风化砂砾地层地铁冻结施工引起的沉降分析与加固控制技术

莫云波

（浙江省建投交通基础建设集团有限公司，浙江 杭州 310000）

穿越全风化与强风化砂砾岩地层是杭州市地铁盾构施工经常碰到的一类典型地质，在全风化与强风化砂砾岩地层以下，还往往蕴藏着孔隙潜水和基岩裂隙水等。在区间冻结加固施工中，打设的冻结孔将穿越全风化与强风化砂砾岩，钻孔时钻进难度大、涌水事故概率高，风险较大，是地铁冻结施工的棘手的问题。国内外有关学者就穿越全风化和强风化砂砾岩层冻结技术开展了大量的工作，如王书磊等研究了复杂工况下超长联络通道冻结法设计与施工；尚忠升学者研究了联络通道冻结法施工对盾构隧道影响研究；姚燕明等对宁波轨道交通4 号线盾构隧道联络通道多种工法实践进行了研究。任辉等对超浅埋暗挖隧道管幕冻结法积极冻结方案试验进行了研究。Kang Yongshui等研究了软土地基海滨城市隧道冻封联合新管顶施工方法。目前缺乏针对杭州风化砂砾地层冻结施工引起的沉降分析与加固控制技术方面的研究。

因此，本文以杭州地铁某号线某区间联络通道为背景，对穿越全风化与强风化砂砾岩，冻结施工过程引起的地表沉降进行分析，提出杭州穿越全风化与强风化砂砾岩冻结加固控制技术，对杭州同类项目的建设具有一定的借鉴意义。

1 工程概况

图1 联络通道周边位置图

2 砂砾岩冻结加固控制技术

冻结法设计，采用“隧道内钻取孔眼，冻结土体临时加强稳固土体，再用矿山法暗挖施工”的技术施工方案。

2.1 冻结壁设计

（1）冻土强度设计指标可以选用：单轴抗压设计大于等于3.6MPa，弯折抗拉大于等于2.0MPa，抗剪大于等于1.5MPa（-10℃）。

2.2 冻结孔布置

依照冻结法的设计和联络通道的主体结构，联络通道的冻结孔洞按角度可分为三种，分别是上仰、水平、下俯，分别布设在联络通道和泵站的附近四周。联络通道及泵站一共布设了76 个冻结孔数，单侧布置冻结站，其中冻结站侧52 个、冻结站对侧20 个，4 个透孔。见图2～图4。

图2 位于联络通道内冻结孔布设立面透视图

图3 联络通道冻结站侧冻结孔布置平面图（A-A）

图4 联络通道冻结站对侧冻结孔平面布置图(B-B)

2.3 测温孔、泄压孔及冷排管布设

可根据掌握的资料，依照冻结温度场的变化情况，在联络通道和泵站的隧道里部一共设置12 个测温孔，以准确掌握冻结温度场的变化。用来记录冻结壁厚度、冻结壁平均温度、冻结壁与隧道管片接触面温度改变以及开挖区域附近地层土体的冻结状态。依照现场冻结法设计及联络通道的结构的实际情况，联络通道与泵站侧面，沿外通道冻结壁布置6 排冻结管，间距设置为400mm。冻结管采用45 根无缝钢管，安装在隧道管片附近。为了防止土层水土冻胀压力的释放，在与通道相接的隧道内的没有被冻结的部位，在联络通道和泵站放置4 个泄压孔，以保证精确控制冻结壁是否能够交圈。

2.4 冻结加固施工技术要求

（1）普通冻结孔的开孔位置，误差应不超过50 mm，特别构造如钢管片肋片等，钻孔位置，误差应该不超过100 mm，孔距偏差不超过150 mm。最大允许的冻结孔偏斜为150 mm。

（2）冷冻孔的有效深度不低于设计的冻结孔的深度。冻结管不能再循环盐水的管头，管头的长度不能超过150mm。

（3）冻结管道安装完毕后，应进行试压，其测试压力应为冻结工作面盐压的2.0 倍，确保不得低于0.8 MPa。在测试压力30 min 内，压力降低不大于0.05 MPa。

（4）在施工中，冻结孔内的土壤流失不能超过冻结孔的体积，必须及时注浆，防止地层塌陷沉降。

（5）在冻结启动之前，在冻结墙附近的隧道管片内侧铺设一层隔热材料，并将其覆盖到设计冻结壁的边缘1 米处。

（6）设计积极冻结期设定为50 天，积极冷冻7天，盐水温度下降到-18℃及以下；冷冻15 天，盐水温度下降到-24℃以下，施工过程中盐水温度下降到-28℃，去、回路盐水温差不超过2℃。

（7）主动冻结时，冻结区周围200 米范围内不能进行降水，冻结区土层中也不能有集中水流。在开挖区域周边冻结孔的布设圈，其上部冻结壁和隧道管片的交界处，平均温度应保持-5℃以下；在其他区域，平均温度在-10℃以下。

3 冻结施工引起的地表沉降分析

联络通道段隧道地面沉降的变化情况见图5。从图5可以看出，在平均水平上，隧道地面沉降的平均值为-0.30mm，平均沉降得到了很好的控制，但是累计地表沉降为-13.9mm，最大隆起值为-2.3mm。联络通道区间的地面沉降率见图6。从图6可以看出，在平均-0.10mm 的情况下，地面平均沉降率得到了很好的控制，但累积的地面沉降率只有-4.60mm。在点号DBC3-8 累计最大变化量为-15.00mm，隧道收敛在点号GGJSR10 最大变化量为-2.3mm，在点号GGJSL1 累计最大变化量为-2.5mm。隧道沉降在点号LGGC10 最大变化量为-1.4mm，在点号RGGC9 累计最大变化量为-2.4mm。

图5 地表沉降变化量

图6 地表变化速率

4 结论

（1）联络通道穿越全风化与强风化砂砾岩冻结加固技术施工中，地表沉降变化量平均值为-0.30mm，累计地表沉降为-13.9mm，最大隆起值为-2.3mm；联络通道区间隧道地表沉降变化速率平均值为-0.10mm，累计地表沉降速率为-4.60mm。

（2）砂砾岩体冻结加固技术主要有冻结壁设计、冻结孔布置、温度测温孔、泄压孔、冷排管布置等。本项目设计冻结孔数共计76 个，其中冻结站侧52 个、冻结站对侧20 个、透孔4 个，冻结壁有效厚度设计时重点区分正常段和喇叭口位置冻结壁厚度的差异化设计，冻结壁与管片交界面平均温度是一项重要的控制技术。

（3）常规冻结孔的开孔位置偏差不超过50 mm，冻结孔最大偏差150 mm，冻结管布置完成后的测试压力不低于0.8 MPa，积极冻结15 天盐水温度下降到-24℃以下，开挖时盐水温度降至-28℃以下，去、回路盐水温差不能大于2℃。