凍結暗挖法在地鐵車站附屬結構中的應用

方忠強 孫曉鋒 陳 磊

(江蘇省交通規劃設計院股份有限公司，210005，南京∥第一作者，高級工程師)

南京地鐵10號線夢都大街站東側平行分布3 條地下高壓電纜管廊橫跨擬建車站附屬結構。通常，車站出入口和風亭等附屬結構采用明挖法施工，受影響的管線臨時改遷到施工區域以外，待結構完成后再回遷。但是，這三組高壓電纜管廊為區域主干供電線路，遷移費用大、時間長、協調難度大，因此考慮就地保護，管廊下方的出入口及風道結構采用暗挖施工，暗挖段采用水平凍結加初期支護加二次襯砌形式。

近年來，我國城市軌道交通建設發展迅速，水平凍結暗挖法技術已在部分工程中得到應用［1-5］，但應用多限于覆土較大、跨度小、頂部拱形的聯絡通道。本工程為矩形斷面，跨度大、覆土小，并且地質條件差、周邊環境復雜，國內尚未有相似工程的案例報道。本文以此為研究背景，對工程技術難點、凍結設計方案及關鍵施工措施進行詳細介紹，采用有限元軟件進行計算分析，驗證方案的可行性。

1 工程概況

1.1 地鐵車站附屬結構概況

南京地鐵10號線夢都大街站東側平行分布3 條地下高壓電纜管廊，分別為220 kV (1 200 mm ×500 mm)、110 kV (1 600 mm ×400 mm)、10 kV (900 mm ×600 mm)，管廊總寬度約6.0 m。車站1號出入口及1號風道、2號出入口、2號風道下穿高壓電纜管廊。

1.2 地質條件

1.2.1 地層分布

項目地處南京河西地區長江漫灘區，其沉積物多呈二元或多元結構，上細下粗，上部以淤泥質粉質黏土為主，下部由厚層粉細砂、中粗砂等組成。本項目開挖主要涉及地層為①-1 雜填土層、②-2b4 淤泥質粉質黏土夾粉砂層、②-3c3 粉土夾粉砂層和②-4d2 粉砂層，車站附屬結構底板位于②-2b4 層和②-3c3 層。

1.2.2 地下水概況

地下水類型主要為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水。孔隙潛水主要含水層為①-1 層雜填土及②-2b4 層淤泥質粉質黏土夾粉砂，標高 2.89～4.26 m。微承壓水主要含水層為②-3c3 層粉土夾粉砂，②-4d2 層粉砂等，微承壓水水位標高2.0～3.0 m。

2 技術難點

(1)地質條件差，上部為淤泥質粉質黏土層，高含水率、高孔隙比、高壓縮性、流塑狀;下部為厚層粉砂，含有微承壓水，地層的自穩能力差，連同地下水的處理成為項目設計的難點。

(2)地下通道為矩形斷面，但斷面型式和尺寸各不相同。2號出入口通道跨度大，其與電纜通道的交角為47°，順著電纜通道方向的開挖跨度達到12.5 m，1號出入口及1號風道為雙層結構，總高度為6.9 m。由于結構高、跨度大，暗挖支護結構以及工法選擇成為設計的難點。地鐵工程中的聯絡通道也有凍結支護加暗挖施工工法，但其開挖跨度均小于4 m，高度為4 m 左右，且頂部為拱形，圍巖的穩定性較好。

(3)覆土較薄，僅 2.9～4.3 m，距離電纜通道底板0.7～1.8 m。供電部門要求不破壞高壓管廊，而調查資料顯示電纜管廊頂部為鋼筋混凝土結構，兩側為磚砌結構，底板為素混凝土，底板下面為碎石墊層，抗變形能力差，設計須對其進行有效保護。

(4)周邊環境條件復雜。基坑邊上有直徑800 mm 的自來水管，周邊建筑則緊靠基坑，對支護結構的安全性及變形控制要求很高，不允許出現塌方、漏水等工程事故。

3 凍結設計施工方案

3.1 施工分區及施工順序

將附屬結構劃分為三部分，高壓電纜管廊所在區域采用暗挖施工，兩側采用明挖施工。通道頂部采用密排管棚托舉高壓管廊，沿通道結構四周布置水平凍結管，形成強度高、封閉性好的凍結帷幕，兼做擋土和隔水作用。

主要施工順序如下:

(1)先施工電纜通道兩側基坑。沿電纜通道兩側采用咬合樁作為封堵墻，其他區域采用SMW(型鋼水泥土攪拌墻)。待明挖基坑結構底板封閉后，從一側的明挖基坑內向另一側打設管棚和冷凍管。為保證水平凍結帷幕有足夠厚度，同時給冷凍管施工預留工作空間，施作管棚和凍結管一側的明挖基坑圍護結構平面外擴、底板下沉，外擴及下沉尺寸2.5～3.0 m。

(2)對開挖掌子面進行全斷面加固，之后采用CRD(交叉中隔壁)工法進行暗挖施工。按照分段、分塊、階梯開挖的原則進行，縱向開挖步距0.5 m。每開挖一小塊之后立即架設初期支護結構，初期支護采用型鋼支架加掛網噴射混凝土。

(3)在全部開挖結束后，進行結構防水層、澆筑二襯混凝土施工。

(4)結構施工完成后進行充填注漿，最后進行解凍，根據融沉監測情況進行跟蹤補償注漿。

3.2 凍結孔設計

凍結孔按水平角度布置，凍結壁厚度按3 m 設計。結構兩側及底部各布置兩排凍結孔，排距1 000 mm，梅花形布置，凍結孔距離初期支護外側1 000 mm，凍結孔之間孔距為700 mm。

此外，1號出入口及1號風道由于結構高度較大，因此在中部增加一排橫向布置的凍結孔，以加強結構兩側凍結帷幕橫向支撐。2號出入口由于跨度較大，因此在中部增加一列垂直方向布置的凍結孔，相當于對凍結帷幕增加一排豎向支撐。

凍結孔及管棚布置見圖1～圖3。

圖1 1號出入口及1號風道凍結孔布置剖面圖

圖2 2號出入口凍結孔布置剖面圖

圖3 2號風道凍結孔布置剖面圖

3.3 凍結參數確定

(1)凍結壁平均溫度-10 ℃。

(2)開挖期間維護凍結鹽水溫度為-28 ℃～-30 ℃。

(3)外圍凍結孔終孔間距Lmax≤1 000 mm。

(4)1號出入口及1號風道凍結孔布置101個，凍結管總長度為834 m;2號出入口凍結孔布置125 個，凍結管總長度為1 593 m;2號風道凍結孔布置78 個，凍結管總長度為686 m。

(5)測溫孔布置一般定在終孔間距較大的位置，位置可根據實際施工時進行調整。

(6)凍結需冷量:

式中:

l——凍結總長度(凍結管長度加冷排管長度150 m)，m;

d——凍結管直徑，m;

k——凍結管散熱系數。

將相關參數數值代入式1 得:

1號出入口及 1號風道 Q=50.65 ×104KJ/h;

2號出入口 Q=96.91 ×104KJ/h;

2號風道 Q=41.73 ×104KJ/h。

3.4 管棚設計

管棚鋼管型號為φ108 mm×8 mm，鋼管間距0.3 m，鋼管穿過兩端封堵墻600 mm，在封堵墻外側用H 型鋼支架對管棚進行支托。

3.5 暗挖順序及臨時支護

考慮初支結構后，1號出入口及1號風道開挖斷面跨度8.5 m，2號出入口開挖斷面跨度12.5 m，2號風道開挖斷面跨度6.0 m。

由于開挖斷面大，而且地質條件以自立性差的淤泥質黏土、砂層為主。為確保暗挖施工的安全，按照分層、分塊、階梯開挖的原則進行。

2號出入口分上、下兩層，每層3 個區域，一共劃分為6 個開挖區;1號出入口及1號風道、2號風道分上、下兩層，每層2 個區域，一共劃分為4 個開挖區。

初期支護形式為型鋼支架加掛網噴射混凝土。型鋼支架為30#工字鋼，支架間距為0.4 m。網噴混凝土采用C25 混凝土，厚度35 cm，中部臨時支撐也要進行網噴混凝土施工。型鋼支架背后墊5 cm 厚木背板，木背板與凍結帷幕之間的空隙用高強度砂漿充填密實。

4 充填注漿及融沉控制

融沉是因被加固土體融化而引起的土體下沉，容易產生結構差異沉降。暗挖段主體結構(二次襯砌)在施工完畢并達到一定的強度后，需對外圍凍結壁進行解凍，解凍過程中會發生融沉現象。解決融沉的主要措施是根據監測反饋的信息，進行地層跟蹤注漿壓密加固土體，注漿材料采用雙液水泥漿。

4.1 注漿孔布設

初期支護外地層注漿，注漿孔間距2 m，縱向每2 m 布置一個注漿斷面。注漿管采用6.6 cm 的焊接管，頂端接帶螺紋的管箍，并用絲堵封閉。充填注漿孔每4 m 布設一個。

4.2 注漿時間

結構施工完成，強度達到60%以上，停止凍結，停機3～7 天后開始進行充填注漿。這樣能有效避免因凍土融化而損壞上部及周圍管線，減少結構下沉。由于凍土量較大，注漿需4 個月左右。注漿采用小壓力多注次的方式，注漿壓力為0.2～0.5 MPa。

4.3 注漿量

根據以前類似工程經驗，注漿水泥用量達到凍土體積的50%。根據推算，1號出入口及1號風道、2號出入口、2號風道融沉注漿水泥用量分別為850 t、1 200 t 和 700 t。

4.4 注漿結束標準

當一天內上部地面沉降大于0.5 mm，或上部地面累計沉降大于3 mm 時，應進行融沉補償注漿;當上部地面隆起3 mm 應暫停注漿。具體要根據地面變形監測情況做適當調整。融沉注漿的結束時間是以地面沉降變形穩定為依據。若凍結壁已全部融化，且在不注漿的情況下實測地層沉降每半月不大于0.5 mm，可停止融沉補償注漿。

5 計算分析

5.1 凍結壁受力計算原則

參照《旁通道凍結法技術規程》［6］中的相關規定，凍結壁既要求承載又要求止水，屬Ⅲ類凍結壁，其厚度按承載力要求進行設計，抗壓、抗折和抗剪強度滿足:

式中:

多年以來，高職院校外語教學工作一直面臨著諸多問題，一方面是社會對外語語言教學的要求的不斷變化和提高，一方面是教學人員構成復雜造成的外語教師隊伍建設緩慢，此外還有外語課程建設發展方向不明，學生生源結構變化等多種問題。而如何有效利用有限的授課時間，提高課堂“抬頭率”，提高高職院校學生學習效能是當下高職院校外語教學的需要解決的首要問題。本文嘗試通過外語通識課程建設提高目前高職院校外語教學效能，增加學生外語學習動能。

σ——為凍結壁應力，MPa;

R——為凍土的強度指標，MPa;

K——為安全系數，Ⅲ類凍結壁強度檢驗安全系數按表1 選取。

表1 Ⅲ類凍結壁強度檢驗安全系數

5.2 凍結壁受力計算方法及參數取值

凍結壁受力采用有限元方法進行驗算，凍土和未凍土均按均質線彈性體簡化。凍結壁平均溫度為-10℃，參照相關工程的試驗數據［7-9］，取凍土的彈性模量和泊松比分別為120 MPa 和0.25，凍土強度指標為:抗壓 3.6 MPa，抗折 2.0 MPa，抗剪 1.5 MPa。中間未凍土參數彈性模量和泊松比分別取22.0 MPa 和 0.30。

5.3 計算邊界條件選取

凍結壁外圍的未凍土厚度取凍結壁厚度的5倍，即15 m(頂板除外)。采用plane42 單元進行模擬，考慮到施工范圍內管線保護的特殊性工況，計算模型不考慮地表附加荷載。

5.4 計算結果分析

本文對3 個附屬結構均采用有限元軟件模擬計算。以1號出入口及1號風道為例，其計算模型如圖4所示，3 個附屬結構的計算結果見表2～表4。

圖4 1號出入口及1號風道有限元計算模型

1號出入口及1號風道凍結壁應力、位移計算值及安全系數見表2。

表2 1號出入口及1號風道凍結壁應力、位移計算值及安全系數

表3 2號出入口凍結壁應力、位移計算值及安全系數

2號風道凍結壁應力、位移計算值及安全系數見表4。

表4 2號風道凍結壁應力、位移計算值及安全系數

從表2～表4 可以判斷，凍結壁主要處于受壓狀態，抗壓安全系數滿足要求;1號出入口及1號風道抗剪安全系數1.9，略小于2.0，但是從剪應力圖中能看出最大剪應力僅分布在底板兩個角部的局部位置，忽略剪應力集中現象，整體上剪應力可以滿足要求。

由于開挖斷面較大，通道開挖之后，頂板有一定下沉，但位移最大位置在底板，明顯向上隆起，即底臌。但計算過程沒有考慮初期支護(型鋼支架加掛網噴射混凝土)對凍結壁受力的有利因素，雖然位移較大，但在施工措施可控范圍之內。凍結壁頂板位移約20～30 mm，考慮管棚的有利影響，位移完全滿足施工要求。

6 施工監測

根據施工監測資料，1號出入口及1號風道開機凍結54 天后，凍結壁平均溫度為-14.2 ℃，最小凍結壁厚度3.72 m;2號出入口開機凍結45 天后，凍結壁平均溫度為-12.1 ℃，最小凍結壁厚度3.16 m;2號風道開機凍結31 天后，凍結壁平均溫度為-11.3 ℃，最小凍結壁厚度 2.2 m。

凍結土層主要是②-2b4 層淤泥質粉質黏土，根據凍結土樣的室內試驗成果，抗壓強度平均值達到 4.03 MPa，抗剪強度為 1.6 MPa。

凍結期間高壓管廊最大隆起量僅5 mm，開挖期間監測到高壓管廊最大沉降30 mm，未對電力供應產生不利影響。

7 結語

(1)在軟土地層中使用水平凍結支護，通道四周形成的凍結帷幕起到擋土和隔水的雙重作用。

(2)暗挖采用CRD 工法，分上、下兩層，按照分段、分塊、階梯開挖的原則進行。

(3)采用有限元計算軟件對凍結帷幕進行計算分析。通過模擬開挖工況，得到凍結帷幕的內力及變形結果，通過對凍結壁的應力場和位移場分析，判斷其安全狀態。

(4)采用密排管棚托舉高壓管，監測結果顯示該措施有效地控制了管廊的沉降變形。

本工程已成功實施，說明在南京河西地區的地質條件下(地下水位高、上部軟土、下部砂層)采用凍結暗挖施工是可行的。國內城市軌道交通事業正如火如荼地發展，而城市地下管線錯綜復雜，主干管線的改遷費用高、周期長，經常停水、停電容易造成不良的社會影響。本項目的成功實施不僅節省了昂貴的管線改遷費用，對今后類似工程的設計和施工也具有很好的參考作用。

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