城際鐵路工程中的盾構(gòu)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工工藝

摘要：本文以某城際項(xiàng)目中的土建工程為主要研究對(duì)象，詳細(xì)闡述了凍結(jié)法施工的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)及其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用效果。為深入了解凍結(jié)法施工對(duì)聯(lián)絡(luò)通道及周圍環(huán)境的影響，構(gòu)建了三維數(shù)值模型，通過模型假設(shè)與施工過程模擬，分析了凍結(jié)帷幕的形成過程、凍土的物理力學(xué)性質(zhì)變化以及開挖過程中隧道管片的受力狀態(tài)。此外，在施工過程中及完工后，進(jìn)行了地表沉降、墻頂變形及地下水位等多方面的監(jiān)測(cè)，以全面評(píng)估凍結(jié)法施工的效果。結(jié)果分析表明：采用凍結(jié)法施工的聯(lián)絡(luò)通道開挖對(duì)隧道管片的影響較小，凍結(jié)帷幕具有較高的強(qiáng)度和良好的穩(wěn)定性，能夠有效抵抗土壓力和水壓力，確保施工安全。

關(guān)鍵詞：城際鐵路；聯(lián)絡(luò)通道；數(shù)值模擬；凍結(jié)土施工工藝；應(yīng)力與變形

中圖分類號(hào)：U455.49" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" "文章編號(hào)：２０９６-2118（2024）04-0030-04

Freezing Construction Technology of Shield Contact Channel in Intercity Railway Project

ZHANG Yufeng

（China Railway 16th Bureau Group Beijing Metro Engineering Construction Co.，Ltd.，Beijing〓101100，China）

Abstract：This paper takes the civil engineering in an intercity project as the main research object，and expounds in detail the key technical links of the freezing method construction and its application effect in the engineering practice.In order to deeply understand the influence of freezing construction on the connecting passage and its surrounding environment，a three-dimensional numerical model is constructed，through the model hypothesis and construction process simulation，the forming process of frozen curtain，the change of physical and mechanical properties of frozen soil and the stress state of tunnel segment during excavation are analyzed.In addition， ground settlement，wall top deformation and groundwater level were monitored during and after construction to evaluate the effect of freezing method.The results show that the excavation of connecting passage by freezing method has little influence on tunnel segments，and the freezing curtain has high strength and good stability，and can effectively resist the earth pressure and water pressure，ensure construction safety.

Keywords：intercity railway；communication channel；numerical simulation；frozen soil construction technology；stress and deformation

0 引言

為保證城際鐵路在運(yùn)營(yíng)過程中的安全與穩(wěn)定，需要將相鄰的兩個(gè)隧道連接，該連接部位被稱為聯(lián)絡(luò)通道。聯(lián)絡(luò)通道，即城際鐵路建設(shè)過程中的一個(gè)重要組成部分，更是城市交通建設(shè)項(xiàng)目必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。聯(lián)絡(luò)通道主要負(fù)責(zé)城際鐵路之間的連接和交流，使其更好地服務(wù)于人們?nèi)粘５纳a(chǎn)與生活。城際鐵路聯(lián)絡(luò)通道實(shí)則是一條地下的通道，其目的是為城際鐵路能夠提供一個(gè)快速且方便的連接通道，有效縮短城市間的交通距離，進(jìn)而保證城際鐵路的安全運(yùn)行和順暢。近年來，隨著凍結(jié)法施工工藝技術(shù)的愈加成熟，其在城際鐵路工程中得到了廣泛的應(yīng)用。凍結(jié)法施工是一種借助物理技術(shù)連接隧道的方法，具有施工周期短、成本低、噪聲小及對(duì)周邊環(huán)境污染低等特點(diǎn)。因此，該施工工藝在城際鐵路中的應(yīng)用愈加廣泛，特別是在含水且松軟的地層中具有其他施工工藝不可替代的優(yōu)勢(shì)。

1 案例概況

本文以廣州東至花都天貴城際項(xiàng)目中的七工區(qū)土建工程為例，該工區(qū)包含一站一區(qū)間，具體為鳳凰南路站（含人防工程）、鳳凰南路站-馬鞍山公園站盾構(gòu)區(qū)間（含鳳馬區(qū)間盾構(gòu)井）土建工程。其中鳳凰南路站位于鳳凰南路與永利路交叉口，呈南北方向敷設(shè)，車站為明挖地下兩層單柱雙跨島式站臺(tái)車站，外包總長(zhǎng)約515 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度約23.7 m，車站中心里程處頂板覆土約3 m，基坑深20.3 m。總建筑面積30 117.32 m2（其中主體建筑面積25 130.49 m2，附屬建筑面積4 986.83 m2）。共設(shè)置5個(gè)出入口及3組風(fēng)亭。鳳凰南路站-馬鞍山公園站盾構(gòu)區(qū)間，左線長(zhǎng)4 111.446 m，右線長(zhǎng)4 109.786 m；隧道埋深12.0 m～29.3 m；區(qū)間正線設(shè)置9個(gè)聯(lián)絡(luò)通道，其中2#，7#聯(lián)絡(luò)通道兼做廢水泵房。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，需要于新街河北側(cè)、鳳凰南路東側(cè)設(shè)置一處盾構(gòu)井，外包總長(zhǎng)約60 m，標(biāo)準(zhǔn)段和端頭井的寬度分別為32.8 m，26.7 m，基坑深35.97 m。

為保證掌子面土體在開挖過程中的穩(wěn)定，需要在橫通道掌子面的位置設(shè)置6根規(guī)格相同的注漿小導(dǎo)管，可降低掌子面土體塌落的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于1#，2#和4#聯(lián)絡(luò)通道，地處軟弱底層，需凍結(jié)后再進(jìn)行暗挖施工；3#，5#和6#聯(lián)絡(luò)通道處于微風(fēng)化層石灰?guī)r地層，采取洞內(nèi)保留注漿加固措施，加固范圍為隧道周邊2 m；7#聯(lián)絡(luò)通道處于5C-1B粉質(zhì)粘土（巖土力學(xué)參數(shù)見表1）、微風(fēng)化石灰?guī)r，設(shè)計(jì)階段采取洞內(nèi)注漿加固措施，加固范圍為隧道周邊2 m；此聯(lián)絡(luò)通道開挖范圍上部約1 m為5C-1B殘積層粉質(zhì)粘土，注漿加固措施不足，開挖存在安全風(fēng)險(xiǎn)，需進(jìn)一步與設(shè)計(jì)部門溝通以確定其他措施；8#，9#聯(lián)絡(luò)通道處于強(qiáng)風(fēng)化層，采取洞內(nèi)注漿加固措施后，可進(jìn)行暗挖施工。

2 凍結(jié)法施工工藝

凍結(jié)法是城際鐵路盾構(gòu)聯(lián)絡(luò)通道中一種常見的施工工藝，該工藝首先通過凍結(jié)周圍土體，形成一個(gè)整體，然后使用相應(yīng)的工具進(jìn)行挖掘，在此過程中，凍結(jié)土層能夠有效支撐并為地下工程提供一個(gè)可靠保護(hù)。凍結(jié)法施工具有安全可靠、振動(dòng)小、噪聲小、開挖面積大及施工效率高等特點(diǎn)，主要步驟包括凍結(jié)器的安裝、凍結(jié)土溫度的控制及開挖過程中土體的處理[1]。

2.1 凍結(jié)器安裝

凍結(jié)器的安裝是城際鐵路工程中盾構(gòu)聯(lián)絡(luò)通道施工的第一步，用以實(shí)施凍結(jié)施工工藝。安裝方法有兩種：即直接安裝和間接安裝。其中，直接安裝是將凍結(jié)器直接安裝在地下，使其在地下土體中能夠產(chǎn)生足夠的低溫來凍結(jié)土體。間接安裝是先鋪設(shè)一種特殊的防水材料于地下土體中，并注入冷卻劑進(jìn)行人工制冷，從而凍結(jié)需要開挖的土體。

2.2 凍結(jié)土溫度控制

在應(yīng)用凍結(jié)法施工前，需要對(duì)挖掘的土體進(jìn)行冷凍，因此，凍結(jié)溫度的控制顯得尤為重要。通常情況下，需要凍結(jié)土體的溫度必須低于0 ℃，以確保土體完全凍結(jié)[2]。

2.3 開挖過程中土體處理

凍結(jié)施工的另一個(gè)重要的環(huán)節(jié)是對(duì)已經(jīng)凍結(jié)的土體進(jìn)行處理，在開挖過程中，需要同時(shí)對(duì)土體進(jìn)行移動(dòng)和挖掘，確保徹底清理。在移動(dòng)和挖掘土體的過程中，還需密切監(jiān)測(cè)其狀態(tài)，以確保質(zhì)量控制和人員安全。

3 聯(lián)絡(luò)通道數(shù)值模擬

3.1 模型構(gòu)建

聯(lián)絡(luò)通道數(shù)值模擬的模型構(gòu)建需要以原工程地質(zhì)地形條件資料為理論依據(jù)，將工程項(xiàng)目的CAD圖導(dǎo)入Rhino軟件中進(jìn)行建模。根據(jù)圣維南原理，只有所構(gòu)建的模型選取足夠大，才能保證邊界開挖時(shí)不受擾動(dòng)的影響。數(shù)值模型范圍：沿著隧道軸線方向83 m，高程65 m，垂直隧道軸線135 m，采用Kubrix共劃分124 061個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元格，包括23 061個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型坐標(biāo)原點(diǎn)位于（0，0，0）點(diǎn)，即沿隧道軸線方向X軸（水平軸）、Z軸（垂直隧道向上軸）、Y軸（垂直隧道軸線向內(nèi)垂直軸），構(gòu)建的模型表面為自由面，模型的前、后、左、右面設(shè)定為固定邊界，在模型的底面施加豎向法進(jìn)行約束。在聯(lián)絡(luò)通道開挖過程中，為了準(zhǔn)確測(cè)得周圍動(dòng)土帷幕的變形情況，需要在Z軸方向拱頂位置設(shè)置5個(gè)不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)來監(jiān)測(cè)拱頂?shù)某两岛吐∑穑⒃赬軸方向兩側(cè)也各設(shè)置5個(gè)不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)來監(jiān)測(cè)其周邊的收斂變形。因此，在模型的構(gòu)建時(shí)需要在以上相同的位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.2 模型假設(shè)

為了便于施工模擬和關(guān)鍵問題的發(fā)現(xiàn)，同時(shí)又不影響模擬結(jié)果，需要在模型中進(jìn)行以下假設(shè)。

①不考慮水泵房對(duì)聯(lián)絡(luò)通道和隧道的影響，在模擬過程中拓寬下部?jī)鼋Y(jié)壁的寬度；②在本項(xiàng)目中，由于凍土和未凍結(jié)的土均屬于彈塑性材料，且該彈塑性材料符合Mohr-Coulomb的破壞準(zhǔn)則，對(duì)于聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)需要加固的土體、鋼筋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)也均為彈塑性材料；③凍土和未凍結(jié)的土均為各向同性體，凍土帷幕預(yù)計(jì)厚度為2.5 m；④根據(jù)凍土試驗(yàn)結(jié)果：-10°的凍土帷幕的抗壓強(qiáng)度為5.0 MPa，抗拉強(qiáng)度為2.5 MPa，抗剪強(qiáng)度為2.1 MPa；⑤假定聯(lián)絡(luò)通道在開挖前的地層處于初始平衡的狀態(tài)下，即在隧道開挖完成后，需要將所有的位移和速度清零，最終得到的結(jié)果是隧道在開挖后凍土的受力和變形狀態(tài)。

3.3 施工過程模擬

1） 區(qū)間正線設(shè)置9個(gè)聯(lián)絡(luò)通道全部采用凍結(jié)法施工，施工過程中共需要3個(gè)循環(huán)，單個(gè)循環(huán)的進(jìn)尺為3 m。

2） 聯(lián)絡(luò)通道毛洞應(yīng)力釋放率為30%，初期支護(hù)后的應(yīng)力釋放率為70%。

3） 進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，單個(gè)循環(huán)的具體過程：上臺(tái)階開挖3 m，應(yīng)力釋放30%，初噴混凝土?xí)r一起安裝鋼拱架，應(yīng)力釋放率為70%；下臺(tái)階開挖3 m，應(yīng)力釋放率為30%，初噴混凝土?xí)r一起安裝鋼拱架，應(yīng)力釋放率為70%。

4 施工期間和竣工后的監(jiān)測(cè)工作

4.1 地表沉降監(jiān)測(cè)

1） 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在基坑周邊2 m～3 m范圍選擇具有代表性位置，設(shè)置與基坑邊線垂直的橫向監(jiān)測(cè)斷面，每側(cè)至少布設(shè)兩排，排距為3 m～8 m，第一排距基坑邊距不宜大于2 m，每排測(cè)點(diǎn)間距為10 m～20 m，車站周邊共布設(shè)117個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2） 作業(yè)過程中嚴(yán)格遵守規(guī)范。每次觀測(cè)由固定測(cè)量人員、固定儀器按相同的觀測(cè)路線進(jìn)行，觀測(cè)記錄精確至0.01 mm，計(jì)算結(jié)果均精確至0.01 mm。

4.2 墻頂監(jiān)測(cè)

1） 墻頂水平、豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)宜為共用點(diǎn)，采用Φ12 mm螺紋鋼，頂部安置專用棱鏡，螺紋鋼預(yù)埋在墻頂梁上或制作簡(jiǎn)易的觀測(cè)墩，以便于土釘墻散水。樁頂位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)如圖1所示。

2） 采用閉合水準(zhǔn)路線，將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)以支線形式納入其中施工監(jiān)測(cè)。沉降觀測(cè)的精度指標(biāo)：環(huán)線閉合差為±0.6 mm，每站高差中誤差為±0.3 mm，視線高≥0.3 m。每次觀測(cè)時(shí)，必須對(duì)三個(gè)工作基點(diǎn)測(cè)設(shè)一條閉合線路，以保證有必要的檢核條件，減少測(cè)量誤差的發(fā)生。其閉合差為±1.0 mm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)高差中誤差≤0.5 mm，視線高≥0.3 m。每次觀測(cè)時(shí)，必須按附合水準(zhǔn)路線至少聯(lián)測(cè)兩個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn)，以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4.3 地下水位觀測(cè)

1） 坑外地下水位觀測(cè)孔采用Φ50 mmPVC管材料，采用鉆孔法埋設(shè)。鉆機(jī)成孔至設(shè)計(jì)深度后清孔。一般深度在20 m左右。

2） 水位孔底部以上2 m處安放PVC透水管，在其外側(cè)用濾網(wǎng)包好（濾網(wǎng)段一般≥2 m）。然后逐節(jié)將水位管插入孔內(nèi)至設(shè)計(jì)深度。在透水管的深度范圍內(nèi)回填黃沙，保持良好的透水性，其他段采用回填土或泥球?qū)⒖障短顚?shí)。

5 結(jié)果分析

5.1 聯(lián)絡(luò)通道開挖對(duì)隧道管片帶來的影響

1） 在隧道聯(lián)絡(luò)通道施工過程中需要拆除區(qū)間內(nèi)的少部分管片，然而，拆除后管片容易導(dǎo)致盾構(gòu)變形，并最終對(duì)其產(chǎn)生嚴(yán)重影響。同時(shí)，聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)土體的開挖也必然會(huì)重新分布周圍應(yīng)力，從而對(duì)管片造成一定的影響。

2） 聯(lián)絡(luò)通道在開挖后，會(huì)造成少部分的管片處于受拉狀態(tài)，且這一受拉狀態(tài)主要集中在開口環(huán)的對(duì)側(cè)，剪應(yīng)力則集中在管片的兩側(cè)，最大正剪應(yīng)力集中在開口環(huán)的位置。

3） 聯(lián)絡(luò)通道的開挖對(duì)隧道內(nèi)管片的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致凍結(jié)土與管片接觸部位應(yīng)力集中，也是施工過程中最為薄弱的環(huán)節(jié)。因此，聯(lián)絡(luò)通道在開挖過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)開口位置管片的變形監(jiān)測(cè)，以及聯(lián)絡(luò)通道洞口處管片的加固，防止管片在開挖過程中造成的破壞。

5.2 凍結(jié)帷幕的強(qiáng)度與變形分析

1） 在凍結(jié)帷幕完全封閉的施工區(qū)域內(nèi)，為了監(jiān)測(cè)并控制因凍結(jié)過程及后續(xù)開挖作業(yè)可能產(chǎn)生的壓力變化，需要在預(yù)設(shè)的泄壓孔（或稱減壓孔）位置安裝一個(gè)壓力表。通過壓力表觀察凍結(jié)帷幕的變化情況，根據(jù)觀察情況，判斷凍結(jié)帷幕的形成和凍脹壓力。

2） 帷幕凍結(jié)過程中，根據(jù)壓力表上的數(shù)據(jù)判斷凍結(jié)帷幕是否達(dá)到設(shè)計(jì)的厚度，檢查其與隧道的膠結(jié)情況，如果凍結(jié)帷幕與隧道完全連接在一起后，即可進(jìn)入維護(hù)凍結(jié)階段，凍結(jié)期間的溫度應(yīng)嚴(yán)格控制在-25 ℃～-28 ℃，凍結(jié)時(shí)間應(yīng)根據(jù)帷幕的實(shí)際情況進(jìn)行確定。

3） 仔細(xì)分析測(cè)溫孔和測(cè)壓孔內(nèi)的數(shù)據(jù)，判斷帷幕是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的厚度，并經(jīng)過探孔確認(rèn)后方可進(jìn)一步開挖。

4） 考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，采用凍結(jié)法施工工藝可滿足工程項(xiàng)目的實(shí)際需求。

6 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工在工程中的應(yīng)用

基于上述數(shù)值模擬和施工現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，根據(jù)凍結(jié)帷幕的應(yīng)力分布狀態(tài)、變形情況及聯(lián)絡(luò)通道在開挖過程中對(duì)管片造成的影響，凍結(jié)施工工藝在本工程項(xiàng)目中的應(yīng)用需要注意以下問題。

本工程項(xiàng)目采用凍結(jié)法施工工藝，由于聯(lián)絡(luò)通道的周邊已經(jīng)凍結(jié)，凍結(jié)管道需要從聯(lián)絡(luò)通道的一側(cè)沿著中間位置打設(shè)，可準(zhǔn)確了解數(shù)值模擬中凍結(jié)管道的布置情況，凍結(jié)管道布設(shè)完畢后，需及時(shí)布置測(cè)溫孔和測(cè)壓孔，以消除管片的應(yīng)力情況。隧道內(nèi)的管片在拆除前，需要在隧道內(nèi)取適當(dāng)?shù)耐馏w進(jìn)行物理學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，以確定隧道土體的強(qiáng)度，如果土體的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度的80%，方可拆除管片。待所有的管片拆除后，對(duì)隧道的洞門使用雙排小導(dǎo)管進(jìn)行加固，然后，沿著隧道的走向進(jìn)行探孔，探孔的深度為2 m即可，探孔過程中根據(jù)小導(dǎo)管的出水情況，判斷隧道洞口加固效果，如果加固效果良好且不出現(xiàn)異常情況方可繼續(xù)加固。在此過程中，由于隧道的右線需要挖掘，因此在管片拆除和聯(lián)絡(luò)通道施工完成后，對(duì)隧道左線的管片進(jìn)行拆除。之前需確定拆除范圍，并準(zhǔn)備拆除時(shí)需要的工具和材料。在進(jìn)行拆除時(shí)，應(yīng)先將上部的管片全部拆除，待此步驟完成后，方可進(jìn)行開口施工[3]。

7 結(jié)語

綜上所述，本文通過對(duì)城際鐵路工程中盾構(gòu)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工工藝的深入探討，系統(tǒng)地闡述了該工藝的基本原理、施工流程、關(guān)鍵技術(shù)措施及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果。凍結(jié)法作為一種高效、可靠的地層加固技術(shù)，在軟土地區(qū)及地下水豐富的地下工程中展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。在盾構(gòu)聯(lián)絡(luò)通道施工中，凍結(jié)法通過向地層中輸送低溫冷媒，形成連續(xù)的凍土帷幕，有效切斷了地下水對(duì)開挖面的影響，顯著提高了土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，為后續(xù)的開挖作業(yè)提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]胡俊杰，胡敏清，田中勝，等.軟土條件下聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2022（12）：165-167.

[2]趙恩旺.冷凍法聯(lián)絡(luò)通道施工風(fēng)險(xiǎn)因素探究[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2020（6）：154-155.

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編輯：劉 巖