路某标段拱桥工程桩基施工中，造成正在建设中的人民路地铁隧道局部损坏，地面施工情况如图1所示。上行线505环与535环之间的盾构隧道管片，被5根PHC（预应力高强混凝土）桩基所击穿，造成泥土进入隧道，上行线受损部位被完全堵塞，长度约42 m，在隧道受损位置附近，上、下行线隧道的中心标高分别为－14.507 m和－14.557 m，隧道中心距12.4 m。图2为本工程的地质情况示意图，经勘察，拟建场地50.0 m深度范围内地层埋藏分布较稳定，区间隧道修复段施工区土层为⑤1－1黏土和⑥2灰色粉质黏土，地基土物理性能见表1。

3 冻结设计方案

3.1 冻土帷幕设计参数

冻土帷幕顶面所受土压力根据隧道内部开挖后破损隧道上部土体向下变形特性，按主动土压力计算，侧面承受水土压力静止侧压力系数取0.7计算，土的平均重度取18.5 kN／m3。设计取－10℃冻土的弹性模量和泊松比分别为150 MPa和0.27。冻土强度指标为：抗压强度3.6 MPa，抗折强度2.0 MPa。强度检验安全系数取：抗压2.0 MPa，抗折3.0 MPa，抗剪2.0 MPa。设计隧道两侧及底部冻土帷幕有效厚度为2.2 m，隧道上部冻土帷幕有效厚度为3 m。冻土帷幕应力、位移计算值及安全系数见表2。

图1 工程平面示意图Fig.1 Plan of the project

图2 地质剖面示意图Fig.2 Geological profile

表1 地基土物理力学性能指标Table1 Physical and mechanical property indexes of the foundation soil

表2 冻土帷幕应力、位移计算值及安全系数Table2 Calculated stress and displacement of freezing soil curtain and safety factors

3.2 冻结孔设计参数

对上行线隧道进行修复时，共布置10排246个冻结孔，开孔间距为0.6～1.5 m，其中共设在地面布置垂直冻结孔163个，倾斜孔40个，冻结管总长度为4 371.688 m，地面垂直孔2 836.054 m，倾斜孔969.84 m，在下行线隧道内设水平孔565.794 m，根据设计冻结孔间距、冻结温度和盐水流量估算，冻土帷幕交圈时间为20～25 d，积极冻结45 d时，冻土帷幕厚度可达设计要求。冻结孔及测温孔布置如图3所示。由于事故范围内原施工临时PHC桩很多，且桩体垂直精度相对较差，因此，虽然水平冻结管的布置均已避让，但实施过程中仍有可能碰到桩体而使水平冻结孔无法施工。在此情况下，可考虑调整位置和角度重新打孔、打补孔、加强孔等措施，以确保冻结帷幕的质量与安全。在冻结管施工过程中，垂直孔和倾斜孔钻进完毕后，下入冻结管，外接箍焊接连接，下放冻结管时，对未冻结范围内隔板以上的冻结管外侧采用聚苯乙烯泡沫塑料保温，保温层厚度为50 mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎。竖直局部冻结管结构如图4所示。

图3 冻结壁和冻结管布置图Fig.3 Layout of freezing wall and freezing tube

图4 冻结管立面布置图Fig.4 Elevation view of the layout of freezing tubes

3.3 隧道内充填注浆与地面充填注浆

为了防止地面垂直冻结孔施工时造成泥浆沿破损管片处流入隧道，在被击穿的管片范围外侧施工封堵墙进行封堵，封堵墙呈台阶式施工。由于隧道在冻胀力影响下会产生变形位移，本工程对隧道内进行注浆充填和地面充填加固注浆，注浆材料采用粉煤灰、水泥加水玻璃，该材料具有较小的析水率和较小冻融率的特性。利用振动钻机紧贴PHC桩造孔，确保造孔位置在原已经破坏的管片与PHC桩之间的缝隙内，避免对原有未破损管片造成破坏，保证冻结孔顺利施工，并减少冻涨和融沉对隧道的影响，有利于施工安全，图5为注浆示意图。根据以往施工经验和考虑塌方区特点，本工程考虑管片破损情况和双液浆的扩散要求，设计注浆压力不高于0.6 MPa，利用振动钻机造孔，开孔直径32 mm，在振动钻机钻头布设特定注浆装置，在孔位到达设计深度后开始注浆，注入设计量后上提0.33 m，再注浆，直至到达加固土体顶部后注浆结束，其工艺流程为：造孔→连接系统管路→开始注浆→上提钻杆→再注浆→再提钻杆→再注浆→……注浆结束。

图5 隧道封堵墙与充填注浆示意图Fig.5 Plugging wall and the grout filling

4 现场监测分析

4.1 冻结系统监测

冻结系统监测主要是针对去、回路盐水温度变化，在去、回路盐水主管上安装精密水银温度计和数字温度传感器，测量频度为每天1次。冻结系统从4月14日开机运行，盐水温度迅速下降，冻结4 d后，输送管路温度降至－20.5℃，积极冻结期平均温差为1.6℃，维护冻结平均温差为1.2℃。说明冻结开始时热交换量比较大，冻结帷幕形成良好。冻结30 d后，温度降到最低－29.8℃。从最低点以后，积极冻结期输送管路温度平均维持在－30℃左右。维护冻结从冻结45 d开始，维护冻结输送管路温度平均维持在－29℃左右。

4.2 冻土帷幕监测

冻结壁设计有效厚度底部及两侧不小于2.2 m，顶部不小于3.0 m，平均温度低于－10℃，积极冻结期才能结束，转为维护冻结。冻土帷幕的温度监测采用一线总线式测温系统［11］，此系统可以对冻结壁进行实时监测，在每个测温孔内下放5个测点，每个测点间距0.8 m，测温孔布置如图3所示，其中T1测温孔为确定冻土帷幕的向外扩展距离，当T1测温孔下部各测点温度均达到－10℃以下时，说明冻结壁以基本形成，T3测温孔为确定冻土帷幕的交圈时间及冻结帷幕的厚度，当T3测温孔下部各测点温度均达到－20℃以下时，说明冻结壁强度已经达到要求。图6、图7为测温孔T1、T3各测点温度随时间变化曲线，由图可以看出，地面垂直冻结孔内冻结20 d后，T1测孔测点底部土体温度均达到－10℃以下，即冻土帷幕向完好隧道两侧扩展距离已经全部到达T1位置，说明向外侧延伸的冻土帷幕已经基本形成。而T3测孔位置的测点温度达到－20℃左右，说明冻结20 d后，隧道上部冻土已经全部交圈。冻结33 d后冻土帷幕平均温度低于－20℃，积极冻结期结束，转为维护冻结。冻土帷幕扩展情况与设计时间基本保持一致。

图6 T1孔内各点温度随时间变化曲线Fig.6 Tem perature variation against time at each point in hole T1

图7 T3孔内各点温度随时间变化曲线Fig.7 Tem perature variation against time at each point in hole T3

4.3 隧道变形监测

在冻结过程中，土体的冻胀力会对完整隧道管片形成压应力，如果控制不好，会导致未损坏隧道管片变形甚至损坏。本工程对隧道的变形量通过对测隧道内管片的垂直与水平位移来反映。A，B两测点布置在水平方向与竖直方向通过隧道中心的位置。此次分析截取了从冻结开始到冻结第17 d之间的隧道管片变形监测情况，由图8、图9可以看出，由于下部冻结壁较为薄弱，为加强冻结，水平冻结器比地面垂直冻结器先冷冻5 d，所以，隧道底部由于受冻土膨胀的冻土力影响，在冻结4.5 d，隧道管片开始出现外移与上浮现象，但是隧道的最大外移度没有超过4 mm，最大上浮度在6 mm左右，随着隧道上部与两侧土体开始冻结，隧道的变形开始趋于稳定，并没有出现明显的变形情况。可见由于隧道内部采用注浆填充处理，隧道上部采用分层注浆处理后，不仅增强了隧道上部岩体的稳定性，同时也有效地控制了隧道的变形。

图8 隧道管片垂直位移变化曲线Fig.8 Variation of vertical displacement of tunnel lining against time

图9 隧道管片水平位移变化曲线Fig.9 Variation of horizontal disp lacement of tunnel lining against tim e

5 修复施工

冻土帷幕达到设计要求后，工程进行排水、清淤以及修复管片等。通过现场钻探对上行线进行了探摸，20号PHC桩击穿511环隧道顶部，同时可能击穿隧道底部，因此511环可能需要整环修复；512环受511环影响，隧道顶部管片可能出现破损；513环隧道顶部可能破损，但初步判断破损程度应该比较小；514环没有出现严重破损，而515环封顶块、邻接块严重破坏，可能由于19号PHC桩偏移所致；受515环影响，516环可能存在较大程度破损；因18号PHC桩影响，517环、518环均有严重破损，而518环破损更甚，有需要整环修复的可能性；受相邻环影响，519环有较小程度破损；520环、521环出现严重破损，应是17号PHC桩所致，可能需要整环修复；按推理，522环、523环破损应当较小；525环封顶块、邻接块发生严重破损，应是由于16号PHC桩偏移所致，这样524环破损程度就较小。根据上述分析，确定上行线修复范围为511－525环，其中，511环、518环、520－521环可能需要整环修复，其余破损管片可能需要封顶块与邻接块局部修复。

对局部修复的管片在开挖前架设防底鼓底梁与防收敛半圆支架，并在好管片处架设防松弛支撑，然后进行管片破除及壁后冻土开挖。开挖冻土后及时架设圆形临时钢支架，并挂锚网喷射混凝土做好临时支护，然后开始破除局部连接块施工。连接块处进行临时支护后，形成整体临时支护，然后进行防水层施工。现浇结构与原管片采用植筋方式连接，防水层施工完成后开始植筋、绑扎钢筋、立模板等工作。混凝土浇注自525环侧开始每两环作为一个浇注段，最后完成混凝土封顶施工。

6 结 语

（1）设计采用局部冻结方案，在本工程条件下是适宜合理的，该方案加强了隧道破损部位周边土体的强度，与上部土体全部冻结相比，不仅降低冷耗，还可以减少冻胀和融沉量，安全系数也没有随之下降，很大程度上改善了工程环境条件；

（2）修复工程中对隧道内进行注浆填充，不仅控制了破损隧道上层淤泥继续涌入隧道，同时也减少了冻结过程中土体形成的冻胀力对隧道管片的影响；

（3）隧道内清淤排水以及隧道管片修复共进行了一个月时间，采用竖直管局部冻结法这种特殊施工工法，使得隧道清淤排水得以顺利进行，施工取得了圆满成功。今后随着我国大力发展地下岩土工程，不可避免会遇到一些复杂工况与事故，因此本工程的成功施工能为将来类似工程提供借鉴。

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（编辑：周晓雁）

Partial Freezing M ethod Applied in the Restoration of Damaged Subway Tunnels

SUN Chuang1，ZHOU Xing wang2，HAN Yu fu2
（1.Institute of Civil Engineering and Transportation，Liaoning Technical University，Fuxin Liaoning 123000，China；2.Beijing Coal Mining Engineering Company Ltd.，Beijing 100013，China）

The construction of the pile foundation of Beijing Shanghaihigh speed railway damaged the tunnel lining of a segment of Shanghai subway with large amounts of sludge silted into the tunnel.This paper introduces the re pairing of the damaged tunnel and analyzes the sitemonitoring data to provide reference for alike projects.Firstly，stepped plugging wallwas used to plug the solum in the tunnel，and the internal of the damaged tunnel was grou ted.The upper solum in the tunnelwas treated by ground filling and grouting to reinforce the turbulent solum.Mo reover，the restoration segmentwas reinforced by vertical freezing on the ground and horizontal freezing as well as excavation construction inside the tunnel.Freezing soil curtain with high strength and good sealing property was produced by partial freezing in the upper damaged tunnel and in its surrounding 3 meters area.Subsequently，min ingmethod was employed in the excavation and the damaged lining was repaired by in situ restoration.The restora tion finally achieved great success.

freezingmethod；freezing soil curtain；tunnel；plugging wall

U452.2

A

1001－5485（2011）08－0067－05

2010 09 03

孙 闯（1983 ），男，辽宁阜新人，博士研究生，主要从事隧道与地下工程领域研究，（电话）18041800070（电子信箱）scijjj＠189.cn。