武相坤 WU Xiang-kun；豆紅堯 DOU Hong-yao；張?jiān)獛?ZHANG Yuan-shi；錢(qián)棟棟 QIAN Dong-dong

（①中車(chē)智能交通工程技術(shù)有限公司，北京 100078；②江蘇中車(chē)城市發(fā)展有限公司，無(wú)錫 214105；③中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司工電檢測(cè)所，沈陽(yáng) 110001）

0 引言

當(dāng)前，國(guó)家大力發(fā)展城市軌道交通，輕軌或地鐵在軟土或沙土地區(qū)施工難度大，風(fēng)險(xiǎn)高。冷凍法作為一種土體加固施工技術(shù)，在軟弱土層的聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖及襯砌施工過(guò)程中具有重要作用[1-3]。本文以臺(tái)州市域鐵路S1 線一期工程為例，首次在該地區(qū)軌道交通中應(yīng)用冷凍法技術(shù)施工，通過(guò)對(duì)冷凍結(jié)果分析驗(yàn)證冷凍法施工在該地區(qū)軟弱土層加固效果，研究是否具有擴(kuò)大推廣應(yīng)用意義。

1 工程設(shè)計(jì)概況

1.1 工程概況

萬(wàn)昌路站～溫嶺體育場(chǎng)站區(qū)間，線路出萬(wàn)昌路站沿中華路向東南方向行進(jìn)，下穿東月河橋，沿體育場(chǎng)路至溫嶺體育場(chǎng)站，線路基本敷設(shè)于中華路和體育場(chǎng)路下。區(qū)間1#聯(lián)絡(luò)通道兼泵房位于里程右S1DK45+300.000 （左S1ZDK45+300.84），1#聯(lián)絡(luò)通道兼泵房長(zhǎng)7.072m；通道口寬1.5m；高2.25m；通道內(nèi)寬2.9m；通道高內(nèi)3m；泵房長(zhǎng)5.2m；寬3m；高4.08m。聯(lián)絡(luò)通道由水平通道以及與隧道管片相連的喇叭口構(gòu)成，采用水平凍結(jié)技術(shù)對(duì)地層進(jìn)行加固，然后采用暗挖法施工。聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖1。

圖1 1# 聯(lián)絡(luò)通道兼泵房結(jié)構(gòu)剖面圖

1.2 地質(zhì)條件

1#聯(lián)絡(luò)通道兼泵房埋深18.224m，所處地層為2-4 礫砂、3-2 黏土和3-3 黏土層，隧道上覆土層為1-0 黏土、1黏土和2-2 淤泥，隧道下臥土層為3-3 黏土。場(chǎng)地分布的地下水主要有下部碎礫石層中的孔隙微承壓水和賦存于淺部黏性土層中的孔隙潛水。

1.3 凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)

①聯(lián)絡(luò)通道由專業(yè)單位進(jìn)行凍結(jié)設(shè)計(jì)，凍結(jié)壁有效厚度為2m，凍結(jié)壁平均溫度為-10℃；②凍土強(qiáng)度的設(shè)計(jì)指標(biāo)：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度≥4.0MPa，彎折抗拉強(qiáng)度≥1.8MPa，抗剪強(qiáng)度≥1.5MPa（-10℃）。

2 施工技術(shù)方法

根據(jù)聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)形式和凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)要求，凍結(jié)孔按下俯、水平、上仰3 種角度布置在泵站和聯(lián)絡(luò)通道的四周，同時(shí)考慮到安全，為增強(qiáng)凍結(jié)效果，在通道下方布設(shè)一排凍結(jié)孔，把積水泵坑和通道作為2 個(gè)獨(dú)立的區(qū)域進(jìn)行凍結(jié)，這樣可將聯(lián)絡(luò)通道中間（最危險(xiǎn)斷面）處視為封閉。1#聯(lián)絡(luò)通道兼泵站凍結(jié)孔數(shù)為76 個(gè)（冷凍站側(cè)隧道內(nèi)布置53 個(gè)凍結(jié)孔，冷凍站對(duì)側(cè)布置23 個(gè)凍結(jié)孔）。

3 施工工藝及技術(shù)參數(shù)

3.1 凍結(jié)施工技術(shù)流程

圖2 為凍結(jié)施工流程圖。

圖2 凍結(jié)施工流程圖

圖3 鹽水去路和回路溫度曲線圖

3.2 施工技術(shù)參數(shù)

施工技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 凍結(jié)施工主要技術(shù)參數(shù)表

4 冷凍施工效果分析

4.1 鹽水降溫情況分析

1#聯(lián)絡(luò)通道于2021年9月18日開(kāi)始積極凍結(jié)，至11月14日，凍結(jié)歷時(shí)45d。 2021年9月24日積極凍結(jié)7d，測(cè)得鹽水溫度下降至-21℃，符合設(shè)計(jì)要求（設(shè)計(jì)凍結(jié)7d，要求鹽水溫度降至-18℃以下）；10月5日積極凍結(jié)15d，測(cè)得鹽水溫度降至-26℃，符合設(shè)計(jì)要求（設(shè)計(jì)凍結(jié)15d，要求鹽水溫度降至-24℃以下）；10月21日鹽水溫度降至-30℃。最終去、回路鹽水溫差不大于2℃，以上均符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 測(cè)溫孔溫度監(jiān)測(cè)及分析

開(kāi)挖面布置了8 個(gè)溫度孔，其編號(hào)分別為C1、C2、C3、C4 、C5、C6、C7、C8，鑒于篇幅，以C4 為例，其溫度變化曲線詳見(jiàn)圖4。C4 測(cè)溫點(diǎn)距離最近凍結(jié)孔930mm，于2021年10月28日溫度降至0℃以下，歷時(shí)29 天，平均每天擴(kuò)展速度32mm/d。

圖4 4# 測(cè)溫孔溫度變化曲線圖

根據(jù)凍結(jié)壁擴(kuò)展厚度計(jì)算公式：Eyj=Vdp·t

式中：Eyj——預(yù)計(jì)凍結(jié)壁厚度，m；Vdp——凍結(jié)壁平均擴(kuò)展速度，m/d；T——凍結(jié)時(shí)間，d。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，凍土的最慢發(fā)展速度為29.6mm/d，凍結(jié)45d 后通過(guò)計(jì)算得到發(fā)展半徑r＝1332mm，按凍結(jié)發(fā)展半徑1332mm 作圖，從交圈圖上測(cè)量出：聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕最薄有效厚度為2131.8mm，大于設(shè)計(jì)要求的聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕最薄有效厚度2000mm。

利用《建井工程手冊(cè)》凍結(jié)施工成冰公式確定1#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕的平均溫度，見(jiàn)下公式：

式中：toc——通過(guò)零度邊界線計(jì)算凍結(jié)壁的平均溫度，℃；tc——凍結(jié)壁平均溫度，℃；tb——鹽水溫度，取-30℃；l——凍結(jié)孔間距，取1.1m；E——凍結(jié)壁厚度，取2.13m；tn——井幫凍結(jié)帷幕溫度，取-5.4℃；經(jīng)計(jì)算：凍結(jié)壁平均溫度為-10.58℃，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 有限元方法驗(yàn)算

5.1 設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

根據(jù)1#聯(lián)絡(luò)通道埋深及所處位置地層設(shè)計(jì)，凍土帷幕有效厚度為2.0m，凍土帷幕平均溫度為≤-10℃。設(shè)計(jì)取-10℃凍土的彈性模量（150MPa）和泊松比（0.3），凍土強(qiáng)度指標(biāo)為：抗壓強(qiáng)度4.0MPa，抗折強(qiáng)度1.8MPa，抗剪強(qiáng)度1.5MPa。凍結(jié)之后承載力驗(yàn)算采用容許應(yīng)力法，強(qiáng)度檢驗(yàn)安全系數(shù)抗壓取2.0，抗折取3.0，抗剪取2.0。根據(jù)開(kāi)挖向下變形特性，凍土帷幕頂面所受土壓力按主動(dòng)土壓力計(jì)算，側(cè)面承受水土壓力靜止側(cè)壓力系數(shù)計(jì)算時(shí)取0.7，土的平均重度取18.5kN/m3。

5.2 凍土帷幕承載力驗(yàn)算

驗(yàn)算過(guò)程采用均質(zhì)線彈性平面應(yīng)變模型，對(duì)1#通道凍土帷幕進(jìn)行力學(xué)分析。取凍土帷幕平均溫度下的凍土力學(xué)特性值作為力學(xué)特性參數(shù)。根據(jù)1#通道對(duì)稱性，取結(jié)構(gòu)的1/4 作為計(jì)算模型。凍土帷幕承載力驗(yàn)算如下：

凍土帷幕頂面土壓力：

凍結(jié)壁頂板反力主要受靜水壓力和開(kāi)挖時(shí)因頂板向下變形，上部土體的作用力。

凍土帷幕側(cè)面土壓力：

K0－0.7，靜止側(cè)壓力系數(shù)。

通過(guò)有限元分析凍土帷幕的受力與變力，從分析結(jié)果可得出：凍結(jié)后土體應(yīng)力值遠(yuǎn)小于強(qiáng)度，安全系數(shù)高于指標(biāo)要求，凍土帷幕的承載力滿足要求。

計(jì)算顯示在隧道外側(cè)的交接處、隧道內(nèi)側(cè)與凍結(jié)壁接處局部存在應(yīng)力集中，但是范圍比較小，且凍土帷幕角度為圓弧過(guò)渡，而且凍土帷幕中間尚有土體或支撐體。（圖5、圖6、表2）

表2 通道凍土帷幕應(yīng)力、位移計(jì)算值及安全系數(shù)

圖5 通道凍土帷幕有限元計(jì)算模型

圖6 水平通道凍土帷幕有限元計(jì)算模型

6 結(jié)論

冷凍法施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，以保證土體凍結(jié)的安全性和可靠性。根據(jù)日常溫度監(jiān)測(cè)進(jìn)行計(jì)算得知該聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁平均溫度為-10.6℃、凍結(jié)帷幕最薄有效厚度為2.13m、井壁處探孔溫度為-5.4℃，均滿足設(shè)計(jì)要求，土體冷凍質(zhì)量好，加固效果得到保證，證明在臺(tái)州地區(qū)軟土采用冷凍法施工可以滿足強(qiáng)度和安全性要求，為聯(lián)絡(luò)通道后續(xù)開(kāi)挖及襯砌施工提供了技術(shù)保障和安全作業(yè)條件，也為同類工程冷凍加固施工提供了借鑒和參考。