软土地层地铁车站浅埋冻结暗挖法施工方案分析

盛应平

（1.上海轨道交通十八号线发展有限公司，200135，上海；2.上海申通地铁集团有限公司，200135，上海∥高级工程师）

当地铁隧道穿越软弱、破碎、富含水地层或断层破碎带，而盾构法等常规施工方法不可行时，常采用冻结法对不良土层进行加固，以增加其强度和稳定性。隔绝了地下水与地下工程的联系后，再采用矿山法进行施工［1-3］。但由于地铁隧道多处于市政交通枢纽区域，对周边环境的敏感性强，采用冻结法对大断面隧道施工时，需要考虑冻胀对地表环境的影响［4-7］。

上海轨道交通18号线江浦路站埋深浅、开挖断面大。车站处于市政交通枢纽区域，周边环境敏感。为控制该站冻结工程对周边环境的影响，车站施工拟在管棚冻结法加固地层后采用矿山法进行开挖支护施工［8-10］。由于大断面车站冻结工程在国内尚属首次，为此，特对冻结方案进行分析，并结合数值分析，研究冻结法施工时冻胀对地表的影响，提出相应的控制措施。

1 工程概况

18号线江浦路站沿江浦路南北走向，与已通车的8号线江浦路站进行“十”字换乘，换乘段靠近8号线。车站结构为上下两层岛式建筑，结构宽度23.0 m，高12.45 m。车站断面呈矩形，分为南北两段，其中南段长度15.21 m（地下连续墙至地下连续墙），北段长度10.31 m（地下连续墙至地下连续墙）。站台中心处顶板覆土约2.47 m，底板埋深约14.97 m。车站周边建（构）筑物及管线较多。

如图1所示，该站所处土层由上至下分别为：①1填土层；③灰色淤泥质粉质黏土层；③J灰色淤泥质粉质黏土与砂质粉土互层；④灰色淤泥质黏土层；⑤1-1灰色黏土层。土体渗透系数最大的为灰色砂质粉土与淤泥质粉质黏土层（③J层），渗透系数为5.36×10-5cm/s，属于非渗透性土层。

图1 江浦路站地质横断面图

2 车站加固方案

2.1 工程特点

综上所述，车站采用冻结预加固的浅埋暗挖法施工，具有以下难点：

（1）周边环境复杂。车站上方覆土仅为2.47 m，且覆土内市政管线较多，因此在施工过程中若产生较大变形，将会引起房屋倾斜开裂、道路破坏或地下管线破损，从而在社会上造成严重的负面影响。

（2）地层条件差。车站结构主要位于③灰色淤泥质粉质黏土层、③J灰色淤泥质粉质黏土与砂质粉土互层、④灰色淤泥质黏土层中，为典型的上海地区软土层。地层中的灰色淤泥质土具有高含水量、高压缩性、低强度等特点，易出现突发涌水流砂事故。

（3）开挖断面大、跨度长。待建车站断面总宽度达23.7 m，总高度达12.5 m，若在施工中处理不当，易引发塌方、冒顶等事故。

2.2 施工方案比选

车站施工方案的选择需要综合考虑安全、经济、工期等指标。在确保施工安全的前提下，从工期、设备、材料等方面综合考虑经济合理性，尽量满足施工便利以及缩短工期。因此，从经济、施工风险、技术、交通影响、工期等方面对明挖顺作法、管幕+冻结暗挖法、冻结暗挖法这3种方案进行比选，详见表1。除了要分析上述3种方案本身的造价和施工因素外，还要考虑对商业活动和地面交通的影响，以及由此而波及的对整个城市的经济活动、市政建设的发展和财政收入等因素的影响。

表1 江浦路站施工方案比选

该车站原计划采用明挖顺作方案。明挖法具有施工作业面多、保护主体结构工程质量等特点，但对地面环境影响较大，在饱和的软土地层中，深基坑开挖引起的地面沉降较难控制。由表1综合比选可知，车站施工方案选取冻结暗挖法最优。冻结暗挖法可全天候施工，施工期为14个月，满足工期的要求；而且，冻结暗挖法不占用道路，对交通影响小。

3 工程参考实例

上海轨道交通采用冻结暗挖的类似工程案列有4号线上海体育场站零距离穿越1号线体育馆站。如图2所示，上海轨道交通4号线上海体育场站施工段与已运营的轨道交通1号线上海体育馆站由东向西斜交约78°。穿越段结构由相邻的上行线隧道、下行线隧道和换乘通道3部分组成。穿越段结构横截面尺寸（高×宽）都为5.74 m×21.5 m。穿越段顶面紧贴1号线车站站底板，穿越段结构顶部绝对标高为-10.08 m，底板底标高为-15.82 m，地面绝对标高为+4.19 m，穿越段总长度约22.6 m。穿越段东端与4号线上海体育场站相连，西端为4号线区间盾构隧道。

图2 上海轨道交通4号线上海体育场站穿越段平剖面

3.1 冻结设计

冻结孔布置见图3，冻结壁和冻结孔设计参数见表2。

图3 穿越段冻结孔布置图

3.2 工程效果

通过对穿越段施工全过程的监测，在钻孔、冻结、开挖与融沉注浆的各个阶段，1号线轨道的竖向位移为-0.5～2.8 mm，完全满足轨道交通运营线路的沉降控制要求。

表2 穿越段冻结壁设计参数

4 江浦路站车站冻结方案

江浦路站为矩形对接结构，因此冻结壁整体呈矩形布置。内侧根据开挖分区划分，设置“井”字形冻结壁（见图4），左右两侧及底部冻结壁厚度为3.0 m，横向冻结壁厚度从上之下依次为1.0 m、1.0 m、1.6 m，将冻结区分为9个独立部分。

4.1 冻土帷幕设计

图4 江浦路站冻结孔位布置图

4.2 冻结参数设计

本工程管棚管规格采用φ273 mm×10 mm无缝钢管，横排和竖排管棚孔间距分别为300 mm、500 mm。冻结孔采用两种布孔方式：一种为独立冻结孔，冻结孔采用φ89 mm×8 mm冻结管；另一种为管棚内下放冻结管，并在管棚管和冻结管之间用水泥砂浆充填。根据位置不同，采用冻结管的规格分别为φ57 mm×4 mm、φ89 mm×5 mm。此外，为了监测冻结壁发展状况以及控制内部冻胀压力，分别布置了测温孔和泄压孔。具体参数如表3所示，孔位布置如图4所示。

表3 江浦路站盐水冻结主要参数表

4.3 冻胀控制方案

综上所述，本冻结工程现场施工条件较差、风险较高。要实现车站冻结工程的顺利施工，需要采取冻胀控制措施以减小土体冻胀对周边环境的影响。具体措施如下：①路面裂缝处理（包括路面原有裂缝、冻结期间冻胀裂缝）。采用热沥青灌缝和宽40 cm的抗裂贴，在地表路面摊铺，增加防水面，阻止水分下渗。②管棚抗冻胀。管棚嵌入8号线墙体10 cm，形成超静定梁结构，以抵抗下部冻结带来的冻胀影响。③泄压孔泄压。在图4中9个封闭冻结区域内设置泄压孔，进行物理取土泄压。

5 冻结施工方案数值分析

5.1 几何模型与边界条件

依据初步冻结设计方案，温度场数值分析采用有限元软件ANSYS进行三维建模。车站横断面方向为x、y方向，车站纵向为z方向；车站计算模型沿x、y、z方向上尺寸取50.000 m ×30.000 m ×10.308 m。温度场分析采用具有10节点的Solid 90单元，结构分析采用与之对应的Solid 185单元。为提高计算精度，对车站周围的土体进行网格加密。

模型边界条件：由于土体初始温度为18～22℃，因此假定初始地温为20℃；由冻结温度场控制方程中冻结管边界条件可知，冻结管壁温度为盐水温度；在冻胀位移计算过程中，模型两侧边界限定水平位移，底部边界限定水平及竖直位移，前后侧边界限定纵向位移。

5.2 计算参数

为简化计算，视车站主要位于灰色淤泥质黏土中，委托相关单位对开挖地层原状土进行了物理力学特性试验，取得了土层热学物理参数如表4所示。

表4 地层温度场计算参数

5.3 计算结果分析

5.3.1 温度场结果分析

车站设计积极冻结期为45 d。图5为冻结45 d时车站冻结温度场扩展分布情况，可看出，侧墙冻结壁厚度为3.2 m，冻结壁整体平均温度达-14.5℃。冻结壁满足设计值要求。

图5 冻结45 d时车站的温度场云图

选取C1、C2两处测温点（位置见图4）进行分析。图6为C1、C2的温降曲线。从图6可以看出：冻结初期，地层温降速率较快，冻结的前20 d，2号测温孔的温降速度约为1℃/d；第20～30 d时，温降速度约为0.85℃/d；第35～45 d时，温降速度约为0.2℃/d。这是由于：冻结管初期，土体与冻结管之间热交换迅速，温降速率快；随着冻结时间的增加，土体与冻结管热交换逐渐趋于平衡，故温降曲线的斜率逐渐变缓直至消失；测温点C1的温降规律与测温点C2基本一致，但由于C2测温点靠近车站内侧冻结管，受“群孔效应”影响，C2的温降速率明显快于C1。

图6 车站两个测温点的降温曲线

5.3.2 冻胀位移场结果分析

在该车站积极冻结期内，地表竖向位移分布规律如图7所示。车站积极冻结过程中，车站上方土层产生了较大的垂直隆起位移，且因冻结壁随冻结时间逐步扩展，车站上方土层隆起位移也逐渐增大。车站中心轴线处地表隆起位移在任意冻结时刻都较大，冻结45 d时的最大隆起位移值为9 mm；车站上方土层隆起位移与距车站中心线水平距离呈负相关，距离车站中心线水平越远，车站上方的土层隆起位移越小。

图7 车站地表竖向位移分布规律

在无冻胀控制措施的条件下，地表冻胀位移较大。因此，考虑采用大体积时空错峰冻结和全方位，高压喷射法（MJS），对冻结开挖区域土层进行加固，改良土体性能以控制地层冻胀。

（1）错峰冻结控制冻胀：如图8所示，错峰冻结前期（20 d时），地表冻胀位移明显减小，竖向最大位移仅为2.5 mm。随着冻结时间增长，地表位移逐渐增大，45 d时的竖向最大位移达8.3 mm，与初始方案相比地表位移减少0.7 mm。

图8 错峰冻结时车站地表竖向位移分布

图9 MJS加固时车站地表竖向位移分布

（2）土性改良控制冻胀：如图9所示，采用MJS加固土体后，改善了土体性质，降低了土体的冻胀率，冻结20 d时竖向最大位移为3 mm，45 d时竖向最大位移达6.5 mm，与初始方案相比地表位移减少了2.5 mm。可见，冻结法施工前采用MJS加固土层，对控制地层冻胀具有显著效果。

6 结语

基于上海轨道交通18号线江浦路车站工程，根据地质条件、周边环境等因素提出了3种施工方案，经方案比选，最终选择“冻结+暗挖”法施工方案。但大体量冻结工程会对地表环境产生巨大的施工风险。因此，结合类似的工程实践经验，提出了相应冻结设计，并根据有限元分析得出车站冻结温度场扩展规律，确认方案可行；在此基础上，根据有限元分析可知，采用MJS加固土层，以改良土体性能，可有效地控制地层冻胀对周围环境的影响。