關于地鐵盾構始發端頭井凍結法加固的監測分析

馬建軍

(北京鐵路局， 天津　300241)

人工地層凍結法(簡稱凍結法)是利用人工制冷技術通過埋設在地層中的凍結管帶走地層中的熱量，使地層中的水結冰，把天然巖土變成凍土，形成具有較高強度和穩定性的凍土帷幕，隔絕地下水與地下工程的聯系，以便在凍土帷幕的保護下進行地下工程施工的特殊方法。

凍結法主要適用于松散不穩定的沖積層和裂隙發育的含水巖層，以及淤泥、松軟泥巖和飽和含水和水頭特別高的地層。

1　工程概況

長三角地區某城市地鐵1號線A站南端頭盾構始發井采用冷凍法加固，于2011年11月7日開始冷凍，12月25日停止冷凍并開始拔管，冷凍時間約為50 d左右，待冷凍管拔除后于12月30日開始盾構始發掘進，3月2日至6日進行注漿施工。在端頭井冷凍范圍共布設了2排地表監測點，測點布置如圖1所示。

圖1　監測點布置示意

2　地質條件

根據地質資料，地層層序及地層描述如下。

①1-1淤泥：為河道內浮泥，灰黑色，流塑，夾少許煤渣、磚塊等垃圾，分布于場地東側河道內。

①1雜填土層：雜色，松散，由黏性土夾雜碎石、碎磚等建筑垃圾組成，為現代人工堆積而成；其中道路地段有約0.30 m厚的瀝青路面及墊層，除河道外全場區均有分布。

②1黏土層：灰黃—褐黃色，硬塑，含鐵錳質結核，夾青灰色條紋，切面有光澤，干強度及韌性高，無搖振反應，場區內均有分布。

③2粉質黏土層：褐黃、灰黃色，可塑，略夾薄層粉土，切面稍有光澤，干強度及韌性中等，無搖震反應。

③3粉土夾粉質黏土層：灰色，中密，飽和，夾薄層粉質黏土，局部相變為粉砂，切面無光澤，干強度低，韌性低，搖振反應迅速；粉質黏土為灰色，軟塑；場區內大多分布。

④粉砂層：灰色，中密，飽和，含云母碎片，局部夾薄層粉質黏土；礦物成分主要為石英，長石次之，顆粒級配較差；場區內大多分布。

⑥1-1粉質黏土層：暗綠—灰黃色，可塑(局部硬塑)，含鐵錳結核，局部相變為黏土，切面稍有光澤，干強度及韌性中等，無搖震反應；場區內均有分布。

⑥1黏土層：灰黃色，硬塑(局部可塑)，含鐵錳結核，切面有光澤，干強度及韌性高，無搖震反應，場區內均有分布。

⑥2-1粉質黏土夾粉土層：灰黃色，可塑，切面稍有光澤，干強度及韌性中等，無搖震反應，局部粉土含量較大。

⑥2粉質黏土層：灰黃色，可塑，含氧化鐵斑點及鐵錳質結核，局部夾薄層中密粉土，切面稍有光澤，干強度及韌性中等，無搖震反應；場區內大多分布。

⑥3粉土層：灰黃、灰色，中密，飽和，夾薄層粉質黏土，切面粗糙，無光澤，干強度及韌性低，搖震反應迅速。

其中，A站南端頭本次盾構始發主要涉及的地層由上至下依次為②1黏土、③2粉質黏土層、③3粉土夾粉質黏土層、④粉砂層以及⑥1-1粉質黏土層。

3　水文地質條件

本次盾構始發主要涉及以下地下水。

上層滯水：上層滯水含水層主要埋藏在淺部①1層中，①1層由黏性土夾雜碎石組成，水位埋深雖很淺(1～2 m)，但滲透性差，對本工程建設產生的不利影響較小。

微承壓水：主要分布于③3層粉土夾粉質黏土及④粉砂層中，其中③3粉土夾粉質黏土層土性以粉性土為主，夾少量黏性土，富水性中等，粉砂層以砂性土為主，富水性良好。

此外，場地南側分布有一南北向市政河流，寬度約8.0 m，駁岸由漿砌塊石構筑而成，勘察期間測得水深2.3 m，河底高程為-1.70 m。加固區隧道埋深17.7 m，加固區上部河岸邊拋石埋深0～6 m，距離隧道頂部5.6 m。拋石埋置區域地層透水性較強，淺層地下水與河水相通。

4　融沉注漿概況

整個注漿工作3月2日開始至6日結束，注漿壓力基本保持在0.18～0.22 MPa之間，注漿量由初始的1.3 m3逐漸減少至0.4 m3。

5　融沉注漿機理

凍土融化后產生融沉，主要由融化沉降和壓縮沉降兩部分組成。融化沉降是指凍土融化后的土體由于冰變成水體積減小產生的融化性沉降，這種沉降量和外界的壓力無關；壓縮沉降是指融化區域的土層在一定壓力的作用下發生排水固結，導致土層的壓縮沉降，這種沉降量和外界的壓力成正比。因此，從融沉定義上理解，影響融沉量的主要內因有：土的熱學、物理、力學性質等；主要外因有：溫度、溫度梯度和壓力等。

對于地鐵盾構端頭井這種地下結構來說，凍土融化后由于土層體積的減小會在地下結構周圍產生較多的建筑空隙，同時土體的融沉、固結運動會對地下結構產生負摩擦力，而這種負摩擦力往往是不均勻的壓力，容易對地下結構及周邊環境產生不利影響。而融沉注漿的目的就是要在凍土融化后利用漿液及時充填建筑空隙，并改善融土的工程性質，提高土層強度和抗滲能力。在融沉注漿過程中，凍土中的冰化成水后體積縮小，在充填建筑空隙后，漿液進一步對融土體進行擠壓，漿液注入到融土的孔隙中，從而取代排出其中的空氣和水，將土顆粒膠結起來，增強了融土的強度和抗滲能力。融沉注漿通常采用較小的注漿壓力，但由于土體凍融后土層結構發生破壞，注漿時仍能使融土產生水力劈裂，形成網狀漿脈，通過漿脈擠壓土體并形成漿脈骨架加固土體。

簡單的說，融沉注漿其實是一個依靠漿液填充凍土融化空隙、擠壓融土、繼而發生劈裂的過程。

6　監測數據分析

由地表沉降監測歷時曲線圖可以得知(如圖2)：

圖2　地表沉降歷時曲線

(1)整個冷凍法施工凍結期間，地表沉降基本控制在±4 mm，沉降控制較好；后續因盾構掘進施工，大部分地表監測點呈明顯上隆或下沉狀態，控制在-4～8 mm以內。

(2)冷凍前，地表沉降稍有小幅下沉，下沉控制在2 mm以內，初步分析主要受冷凍管施工鉆孔影響，臨近地層有一定的損失，反應到地表則呈現輕微的下降。

(3)冷凍前期，上覆地表基本呈凍脹上隆的趨勢，待冷凍施工持續約20 d后，后續地表沉降逐漸趨于收斂穩定。

(4)在拔管施工期間，地表并未出現明顯的隆沉下沉狀態，地表沉降基本保持穩定狀態，初步分析可能是拔管后立即進行了盾構的掘進施工，拔管到盾構始發的工序轉換較快，加上施工時正處冬季，氣溫較低，多方面因素導致拔管后地表的消融沉降相應滯后，短期未出現顯著的下沉，待盾構掘進通過后，短期內地表呈現明顯的上隆及下沉可能是冷凍法地表融沉，盾構掘進施工后綜合影響的結果。

(5)在盾構掘進期間，1月至2月底，整個端頭井地表基本呈平緩下沉趨勢，初步分析可能隨著地層內部氣溫的持續回升，融沉效應以及盾構掘進擾動的土層固結沉降作用下，地層在此階段呈下降的趨勢。同時，由于盾構通過時及時的注漿充填了盾尾孔隙，加上端頭井區域無其他附加荷載，該階段地層基本呈平緩下降的趨勢，即平均下降速率較小。

(6)在融沉注漿前期，漿液迅速的充填融化空隙后，因持續的注漿影響，漿液體積不斷膨脹，漿體壓力也隨著注漿上升，當漿體壓力達到一定程度時，漿液會沿著融土的最小應力面發生劈裂流動。受融土地層不均勻性的影響，地表會表現短期內出現大多地表隆起的現象，而土體經過凍融循環擾動后，其工程力學性能降低，特別是融沉注漿發生的劈裂作用會進一步擾動土層，融土的強度繼續降低，又會出現地表短期局部下沉的現象。注漿后，隨著孔隙壓力的降低，注漿所形成的網狀漿脈骨架以及漿液和融土的固結能大為提高。因此，在融沉注漿后一段時間表現為地表沉降逐漸趨于穩定。

7　結論

(1)在整個凍結法施工過程中，地表沉降基本控制在±8 mm以內，滿足《旁通道凍結法技術規程》(DG/TJ08-902-2006)中地表沉降10～-30 mm的控制要求；

(2)凍結法施工導致后期融沉的主要原因是凍土內水分遷移，前期如產生過大的凍脹量，也難免會在后期產生較大的融沉。因此，需要在凍結期間盡量控制前期凍脹引起的水分遷移；此外，在后期拔管解凍后需要及時進行注漿，以控制后續土層融沉現象。本著少量多次的原則，注漿過程中當地表出現上抬時應適當減小注漿壓力，采取間歇注漿的方法，盡量減小對土層的擾動，以控制后期的固結沉降。

(3)場地南側有一條市政河流，勘察資料顯示淺層地下水和河流相通，凍土帷幕的末端凍結加固效果必將不甚理想，筆者建議在類似地下工程采用凍結法加固時，可根據現場情況在河道和加固段之間設置一段隔水圍堰，避免河流對凍結加固體的直接沖刷，進一步降低凍結法施工的風險。

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