王 莉 賢

(阜陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 阜陽(yáng) 236031)

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地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工的區(qū)域適應(yīng)性分析★

王 莉 賢

(阜陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 阜陽(yáng) 236031)

介紹了地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法的應(yīng)用現(xiàn)狀，并以該施工方法在北京和上海兩種典型地層中的應(yīng)用為例，從凍結(jié)設(shè)計(jì)、凍結(jié)孔施工、積極凍結(jié)、凍結(jié)環(huán)境效應(yīng)等方面，分析了凍結(jié)法施工的區(qū)域適應(yīng)性，得出了一些有意義的結(jié)論。

地鐵，聯(lián)絡(luò)通道，凍結(jié)法，區(qū)域適應(yīng)性

自1998年煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院在國(guó)內(nèi)首創(chuàng)地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道水平凍結(jié)法以來(lái)，凍結(jié)法在上海等軟土地層中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，如今上海地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道幾乎全部采用凍結(jié)法施工。通常，在以堅(jiān)硬砂性地層為主的北京、成都和南昌等地區(qū)因地層可注性好，多采用水泥系加固配合人工降水法處理后隧道內(nèi)礦山法施工。如今，水泥系加固和降水法通常遇到地面不具備場(chǎng)地、禁止降水以及加固體隔水性差等問(wèn)題，凍結(jié)法因所形成的加固體均勻可靠、封水性好、可控性強(qiáng)、占地少以及不污染環(huán)境等優(yōu)勢(shì)，成為了處理復(fù)雜富水地層的“終極工法”[1]。

由于不同城市地鐵隧道結(jié)構(gòu)型式以及所處地層存在差異，其聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工也存在區(qū)域適應(yīng)性，本文以地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工在北京和上海兩種典型地層中的應(yīng)用為例，對(duì)比分析地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工的區(qū)域適應(yīng)性。

1 凍結(jié)設(shè)計(jì)

與上海地區(qū)的典型粘性土地層不同，北京地區(qū)典型土層以砂卵石地層為主。如北京地鐵6號(hào)線玉郝區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道主要處于⑤1中粗砂層以及⑦細(xì)砂層中，局部為卵礫石層，其中中粗砂層滲透系數(shù)為3.31×10-2cm/s，卵礫石層滲透系數(shù)高達(dá)9.65×10-2cm/s，而上海地區(qū)典型粘性土層滲透系數(shù)僅為2.62×10-5cm/s，與上海地區(qū)典型粘性土相比，北京地區(qū)典型砂卵石地層滲透性高出103倍～104倍，地下水活動(dòng)將更為活躍，存在較大的涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)凍土物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兩種典型土層在-10 ℃時(shí)凍土的力學(xué)參數(shù)如表1所示。凍結(jié)壁設(shè)計(jì)選取表1中參數(shù)，采用容許應(yīng)力法，抗壓強(qiáng)度安全系數(shù)取2.0，抗折強(qiáng)度安全系數(shù)取3.0，抗剪強(qiáng)度安全系數(shù)取2.0，按照結(jié)構(gòu)力學(xué)方法確定凍結(jié)壁厚度，同時(shí)利用有限元數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚土進(jìn)行驗(yàn)算。根據(jù)凍土物理力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)所得的凍土物理力學(xué)參數(shù)，北京地區(qū)典型砂卵石土層凍結(jié)后由于土顆粒間的相互咬合作用，凍土強(qiáng)度較高，設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度得以減薄，根據(jù)地層特點(diǎn)及凍土物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，給出了兩種典型地層條件下凍結(jié)壁厚度設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)取值，如表2所示。

表1 兩種典型土層凍土物理力學(xué)參數(shù)對(duì)照表

2 凍結(jié)孔施工

凍結(jié)孔施工通?？刹捎脷鈩?dòng)夯管法或跟管鉆進(jìn)法[2]，在上海地區(qū)典型粘性土層中，土質(zhì)松軟，氣動(dòng)夯管法施工凍結(jié)孔較跟管鉆進(jìn)法效率更高且施工工藝較為簡(jiǎn)單，但對(duì)于北京地區(qū)砂性土層，采用氣動(dòng)夯管法施工時(shí)，隨著夯入深度的增加，夯進(jìn)速度明顯降低，由于砂性土壓縮性低且易出現(xiàn)“抱鉆”現(xiàn)象，氣動(dòng)夯管法只能施工小于6 m的短孔，而大部分凍結(jié)孔長(zhǎng)度均在6 m以上，因此只能采用跟管鉆進(jìn)法施工。

表2 兩種典型土層設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度取值 m

跟管鉆進(jìn)法施工凍結(jié)孔時(shí)，凍結(jié)管與砂土間的摩擦隨著鉆進(jìn)深度的增加而加劇，最后在凍結(jié)管的薄弱位置即凍結(jié)管連接處出現(xiàn)斷裂。為解決該問(wèn)題，在施工過(guò)程中，通過(guò)循環(huán)泥漿起到潤(rùn)滑的作用，同時(shí)帶走凍結(jié)管端部的砂土，確保鉆孔順利進(jìn)行。

為最大限度減小因凍結(jié)孔施工引起的地層沉降，在凍結(jié)孔鉆進(jìn)過(guò)程中采用保壓鉆進(jìn)，即采取孔口密封裝置使得凍結(jié)孔鉆進(jìn)時(shí)基本無(wú)泥水泥砂流出。此外，根據(jù)地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，凍結(jié)孔施工結(jié)束后通過(guò)孔口管的旁通閥進(jìn)行補(bǔ)償注漿。

3 積極凍結(jié)

北京地區(qū)的砂卵石地層，滲透系數(shù)均大于3×10-2cm/s，透水性強(qiáng)。凍結(jié)范圍內(nèi)地下降水施工和其他因素引起地下水流速過(guò)大，對(duì)凍結(jié)壁的正常交圈產(chǎn)生影響。如北京地鐵6號(hào)線二期玉帶河大街站—郝家府站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道兼泵站凍結(jié)工程，積極凍結(jié)40 d時(shí)凍結(jié)壁仍未交圈，后經(jīng)過(guò)地下水流速流向測(cè)試發(fā)現(xiàn)，聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)區(qū)域地下水的平均流速達(dá)到14 m/d，地下水流速過(guò)大是導(dǎo)致凍結(jié)壁較長(zhǎng)時(shí)間不交圈的主要原因[3]。后通過(guò)檢測(cè)判定凍結(jié)壁薄弱環(huán)節(jié)，采用砂層注漿改善土體滲透性并補(bǔ)打雙排凍結(jié)孔的辦法，成功解決了在大流速條件下凍結(jié)壁交圈難的問(wèn)題。根據(jù)上海地區(qū)旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程相關(guān)規(guī)定：凍結(jié)壁形成期間，凍結(jié)區(qū)域200 m范圍內(nèi)的透水砂層中不宜采取降水措施，但在北京地區(qū)砂卵石地層進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工時(shí)，由于地層滲透性強(qiáng)，在進(jìn)行凍結(jié)前的地下水活動(dòng)排查時(shí)，應(yīng)將排查范圍擴(kuò)大至700 m以上，并應(yīng)對(duì)聯(lián)絡(luò)通道處地層進(jìn)行地下水流速流向測(cè)試，若地下水流速大于5 m/d，應(yīng)深入分析其對(duì)凍結(jié)的影響，同時(shí)采取針對(duì)性措施。

4 凍結(jié)環(huán)境效應(yīng)

4.1 凍脹效應(yīng)和融沉效應(yīng)

凍結(jié)法的環(huán)境效應(yīng)一直是制約其發(fā)展與推廣的重要因素，尤其是在周圍建(構(gòu))筑物、地下管線及公共設(shè)施密集的城市中，環(huán)境效應(yīng)備受關(guān)注。因凍結(jié)過(guò)程中水分遷移引起的凍脹效應(yīng)以及凍土解凍后產(chǎn)生的融沉效應(yīng)是凍結(jié)環(huán)境效應(yīng)的主要部分，相比于上海地區(qū)典型粘性土，北京地區(qū)砂性土凍脹率較小，凍脹效應(yīng)并不顯著，融沉效應(yīng)也較小，更利于工程施工過(guò)程中的凍結(jié)環(huán)境效應(yīng)控制。

4.2 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)形式

上海地區(qū)聯(lián)絡(luò)通道采用凍結(jié)法施工時(shí)，初期支護(hù)通常采用型鋼+木背板+噴射混凝土結(jié)構(gòu)形式，混凝土無(wú)法噴射到木背板與凍土間的空隙中，凍土融化后空隙被軟化的融土填充而引起地層產(chǎn)生沉降，在超挖情形下該問(wèn)題尤為突出。

北京地鐵聯(lián)絡(luò)通道初期支護(hù)采用鋼格柵+噴射混凝土結(jié)構(gòu)型式，混凝土直接噴射在凍土表面，凍土與初期支護(hù)密貼，使得初期支護(hù)得以及時(shí)承載，且初期支護(hù)與凍土共同作用，協(xié)調(diào)變形。此外，由于凍土與初期支護(hù)間空隙大為減小，凍土融化后沉降量減小，結(jié)構(gòu)施工完成后充填與融沉注漿工作量減少，有利于凍結(jié)環(huán)境效應(yīng)的控制。

4.3 凍脹對(duì)隧道管片影響

聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工過(guò)程中，土體中的水凍結(jié)成冰而造成體積膨脹，這種凍脹作用產(chǎn)生的凍脹力對(duì)隧道管片會(huì)產(chǎn)生不利影響。在凍結(jié)壁交圈之前，凍脹力較小，隨著凍結(jié)壁的交圈與發(fā)展，凍脹力增長(zhǎng)迅速，為減小凍脹力對(duì)隧道管片的影響，通常在隧道內(nèi)聯(lián)絡(luò)通道位置兩邊均勻布置隧道支撐，同時(shí)聯(lián)絡(luò)通道中心線位置兩邊各一環(huán)均為鋼管片。但北京地鐵聯(lián)絡(luò)通道位置隧道管片為普通管片，為防止凍脹力過(guò)大對(duì)隧道管片產(chǎn)生破壞，建議聯(lián)絡(luò)通道中心線位置兩邊的隧道管片采用加強(qiáng)型管片或鋼管片。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工在北京和上海兩種典型地層中的應(yīng)用對(duì)比分析，可得出以下結(jié)論：

1)北京地區(qū)典型土層凍土強(qiáng)度較高，設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度較薄，有利于凍脹融沉的控制;2)砂卵石地層鉆孔難度大，采用泥漿保壓鉆進(jìn)技術(shù)可有效解決鉆進(jìn)過(guò)程中的斷管和地層沉降等問(wèn)題;3)大流速砂卵 石地層凍結(jié)應(yīng)擴(kuò)大降水排查范圍至700 m以上，采用注漿改性和雙排孔強(qiáng)化凍結(jié)是解決凍結(jié)壁長(zhǎng)時(shí)間不交圈的關(guān)鍵技術(shù)。

[1] 敖 松,韓圣銘.淺覆土凍結(jié)法加固的凍脹控制技術(shù)應(yīng)用[J].城市軌道交通研究,2015(4):107-110,127.

[2] 王勝利,韓圣銘.氣動(dòng)夯管法施工水平凍結(jié)孔技術(shù)[J].中國(guó)市政工程,2007(1):61-63,100.

[3] 張 昊,敖 松,劉俊洋.北京地鐵下穿運(yùn)河區(qū)間地下水流速流向測(cè)試[J].城市軌道交通研究,2016(7):27-29,34.

Analysis on regional adaptability of freezing method in connecting passage of metro tunnels★

Wang Lixian

(FuyangInstituteofTechnology,Fuyang236031,China)

The paper introduces the application status for the freezing method in connecting passage of metro tunnels, and analyzes the regional adaptability of the freezing method from the freezing design, freezing hole construction, active freezing, and freezing environmental effect with the example of applying the construction methods in the two typical stratums of Beijing and Shanghai, and achieves the meaningful conclusion.

metro, connecting passage, freezing method, regional adaptability

1009-6825(2017)11-0177-02

2017-02-09★:北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(Z151100002815023)資助

王莉賢(1988- )，女，助教

TU472.9

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