摘要：冻结法已在地铁联络通道地层加固中广泛应用，本文对兰州地铁2号线冻结法施工联络通道及泵房进行了数值模拟，分析了通道土体开挖后冻土帷幕应力分布情况及变形特点，验证了1.8m帷幕厚度的安全性，同时对冻结法在地铁区间联络通道施工中应用要点进行了总结分析。
关键词：冻结法；地铁；冻土帷幕；数值模拟；联络通道
1冻结法概述
人工冻结技术是在高强、隔水的冻结壁保护下进行岩土地下工程施工的一种特殊的施工方法，其原理是输送低温盐水到施工土层中，通过热量交换循环使地下土层得以冻结支护。由德国工程师波茨舒获得技术专利，之后传播于许多国家发展使用。我国于1955年首次使用冻结技术于煤矿井的施工中，近二十年来该工艺被广泛应用于我国城市地铁工程施工中，使我国成为世界上使用该工法最广泛的国家之一。
冻结法之所以能被广泛的运用到地下工程主要是因为有以下几个优势：
（1）具有场地适应性广，加固区域灵活，工期短且相对经济的优点；
（2）当土层含水量达到一定的程度时，无论是软土、高水压土亦或者是流动性强的土质，均有很强的适用性能；
（3）通过冻结形成具有强度高，抗渗性好冻结帷幕，可控性强并具有较好的操作性；
（4）对环境的污染小，噪音小。
2冻结法设计
由于兰州地区地层内存在具有特殊性质的红砂泥岩，该岩层不经扰动时强度较高，但遇水易软化崩解，变成泥状，对工程施工十分危险，结合兰州地铁1号线按常规暗挖法施工暗挖区间过程中均遭到不同程度塌陷的实际经验，因此定西路~五里铺区间联络通道采用“冻结法”施工方法。
冻结法设计方案为：隧道内钻孔，冻结临时加固土体，矿山法暗挖构筑通道。设计内容包括冻结壁设计、隧道支撑及防护门设计、壁后填充、融沉补偿注浆及监控量测等内容。
2.1工程概况
兰州地铁2号线定西路~五里铺区间隧道采用盾构法施工，隧道埋深9.8m~15.3m，主要穿越2-10卵石层、4-2-1强风化砂岩层。区间于YDK33+649.676/ZDK33+649.898处设置一座联络通道兼废水泵房，拱顶埋深约16.92m，位于强风化砂岩层中，联络通道所在位置的隧道采用钢筋混凝土管片。联络通道结构由与隧道管片相接接口处、水平通道及泵房集水井三部分组成，其中接口开挖尺寸约2m（长）x3.8m（宽）x4.9m（高），水平通道开挖尺寸为3.86m（长）x3.8m（宽）x4.2m（高），集水井开挖尺寸为3.8m（长）x3.8m（宽）x5m（高），初支采用250mm格栅钢架，二次衬砌采用400mm厚钢筋混凝土。
2.2冻结壁设计
根据兰州地铁1号线冻结法施工联络通道工程经验，本区间联络通道冻结壁按1.8m厚度设计，冻土强度的设计指标为单轴抗压不小于3.6MPa，弯折抗拉不小于2.0MPa，抗剪不小于1.5MPa，如图1、图2所示。
图 1 冻结壁纵剖面设计图
2.2.1 计算模型选取
本工程采用Midas GTS NX 程序模拟在冻土帷幕保护下联络通道与泵房施工，假设冻土与未冻土为弹塑性体，采用Mohr-Coulomb模型，假设隧道管片为弹性体，采用弹性模型进行数值分析，模型大小为60m（长）x20m（宽）x40m（高）。
图2 冷冻法施工联络通道计算模型
2.2.2 计算参数选取
根据兰州地铁1号线同类工程施工经验，本次设计地层冻土参数依据经验选取-10℃，计算各物理力学参数选取值如表1所示。
表1 土层地勘及其它材料参数选取
2.2.3 计算结果与分析
1）位移：图3~5分别为冻土帷幕X（沿联络通道）方向、Y（沿区间隧道）方向、Z（竖向）方向位移分布云图，由于冻土帷幕内土体被开挖，导致帷幕被卸载，发生位移，具体分析如下：
开挖后X方向冻土帷幕侧壁分别靠近两隧道附近的土体，并分别向隧道方向发生了水平位移，最大位移1.64mm；Y方向帷幕侧壁土体分别向内侧发生位移，其中泵房位置处位移最大1.04mm；Z方向帷幕顶部土体下沉底部土体隆起，其中顶部最大沉降值为10.1mm，底部最大隆起值为8.5mm。
图3 开挖后冻土帷幕X方向位移分布图
图4 开挖后冻土帷幕Y方向位移分布图
图5 开挖后冻土帷幕Z方向位移分布图
2）应力分析：图6~图7分别为开挖后冻土帷幕最大主应力和最大剪应力分布云图，从图中可看出整个冻结帷幕几乎全部受压力，最大压应力主要分布在与隧道接触的部位及帷幕底部，最大主应力分别为0.38MPa和0.44MPa，最大剪应力主要分布在冻土帷幕与隧道接触的底部及帷幕底部，最大剪应力分别为0.13 MPa ~0.14 MPa。从受力结果看，冻土帷幕与隧道管片接触处和集水井对应的帷幕底部是整个帷幕中最薄弱的部位，因此施工过程中需要进行重点进行监测。
图6 开挖后冻土帷幕最大主应力分布图
图7 开挖后冻土帷幕最大剪应力分布图
3）安全系数：根据冻土强度的设计指标，对冻土帷幕各最大应力安全系数计算如下：
表2 联络通道冻结帷幕最大应力安全系数
通过与冻土帷幕的强度值进行比较，其抗压、抗拉和抗剪安全系数完全满足安全要求。
2.3 工艺设计
2.3.1 冻结孔、排管、测温孔和泄压孔
冻结孔按上仰、水平、下俯三种角度布置在联络通道及泵房的四周，共设65个冻结孔，冻结管采用Ø89×8mm低碳钢无缝钢管，冷冻站对侧隧道沿通道外围冻结壁需敷设5排冷冻排管，冷冻排管采用Ø45无缝钢管，同时需要布置测温孔和泄压孔。需要注意的是施工冻结孔时的土体流失量不得大于冻结孔体积，否则应及时进行注浆控制地层沉降。
2.3.2积极冻结、维护冻结、停止冻结、解冻
（1）通道开挖前需进行积极冻结40~45天，如果在积极冻结期间发生短暂停冻，应按停冻时间的至少2倍相应延长积极冻结时间，其中积极冻结时，在冻结区附近200m范围内不能采取降水措施，在冻结区内土层中不能有集中水流。
（2）一次支护结构完成后可进入维护冻结。
（3）联络通道及泵站主体结构施工结束后根据封孔情况逐步停止冻结。
（4）冻结壁一般采用自然解冻方式。
2.4隧道支撑与防护门设计
2.4.1隧道支撑
由于盾构管片破除将不可避免的对整环管片的应力平衡进行破坏，出现受力缺陷与应力集中现象，因此必须做好管片隧道内的支护工作，设计中在联络通道左右线洞门两侧安装预应力支架，预应力支架采用不低于22的工字钢，分别安装在联络通道预留洞口两侧的第一条隧道管片环缝处，并在冻结壁交圈前安装。
2.4.2防护门设计
为预防突发事件的发生，在冻结期间，联络通道口处和泵房井口处均增设了防护门。首先是通道口处安全门，为普通碳素钢结构防护门，它需要在隧道管片破除前进行安装（安装在上部预拉的四块管片外围），安装好防护门后需进行水密性试验，其中防护门耐压设计值为0.38MPa，待水平通道完成初期支护后对该防护门进行拆除。而泵房井口处也同样需要设置水平防护门，一旦泵站开挖发生透水冒砂险情或事故时，就立即关闭防护门，并向集水井内压水或注聚氨酯等注浆充填材料，此防护门需要承受所在处地下水水压。
2.5 壁后填充注浆及融沉补偿注浆
2.5.1填充注浆
联络通道及泵房开挖构筑施工结束后，在冻土墙及结构外壁之间必然存在一定的间隙，这就为隧道及地表的移动提供了空间，为消除这种施工间隙，减少地面及隧道的沉降，在结构施工结束后，需要及时对施工间隙进行壁后注浆充填。
本工程根据1号线联络通道冻结法工程经验，再结合地层条件，初步确定注浆间距为1800mm。
2.5.2融沉补偿注浆
充填注浆结束，停止冷冻后10～15天，联络通道地层需根据周边环境结合监测情况进行跟踪注浆方式来控制融沉，因此融沉注浆的开始和结束都是以地面沉降变形稳定为依据的，当一天内地层沉降大于0.5mm，或累计地层沉降大于3mm时，需要进行融沉补偿注浆；当冻结壁已全部融化，且实测地层沉降持续一个月每半月不大于0.5mm，可停止融沉补偿注浆。
融沉补偿注浆通过预埋的注浆管和隧道内的管片注浆管进行，本区间通道注浆以水泥-水玻璃双液浆为主，单液水泥浆为辅，遵循多次、少量、均匀的原则。
2.6 监控量测
冷冻法施工期间，需要针对一般水平孔、冻结系统、冻结帷幕、隧道变形、地面及周围管线、建筑物等周围环境进行监测。
3 冻结法应用要点分析
（1）冻结法施工联络通道及泵房，最重要的是保证人工冻土帷幕有足够的冻结强度，这是维持整个开挖、防水、钢筋绑扎、混凝土浇筑和养护等期间施工安全的重要保证，归根结底更是“新奥法”基本理念；
（2）依据《旁通道冻结法技术规程》4.1.4“地层冻结区域内有以下情况时，设计应进行深入分析并采取针对性措施”条文中提到了关于增加措施的5种情况，包括地下水流速、热源、地下水含水量低、扰动过地层及影响周围环境等，在设计施工过程中应引起注意，由于兰州属于我国北方较干旱地区，且通道所处地层为强风化砂岩层，所以不存在以上几点情况，设计中暂时未考虑其它措施，若施工过程中遇到以上相关情况，应即时调整设计，增设辅助措施；
（3）从冻结帷幕数值模拟得出-10℃，1.8m厚度时帷幕强度满足开挖通道要求，而受力结果上，冻土帷幕与隧道管片接触处和集水井对应的帷幕底部是整个帷幕中最薄弱的部位，是施工过程中要重点监测的位置；
（4）冷冻法因冻胀和冻融沉降对联络通道附近建构筑物、地下管线有一定影响和破坏，对区间隧道本身也存在破坏的可能性，因此壁后填充及融沉跟踪注浆在设计中不容忽视，尤其是在设计过程中应根据每一个注浆点所能包含的浆液扩散范围以及工程结构的特点所造成的空隙特点来确定注浆孔的位置和数量，孔设置得少可能产生注浆盲区，导致注浆效果不好，孔设置得多又会增加不必要的工作量，且有害于结构的密封性。除此之外，在融沉注浆的过程中，浆液配比、注浆频率及注浆压力等还应配合相应的监测数据进行适当的调整。
4 结语
冻结法在兰州地铁设计施工过程中得到了较好的应用，能够有效的解决强风化砂岩（红砂泥岩）地层加固和有效止水的难题，验证了冻结法的诸多优势，对于常规工法实施困难的复杂地下工程，比起高强度的处理地层或是止水问题，更具有操作性、经济性，因此在以后的设计中可作为类似地下工程有效支护手段之一。
参考文献：
[1]史继尧.冻结法施工在地铁联络通道中的应用[J].隧道建设，2011，31（S2）：152-156.
[2]武亚军，杨敏，李大勇.大连路隧道联络通道冻土帷幕数值分析[J].岩土力学，2003（S2）：388-391.
[3]萧岩，程工.城市地下工程冻结法施工技术及其应用[J].市政技术，2002（03）：20-32.
论文作者:张盈
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/25
标签：帷幕论文; 冻土论文; 通道论文; 隧道论文; 管片论文; 地层论文; 注浆论文; 《基层建设》2019年第7期论文;