南京地鐵聯絡通道凍結法施工措施分析

摘要： 對南京地鐵一期工程TA4 標聯絡通道凍結法施工的成功經驗進行了總結。指出地鐵聯絡通道凍結法施工中，必須采取必要的施工技術措施，才能保證施工安全、順利的進行。本工程的成功經驗可供其他工程參考。關鍵詞：地鐵；聯絡通道；凍結法
1 前言
南京地鐵一期工程(南北線)南起小行北至邁皋橋，全長21.7 km ，其中地下部分長14.5 km 。工程于2000 年底開工，計劃2003 年底完成車站、區間隧道的土建工程部分。
南京地鐵TA4 標盾構法區間隧道，北起釣魚臺工作井北側，南至三山街車站南端頭井，由左線(下行線)和右線(上行線)隧道組成。隧道外徑6.2 m， 內徑5.5 m，每塊管片寬為1.2 m， 厚為350 mm。聯絡通道位于兩站區間隧道中間，隧道中心埋深13.13 m， 聯絡通道及泵站采取合并建造模式， 它既保證上、下行隧道間的聯絡作用和必要時乘客安全疏散的功能，又起到地鐵運營中兩車站之間的集、排水作用。工程結構由兩個與隧道相交的喇叭口、通道以及集水井等組成。地鐵聯絡通道一般位于區間隧道的中間，通常與集、排水泵站連在一起，共同起著兩隧道連結、集排水和防火等作用。聯絡通道土體開挖前，必須對其周圍土體進行加固，土體加固的方法常用的有深層攪拌法和凍結法。目前凍結法在國內地鐵建設中得到了廣泛應用[1-3] ，積累了一定的成功經驗。南京地鐵一期工程TA4 標中，聯絡通道施工成功引用了凍結施工，并取得了圓滿成功。本文對施工中的技術措施進行了總結、分析研究，希望能對以后的聯絡通道土體凍結法施工提供借鑒和指導。
2 工程地質狀況
工程地質資料如表1 所示，另外地下水標高為地下1～2 m ，水位較高。

表1 土層物理參數

3 凍結設計
從表1 看出，土層平均滲透系數小，透水性差，是凍結施工較為有利的土層。經研究采用隧道內鉆孔凍結加固，礦山法暗挖構筑”的施工方案，即：在隧道內利用水平孔和部分傾斜孔凍結加固地層，使聯絡通道以及集水井外圍土體凍結，形成強度高，封閉性好的凍土帷幕。采用礦山法， 進行聯絡通道及泵站的開挖構筑施工。地層凍結和開挖構筑施工均在區間隧道內進行，其主要施工順序為：施工準備? 聯絡通道連通地面的垂直水管施工? 凍結孔鉆孔施工(同時安裝凍結制冷系統) ? 安裝凍結鹽水系統和檢測系統? 積極凍結? 探孔試挖? 拆鋼管片? 聯絡通道掘進與臨時支護? 聯絡通道永久支護? 泵站開挖與臨時支護? 泵站永久支護? 必要時進行土層注漿充填。根據凍結帷幕設計及聯絡通道的結構，凍結孔的傾角采用上仰、近水平、下俯三種角度布置，開孔間距為0.7 m，凍結孔數58 個。凍結孔的布置見圖1 所示。

圖1 凍結孔布置(括號內數字為孔深，單位mm 及傾角(o)
4 凍結參數的選擇
選用YSLGF300? 型螺桿壓縮機組一臺套，設計工況制冷量為87 500 kcal/h ，電機功率110 kW 。地層凍結供冷工藝參數和指標為：積極凍結鹽水溫度為-28 ℃～-30 ℃；凍結孔單孔流量不小于4 m3/h； 凍結系統輔助設備：(1) 鹽水循環泵選用IS125-100～200 型2 臺，流量200 m3/h，電機功率45 kW ，其中一臺備用。(2) 冷卻水循環選用IS125-100～200 C 型2 臺，流量120 m3/h，電機功率30 kW ，其中一臺備用。冷卻塔選用NBL-100 型一臺，補充新鮮水15 m3/h。
5 施工技術措施
5.1 凍結前的施工措施
凍結孔鉆進工程中會引起周圍地表的沉降，為了控制沉降對周圍環境的影響，在聯絡通道地表進行了布點監測，監測結果如圖2 所示(選取最大變形點)。2002 年11 月10 日開鉆，21 日結束。從圖2 中看出，開鉆過程中由于土體的開挖以及鉆孔數量的增多，地表的沉降逐漸增大，到11 月21 日即鉆孔結束時最大沉降為4 mm，24 日最大沉降達5 mm， 并且一直保持到開始凍結前，11 月29 日開始凍結，地表點開始表現為隆起，并隨著凍土效果逐漸增大，從12 月30 日到2003 年1 月20 日隆起量在15 mm 處達到平穩，說明凍土發展良好，并且在這一段時間內凍土柱已經交圈，因此，實際土體開挖時間定在了2003 年1 月8 日。由于其它原因，凍土溫度進一步降低，凍土圈有所擴大，地表從1 月21 日開始隆起增加到2 月1 日達到19 mm ，一直保持到主體結構完工。

圖2 1#測點地表變形與時間的變化關系
5.2 凍結過程中的施工措施
5.2.1 隧道內支撐
凍結過程中隧道受凍土力的作用，會發生隧道橫向斷面變形，從而影響隧道的橢圓度。為了減少這一變形，因此在凍結前，隧道內安裝預應力隧道支架，即在上下行線隧道的聯絡通道洞口兩側安裝兩榀預應力鋼支架(如圖3 所示)，每榀支有8 個支點，均勻地支撐在隧道管片上，施工中可根據觀測到的隧道變形情況，調整各個支點的預應力大小，控制隧道變形。

圖3 預應力鋼支架
5.2.2 布置測溫孔
為了掌握凍土帷幕的形成過程、形成狀況，以及判斷凍土柱是否交圈、凍土墻厚度及其溫度是否達到設計要求等等，在上、下行線隧道聯絡通道洞口兩側共布置10 個測溫孔，其中在下行隧道中布置了4 個，上行隧道中布置了6 個(開挖是從下行隧道開始的)。每個測溫孔內設3 個測點，每個測點間距600 mm，測溫孔深為2 m 。測量頻度為每天1 次。
5.2.3 布置卸壓孔
為了減少凍結過程中，土體凍漲對地表以及隧道的影響，隧道下行線聯絡通道開挖斷面內布置一個卸壓孔。另外，通過卸壓孔壓力的測試，以及對卸壓孔內水流觀察，可以判斷凍土的凍結情況。如本工程卸壓孔，在12 月24 日，壓力不再升高，說明凍結帷幕內的自由水由于水分遷移的作用， 已經基本補給到凍土中，2003 年1 月3 日打開該泄壓孔，有少量水和泥漿流出，幾分鐘后停止。1 月8 日土體開挖時，該孔內沒有水流出現象。
5.2.4 鋼管片的拆卸
為了判斷鋼管片拆除前，聯絡通道土體凍結的帷幕墻厚度是否達到設計要求，是否交圈，土體強度是否達到要求以及保證土體開挖的安全進行，采用了以下施工措施。
(1) 對去路、回路鹽水進行溫度檢測，2003 年1 月7 日鹽水的去、回路溫度差已從2002 年12 月24 日的平均2 ℃ 降到0.5 ℃ ，說明地層的熱負荷減少，凍土帷幕形成良好。
(2) 根據第3#測孔的實測資料，其距凍結主面400 mm， 降溫幅度最大，到2002 年12 月14 日其溫度降到-0.5 ℃ ，此時凍結15 d ，凍土平均發展速度26.7 mm/d； 第2#測孔距凍結主面450 mm，12 月19 日其溫度降到-0.2 ℃ ，此時凍結20 d ，凍土平均發展速度25.0 mm/d；第5#測孔距凍結主面700 mm， 12 月27 日其溫度降到-0.2 ℃ ，此時凍結27 d ，凍土平均發展速度27.8 mm/d。以上3 個孔的凍土平均發展速度為26.5 mm/d，按此推算，到實際開挖時間2003 年1 月8 日，凍結時間39 d ，凍土發展厚度2.06 m，超過設計厚度0.46 m。
(3) 在隧道下行線布置了4 個凍脹壓力測孔，根據凍脹壓力測孔1 的實測數據，2002 年12 月18 日凍脹壓力達到最大值0.73 MPa ，此時凍結時間19 d； 測孔4 的實測數據，12 月19 日凍脹壓力達到最大值1.81 MPa ，此時凍結時間20 d 。說明凍結20 d 左右時凍土柱已經交圈，凍結帷幕已基本形成。此后凍脹壓力趨于穩定并逐步減少，凍土帷幕厚度增加，符合凍土凍結規律。另外，隧道下行線聯絡通道開挖斷面內布置一個泄壓孔，其壓力變化，到12 月24 日，壓力不再升高，說明凍結帷幕內的自由水由于水分遷移的作用，已經基本補給到凍土中，2003 年1 月3 日打開該泄壓孔，有少量水和泥漿流出，幾分鐘后停止。1 月8 日土體開挖時，該孔內沒有水流出現象。

5.2.5 土體支護
采用兩次支護方式。第一次支護(臨時支護)采用預應力鋼支架加背板。第二次支護(永久支護)采用現澆鋼筋混凝土。
聯絡通道土體開挖導致地層中原有的應力平衡受到破壞，引起通道周圍地層中的應力重新分布，這種重新分布的應力不僅使上部地層產生位移，而且會形成新的附加荷載作用在已加固好的凍土帷幕上，會引起凍土帷幕及凍結管會產生變形或破壞，為控制這種變形的發展，凍土開挖后就要及時對凍結壁進行及時的支護，所以聯絡通道的臨時支護即做為維護地層穩定，確保施工安全的一項重要技術措施，又作為永久支護的一部分，是支護工藝最為關鍵的一步。
經過力學計算分析，確定聯絡通道臨時支護的結構形式，如圖4 所示。臨時支護采用18#工字鋼加工成的直腿拱形支架和矩形支架。鋼拱架為封閉形式用于喇叭口及通道內的臨時支護，為增加支架的穩定性，每道支架中部加有一根橫撐，拱形支架的間排距與通道的開挖步距相對應為0.3～0.5 m， 相鄰支架間加有縱向拉桿，以增加整個支護體系的整體性和穩定性。矩形鋼支架用于集水井，支護間距為0.5 m，上下兩排支架間由8 根拉桿相互連接，必要時增加縱橫向支撐，以增加支架整體的穩定性及抗變形的能力。為了控制支架間凍結壁的變形，減少凍結壁冷量損失，所有鋼支撐架后用木背板密背，背板必須同凍結壁緊貼，盡量減少支護間隙，木背板不能松動，當支護間隙較大時，可增加背板厚度和木楔子，以提高支護效果。

圖4 聯絡通道的臨時支護
永久支護為結構設計中的鋼筋砼結構，為減少砼施工接縫，聯絡通道開挖及臨時支護完成后，一次連續進行澆筑。由于這種結構的特殊性，通道頂板內的砼澆筑較為困難，為提高砼施工質量，可采取分段澆筑的施工方式，必要時可采用噴漿機對澆筑空隙進行充填。上部結構施工完成以后，開挖集水井，集水井開挖到設計深度，首先對集水井底板進行封底澆筑，然后一次完成集水井的鋼筋砼澆筑施工。
5.3 解凍過程中的施工措施
聯絡通道主體結構施工完畢后，停止供冷，土體自然解凍，解凍過程中會引起地面的沉陷，如果沉陷過大，不但對隧道而且對地面建筑、地下管線將產生不利影響。為減少土體解凍產生的沉降量， 可通過隧道及聯絡通道預留的注漿孔，采取跟蹤注漿的形式，根據觀測到的隧道及地層沉降情況，及時地對地層進行補償注漿。
6 結論
凍結法在南京地鐵一號線TA4 標的成功經驗說明南京地質條件下――在地下水位較高的軟土且含砂層的土質采用凍結施工是可行的，隨著工程的開展，凍結法會地鐵建設中得到更廣泛的應用。但在凍結施工中必須采用必要的施工技術措施相補充，必須重視施工中的跟蹤檢測措施，及時反饋信息，對施工的方案及時補充修正，確保萬無一失，工程順利進行。

參考文獻
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