管棚凍結技術在地鐵車站出入口施工中的應用研究

譚佳

（廣州地鐵集團有限公司，廣州 510220）

1 引言

由于城市地鐵工程施工時，經常遇到地質條件惡劣、周邊環境復雜、市政管線眾多的情況，如何在加固地層的基礎上，有效控制地表和管線沉降，是施工過程中經常遇到的難題[1]。“凍土+鋼管棚”復合加固結構，以管棚受力、凍土止水的加固理念可以提高不良地質條件下淺埋暗挖工程施工的安全可靠性。某地鐵站2號出入口位于康王中路與長壽西路交叉口下方，覆土淺、地層軟弱、地面存在重要道路以及市政管線敏感，采用此復合加固結構成功實施暗挖。

2 工程概況

某地鐵車站2號出入口凍結段位于車站主體結構負1層和華林國際D館連接段，切入華林國際D館地下弧形維護結構樁，短邊距5.6m，長邊距8.3m，頂部埋深僅3.9m。加固區域地面標高為+7.500m，2號出入口集水井底開挖面標高為-4.708m。

根據地勘資料揭示加固區域主要地層為：＜1＞雜填土、＜2-1A＞海陸交互相沉積淤泥層、＜2-2＞海陸交互相沉積粉細砂及淤泥質粉質細砂層。

該凍結加固區域主要管路自上而下分別為：1×1m電力管溝，φ500mm煤氣管、φ300mm給水管、φ800mm給水管、φ800mm排水管，各管路與凍結區域呈正交狀態。加固位置上方管線較多，距離近、風險大。

3 凍結設計施工方案

3.1 凍結設計

1）頂部凍結壁共設計管棚孔（兼作凍結孔）21個，拱部凍結壁厚度1m，遵循“強管棚弱凍結”的設計思路，拱部以上荷載完全由管棚承擔，凍結達到止水效果。在管棚及凍土帷幕的雙重保護之下，進行暗挖施工作業。

兩側及底部各布置2排凍結孔，梅花形布置，底部管棚凍結孔距離初支240mm，兩側凍

結孔距離初期支護外側700mm，底部凍結孔距離初期支護外側600mm。此外，2號出入口由于結構高度較大又存在較大的開挖仰角（23°），為保證分塊開挖區的穩定性，中間增加橫向和豎向1.5m厚凍結壁分隔墻，采用全斷面加固凍結以保證開挖掌子面的穩定性。加固后的地基具有良好的均勻性、穩定性和必要的強度。

2）對凍結壁采用有限元分析軟件ANSYS進行了有限元數值分析，求解凍結壁厚度發展情況、平均溫度。根據溫度場計算，設計積極凍結時間為45d；考慮維護結構散熱影響，設計底板、側墻有效凍結壁平均溫度-10℃，有效凍結壁厚度為2.5m；頂板有效凍結壁平均溫度-10℃，有效凍結壁厚度為1.0m（控制凍結）；中板、中墻有效凍結壁平均溫度-10℃，有效凍結壁厚度為1.5m。

3）凍土結構計算：凍結加固范圍內土層主要為＜2-2＞淤泥質粉細砂，根據以往工程經驗暫取-10℃凍土和-10℃管棚凍土強度指標：抗壓5.0MPa，抗折2.5MPa，抗剪2.0MPa。設計取-10℃凍土的彈性模量和泊松比分別取150MPa和0.25；設計取-10℃管棚凍土的彈性模量和泊松比分別取300MPa和0.25。設計底板、側墻有效凍結壁平均溫度-10℃，有效凍結壁厚度為2.5m；頂板有效凍結壁平均溫度-10℃，有效凍結壁厚度為1.0m；不考慮中板和中墻凍土作用。計算內容主要為在中間土體一次性全斷面開挖的情況下（相對實際開挖情況為最不利情況），周圍凍土結構是否可滿足強度和變形要求。

4）計算結論：一次性開挖全部凍土中間土體方式，開挖產生最大變形位于凍土底板中間位置，最大達66mm；計算在一次性開挖的情況下地面沉降達到22～29mm，開挖變形偏大。為減少地面沉降變形，開挖時需要采取措施以減小凍土變形確保工程施工安全，開挖方式應分區開挖，及時支護。

由于原計算未考慮分區開挖，中板凍土和中墻凍土的作用，且實際施工再次優化凍結孔設計布置方式，底部凍結壁厚度超過設計2.5m厚度，并采用臨時型鋼中隔壁措施，實際開挖變形控制在10mm內。

開挖期間沉降實際值與模擬值對比如圖1所示。

3.2 管棚施工工藝

凍結+管棚聯合施工，一方面凍土具有良好的水密性、均值性和復原性；另一方面，管棚剛度大、承載力高，在一定程度上減少了凍土工程量，提高了經濟效益。管棚的造孔施工是本工程的重大難點之一，主要體現在以下3個方面：

1）需穿越圍護樁障礙物。華林國際側存在φ1 000mm@1 100mm弧形圍護樁結構，管棚鉆進需穿過此結構并嵌入華林國際地下室結構墻15cm，以形成共同受力體系。

圖1 沉降實際值與模擬值對比

2）鉆孔偏斜控制難度較大。管棚位于雜填土層，穿越土層軟硬不均，鉆孔時易出現卡鉆、偏鉆，鉆孔精度不易控制。

3）易引起地表沉降。管棚孔設計端部位置距離地面僅1 007mm，尤其在穿越混凝土障礙物時，極易引起地層的擾動，造成地面沉降。

針對以上特點，本項目采用雙重套管工藝施工：安裝調試鉆機→φ200mm一次開孔安裝孔口管→φ168mm×8mm管棚套管跟管鉆進至圍護樁→φ146mm×10mm管棚套管跟管鉆進至對側地下室板墻并嵌入15cm→下放φ76mm×5mm凍結管→采用雙液漿充填環形間隙并滿焊管棚和凍結管間隙。

4 凍脹控制措施

1）管棚抗凍脹。管棚由車站側結構墻+地連墻、華林國際側維護樁以及華林國際結構墻體（嵌入15 cm）作為支撐，共同形成超靜定梁結構，能夠抵抗下部凍結帶來的凍脹影響。

2）土體改良。鉆孔施工期間地層注入水泥-水玻璃雙漿液，共計水泥100.6t，水玻璃20t，對土層性質進行了改變，抑制了水分遷移，在一定程度上起到減小土體凍脹的作用。

3）地面鋪設防水層。廣州雨水豐沛，在2號出入口正上方的華林國際商城前方步行道區域鋪設防水層，阻止雨水下滲到凍結區域，較少凍脹影響。

4）設置溫控區域。在開挖區域上部設置溫控區域，溫控區域是由在泄壓孔穿插設置12個加熱孔組成。一方面通過建立溫控區域控制凍土向外發展邊界，進而控制凍土體量，減小凍脹量；另一方面加熱孔可確保泄壓孔周邊土體不被凍結，保證泄壓孔有效性。當凍土帷幕上邊界的測點溫度達到0℃時，開啟加熱孔進行人工強制解凍。

5）物理泄壓。根據凍結設計要求，在頂部及開挖面布設泄壓孔22個。泄壓孔鉆孔工序同凍結孔，泄壓孔采用φ108mm×8m低碳無縫鋼管制作，加工成花管形式。考慮到實際過程中泄壓的困難和失效，選用φ110mm的螺旋鉆桿重新鉆孔疏通泄壓。

6）間歇性開停機凍結。在確保凍結效果達到設計要求的前提下，可以通過間歇性開停機凍結的方式來控制凍脹。2號出入口自2020年1月26日開始，采用開機24h停機24h的間歇凍結方案，地面及管線沉降得到了有效控制。

5 沉降監測

在2號出入口上方的φ300mm給水管上布設了沉降監測點GX9～GX11,監測頻率每天1次。監測數據如圖2所示。

從圖2中可以看出：積極凍結前期管線抬升較為明顯，最大值為+38mm，通過卸壓以及后期間歇性開停機等措施后管線抬升速度小，凍脹控制效果較為理想。

6 結語

圖2 管線沉降變化曲線

管棚法輔助凍結的復合加固是適用于淤泥地層、淺覆土及凍脹控制要求高的礦山法施工加固工法。本工程成功運用了該工法對淺埋地層進行加固，根據數值模擬結果采取臨時支護措施并調整開挖步序，可進一步優化底部凍結壁布孔且確保凍土底板位置變形可控。通過設置溫控區域、物理泄壓、間歇性開停機凍結等輔助措施，有效地控制了地面及凍結區域上方的管線凍脹抬升，對類似城市地下工程建設項目具有很好的參考作用。