管棚冻结技术在地铁车站出入口施工中的应用研究

谭佳

（广州地铁集团有限公司，广州 510220）

1 引言

由于城市地铁工程施工时，经常遇到地质条件恶劣、周边环境复杂、市政管线众多的情况，如何在加固地层的基础上，有效控制地表和管线沉降，是施工过程中经常遇到的难题[1]。“冻土+钢管棚”复合加固结构，以管棚受力、冻土止水的加固理念可以提高不良地质条件下浅埋暗挖工程施工的安全可靠性。某地铁站2号出入口位于康王中路与长寿西路交叉口下方，覆土浅、地层软弱、地面存在重要道路以及市政管线敏感，采用此复合加固结构成功实施暗挖。

2 工程概况

某地铁车站2号出入口冻结段位于车站主体结构负1层和华林国际D馆连接段，切入华林国际D馆地下弧形维护结构桩，短边距5.6m，长边距8.3m，顶部埋深仅3.9m。加固区域地面标高为+7.500m，2号出入口集水井底开挖面标高为-4.708m。

根据地勘资料揭示加固区域主要地层为：＜1＞杂填土、＜2-1A＞海陆交互相沉积淤泥层、＜2-2＞海陆交互相沉积粉细砂及淤泥质粉质细砂层。

该冻结加固区域主要管路自上而下分别为：1×1m电力管沟，φ500mm煤气管、φ300mm给水管、φ800mm给水管、φ800mm排水管，各管路与冻结区域呈正交状态。加固位置上方管线较多，距离近、风险大。

3 冻结设计施工方案

3.1 冻结设计

1）顶部冻结壁共设计管棚孔（兼作冻结孔）21个，拱部冻结壁厚度1m，遵循“强管棚弱冻结”的设计思路，拱部以上荷载完全由管棚承担，冻结达到止水效果。在管棚及冻土帷幕的双重保护之下，进行暗挖施工作业。

两侧及底部各布置2排冻结孔，梅花形布置，底部管棚冻结孔距离初支240mm，两侧冻

结孔距离初期支护外侧700mm，底部冻结孔距离初期支护外侧600mm。此外，2号出入口由于结构高度较大又存在较大的开挖仰角（23°），为保证分块开挖区的稳定性，中间增加横向和竖向1.5m厚冻结壁分隔墙，采用全断面加固冻结以保证开挖掌子面的稳定性。加固后的地基具有良好的均匀性、稳定性和必要的强度。

2）对冻结壁采用有限元分析软件ANSYS进行了有限元数值分析，求解冻结壁厚度发展情况、平均温度。根据温度场计算，设计积极冻结时间为45d；考虑维护结构散热影响，设计底板、侧墙有效冻结壁平均温度-10℃，有效冻结壁厚度为2.5m；顶板有效冻结壁平均温度-10℃，有效冻结壁厚度为1.0m（控制冻结）；中板、中墙有效冻结壁平均温度-10℃，有效冻结壁厚度为1.5m。

3）冻土结构计算：冻结加固范围内土层主要为＜2-2＞淤泥质粉细砂，根据以往工程经验暂取-10℃冻土和-10℃管棚冻土强度指标：抗压5.0MPa，抗折2.5MPa，抗剪2.0MPa。设计取-10℃冻土的弹性模量和泊松比分别取150MPa和0.25；设计取-10℃管棚冻土的弹性模量和泊松比分别取300MPa和0.25。设计底板、侧墙有效冻结壁平均温度-10℃，有效冻结壁厚度为2.5m；顶板有效冻结壁平均温度-10℃，有效冻结壁厚度为1.0m；不考虑中板和中墙冻土作用。计算内容主要为在中间土体一次性全断面开挖的情况下（相对实际开挖情况为最不利情况），周围冻土结构是否可满足强度和变形要求。

4）计算结论：一次性开挖全部冻土中间土体方式，开挖产生最大变形位于冻土底板中间位置，最大达66mm；计算在一次性开挖的情况下地面沉降达到22～29mm，开挖变形偏大。为减少地面沉降变形，开挖时需要采取措施以减小冻土变形确保工程施工安全，开挖方式应分区开挖，及时支护。

由于原计算未考虑分区开挖，中板冻土和中墙冻土的作用，且实际施工再次优化冻结孔设计布置方式，底部冻结壁厚度超过设计2.5m厚度，并采用临时型钢中隔壁措施，实际开挖变形控制在10mm内。

开挖期间沉降实际值与模拟值对比如图1所示。

3.2 管棚施工工艺

冻结+管棚联合施工，一方面冻土具有良好的水密性、均值性和复原性；另一方面，管棚刚度大、承载力高，在一定程度上减少了冻土工程量，提高了经济效益。管棚的造孔施工是本工程的重大难点之一，主要体现在以下3个方面：

1）需穿越围护桩障碍物。华林国际侧存在φ1 000mm@1 100mm弧形围护桩结构，管棚钻进需穿过此结构并嵌入华林国际地下室结构墙15cm，以形成共同受力体系。

图1 沉降实际值与模拟值对比

2）钻孔偏斜控制难度较大。管棚位于杂填土层，穿越土层软硬不均，钻孔时易出现卡钻、偏钻，钻孔精度不易控制。

3）易引起地表沉降。管棚孔设计端部位置距离地面仅1 007mm，尤其在穿越混凝土障碍物时，极易引起地层的扰动，造成地面沉降。

针对以上特点，本项目采用双重套管工艺施工：安装调试钻机→φ200mm一次开孔安装孔口管→φ168mm×8mm管棚套管跟管钻进至围护桩→φ146mm×10mm管棚套管跟管钻进至对侧地下室板墙并嵌入15cm→下放φ76mm×5mm冻结管→采用双液浆充填环形间隙并满焊管棚和冻结管间隙。

4 冻胀控制措施

1）管棚抗冻胀。管棚由车站侧结构墙+地连墙、华林国际侧维护桩以及华林国际结构墙体（嵌入15 cm）作为支撑，共同形成超静定梁结构，能够抵抗下部冻结带来的冻胀影响。

2）土体改良。钻孔施工期间地层注入水泥-水玻璃双浆液，共计水泥100.6t，水玻璃20t，对土层性质进行了改变，抑制了水分迁移，在一定程度上起到减小土体冻胀的作用。

3）地面铺设防水层。广州雨水丰沛，在2号出入口正上方的华林国际商城前方步行道区域铺设防水层，阻止雨水下渗到冻结区域，较少冻胀影响。

4）设置温控区域。在开挖区域上部设置温控区域，温控区域是由在泄压孔穿插设置12个加热孔组成。一方面通过建立温控区域控制冻土向外发展边界，进而控制冻土体量，减小冻胀量；另一方面加热孔可确保泄压孔周边土体不被冻结，保证泄压孔有效性。当冻土帷幕上边界的测点温度达到0℃时，开启加热孔进行人工强制解冻。

5）物理泄压。根据冻结设计要求，在顶部及开挖面布设泄压孔22个。泄压孔钻孔工序同冻结孔，泄压孔采用φ108mm×8m低碳无缝钢管制作，加工成花管形式。考虑到实际过程中泄压的困难和失效，选用φ110mm的螺旋钻杆重新钻孔疏通泄压。

6）间歇性开停机冻结。在确保冻结效果达到设计要求的前提下，可以通过间歇性开停机冻结的方式来控制冻胀。2号出入口自2020年1月26日开始，采用开机24h停机24h的间歇冻结方案，地面及管线沉降得到了有效控制。

5 沉降监测

在2号出入口上方的φ300mm给水管上布设了沉降监测点GX9～GX11,监测频率每天1次。监测数据如图2所示。

从图2中可以看出：积极冻结前期管线抬升较为明显，最大值为+38mm，通过卸压以及后期间歇性开停机等措施后管线抬升速度小，冻胀控制效果较为理想。

6 结语

图2 管线沉降变化曲线

管棚法辅助冻结的复合加固是适用于淤泥地层、浅覆土及冻胀控制要求高的矿山法施工加固工法。本工程成功运用了该工法对浅埋地层进行加固，根据数值模拟结果采取临时支护措施并调整开挖步序，可进一步优化底部冻结壁布孔且确保冻土底板位置变形可控。通过设置温控区域、物理泄压、间歇性开停机冻结等辅助措施，有效地控制了地面及冻结区域上方的管线冻胀抬升，对类似城市地下工程建设项目具有很好的参考作用。