黃金龍 黃建 賈德華

（1.北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068；2.鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京 100081）

北京地鐵一區(qū)間由上下行線組成，隧道外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m。管片寬1.2 m，厚0.3 m。區(qū)間中部設一處聯(lián)絡通道兼泵房。當一條隧道內(nèi)發(fā)生火災、涌水、倒塌等突發(fā)性事件時，乘客可就地下車，經(jīng)聯(lián)絡通道轉移到另一條隧道，并迅速向地面疏散［1］。聯(lián)絡通道土體開挖前，必須對周圍土體進行加固［2］。凍結法因其防水效果好、對周圍環(huán)境影響小等特點越來越多地被應用于地鐵建設中，特別是對環(huán)境保護要求高、處在軟土地質(zhì)條件下的聯(lián)絡通道，其應用更為廣泛［3-7］。

本文區(qū)間聯(lián)絡通道采取凍結法施工，根據(jù)其現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析凍結鹽水溫度、凍土溫度、泄壓孔壓力等參數(shù)的變化規(guī)律，判定是否達到設計要求，并結合實際施工情況驗證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，研究凍結法施工的可行性。

1 凍結設計

區(qū)間聯(lián)絡通道兼泵房覆土厚度為15.8 m，結構周圍所處地層從上至下依次為⑤細砂、⑥粉質(zhì)黏土、⑦2粉砂、⑦細砂、⑧粉質(zhì)黏土層、⑨細沙。地層中存在強承壓水，位于隧道上方，分別距離聯(lián)絡通道結構頂部垂直距離約4.6，2.9，2.0 m。

根據(jù)本地區(qū)土層特性，并參考以往施工經(jīng)驗及北京地鐵企業(yè)標準，該區(qū)間聯(lián)絡通道凍結參數(shù)確定為：積極凍結期鹽水溫度低于-28℃，維護凍結期溫度不高于-25℃；積極凍結時間為40～45 d，凍結帷幕平均溫度設計為-10℃；凍結壁厚度為2.0 m，相應凍土強度設計指標為單軸抗壓強度4.0 MPa、抗折強度1.8 MPa、抗剪強度1.5 MPa［8］。

為保證聯(lián)絡通道開挖安全，采用在2條隧道分別布孔的方案，并在隧道底部設2處凍結孔，將聯(lián)絡通道及泵房封閉，這樣泵房內(nèi)挖不到凍結管，確保了凍土強度和安全。根據(jù)管片配筋情況，在避開管片縫、主筋前提下可適當調(diào)整凍結管。聯(lián)絡通道凍結管布置按上仰、水平、下俯3種角度布置，共布置凍結孔70個（圖1），造孔工程745.67 m。

圖1 凍結管三維布置

2 現(xiàn)場監(jiān)測

2.1 監(jiān)測方法及測點布置

聯(lián)絡通道共布置測溫孔10個，如圖2所示。其中主凍結側隧道凍結面上設置2個測溫孔C1和C2，并分別在孔深0.5，2.0 m處布置測溫點；輔凍結側隧道凍結面上設置8個測溫孔C3—C10，C3—C7設置0.5，2.0 m 2個不同深度測溫點，C8—C10布置4個不同深度測溫點，分別為0.5，3.0，6.0，8.4 m。在凍結帷幕封閉區(qū)域內(nèi)布置4個泄壓孔（X1—X4），上下行線各2個，在泄壓孔上安裝壓力表，可以直觀地監(jiān)測凍結帷幕內(nèi)壓力變化情況。通過每日觀測，及時判斷凍結帷幕的形成，并直接釋放由凍結所形成的凍脹壓力。

圖2 溫度監(jiān)測點布置

2.2 鹽水溫度監(jiān)測分析

鹽水去、回路溫度曲線見圖3，最初降溫速度較快，積極凍結第7 d，鹽水溫度低于-18℃，從積極凍結第13 d開始，最低鹽水溫度低于-28℃，維持在-30℃左右，達到凍結設計要求。直到凍結第30 d，鹽水去、回路溫度相差無幾，溫度差約1℃，表明地層熱負荷降低，凍土帷幕形成良好。

圖3 鹽水去、回路溫度曲線

2.3 凍土溫度監(jiān)測分析

1）C8—C10測溫孔0.5 m和3.0 m處凍土溫度曲線見圖4，0.5 m處溫度近似呈指數(shù)函數(shù)變化，先是急劇下降，然后逐漸趨于穩(wěn)定。這是因為測溫點深度較淺，離外界環(huán)境較近，溫度很快受到外界的影響而趨穩(wěn)；3.0 m處溫度整體呈線性變化，隨著時間的增加溫度下降，之后逐漸趨于穩(wěn)定，只是由于深度的原因，導致受外界影響達到穩(wěn)態(tài)的時間延長。

圖4 C8—C10測溫孔凍土溫度曲線

2）C8測溫孔各測點溫度曲線見圖5，在積極凍結期，同一孔內(nèi)4個測點的溫度不同，孔越深溫度越低。原因是孔深度越淺，距離外界就越近，即與外界的熱交換就越大，反之越小［9］。

圖5 C8測溫孔各測點溫度曲線

3）C1—C7測溫孔2.0 m處溫度曲線見圖6，同一孔深度2.0 m處各測點的降溫趨勢相似，反映出對稱孔的溫度發(fā)展情況相似，說明凍結是均勻發(fā)展的，凍結情況良好。

圖6 測溫孔2.0 m處溫度曲線

以孔深度2.0 m處C1測溫孔為例，距離最近凍結管D1距離906 mm，降至0℃所需時間為18 d，平均發(fā)展速度為50.33 mm/d。同理，根據(jù)所有測點平均發(fā)展速度取平均值，得到最終平均發(fā)展速度為36 mm/d，積極凍結時間為40 d，凍土平均發(fā)展半徑為1.44 m。

圖7 X1—X4泄壓孔壓力曲線

2.4 泄壓孔監(jiān)測分析

X1—X4泄壓孔壓力曲線見圖7，4個泄壓孔在積極凍結第19 d孔內(nèi)壓力開始呈線性增加，說明此時凍結壁開始交圈。在積極凍結第31 d，為了了解凍土發(fā)展狀況，打開X1泄壓孔觀察凍結情況，可以看到剩余3個泄壓孔明顯有小范圍壓力下降現(xiàn)象。在積極凍結第35 d，剩余3個泄壓孔壓力值進入平穩(wěn)狀態(tài)，此時說明凍土帷幕已基本形成，此后凍土壓力逐漸趨于穩(wěn)定，符合凍土凍結規(guī)律。在積極凍結40 d后，泄壓孔泄壓，壓力降至0且泄壓孔無水流出，說明凍土帷幕形成良好，符合開挖要求。

2.5 凍結壁最小凍結壁厚度及平均溫度計算分析

2.5.1 最小凍結壁厚度

由2.3節(jié)可知，凍土平均發(fā)展半徑R為1.44 m，凍結孔間距D為1.347 m，按照圓柱交圈成凍結壁（圖8），最小凍結壁厚度H計算式為

圖8 凍結壁交圈

通過計算得出最小凍結壁厚度為2.58 m，大于設計值2.0 m，達到開挖要求。

2.5.2 凍結壁平均溫度

根據(jù)《簡明建井工程手冊》凍結施工成冰公式計算凍結帷幕的平均溫度。

式中：tc為凍結壁平均溫度，℃；toc為按0℃邊界線計算的凍結壁平均溫度，℃；tn為井幫凍結帷幕溫度，取-6℃；tb為鹽水溫度，取-31℃；l為凍結孔間距，取1.347 m；E為凍結壁厚度，取2.58 m。

通過計算凍結壁平均溫度為-10.67℃，滿足設計要求。

3 現(xiàn)場監(jiān)測驗證

聯(lián)絡通道內(nèi)采用臺階法開挖，分為4步：開挖聯(lián)絡通道上臺階土體，施作拱部及上臺階邊墻初期支護；上下臺階拉開4～6 m，開挖聯(lián)絡通道下臺階土體，施作下臺階邊墻及仰拱初期支護；鋪設仰拱防水層及防水保護層，施作仰拱及部分邊墻二次襯砌結構；鋪設邊墻及拱頂防水層，施作剩余二次襯砌結構。

通道開挖前，在開挖面一側施工1個探孔，探孔距凍結孔1.2 m，實測土層溫度-5.1℃，證明凍結壁厚度已達到2.4 m以上，滿足設計要求。根據(jù)溫度、泄壓孔壓力等數(shù)據(jù)分析結果，在積極凍結第35 d，凍土帷幕就已經(jīng)達到了設計要求，可以進行聯(lián)絡通道開挖，實際開挖時間為積極凍結第40 d。開口處采用爬坡開挖，角度控制在30°以內(nèi)，開挖土體呈塊狀，沒有地下水出現(xiàn)，凍結情況良好。

通道開挖期間C8—C10測溫孔3.0 m處溫度曲線見圖9，對比圖4，在聯(lián)絡通道開挖期間C8—C10測點溫度下降速度變緩，逐漸趨于穩(wěn)定，與前文土層溫度分析結果相吻合。測溫點C9溫度在后期突然升高，是由于C9靠近泵房底部，泵房開挖破壞了先前穩(wěn)定狀態(tài)，與外界熱交換變大所致。

圖9 通道開挖期間C8—C10測溫孔3.0 m處溫度曲線

圖10為聯(lián)絡通道地表沉降測點布置。地表沉降記錄數(shù)據(jù)自開挖到結束，所有測點的值均較穩(wěn)定（圖11），在一個小范圍內(nèi)變化，可知沒有發(fā)生土體隆起、坍塌、凹陷，周圍土體穩(wěn)定，表明通道開挖施工凍土帷幕穩(wěn)定，強度滿足安全施工要求。

圖10 地表沉降測點布置

圖11 地表沉降監(jiān)測曲線

4 結論

1）積極凍結第7 d時，鹽水溫度低于-18℃，積極凍結第13 d開始，最低鹽水溫度低于-28℃，維持在-30℃左右，滿足設計要求。

2）各測點溫度隨時間先是急劇下降，之后逐漸趨于穩(wěn)定，且孔深越大趨于穩(wěn)定溫度的時間越長。

3）積極凍結第19 d，泄壓孔壓力開始增長，凍結壁開始交圈。積極凍結第35 d，泄壓孔壓力穩(wěn)定，凍結帷幕形成。最小凍結壁厚度2.58 m大于設計值2.0 m，凍結壁平均溫度-10.67℃，滿足設計要求。

4）監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結果與實際情況相吻合，說明凍結監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠很好地指導施工。

下一步將建立凍結模型，通過計算機仿真模擬研究地下水流動在積極凍結期對凍土帷幕形成的影響。