穿越富水砂卵石层盾构隧道冻结施工技术

沈春盛

(中国铁建股份有限公司华东区域总部 浙江杭州 310011)

1 引言

地下轨道交通常下穿既有构建筑物，对其稳定性造成不利影响，隧道下穿引起的重要建筑沉降尤为关键。对于富水的松散地层，一旦开挖扰动，极有可能造成洞内涌水、涌泥等危害，因而采用冻结加固法则是该类地层的首选。

为此，众多学者开展了一系列的研究。崔灏[1]以超长地铁联络通道为研究对象，分析了冻结法施工下联络通道水平冻结温度场的变化趋势。于长一[2]以某冻结法施工的地铁联络通道，分析了施工过程中土层的冻胀、融沉规律。阮庆松等[3]通过数值模拟手段分析了冻结法施工下联络通道和地层在施工过程中变形规律。陈生[4]利用数值模拟软件模拟了天津地铁隧道联络通道施工，获得了施工过程中联络通道和地层的受力变形规律。金洲[5]对南宁地铁富水圆砾地层中的联络通道冻结施工进行分析，研究表明冻结法施工能很好地限制联络通道和地层的变形。郝润霞等[6]针对软土地区的联络通道冻结法施工过程及解冻过程，对冻结孔的打设与隧道的位移关系进行了研究。李增理等[7]针对南京地铁冻融沉问题，研究了劈裂-挤密注浆并同步降低地层水位的方法，可以有效控制沉降。姜耀东[8]、孙立建[9]、郭正伟[10]等人分别通过现场监测、数值模拟手段，研究了冻结加固与融沉注浆等技术，并分析了联络通道的受力变形规律。

以某地铁下穿城市广场工程为研究对象，针对二级分项工程地下联络通道施工开挖项目，总结了冻结固结施工难点以及相应的改进措施。基于数值模拟和现场实测分析了地下联络通道地表变形规律。

2 工程概况

某城市轨道交通包含2个地下车站、2个地下盾构区间。其中某盾构区间线路下穿城市广场8 232.584 m，矿山法隧道全长44 m，洞门12个，隧道顶部埋深在8.1～41.8 m之间。其中1号盾构区间段设置一座联络通道，即1＃联络通道，埋深为20.7 m，拟采用冻结法加固进行施工。

该工程区域岩土层信息从上至下分述如表1所示。本区间范围内地表河流、沟渠、湖泊、水塘等地表水不发育。根据地勘报告，对工程影响较大的为第四系砂、卵石层的孔隙潜水。其中，1＃联络通道的地下水运动方向为北西至南东方向，实际流速为0.66 m/d，渗透速度为0.198 m/d。

表1 工程区地层岩性特征

地下联络通道位于广场停车场下方，对地表沉降有严格的要求。按照工程设计文件及相关规范要求[11-12]，联络通道的监测内容及控制标准如表2所示。

表2 变形控制标准

3 地下联络通道冻结固结施工难点分析

根据工程特点结合以往冻结法的施工经验，联络通道土体加固方案拟采用冻结法，隧道施工采用暗挖法。由于地质岩性的差异性，该工程存在以往未曾有过施工难点:

(1)冻结加固区位于卵石土地层中，富含地下水，并且渗透系数较大，流速超过冻结法所适用的地下水流速，不利于冻结法加固，易造成冻结帷幕不均匀。

(2)施工范围处于停车场下方，施工过程中要严格控制停车场沉降，减小不利影响。

(3)砂卵石地层卵石粒径大，钻孔困难，可能会造成钻孔期间断管、偏斜大等不利影响。

(4)卵石地层冻结发展速度相对较快，尤其向内发展，常规设计冻结孔布置距离开挖面1 m左右，如开挖面井帮处遇到大直径卵石，会造成超挖或破坏有效冻结帷幕，使冻结帷幕厚度减小。

4 主要优化及改进技术措施

4.1 控制地下水流速过大对冻结的影响措施

(1)在钻孔过程中对渗透性强的地层用膨润土进行冻结孔护壁，同时还可预先改良冻结孔周围地层，以减小水流速。

(2)为解决钻孔难的问题，可以通过钻孔注水泥浆，改良土层，注浆孔环向间距0.6 m，采用φ42 mm花管，单个联络通道单侧布置51个，长度L＝7 m，单个联络通道注浆管长度714 m，从而降低土体渗透系数。

(3)在冻结帷幕处多布置温度测点。尤其是拱顶处在冻结过程中要密切观察温度变化，如冻结壁被影响时可以局部加强冻结。

4.2 中密度以上卵石钻孔措施

常规钻孔不能满足施工需要，参考以往类似地层的施工经验，优化采用以下措施:

(1)采用MD-80强力水平钻机，该设备动力足，扭矩大。

(2)冻结管可加大壁厚，确保其质量。

(3)采用大八角三翼钻头。

(4)必要时采用水平冲击液压钻机，边钻边冲击前进。

4.3 对停车场和管线、隧道结构的保护控制措施

(1)对冻结范围内的土层采用双液预注浆加固。

(2)可架设钢支架。

4.4 防止冻结不连续的控制措施

(1)工程开挖阶段保证设备的电力供应，储备发电机组，保证停电时自发电量能满足正常供电的75%以上。

(2)在现场采用大蓄水池，以满足停水后不少于2 d的水量需求。

5 地下联络通道地表变形分析

5.1 数值模拟分析

采用有限元软件构建盾构施工过程中对下穿城市广场进行数值模拟分析。砂卵石地层及预注浆土层设置为实体单元，盾构衬砌管片使用2D结构单元模拟。地层属性采用摩尔-库伦准则，衬砌及预注浆土层满足弹性准则。整体建模如图1所示。

图1 三维数值模型

模拟结果显示如图2、图3，盾构下穿引起的停车场等构筑物的最大沉降变形位于上下线隧洞之间，其最大沉降值为5.71 mm。此外，地下管线的变形显示出沉降的趋势，其最大竖向位移值为5.43 mm，满足设计文件的要求。

图2 下穿地下管道变形

图3 地表位移变形云图

5.2 现场监测结果分析

地下联络通道的顶部是广场的停车场，以联络通道的轴线为中线，向两侧对称布置监测点位，布点及编号如图4所示。其中通道两侧分别矗立着两盏高灯杆，其监测编号分别为QX1、QX2。

图4 地下联络通道监测点位布置

为了有效地反映地下联络通道的下部含水砂卵石层在冻结加固处理的效果，对联络通道周边一定范围内的监测点进行分析。地表位移沉降监测点分别取 DBZ11425、DBZ11430、DBZ11435、DBZ11440、DBZ11445、DBZ11450、DBZ11455、DBZ11460 共8 个位移监测点。高灯杆倾斜监测点分别为:QX1、QX2。

按照施工方案监测工作从冷冻固结开始并与监测同步进行直至联通隧道贯通，完成二次支护后中止。将监测数据整理后得到监测点的沉降位移与时间的关系曲线，见图5、图6。在冷冻固结阶段，如图5所示，在通道上部的点:DBZ11435、DBZ11440、DBZ11445、DBZ11450 的垂直位移为正值，主要是由于冷冻范围内的动土产生体积膨胀，使得地面土体上拱，最大值仅为6 mm，满足地表上拱的限值。在联络通道开挖阶段，随着开挖的进行冻结土体地应力重新分布，土体开始向洞内运动，导致地表在冻结上拱的基础上出现了稍大于原始土体平衡位置的沉降。从而验证了冷冻固结技术对控制围岩土体及地表沉降的良好作用。

图5 地下联络通道上部监测点沉降-时间曲线

图6 地下联络通道两侧监测点沉降-时间曲线

如图6所示，联络通道两侧的监测点:DBZ11425、DBZ11430、DBZ11455、DBZ11460 在冻固结阶段出现轻微下沉，主要是由于该部分的土体未被冷冻固结，因受通道附近土体冷冻固结作用的影响，土中水产生运移，形成动水压力，从而使土体产生沉降位移，最大沉降位移也仅为-4.10 mm，满足工程对垂直位移的要求。随后由于联络通道周围的冷冻固结作用基本稳定，动水压力消散，趋于静水压力，使得该部分监测点的沉降趋于稳定甚至略有回弹。在联络通道开挖阶段，由于开挖扰动土体，使得该部分的土体产生应力重分布，产生一定附加沉降，其累积最大沉降值为-4.14 mm，满足工程对沉降的要求。

高灯杆基础QX1、QX2倾斜率随时间变形曲线如图7所示，对其监测从通道开挖阶段开始。从图中可以看出，QX1、QX2冻结加固措施撤除过程开始出现倾斜。这是因为冷冻解除土体固态冰开始融化，土体有效应力降低，砂卵石层的不均匀性导致差异性沉降，形成倾斜，但倾斜率相对较小，最大倾斜率为3.5‰。随后便自动调整差异沉降值，从而满足倾斜的要求。紧接着砂卵石层在冷冻完全解除后，土体的水分逐步均一化，沉降趋于同步。最终在沉降调整过程中倾斜率逐渐恢复。

图7 1＃联络通道高灯杆基础倾斜率-时间监测曲线

通过上述分析可见这种砂卵石冲洪积平原地下水复杂、丰富，在对沉降要求较高的工程建设中冷冻固结法优势明显。本工程对冷冻固结法采取了上述改进措施满足地表沉降的要求。

6 结论

以某地铁下穿城市广场工程为研究对象，针对二级分项工程地下联络通道施工开挖项目，总结了冻结固结施工难点以及相应的改进措施。基于数值模拟和现场实测分析了地下联络通道地表变形规律。主要得到以下结论:

(1)针对富水砂卵石层本身具有的松散性、不稳定性及变形迟滞性使得地下施工难以开展的难题，本工程创新性地在该类地区采用冷冻固结措施。总结了地下联络通道冻结固结施工难点，并提出了优化及改进技术措施。

(2)冻结加固区位于卵石土地层中，富含地下水，并且渗透系数较大，流速超过冻结法所适用的地下水流速，不利于冻结法加固，易造成冻结帷幕不均匀。因此，在钻孔过程中对渗透性强的地层用膨润土进行冻结孔护壁，同时通过钻孔注水泥浆，以改良土层并减小水流速。

(3)通过现场实测与数值模拟可知，在卵石土地层，对沉降要求较高的工程冷冻固结法优势明显。