地鐵聯絡通道凍結監測分析

摘要：南京地鐵一期工程聯絡通道采用凍結法施工中， 對凍結鹽水溫度、凍土溫度、地表變形等方面進行了跟蹤監測；通過對監測結果進行分析研究，獲得了凍結鹽水溫度、凍土溫度、凍漲壓力、卸壓孔壓力的變化規律，在此基礎上提出了聯絡通道凍結施工的建議。研究成果可供其他工程參考。
關鍵詞：地鐵；聯絡通道；凍結法；監測

1 前言
地鐵聯絡通道一般位于區間隧道的中間，通常南京地鐵一期TA4 標隧道，北起釣魚臺工作與集、排水泵站連在一起，共同起著兩隧道連結、井北側，南至三山街車站南端頭井，由左線（下行集、排水和防火等作用。聯絡通道土體開挖前，必線）和右線（上行線）隧道組成，左、右線均由572 須對其周圍土體進行加固。凍結法加固土體是一種環管片拼裝而成。隧道外徑6.2 m ，內徑5.5 m ，每行之有效的方法，在北京、上海、廣州等城市地鐵塊管片寬為1.2 m， 厚為0.35 m 。聯絡通道位于兩中都成功得到了應用[1-3] 。最近，在南京地鐵一期工站區間隧道中間，隧道中心埋深13.13 m。聯絡通程TA4 標中，聯絡通道施工首次成功采用了凍結施道及泵站采取合并建造模式， 它既保證上、下行隧工。在凍結施工過程中，對凍結鹽水溫度、凍土溫道間的聯絡作用和必要時乘客安全疏散的功能，又度、地表變形等方面進行了跟蹤監測。文中分析了起到地鐵運營中兩車站之間的集、排水作用。工程凍結鹽水溫度、凍土溫度、凍漲壓力、卸壓孔壓力結構由兩個與隧道相交的喇叭口、通道以及集水井的變化規律，并提出了有利于工程施工的建設性意等組成。聯絡通道所處的主要土層參數如表1 所示。

表1 土層物理參數

2 工程概況
從表1 看出，土層平均滲透系數小，透水性差，是凍結施工較為有利的土層；同時，土層中含有粉砂層，凍結法也能更好處理流砂問題。經研究采用“隧道內鉆孔凍結加固，礦山法暗挖構筑”的施工方案，即：在隧道內利用水平孔和部分傾斜孔凍結加固土層，使聯絡通道以及集水井外圍土體凍結，形成強度高，封閉性好的凍土帷幕； 采用礦山法， 進行聯絡通道及泵站的開挖構筑施工。土層凍結和開挖構筑施工均在區間隧道內進行，其主要施工順序為：施工準備→ 聯絡通道連通地面的垂直水管施工→ 凍結孔鉆孔施工（ 同時安裝凍結制冷系統）→ 安裝凍結鹽水系統和檢測系統（ 同時在隧道內聯絡通道洞口附近進行支撐，其目的是，凍結過程中隧道受凍土力的作用會發生隧道橫向斷面變形，從而影響隧道的橢圓度。為了減少這一變形，故在凍結前進行隧道內壁支撐）→積極凍結→ 探孔試挖→ 拆鋼管片→ 聯絡通道掘進與臨時支護→ 聯絡通道永久支護→ 泵站開挖與臨時支護（聯絡通道支護是，對泵站位置進行預留，在聯絡通道永久結構施工完畢后，再開挖泵站土體作臨時的支護，在永久性結構完工并達到要求強度后，最后拆除暴露在泵站內的凍結管。）→ 泵站永久支護→ 必要時進行土層注漿充填。
3 水平凍結設計
3.1 水平凍結孔布置
根據凍結帷幕設計及聯絡通道的結構，凍結孔的傾角采用上仰、近水平、下俯三種角度布置。開孔間距為0.7 m ，凍結孔58 個。凍結孔的布置見圖1 所示。
3.2 凍結參數
選用YSLGF300Ⅱ 型螺桿壓縮機組一臺套，設計工況：制冷量為87 500 Kcal/h，電機功率110 kW 。地層凍結供冷工藝參數和指標：① 積極凍結鹽水溫度為－28℃～－30℃；② 凍結孔單孔流量不小于4 m3/h；③ 凍結帷幕交圈時間為20 d，達到設計厚度的時間為30 d；④ 積極凍結時間為30 d ，維護凍結時間為35 d 。測溫孔10 個（4 個兼作卸壓孔）。

（a）凍結孔布置的橫斷面圖(mm)

（b）凍結孔布置的縱斷面圖（括號內數字為孔長及傾角）
圖1 凍結孔布置Fig.1 Layout of the freezing hole in the soil
結系統輔助設備：① 鹽水循環泵選用IS125-100～ 200 型2 臺，流量200 m3/ h，電機功率45 kW， 還有一臺備用；② 冷卻水循環選用IS125-100～200C 型2 臺，流量120 m3/h，電機功率30 kW ，一臺備用； 冷卻塔選用NBL-100 型一臺，補充新鮮水15 m3/h。

4 監測成果分析
4.1 鹽水溫度監測分析
凍結工程于2002 年11 月30 日開機凍結，到2003 年1 月8 日已經凍結39 d，超過設計凍結時間（35 d）4 d 。鹽水降溫曲線如圖2 所示。去路鹽水溫度－33℃，回路鹽水溫度開機2 d 降到－20℃， 降溫幅度較大。2003 年1 月7 日鹽水的去、回路溫度差已從2002 年12 月24 日的平均2℃ 降到0.5℃， 說明土層的熱負荷減少，凍土帷幕形成良好。
4.2 土層溫度監測分析
在上、下行線隧道聯絡通道洞口兩側共布置10 個測溫孔，在下行隧道中布置了4 個，上行隧道中布置了6 個，開挖是從下行隧道開始的，每個測溫孔內設3 個測點，每個測點間距為600 mm，測溫孔深為2 m。測溫孔如圖3 所示。
測試結果如圖4， 圖5 所示。研究表明，同一孔內3 個測點的溫度相差不大，呈現出孔越深溫度降低越大的趨勢。根據第3# 測孔的實測資料，在距凍結主面400 mm 的降溫幅度最大，到2002 年12 月14 日該處溫度降到－0.5℃，凍結時間為15 d， 凍土平均發展速度為26.7 mm/d； 第2# 測孔距凍結主面為450 mm，12 月19 日該處溫度降到－0.2℃， 此時凍結時間為20 d ，凍土平均發展速度25.0 mm/d；第5# 測孔距凍結主面700 mm，12 月27 日其溫度降到－0.2℃ ，此時凍結了27 d ，凍土平均發展速度27.8 mm/d 。以上3 個孔的凍土平均發展速度為26.5 mm/d ，按此推算，到2003 年1 月8 日實際開挖時，凍結時間為39 d，凍土形成厚度2.06 m， 超過設計厚度0.46 m 。
4.3 地表變形監測分析
測點布置如圖6，各測點之間的距離為2 m。從圖7 可以看出，在鉆孔、安裝凍結管階段，地表

圖2 部分凍結管鹽水溫度與時間關系

（a）

（b）

圖3 土體測溫孔平面圖(單位：m)

圖4 下行線土體測孔溫度隨時間的關系
呈逐漸沉降現象，直至達到最大沉降值，這是由于鉆孔挖土造成的。從凍結初期到隨后出現隆起現象，符合凍土膨脹的特性。從12 月24 日起，地面隆起變形趨于穩定，說明凍土結構的擴展速度變緩慢， 可判斷凍土帷幕已經形成，并達到了足夠的強度。地表變形的變化規律與文獻[2]的結果有一致性，在文獻[2]的測試結果中，凍結過程中地表也呈現隆起情況，但隆起幅度沒有本次的大，沒有出現正值，即與初始地面標高比，仍處于沉降狀態。這說明地表的變形大小與聯絡通道的埋深有關（也即與凍結管的埋深有關），在文獻[2]中聯絡通道埋深為23.2 m，屬于較大埋深。另外，在圖7 中，不同的測點變形不同，這與凍結管的布置是有關的，凍結管密度較大的地方沉降較大，同時在凍結過程中隆起的幅度也較大。
4.4凍漲壓力及卸壓孔壓力測試分析
在隧道下行線布置了4 個凍脹壓力測孔，根據凍脹壓力測孔1 的實測數據，2002 年12 月18 日凍脹壓力達到最大值0.73 MPa，此時凍結時間為19 d； 測孔4 在12 月19 日凍脹壓力達到最大值1.81 MPa， 凍結時間為20 d 。測試結果說明凍結20 d 左右時凍土柱已經交圈，凍結帷幕已基本形成。此后凍脹壓力趨于穩定并逐步減少，凍土帷幕厚度增加，符合凍土凍結規律。另外，在隧道下行線聯絡通道開挖斷面內布置一個卸壓孔，觀測其壓力變化。到12 月24 日壓力不再升高，說明凍結帷幕內的自由水由于水分遷移的作用， 已經基本補給到凍土中。2003 年1 月3 日打開該卸壓孔，只有少量水和泥漿流出，幾分鐘后就停止了，在1 月8 日土體開挖時，該孔內無水流出的現象。

圖5 上行線土體測孔溫度隨時間關系

圖6 聯絡通道地表變形測點布置e

(a) 縱向測點

(b) 橫向測點

圖7 地表變形隨時間的變化關系
5 結語
根據對系統運轉、鹽水降溫、溫度場、地表變形和凍脹壓力因素等的綜合分析，認為凍結帷幕已經達到設計要求，具備開挖條件。同時，觀察到隧道內部管片上的結霜情況正常，結霜的范圍和輪廓比較均勻，據此反映出凍結過程正常。2003 年1 月8 日，開始打開鋼管片進行土體開挖，開挖過程中無水流現象， 但聯絡通道內土體開挖困難，需用風鎬掘進。土方開挖在1 月18 日結束，沒出現任何異常現象，凍結法施工取得了成功。值得探討的是，根據以上幾個方面的監測綜合分析，可得到理想的土體開挖時間應為2002 年12 月24 日，應該比實際的開挖時間提前半個月。在土體開挖過程中也證實了這一點。因為凍結時間過長，可使聯絡通道內的土體開挖困難，就是一天24 h 連續作業，開挖進尺也不足1 m。這是在以后的工程中切實要引以為戒的。

參考文獻
[1] 周曉敏, 蘇立凡, 賀長俊等. 北京地鐵隧道凍結法施工[J]. 巖土工程學報, 1999, 21(3): 319－322.
[2] 馬玉峰, 蘇立凡, 徐兵壯等. 地鐵隧道聯絡通道和泵站的水平凍結施工[J]. 建井技術. 2000, 21(3): 39－41.
[3] 郭曉江. 凍結法在廣州地鐵二號線暗挖隧道中的應用[J]. 煤炭工程. 2001(12): 27－29.