地鐵隧道聯(lián)絡通道凍結(jié)施工引起地表變形實測分析

陶東軍 桂 林 李建望

(1.蘇州市軌道交通集團有限公司，215004，蘇州；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢∥第一作者，高級工程師)

0 引言

城市地下管道及各種線網(wǎng)交互密集，城市周邊建(構)筑物環(huán)境復雜，地鐵隧道、聯(lián)絡通道施工引發(fā)的地層土體變形，必然會影響地下管道及周邊建(構)筑物的安全，故在地鐵聯(lián)絡通道的施工過程中須嚴格控制土層的變形。針對當前面臨的工程問題，文獻[1-2]基于現(xiàn)場實測、文獻[3-4]采用數(shù)值模擬等手段開展了研究。文獻[5]在哈爾濱某地鐵聯(lián)絡通道凍結(jié)法施工過程中對土體溫度進行研究，總結(jié)了土體溫度場的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在鹽水凍結(jié)的初期，土體溫度下降的較快，當溫度降到零度左右時，會出現(xiàn)一個平臺期，溫度降至零度以下后，土體的降溫速率明顯變慢。文獻[6]通過現(xiàn)場試驗，得到了含水量豐富的粉質(zhì)黏土地層聯(lián)絡通道凍結(jié)法施工過程中，溫度場及地表位移場的變形規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：土體凍結(jié)期間，各測溫孔溫度變化趨勢基本相同，但凍結(jié)壁遠離凍結(jié)管方向的凍結(jié)速率約是趨向凍結(jié)管方向速率的1.35倍；開挖期間，距離開挖面較遠的測溫孔溫度比距離開挖面較近的測溫孔溫度下降的快；同時，將凍結(jié)施工期間的地表豎向位移分為5個階段，分別是小幅隆起、凍脹加快、凍融起伏、地表下沉和融沉注漿5個階段；開挖期間最大凍脹量、最大沉降量曲線分別呈倒V型和W型。文獻[7]基于南昌地鐵1號線聯(lián)絡通道凍結(jié)法施工現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，運用數(shù)值模擬軟件ABAQUS模擬了凍結(jié)溫度、凍脹位移及管片應力。數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)基本一致，表明其所建模型合理。在此基礎上，還模擬了冷凍液溫度在-25 ℃、-30 ℃和-35 ℃時形成的不同凍結(jié)壁厚度所需時間。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，凍結(jié)壁厚度受冷凍液溫度影響，冷凍液溫度越低，形成凍結(jié)壁厚度所需時間越小。文獻[8]基于南京地鐵2號線聯(lián)絡通道水平凍結(jié)法施工，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬聯(lián)絡通道施工時的溫度場變化，以及凍脹、融沉引起的地表位移及管片應力，得到了許多有價值的結(jié)論，以期為后續(xù)聯(lián)絡通道凍結(jié)法施工提供參考。

本文以蘇州軌道交通5號線長江路站—塔園路站區(qū)間2#聯(lián)絡通道兼泵房為例進行分析。該區(qū)間土層特性相差較大，上、下土層強度差異可能會引起工作面不穩(wěn)定等問題。隧道底部縱向土層性質(zhì)分布不同，也極有可能會導致隧道縱向及聯(lián)絡通道橫向不均勻沉降。此外，土層含水量較豐富，且④2粉土夾粉砂層和⑤2粉土層為微承壓含水層，具有微承壓性，施工時地表沉降控制難度較大。本文通過對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行分析，以期能夠得到蘇州地區(qū)地鐵聯(lián)絡通道凍結(jié)法施工的變形規(guī)律，為類似工程的施工提供參考。

1 工程簡介及場地地質(zhì)條件

1.1 工程簡介

蘇州軌道交通5號線V-TS-04標包含兩站兩區(qū)間，兩站即長江路站、塔園路站，兩區(qū)間即楓瑞路站—長江路站區(qū)間、長江路站—塔園路站區(qū)間。區(qū)間采用盾構法掘進施工，工程總體走向如圖1所示。

圖1 蘇州軌道交通5號線V-TS-04標工程示意圖Fig.1 Diagram of Suzhou Rail Transit Line 5 V-TS-04 project

長江路站—塔園路站區(qū)間右線隧道全長1 378.529 m；左線隧道全長1 405.704 m，長鏈26.511 m，區(qū)間左、右線總長2 784.233 m。本區(qū)間線路自長江路站出站后向北方向穿行，右線設置兩段半徑分別為400 m和350 m的平面曲線，左線設置兩段半徑分別為400 m和360 m的平面曲線，到達竹園路后沿竹園路到達塔園路站，線間距為13～16 m。左、右線均采用盾構法施工，區(qū)間在里程右DK 13+710.000處設一處聯(lián)絡通道、在右DK 14+121.000處設置一處聯(lián)絡通道兼泵房。由于該區(qū)間地層土質(zhì)特性相差較大且土層含水量較豐富，故聯(lián)絡通道施工中易出現(xiàn)土體加固失效、隧道塌方及結(jié)構受損、地面沉降較大和開挖面涌水等問題，嚴重危及工程安全。

1.2 場地工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)資料，長江路站—塔園路站區(qū)間地層層序自上而下依次為：①1雜填土層、①3素填土層、③1黏土、③2粉質(zhì)黏土、③3粉土、④2粉砂夾粉土、⑤1粉質(zhì)黏土、⑤1a粉土夾粉質(zhì)黏土、⑦1粉質(zhì)黏土、⑦3粉質(zhì)黏土夾粉土。各土層的主要物理力學指標如表1所示。

表1 長江路站—塔園路站區(qū)間土層主要物理力學指標Tab.1 Main physical and mechanical indicators of soil layers of Changjiang Road Station—Tayuan Road Station interval

本場區(qū)地下水分為孔隙潛水、微承壓水、承壓水三類。其中孔隙潛水水位埋深1.2～2.0 m，高程1.72～2.04 m；微承壓水賦存于第一隔水層下的粉(砂)土層中，埋深5～6 m，厚度5～7 m，賦水性中等。據(jù)區(qū)域資料，蘇州市歷年最高微承壓水頭標高為1.74 m，近3～5年的最高微承壓水水位為1.60 m左右，年變幅為1 m左右；承壓水主要賦存于深部的粉(砂)土層中，埋深約35 m，賦水性中等。根據(jù)《蘇州市水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)綜合勘察報告》(江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，1987年7月)等區(qū)域資料，承壓水頭埋深3～5 m，年變幅為1 m左右。

2 施工監(jiān)測方案

為確保盾構區(qū)間聯(lián)絡通道施工安全，依據(jù)《蘇州市軌道交通工程安全質(zhì)量標準化系列手冊(上冊 管理類)》有關規(guī)定，對聯(lián)絡通道施工的影響區(qū)進行沉降變形監(jiān)測。施工時，聯(lián)絡通道上方地表點橫斷面間距為5 m，共布設5個斷面，每個斷面布置11個監(jiān)測點，布置范圍為聯(lián)絡通道底板埋深2倍范圍內(nèi)。地表沉降監(jiān)測點布設如圖2所示。

圖2 2#聯(lián)絡通道地表沉降監(jiān)測點布置圖

聯(lián)絡通道凍結(jié)法施工時監(jiān)測頻率為：鉆孔期，1次/d；凍結(jié)加固期，1次/3 d；融沉控制期，1次/d；施工結(jié)束，1次/5d。聯(lián)絡通道施工時的監(jiān)測頻率不應少于1次/d，監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定后，監(jiān)測頻率為每15～30 d監(jiān)測1次。聯(lián)絡通道沉降監(jiān)測控制標準如表2所示。

表2 聯(lián)絡通道沉降監(jiān)測控制標準

3 聯(lián)絡通道凍結(jié)法施工引起地表位移分析

3.1 與聯(lián)絡通道中軸線垂直斷面地表點豎向位移分析

2#聯(lián)絡通道DB3-3—DB3-9監(jiān)測點地表豎向位移如圖3所示。由圖3可知，聯(lián)絡通道中軸線斷面地表豎向位移變化可大致分為以下5個階段：

圖3 2#聯(lián)絡通道DB3-3—DB3-9監(jiān)測點地表豎向位移

1) 鉆孔微變階段(階段1)：此階段地表基本穩(wěn)定，整體呈現(xiàn)微幅的下沉趨勢。其中在鉆孔施工第13天時地表出現(xiàn)較大位移，沉降最大的是DB3-3監(jiān)測點，為1.07 mm。主要原因為，鉆孔施工時，土體發(fā)生水土流失，進而導致地表呈下沉趨勢。

2) 冷凍隆起(凍脹)階段(階段2)：此階段地表逐漸隆起，隆起最大值可達6.76 mm。該階段土體溫度降到0 ℃以下，各凍結(jié)孔交圈、凍結(jié)帷幕迅速擴展。由于原位凍脹(水凍結(jié)成冰后體積膨脹)以及分凝凍脹(水分遷移)，故而引起地表隆起。

3) 開挖起伏階段(階段3)：此階段隆起最大值達7.58 mm，最小值為0.63 mm。該階段聯(lián)絡通道開始施工，導致土層應力得到迅速釋放，各監(jiān)測點的豎向位移變化較大。由于此時凍結(jié)仍在進行，凍結(jié)帷幕繼續(xù)向外擴展，凍結(jié)膨脹引起的地表隆起與聯(lián)絡通道土體開挖卸荷引起的地表沉降相互疊加，導致地表豎向位移起伏震蕩。隨著聯(lián)絡通道開始砌筑，地表豎向位移又開始上升。

4) 解凍下沉(融沉)階段(階段4)：隨著聯(lián)絡通道施工完成，冷凍孔開始封孔并停止冷凍，聯(lián)絡通道周圈開始回溫，土體發(fā)生熱融沉降和固結(jié)沉降，從而導致地表快速下降，最大沉降點為DB3-7，沉降值為11.85 mm。

5) 注漿趨穩(wěn)階段(階段5)：此階段地表沉降又出現(xiàn)起伏現(xiàn)象，但總體呈下降趨勢。這是因為凍結(jié)停止后，熱融沉降一段時間后也接著停止。然而，土的固結(jié)沉降不會隨之停止，而是繼續(xù)隨時間產(chǎn)生累積。此時又進行注漿加固，故在第290天左右各點均出現(xiàn)回升，隨著注漿在不斷地進行，地表沉降出現(xiàn)起伏現(xiàn)象。

3.2 各垂直斷面的地表最大豎向位移分析

在聯(lián)絡通道施工過程中，導致地表沉降的原因有很多。圖4～5反映了垂直于聯(lián)絡通道中軸線5個斷面地表豎向位移在聯(lián)絡通道施工過程中的最大凍脹量和最大融沉量的變化趨勢。

圖4 2#聯(lián)絡通道凍結(jié)施工期間最大凍脹分布

由圖4可知，最大凍脹量變化趨勢大致呈凸起的半橢圓型。最大凍脹量是DB3-4監(jiān)測點，凍脹量為7.58 mm。凍脹量較大的監(jiān)測點大致位于聯(lián)絡通道及凍結(jié)壁上方的地表。這是因為聯(lián)絡通道上方及左右兩側(cè)有凍結(jié)管布置，且凍結(jié)時土體應力不易釋放，進而導致中間位置出現(xiàn)相對明顯的凍脹抬升。隨著距離聯(lián)絡通道中軸線水平距離越遠，最大凍脹量逐漸變小。

由圖5可知，最大融沉量變化趨勢大致呈V型。最大融沉量是DB2-8監(jiān)測點，融沉量為18.64 mm。最大融沉量較小的監(jiān)測點大致位于遠離聯(lián)絡通道的地表。這是由于聯(lián)絡通道上方及左右兩側(cè)有凍結(jié)管布置，形成的凍結(jié)壁融化后土體隨之沉降。隨著距離聯(lián)絡通道中軸線水平方向距離越遠，最大融沉量也相對減小。

圖5 2#聯(lián)絡通道凍結(jié)施工后的最大融沉分布

綜合上述分析可知，聯(lián)絡通道凍結(jié)法施工期間，在垂直聯(lián)絡通道中軸線水平方向距離約25 m的范圍內(nèi)，土體受凍結(jié)法施工影響較大，超出這個范圍，土體所受的影響較小。

3.3 聯(lián)絡通道中軸線斷面地表點豎向位移分析

2#聯(lián)絡通道DB1-6—DB5-6監(jiān)測點地表豎向位移如圖6所示。由圖6可知，聯(lián)絡通道中軸線斷面地表豎向位移變化同樣可大致分為鉆孔微變、冷凍隆起(凍脹)、開挖起伏、解凍下沉(融沉)和注漿趨穩(wěn)階段5個階段。其中：在鉆孔微變階段，由于鉆孔施工時存在施工工序先后，故同一斷面各點變化趨勢略有不同，最大沉降點是DB5-6測點，沉降量為0.67 mm；在冷凍隆起(凍脹)和開挖起伏階段，各測點變化趨勢基本一致；在解凍下沉(融沉)和注漿趨穩(wěn)階段，冷凍孔開始封孔并停止冷凍，土體進行熱融沉降和固結(jié)沉降，此時又進行注漿加固，故地表位移表現(xiàn)出起伏現(xiàn)象并最終趨于平穩(wěn)。

圖6 2#聯(lián)絡通道DB1-6—DB5-6監(jiān)測點地表豎向位移

3.4 中軸線斷面地表點最大豎向位移分析

2#聯(lián)絡通道施工過程中的最大凍脹量和最大融沉量分布如圖7～8所示。

圖7 2#聯(lián)絡通道施工期間最大凍脹分布

圖8 2#聯(lián)絡通道凍結(jié)施工后的最大融沉分布

由圖7～8可見， 2#聯(lián)絡通道施工期間中軸線斷面地表最大凍脹量為4～7 mm范圍，最大融沉量為7～15 mm范圍。這表明，在聯(lián)絡通道凍結(jié)法施工過程中，融沉量要顯著大于凍脹量，需要引起高度重視。此外，聯(lián)絡通道中軸線的沉降線在理論上應該呈“對稱”分布，但實際上圖中呈現(xiàn)出了左線至右線(DB5-6—DB1-6)漸變的沉降趨勢。分析其原因是，在該區(qū)間聯(lián)絡通道施工期間，右線上方的市政道路仍保持通車狀態(tài)，這限制了凍脹期間的地表抬升，同時也加劇了凍融期間的地表沉降。

4 結(jié)語

1) 凍結(jié)法施工期間，聯(lián)絡通道中軸線斷面地表豎向位移變化可大致分為鉆孔微變、冷凍隆起(凍脹)、開挖起伏、解凍下沉(融沉)和注漿趨穩(wěn)階段5個階段。其中，鉆孔造成的水土流失對地表土體豎向位移影響不大。

2) 土體溫度降到0 ℃以下后，各凍結(jié)孔交圈形成凍結(jié)帷幕，地表迅速隆起。隨著聯(lián)絡通道開始施工，土層應力得到迅速釋放。凍結(jié)膨脹引起的地表隆起與聯(lián)絡通道土體開挖卸荷引起的地表沉降相互疊加，使得地表豎向位移起伏震蕩。

3) 凍結(jié)法施工期間，垂直于聯(lián)絡通道中軸線方向的各斷面地表監(jiān)測點最大凍脹量變化趨勢大致呈凸起的半橢圓型，最大融沉量變化趨勢大致呈V型。

4) 在垂直聯(lián)絡通道中軸線水平方向距離約25 m的范圍內(nèi)，土體受凍結(jié)法施工影響較大，超出這個范圍，土體所受的影響較小，故在此范圍內(nèi)的地下管線等設施需注意采取相應的保護措施，尤其是穿越聯(lián)絡通道左右及上方土體的設施。