地鐵聯(lián)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(lián)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(lián)絡通道的涌水事故，2005年高雄捷運橘線聯(lián)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(lián)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(fā)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(chǎn)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(xiàn)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(lián)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(shù)為80～120 m/d。卵石層為強透水層，且和附近河流有水力聯(lián)系，水量豐富。

該聯(lián)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(shù)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(lián)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(lián)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(lián)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(lián)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(shù)選取

根據(jù)盾構區(qū)間的地質勘察報告，主要計算參數(shù)見表1。

表1 不同溫度下卵石地層的熱力學參數(shù)

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(fā)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(qū)(即-1～-10 ℃帶狀凍結區(qū)域)形成，III階段——第II凍結區(qū)(即-10～-20 ℃帶狀凍結區(qū)域)形成，IV階段——第III凍結區(qū)(即<-20 ℃過度凍結區(qū)域)形成。第II凍結區(qū)(凍結壁)的形成及其厚度的發(fā)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(jù)聯(lián)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(xù)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(jù)坐標信息繪制了凍結壁外輪廓線(線1、線4)和聯(lián)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(qū)，右線盾構隧道側(南側)主要位于第I凍結區(qū)。

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(fā)生變化。以第45天為例，計算第II凍結區(qū)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(qū)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(qū)域凍土帷幕

z=0剖面處泵站下部區(qū)域凍結管編號、凍結壁外輪廓線及節(jié)點編號，如圖5所示。

凍結管M4、N4的凍結壁交圈控制節(jié)點310的溫度變化如圖6所示。由圖6可見，節(jié)點281和282的凍結歷程基本一致；節(jié)點310第I階段的開始時間為第10天，比鄰近節(jié)點281晚3 d，該節(jié)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(qū)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(lián)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(lián)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(lián)絡通道中部區(qū)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(qū)域→拱部區(qū)域→拱部與側墻連接區(qū)域(A6與D1、A12與D2)。拱部與邊墻連接區(qū)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(lián)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(lián)絡通道北側邊墻部位冷凍管D5、D6和D7、D8之間區(qū)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(lián)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(jiān)測凍土帷幕在縱向和橫向的整體性狀特征。

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

5) 聯(lián)絡通道拱部與邊墻的角部連接區(qū)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(qū)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(jiān)控。