地鐵聯絡通道凍土帷幕薄弱部位及其成因分析*

董新平 井景鳳 王余飛 張毅豪

(1.鄭州大學水利與土木學院， 450001， 鄭州； 2.洛陽市軌道交通集團有限責任公司， 471009， 洛陽∥第一作者， 副教授)

AGF(人工地層凍結)法為地鐵聯絡通道的主要施工方法之一，盡管其工藝已較為成熟，但因凍結失敗導致工程事故的案例仍并不少見[1]。如：2003年上海軌道交通4號線聯絡通道的涌水事故，2005年高雄捷運橘線聯絡通道泵站的流砂事故，均導致已建盾構隧道垮塌；2014年北京某聯絡通道1月15日開始凍結，3月12日凍結壁仍不交圈[2]。上述事故均與凍土帷幕的局部缺陷有關。

任何凍土帷幕局部缺陷的發生均不是偶然的，通常是多種因素綜合作用的結果。對其進行多方位、多角度綜合研究是事故防治的有效手段。文獻[3-9]從管片散熱、地下水、地層、冷排管形式、凍結管位置誤差等方面研究了凍土帷幕缺陷產生的原因。凍結管布置形式對凍土帷幕溫度場有重要影響[3]，凍結管布置有雙排水平布置、雙排放射布置、單排放射布置、雙排+單排放射布置等形式。國內采用最多的是凍結管傾斜放射布置形式，且拱部和底部為雙排管，邊墻為單排管，實際凍結管開孔位置需避開管片接頭，這使得凍結管間距在縱向和橫向上呈現變化趨勢。本文重點對凍結管布置形式影響進行研究，并從凍土帷幕溫度場整體性狀層面探究凍結失敗的可能原因。

1 工程概況

某城市地鐵1號線在DK21+972.000處設1座聯絡通道兼廢水泵房，隧道埋深為15.3 m，所處地層為②92卵石、③93卵石層。其中，卵石地層中漂石占20%～40%，最大粒徑為400 mm，滲透系數為80～120 m/d。卵石層為強透水層，且和附近河流有水力聯系，水量豐富。

該聯絡通道采用礦山法+ AGF法施工。冷凍站布置在盾構隧道右線(南側)，凍結管布置剖面如圖1所示。其中，凍結孔69個(φ89 mm)，長2.5～11.1 m；測溫孔8個(淺孔φ32 mm，深孔φ89 mm)，長2.0～6.0 m。

2 計算模型及參數選取

2.1 計算模型和邊界條件

考慮對稱性，以左線盾構隧道中心線和聯絡通道中心線交叉點作為原點，沿左線盾構隧道走向(z軸負向)建立分析模型(見圖2)。

左、右線盾構隧道管片外徑為3.1 m，內徑為2.75 m，管片厚0.35 m。聯絡通道中心位置處左、右線盾構隧道的中心線距離為15.0 m。聯絡通道開挖寬度為3.8 m，凍結壁設計厚度為1.9 m。

自盾構隧道與聯絡通道交界中心，沿著左、右線盾構隧道z軸負向2.85 m范圍內，在盾構隧道管片表面敷設保溫層。該位置按絕熱面處理，其余位置盾構隧道管片設為對流邊界。

2.2 參數選取

根據盾構區間的地質勘察報告，主要計算參數見表1。

表1 不同溫度下卵石地層的熱力學參數

3 凍土帷幕縱向分布特征及薄弱部位

3.1 凍土帷幕性狀定量分析

為對凍土帷幕整體性狀進行定量評價，本文采用以下方法：

1) 將凍結壁發展演變過程按照關鍵特征溫度細化分為4個階段：I階段——第I凍結區(即-1～-10 ℃帶狀凍結區域)形成，III階段——第II凍結區(即-10～-20 ℃帶狀凍結區域)形成，IV階段——第III凍結區(即<-20 ℃過度凍結區域)形成。第II凍結區(凍結壁)的形成及其厚度的發展過程是AGF施工的關鍵控制指標。

2) 對凍結帷幕特征等溫線(如-1 ℃ 、-10 ℃、-20 ℃)的坐標進行計算。根據聯絡通道開挖輪廓線、凍土帷幕外輪廓線坐標，計算得到凍結壁位置及其厚度，并對其進行后續比較和性狀評價。

3.2 拱部凍土帷幕

第45天時z=0剖面處模型的溫度場分布如圖3所示。圖3中，根據坐標信息繪制了凍結壁外輪廓線(線1、線4)和聯絡通道開挖輪廓線(線2、線3)。

由圖3可見，凍結壁的溫度在縱向上不均勻，左線盾構隧道側(北側)主要位于第II凍結區，右線盾構隧道側(南側)主要位于第I凍結區。

凍結壁的溫度在縱向上不均衡導致拱部凍結壁厚度在縱向上發生變化。以第45天為例，計算第II凍結區坐標，沿隧道縱向分布如圖4所示。

由圖4可見，拱部凍結壁從北側向南側厚度不均衡，距離左線隧道外側1～3 m位置的凍結壁厚度最大，達2.2 m左右；在右線隧道開挖處，凍結壁厚度最小，約1.7 m。

由于拱頂凍結管以6°～10°上挑，使得南側凍結管與開挖邊界距離較近，故開挖邊界溫度較低；而在靠近北側區域，由于凍結管與凍結邊界較近，則凍結邊界溫度較低。

3.3 泵站區域凍土帷幕

z=0剖面處泵站下部區域凍結管編號、凍結壁外輪廓線及節點編號，如圖5所示。

凍結管M4、N4的凍結壁交圈控制節點310的溫度變化如圖6所示。由圖6可見，節點281和282的凍結歷程基本一致；節點310第I階段的開始時間為第10天，比鄰近節點281晚3 d，該節點需18 d左右才能進入第I凍結階段。

凍結管M4和N4的閉合處(見圖5)是整個泵站區域的薄弱位置，該位置凍結壁的形成最晚。

4 凍土帷幕橫向分布特征及薄弱部位

以x=7.5 m剖面為例，對聯絡通道邊墻進行凍結分析。凍結壁演變如圖7所示。

凍土帷幕隨時間演變具有以下特點：

1) 聯絡通道拱部和底部采用雙凍結管設計，凍結壁厚度較厚，而邊墻是單層凍結管設計，凍結壁厚度相對較薄。

2) 第18天時，可完成聯絡通道中部區域第I階段凍結壁交圈，其順序依次為：底板M凍結管→側墻D凍結管→底板與側墻連接區域→拱部區域→拱部與側墻連接區域(A6與D1、A12與D2)。拱部與邊墻連接區域的凍結壁交圈時間最長，最容易成為涌水點。

第45天時，剖面x=5.0 m、x=7.5 m、x=12.0 m凍結線與聯絡通道開挖輪廓線坐標對比，如圖8所示。

由圖8可見，3個剖面的第I凍結鋒線(0 ℃凍結線)均可以滿足1.9 m凍結壁厚度的設計要求，但第II凍結鋒線則局部不滿足該要求：拱頂、底板的第II凍結鋒線(-10 ℃凍結線)處有效凍結壁厚度為1.19～2.18 m，而側墻處凍結壁厚度為1.04～1.38 m。凍結壁厚度的薄弱截面位于側墻，其中左線x=5 m處的凍結壁厚度最薄(y=-0.45 m)，即聯絡通道北側邊墻部位冷凍管D5、D6和D7、D8之間區域(凍結管間距相對較大)是凍土帷幕的薄弱位置。

5 結語

1) 凍土帷幕整體性狀定量評價方法可以準確揭示出任意時刻凍結壁、特征等溫線等與聯絡通道開挖輪廓線和設計凍土帷幕之間的空間相對關系，便于實時監測凍土帷幕在縱向和橫向的整體性狀特征。

2) 聯絡通道凍結管單側開孔和放射狀布置形式，使得凍土帷幕整體性狀在局部區域的凍結壁厚度和平均溫度上存在薄弱點，增加了AGF法施工的控制難度。

3) 輔助凍結側凍結壁厚度大于其設計值，平均溫度較低；而主凍結側凍結壁厚度小于其設計值，平均溫度較高。主凍結側的拱頂位置是凍結壁的薄弱點。

4) 聯絡通道泵站下部區域凍結管相交部位是凍結薄弱位置，該區域凍結壁形成最晚，第II凍結壁厚度最薄。

5) 聯絡通道拱部與邊墻的角部連接區域凍結壁交圈時間最長，輔助凍結側邊墻部位凍結管間距較大區域的凍結壁厚度最薄，為凍土帷幕薄弱部位。

6)采用AGF法施工時，尤其在強透水性地層、附近有水源等高風險條件下，測溫孔位置和長度的設計應覆蓋薄弱點，施工中應對薄弱點進行重點監控。