地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)監(jiān)測(cè)分析
摘要：南京地鐵一期工程聯(lián)絡(luò)通道采用凍結(jié)法施工中， 對(duì)凍結(jié)鹽水溫度、凍土溫度、地表變形等方面進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)；通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析研究，獲得了凍結(jié)鹽水溫度、凍土溫度、凍漲壓力、卸壓孔壓力的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出了聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工的建議。研究成果可供其他工程參考。
關(guān)鍵詞：地鐵；聯(lián)絡(luò)通道；凍結(jié)法；監(jiān)測(cè)
1 前言
地鐵聯(lián)絡(luò)通道一般位于區(qū)間隧道的中間，通常南京地鐵一期TA4 標(biāo)隧道，北起釣魚臺(tái)工作與集、排水泵站連在一起，共同起著兩隧道連結(jié)、井北側(cè)，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(lián)絡(luò)通道土體開(kāi)挖前，必線）和右線（上行線）隧道組成，左、右線均由572 須對(duì)其周圍土體進(jìn)行加固。凍結(jié)法加固土體是一種環(huán)管片拼裝而成。隧道外徑6.2 m ，內(nèi)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(lián)絡(luò)通道位于兩中都成功得到了應(yīng)用[1-3] 。最近，在南京地鐵一期工站區(qū)間隧道中間，隧道中心埋深13.13 m。聯(lián)絡(luò)通程TA4 標(biāo)中，聯(lián)絡(luò)通道施工首次成功采用了凍結(jié)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(jié)施工過(guò)程中，對(duì)凍結(jié)鹽水溫度、凍土溫道間的聯(lián)絡(luò)作用和必要時(shí)乘客安全疏散的功能，又度、地表變形等方面進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)。文中分析了起到地鐵運(yùn)營(yíng)中兩車站之間的集、排水作用。工程凍結(jié)鹽水溫度、凍土溫度、凍漲壓力、卸壓孔壓力結(jié)構(gòu)由兩個(gè)與隧道相交的喇叭口、通道以及集水井的變化規(guī)律，并提出了有利于工程施工的建設(shè)性意等組成。聯(lián)絡(luò)通道所處的主要土層參數(shù)如表1 所示。
表1 土層物理參數(shù)
2 工程概況
從表1 看出，土層平均滲透系數(shù)小，透水性差，是凍結(jié)施工較為有利的土層；同時(shí)，土層中含有粉砂層，凍結(jié)法也能更好處理流砂問(wèn)題。經(jīng)研究采用“隧道內(nèi)鉆孔凍結(jié)加固，礦山法暗挖構(gòu)筑”的施工方案，即：在隧道內(nèi)利用水平孔和部分傾斜孔凍結(jié)加固土層，使聯(lián)絡(luò)通道以及集水井外圍土體凍結(jié)，形成強(qiáng)度高，封閉性好的凍土帷幕； 采用礦山法， 進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道及泵站的開(kāi)挖構(gòu)筑施工。土層凍結(jié)和開(kāi)挖構(gòu)筑施工均在區(qū)間隧道內(nèi)進(jìn)行，其主要施工順序?yàn)椋菏┕?zhǔn)備→ 聯(lián)絡(luò)通道連通地面的垂直水管施工→ 凍結(jié)孔鉆孔施工（ 同時(shí)安裝凍結(jié)制冷系統(tǒng)）→ 安裝凍結(jié)鹽水系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)（ 同時(shí)在隧道內(nèi)聯(lián)絡(luò)通道洞口附近進(jìn)行支撐，其目的是，凍結(jié)過(guò)程中隧道受凍土力的作用會(huì)發(fā)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(jié)前進(jìn)行隧道內(nèi)壁支撐）→積極凍結(jié)→ 探孔試挖→ 拆鋼管片→ 聯(lián)絡(luò)通道掘進(jìn)與臨時(shí)支護(hù)→ 聯(lián)絡(luò)通道永久支護(hù)→ 泵站開(kāi)挖與臨時(shí)支護(hù)（聯(lián)絡(luò)通道支護(hù)是，對(duì)泵站位置進(jìn)行預(yù)留，在聯(lián)絡(luò)通道永久結(jié)構(gòu)施工完畢后，再開(kāi)挖泵站土體作臨時(shí)的支護(hù)，在永久性結(jié)構(gòu)完工并達(dá)到要求強(qiáng)度后，最后拆除暴露在泵站內(nèi)的凍結(jié)管。）→ 泵站永久支護(hù)→ 必要時(shí)進(jìn)行土層注漿充填。
3 水平凍結(jié)設(shè)計(jì)
3.1 水平凍結(jié)孔布置
根據(jù)凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)及聯(lián)絡(luò)通道的結(jié)構(gòu)，凍結(jié)孔的傾角采用上仰、近水平、下俯三種角度布置。開(kāi)孔間距為0.7 m ，凍結(jié)孔58 個(gè)。凍結(jié)孔的布置見(jiàn)圖1 所示。
3.2 凍結(jié)參數(shù)
選用YSLGF300Ⅱ 型螺桿壓縮機(jī)組一臺(tái)套，設(shè)計(jì)工況：制冷量為87 500 Kcal/h，電機(jī)功率110 kW 。地層凍結(jié)供冷工藝參數(shù)和指標(biāo)：① 積極凍結(jié)鹽水溫度為－28℃～－30℃；② 凍結(jié)孔單孔流量不小于4 m3/h；③ 凍結(jié)帷幕交圈時(shí)間為20 d，達(dá)到設(shè)計(jì)厚度的時(shí)間為30 d；④ 積極凍結(jié)時(shí)間為30 d ，維護(hù)凍結(jié)時(shí)間為35 d 。測(cè)溫孔10 個(gè)（4 個(gè)兼作卸壓孔）。
（a）凍結(jié)孔布置的橫斷面圖(mm)
（b）凍結(jié)孔布置的縱斷面圖（括號(hào)內(nèi)數(shù)字為孔長(zhǎng)及傾角）
圖1 凍結(jié)孔布置Fig.1 Layout of the freezing hole in the soil
結(jié)系統(tǒng)輔助設(shè)備：① 鹽水循環(huán)泵選用IS125-100～ 200 型2 臺(tái)，流量200 m3/ h，電機(jī)功率45 kW， 還有一臺(tái)備用；② 冷卻水循環(huán)選用IS125-100～200C 型2 臺(tái)，流量120 m3/h，電機(jī)功率30 kW ，一臺(tái)備用； 冷卻塔選用NBL-100 型一臺(tái)，補(bǔ)充新鮮水15 m3/h。
4 監(jiān)測(cè)成果分析
4.1 鹽水溫度監(jiān)測(cè)分析
凍結(jié)工程于2002 年11 月30 日開(kāi)機(jī)凍結(jié)，到2003 年1 月8 日已經(jīng)凍結(jié)39 d，超過(guò)設(shè)計(jì)凍結(jié)時(shí)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(kāi)機(jī)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(shuō)明土層的熱負(fù)荷減少，凍土帷幕形成良好。
4.2 土層溫度監(jiān)測(cè)分析
在上、下行線隧道聯(lián)絡(luò)通道洞口兩側(cè)共布置10 個(gè)測(cè)溫孔，在下行隧道中布置了4 個(gè)，上行隧道中布置了6 個(gè)，開(kāi)挖是從下行隧道開(kāi)始的，每個(gè)測(cè)溫孔內(nèi)設(shè)3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)間距為600 mm，測(cè)溫孔深為2 m。測(cè)溫孔如圖3 所示。
測(cè)試結(jié)果如圖4， 圖5 所示。研究表明，同一孔內(nèi)3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度相差不大，呈現(xiàn)出孔越深溫度降低越大的趨勢(shì)。根據(jù)第3# 測(cè)孔的實(shí)測(cè)資料，在距凍結(jié)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(jié)時(shí)間為15 d， 凍土平均發(fā)展速度為26.7 mm/d； 第2# 測(cè)孔距凍結(jié)主面為450 mm，12 月19 日該處溫度降到－0.2℃， 此時(shí)凍結(jié)時(shí)間為20 d ，凍土平均發(fā)展速度25.0 mm/d；第5# 測(cè)孔距凍結(jié)主面700 mm，12 月27 日其溫度降到－0.2℃ ，此時(shí)凍結(jié)了27 d ，凍土平均發(fā)展速度27.8 mm/d 。以上3 個(gè)孔的凍土平均發(fā)展速度為26.5 mm/d ，按此推算，到2003 年1 月8 日實(shí)際開(kāi)挖時(shí)，凍結(jié)時(shí)間為39 d，凍土形成厚度2.06 m， 超過(guò)設(shè)計(jì)厚度0.46 m 。
4.3 地表變形監(jiān)測(cè)分析
測(cè)點(diǎn)布置如圖6，各測(cè)點(diǎn)之間的距離為2 m。從圖7 可以看出，在鉆孔、安裝凍結(jié)管階段，地表
圖2 部分凍結(jié)管鹽水溫度與時(shí)間關(guān)系
（a）
（b）
圖3 土體測(cè)溫孔平面圖(單位：m)
圖4 下行線土體測(cè)孔溫度隨時(shí)間的關(guān)系
呈逐漸沉降現(xiàn)象，直至達(dá)到最大沉降值，這是由于鉆孔挖土造成的。從凍結(jié)初期到隨后出現(xiàn)隆起現(xiàn)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(wěn)定，說(shuō)明凍土結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展速度變緩慢， 可判斷凍土帷幕已經(jīng)形成，并達(dá)到了足夠的強(qiáng)度。地表變形的變化規(guī)律與文獻(xiàn)[2]的結(jié)果有一致性，在文獻(xiàn)[2]的測(cè)試結(jié)果中，凍結(jié)過(guò)程中地表也呈現(xiàn)隆起情況，但隆起幅度沒(méi)有本次的大，沒(méi)有出現(xiàn)正值，即與初始地面標(biāo)高比，仍處于沉降狀態(tài)。這說(shuō)明地表的變形大小與聯(lián)絡(luò)通道的埋深有關(guān)（也即與凍結(jié)管的埋深有關(guān)），在文獻(xiàn)[2]中聯(lián)絡(luò)通道埋深為23.2 m，屬于較大埋深。另外，在圖7 中，不同的測(cè)點(diǎn)變形不同，這與凍結(jié)管的布置是有關(guān)的，凍結(jié)管密度較大的地方沉降較大，同時(shí)在凍結(jié)過(guò)程中隆起的幅度也較大。
4.4凍漲壓力及卸壓孔壓力測(cè)試分析
在隧道下行線布置了4 個(gè)凍脹壓力測(cè)孔，根據(jù)凍脹壓力測(cè)孔1 的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，2002 年12 月18 日凍脹壓力達(dá)到最大值0.73 MPa，此時(shí)凍結(jié)時(shí)間為19 d； 測(cè)孔4 在12 月19 日凍脹壓力達(dá)到最大值1.81 MPa， 凍結(jié)時(shí)間為20 d 。測(cè)試結(jié)果說(shuō)明凍結(jié)20 d 左右時(shí)凍土柱已經(jīng)交圈，凍結(jié)帷幕已基本形成。此后凍脹壓力趨于穩(wěn)定并逐步減少，凍土帷幕厚度增加，符合凍土凍結(jié)規(guī)律。另外，在隧道下行線聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖斷面內(nèi)布置一個(gè)卸壓孔，觀測(cè)其壓力變化。到12 月24 日壓力不再升高，說(shuō)明凍結(jié)帷幕內(nèi)的自由水由于水分遷移的作用， 已經(jīng)基本補(bǔ)給到凍土中。2003 年1 月3 日打開(kāi)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(kāi)挖時(shí)，該孔內(nèi)無(wú)水流出的現(xiàn)象。
圖5 上行線土體測(cè)孔溫度隨時(shí)間關(guān)系
圖6 聯(lián)絡(luò)通道地表變形測(cè)點(diǎn)布置e
(a) 縱向測(cè)點(diǎn)
(b) 橫向測(cè)點(diǎn)
圖7 地表變形隨時(shí)間的變化關(guān)系
5 結(jié)語(yǔ)
根據(jù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)、鹽水降溫、溫度場(chǎng)、地表變形和凍脹壓力因素等的綜合分析，認(rèn)為凍結(jié)帷幕已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，具備開(kāi)挖條件。同時(shí)，觀察到隧道內(nèi)部管片上的結(jié)霜情況正常，結(jié)霜的范圍和輪廓比較均勻，據(jù)此反映出凍結(jié)過(guò)程正常。2003 年1 月8 日，開(kāi)始打開(kāi)鋼管片進(jìn)行土體開(kāi)挖，開(kāi)挖過(guò)程中無(wú)水流現(xiàn)象， 但聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)土體開(kāi)挖困難，需用風(fēng)鎬掘進(jìn)。土方開(kāi)挖在1 月18 日結(jié)束，沒(méi)出現(xiàn)任何異常現(xiàn)象，凍結(jié)法施工取得了成功。值得探討的是，根據(jù)以上幾個(gè)方面的監(jiān)測(cè)綜合分析，可得到理想的土體開(kāi)挖時(shí)間應(yīng)為2002 年12 月24 日，應(yīng)該比實(shí)際的開(kāi)挖時(shí)間提前半個(gè)月。在土體開(kāi)挖過(guò)程中也證實(shí)了這一點(diǎn)。因?yàn)閮鼋Y(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可使聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)的土體開(kāi)挖困難，就是一天24 h 連續(xù)作業(yè)，開(kāi)挖進(jìn)尺也不足1 m。這是在以后的工程中切實(shí)要引以為戒的。
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