地铁联络通道冻结监测分析

1、地铁联络通道冻结监测分析     摘要：南京地铁一工程联络通道采用冻结法施工中， 对冻结盐水温度、冻土温度、地表变形等方面进行了跟踪监测；通过对监测结果进行分析研究，获得了冻结盐水温度、冻土温度、冻涨压力、卸压孔压力的变化规律，在此基础上提出了联络通道冻结施工的建议。研究成果可供其他工程参考。关键词：地铁；联络通道；冻结法；监测1 前言      地铁联络通道一般位于区间隧道的中间，通常南京地铁一期TA4 标隧道，北起钓鱼台工作与集、排水泵站连在一起，共同起着两隧道连结、井北侧，南至三山街车站南端头井，由

2、左线（下行集、排水和防火等作用。联络通道土体开挖前，必线）和右线（上行线）隧道组成，左、右线均由572 须对其周围土体进行加固。冻结法加固土体是一种环管片拼装而成。隧道外径6.2 m ，内径5.5 m ，每行之有效的方法，在北京、上海、广州等城市地铁块管片宽为1.2 m， 厚为0.35 m 。联络通道位于两中都成功得到了应用1-3 。最近，在南京地铁一期工站区间隧道中间，隧道中心埋深13.13 m。联络通程TA4 标中，联络通道施工首次成功采用了冻结施道及泵站采取合并建造模式， 它既保证上、下行隧工。在冻结施工过程中，对冻结盐水温度、冻土温道间的联络作用和必要时乘客安全疏散的功能，又度、地表变

3、形等方面进行了跟踪监测。文中分析了起到地铁运营中两车站之间的集、排水作用。工程冻结盐水温度、冻土温度、冻涨压力、卸压孔压力结构由两个与隧道相交的喇叭口、通道以及集水井的变化规律，并提出了有利于工程施工的建设性意等组成。联络通道所处的主要土层参数如表1 所示。表1  土层物理参数  2 工程概况      从表1 看出，土层平均渗透系数小，透水性差，是冻结施工较为有利的土层；同时，土层中含有粉砂层，冻结法也能更好处理流砂问题。经研究采用“隧道内钻孔冻结加固，矿山法暗挖构筑”的施工方案，即：在隧道内利用水平孔和部分倾斜孔冻结加固

4、土层，使联络通道以及集水井外围土体冻结，形成强度高，封闭性好的冻土帷幕； 采用矿山法， 进行联络通道及泵站的开挖构筑施工。土层冻结和开挖构筑施工均在区间隧道内进行，其主要施工顺序为：施工准备 联络通道连通地面的垂直水管施工 冻结孔钻孔施工（ 同时安装冻结制冷系统） 安装冻结盐水系统和检测系统（ 同时在隧道内联络通道洞口附近进行支撑，其目的是，冻结过程中隧道受冻土力的作用会发生隧道横向断面变形，从而影响隧道的椭圆度。为了减少这一变形，故在冻结前进行隧道内壁支撑）积极冻结 探孔试挖 拆钢管片 联络通道掘进与临时支护 联络通道永久支护 泵站开挖与临时支护（联络通道支护是，对泵站位置进行预留，在联络通

5、道永久结构施工完毕后，再开挖泵站土体作临时的支护，在永久性结构完工并达到要求强度后，最后拆除暴露在泵站内的冻结管。） 泵站永久支护 必要时进行土层注浆充填。3 水平冻结设计3.1 水平冻结孔布置      根据冻结帷幕设计及联络通道的结构，冻结孔的倾角采用上仰、近水平、下俯三种角度布置。开孔间距为0.7 m ，冻结孔58 个。冻结孔的布置见图1 所示。3.2 冻结参数      选用YSLGF300 型螺杆压缩机组一台套，设计工况：制冷量为87 500 Kcal/h，电机功率110 kW 。地层

6、冻结供冷工艺参数和指标： 积极冻结盐水温度为2830； 冻结孔单孔流量不小于4 m3/h； 冻结帷幕交圈时间为20 d，达到设计厚度的时间为30 d； 积极冻结时间为30 d ，维护冻结时间为35 d 。测温孔10 个（4 个兼作卸压孔）。  （a）冻结孔布置的横断面图(mm)  （b）冻结孔布置的纵断面图（括号内数字为孔长及倾角）图1 冻结孔布置Fig.1 Layout of the freezing hole in the soil       结系统辅助设备： 盐水循环泵选用IS125-100 200 型2

7、台，流量200 m3/ h，电机功率45 kW， 还有一台备用； 冷却水循环选用IS125-100200C 型2 台，流量120 m3/h，电机功率30 kW ，一台备用； 冷却塔选用NBL-100 型一台，补充新鲜水15 m3/h。4 监测成果分析4.1 盐水温度监测分析      冻结工程于2002 年11 月30 日开机冻结，到2003 年1 月8 日已经冻结39 d，超过设计冻结时间（35 d）4 d 。盐水降温曲线如图2 所示。去路盐水温度33，回路盐水温度开机2 d 降到20， 降温幅度较大。2003 年1 月7 日盐水的去、回路温

8、度差已从2002 年12 月24 日的平均2 降到0.5， 说明土层的热负荷减少，冻土帷幕形成良好。4.2 土层温度监测分析      在上、下行线隧道联络通道洞口两侧共布置10 个测温孔，在下行隧道中布置了4 个，上行隧道中布置了6 个，开挖是从下行隧道开始的，每个测温孔内设3 个测点，每个测点间距为600 mm，测温孔深为2 m。测温孔如图3 所示。      测试结果如图4， 图5 所示。研究表明，同一孔内3 个测点的温度相差不大，呈现出孔越深温度降低越大的趋势。根据第3# 测孔的实测资料

9、，在距冻结主面400 mm 的降温幅度最大，到2002 年12 月14 日该处温度降到0.5，冻结时间为15 d， 冻土平均发展速度为26.7 mm/d； 第2# 测孔距冻结主面为450 mm，12 月19 日该处温度降到0.2， 此时冻结时间为20 d ，冻土平均发展速度25.0 mm/d；第5# 测孔距冻结主面700 mm，12 月27 日其温度降到0.2 ，此时冻结了27 d ，冻土平均发展速度27.8 mm/d 。以上3 个孔的冻土平均发展速度为26.5 mm/d ，按此推算，到2003 年1 月8 日实际开挖时，冻结时间为39 d，冻土形成厚度2.06 m， 超过设计厚度0.46 m

10、 。4.3 地表变形监测分析      测点布置如图6，各测点之间的距离为2 m。从图7 可以看出，在钻孔、安装冻结管阶段，地表 图2 部分冻结管盐水温度与时间关系       （a） （b） 图3 土体测温孔平面图(单位：m)  图4 下行线土体测孔温度随时间的关系       呈逐渐沉降现象，直至达到最大沉降值，这是由于钻孔挖土造成的。从冻结初期到随后出现隆起现象，符合冻土膨胀的特性。从12 月24 日起，地面隆起变形趋于

11、稳定，说明冻土结构的扩展速度变缓慢， 可判断冻土帷幕已经形成，并达到了足够的强度。地表变形的变化规律与文献2的结果有一致性，在文献2的测试结果中，冻结过程中地表也呈现隆起情况，但隆起幅度没有本次的大，没有出现正值，即与初始地面标高比，仍处于沉降状态。这说明地表的变形大小与联络通道的埋深有关（也即与冻结管的埋深有关），在文献2中联络通道埋深为23.2 m，属于较大埋深。另外，在图7 中，不同的测点变形不同，这与冻结管的布置是有关的，冻结管密度较大的地方沉降较大，同时在冻结过程中隆起的幅度也较大。4.4 冻涨压力及卸压孔压力测试分析      在隧

12、道下行线布置了4 个冻胀压力测孔，根据冻胀压力测孔1 的实测数据，2002 年12 月18 日冻胀压力达到最大值0.73 MPa，此时冻结时间为19 d； 测孔4 在12 月19 日冻胀压力达到最大值1.81 MPa， 冻结时间为20 d 。测试结果说明冻结20 d 左右时冻土柱已经交圈，冻结帷幕已基本形成。此后冻胀压力趋于稳定并逐步减少，冻土帷幕厚度增加，符合冻土冻结规律。另外，在隧道下行线联络通道开挖断面内布置一个卸压孔，观测其压力变化。到12 月24 日压力不再升高，说明冻结帷幕内的自由水由于水分迁移的作用， 已经基本补给到冻土中。2003 年1 月3 日打开该卸压孔，只有少量水和泥浆流

13、出，几分钟后就停止了，在1 月8 日土体开挖时，该孔内无水流出的现象。 图5 上行线土体测孔温度随时间关系  图6 联络通道地表变形测点布置e  (a) 纵向测点(b) 横向测点图7 地表变形随时间的变化关系5  结语      根据对系统运转、盐水降温、温度场、地表变形和冻胀压力因素等的综合分析，认为冻结帷幕已经达到设计要求，具备开挖条件。同时，观察到隧道内部管片上的结霜情况正常，结霜的范围和轮廓比较均匀，据此反映出冻结过程正常。2003 年1 月8 日，开始打开钢管片进行土体开挖，开挖过程中无水流现象， 但联络通道内土体开挖困难，需用风镐掘进。土方开挖在1 月18 日结束，没出现任何异常现象，冻结法施工取得了成功。值得探讨的是，根据以上几个方面的监测综合分析，可得到理想的土体开挖时间应为2002 年12 月24 日，应该比实际的开挖时间提前半个月。在土体开挖过程中也证实了这一点。因为冻结时间过长，可使联络通道内的土体开挖困难，就是一天24 h 连续作业