北京地铁区间联络通道冻结法施工技术

2020-08-03黄金龙黄建贾德华

铁道建筑 2020年7期

黄金龙黄建贾德华

（1.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068；2.铁科院（北京）工程咨询有限公司，北京 100081）

北京地铁一区间由上下行线组成，隧道外径6 m，内径5.4 m。管片宽1.2 m，厚0.3 m。区间中部设一处联络通道兼泵房。当一条隧道内发生火灾、涌水、倒塌等突发性事件时，乘客可就地下车，经联络通道转移到另一条隧道，并迅速向地面疏散［1］。联络通道土体开挖前，必须对周围土体进行加固［2］。冻结法因其防水效果好、对周围环境影响小等特点越来越多地被应用于地铁建设中，特别是对环境保护要求高、处在软土地质条件下的联络通道，其应用更为广泛［3-7］。

本文区间联络通道采取冻结法施工，根据其现场监测数据，分析冻结盐水温度、冻土温度、泄压孔压力等参数的变化规律，判定是否达到设计要求，并结合实际施工情况验证监测数据的准确性，研究冻结法施工的可行性。

1 冻结设计

区间联络通道兼泵房覆土厚度为15.8 m，结构周围所处地层从上至下依次为⑤细砂、⑥粉质黏土、⑦2粉砂、⑦细砂、⑧粉质黏土层、⑨细沙。地层中存在强承压水，位于隧道上方，分别距离联络通道结构顶部垂直距离约4.6，2.9，2.0 m。

根据本地区土层特性，并参考以往施工经验及北京地铁企业标准，该区间联络通道冻结参数确定为：积极冻结期盐水温度低于-28℃，维护冻结期温度不高于-25℃；积极冻结时间为40～45 d，冻结帷幕平均温度设计为-10℃；冻结壁厚度为2.0 m，相应冻土强度设计指标为单轴抗压强度4.0 MPa、抗折强度1.8 MPa、抗剪强度1.5 MPa［8］。

为保证联络通道开挖安全，采用在2条隧道分别布孔的方案，并在隧道底部设2处冻结孔，将联络通道及泵房封闭，这样泵房内挖不到冻结管，确保了冻土强度和安全。根据管片配筋情况，在避开管片缝、主筋前提下可适当调整冻结管。联络通道冻结管布置按上仰、水平、下俯3种角度布置，共布置冻结孔70个（图1），造孔工程745.67 m。

图1 冻结管三维布置

2 现场监测

2.1 监测方法及测点布置

联络通道共布置测温孔10个，如图2所示。其中主冻结侧隧道冻结面上设置2个测温孔C1和C2，并分别在孔深0.5，2.0 m处布置测温点；辅冻结侧隧道冻结面上设置8个测温孔C3—C10，C3—C7设置0.5，2.0 m 2个不同深度测温点，C8—C10布置4个不同深度测温点，分别为0.5，3.0，6.0，8.4 m。在冻结帷幕封闭区域内布置4个泄压孔（X1—X4），上下行线各2个，在泄压孔上安装压力表，可以直观地监测冻结帷幕内压力变化情况。通过每日观测，及时判断冻结帷幕的形成，并直接释放由冻结所形成的冻胀压力。

图2 温度监测点布置

2.2 盐水温度监测分析

盐水去、回路温度曲线见图3，最初降温速度较快，积极冻结第7 d，盐水温度低于-18℃，从积极冻结第13 d开始，最低盐水温度低于-28℃，维持在-30℃左右，达到冻结设计要求。直到冻结第30 d，盐水去、回路温度相差无几，温度差约1℃，表明地层热负荷降低，冻土帷幕形成良好。

图3 盐水去、回路温度曲线

2.3 冻土温度监测分析

1）C8—C10测温孔0.5 m和3.0 m处冻土温度曲线见图4，0.5 m处温度近似呈指数函数变化，先是急剧下降，然后逐渐趋于稳定。这是因为测温点深度较浅，离外界环境较近，温度很快受到外界的影响而趋稳；3.0 m处温度整体呈线性变化，随着时间的增加温度下降，之后逐渐趋于稳定，只是由于深度的原因，导致受外界影响达到稳态的时间延长。

图4 C8—C10测温孔冻土温度曲线

2）C8测温孔各测点温度曲线见图5，在积极冻结期，同一孔内4个测点的温度不同，孔越深温度越低。原因是孔深度越浅，距离外界就越近，即与外界的热交换就越大，反之越小［9］。

图5 C8测温孔各测点温度曲线

3）C1—C7测温孔2.0 m处温度曲线见图6，同一孔深度2.0 m处各测点的降温趋势相似，反映出对称孔的温度发展情况相似，说明冻结是均匀发展的，冻结情况良好。

图6 测温孔2.0 m处温度曲线

以孔深度2.0 m处C1测温孔为例，距离最近冻结管D1距离906 mm，降至0℃所需时间为18 d，平均发展速度为50.33 mm/d。同理，根据所有测点平均发展速度取平均值，得到最终平均发展速度为36 mm/d，积极冻结时间为40 d，冻土平均发展半径为1.44 m。

图7 X1—X4泄压孔压力曲线

2.4 泄压孔监测分析

X1—X4泄压孔压力曲线见图7，4个泄压孔在积极冻结第19 d孔内压力开始呈线性增加，说明此时冻结壁开始交圈。在积极冻结第31 d，为了了解冻土发展状况，打开X1泄压孔观察冻结情况，可以看到剩余3个泄压孔明显有小范围压力下降现象。在积极冻结第35 d，剩余3个泄压孔压力值进入平稳状态，此时说明冻土帷幕已基本形成，此后冻土压力逐渐趋于稳定，符合冻土冻结规律。在积极冻结40 d后，泄压孔泄压，压力降至0且泄压孔无水流出，说明冻土帷幕形成良好，符合开挖要求。

2.5 冻结壁最小冻结壁厚度及平均温度计算分析

2.5.1 最小冻结壁厚度

由2.3节可知，冻土平均发展半径R为1.44 m，冻结孔间距D为1.347 m，按照圆柱交圈成冻结壁（图8），最小冻结壁厚度H计算式为

图8 冻结壁交圈

通过计算得出最小冻结壁厚度为2.58 m，大于设计值2.0 m，达到开挖要求。

2.5.2 冻结壁平均温度

根据《简明建井工程手册》冻结施工成冰公式计算冻结帷幕的平均温度。

式中：tc为冻结壁平均温度，℃；toc为按0℃边界线计算的冻结壁平均温度，℃；tn为井帮冻结帷幕温度，取-6℃；tb为盐水温度，取-31℃；l为冻结孔间距，取1.347 m；E为冻结壁厚度，取2.58 m。

通过计算冻结壁平均温度为-10.67℃，满足设计要求。

3 现场监测验证

联络通道内采用台阶法开挖，分为4步：开挖联络通道上台阶土体，施作拱部及上台阶边墙初期支护；上下台阶拉开4～6 m，开挖联络通道下台阶土体，施作下台阶边墙及仰拱初期支护；铺设仰拱防水层及防水保护层，施作仰拱及部分边墙二次衬砌结构；铺设边墙及拱顶防水层，施作剩余二次衬砌结构。

通道开挖前，在开挖面一侧施工1个探孔，探孔距冻结孔1.2 m，实测土层温度-5.1℃，证明冻结壁厚度已达到2.4 m以上，满足设计要求。根据温度、泄压孔压力等数据分析结果，在积极冻结第35 d，冻土帷幕就已经达到了设计要求，可以进行联络通道开挖，实际开挖时间为积极冻结第40 d。开口处采用爬坡开挖，角度控制在30°以内，开挖土体呈块状，没有地下水出现，冻结情况良好。

通道开挖期间C8—C10测温孔3.0 m处温度曲线见图9，对比图4，在联络通道开挖期间C8—C10测点温度下降速度变缓，逐渐趋于稳定，与前文土层温度分析结果相吻合。测温点C9温度在后期突然升高，是由于C9靠近泵房底部，泵房开挖破坏了先前稳定状态，与外界热交换变大所致。