常州轨道交通一号线地质特征及人工冻结法试验取样分析

徐敏　罗元喜

【摘 要】地铁建设中的上、下行隧道的联络通道，在一些地下水较为丰富的地区在其施工过程中存在着较大的风险。人工冻结法以结构适应性强、无环境污染、隔水性好等优点在联络通道施工中常被采用。而之前未有常州地区冻土物理力学参数相关试验研究资料，本文以常州地铁I-01标段新龙车辆段出入场线及4个盾构区间的联络通道场地典型土层为研究对象，分析了常州轨道交通一号线地质特征及冻土试验取样特点，可为常州区域轨道交通工程建设提供参考。

【关键词】联络通道；冻结法；取样；轨道交通建设

随着常州经济高速发展，城市化水平不断提高，城市交通压力持续增大，中心城区道路交通容量已基本饱和。为有效解决常州长远交通问题，建立以轨道交通为骨干、以公共交通为主体的现代化、多层次的综合交通体系，是必经之路。轨道交通建设不仅促进实现区域交通一体化、还能带动长三角区域经济协调发展，轨道交通建成后，常州市将更好融入长三角1小时、2小时经济圈中。

在多数地铁隧道建设中，为保证隧道的防灾抗灾安全，一般会在两条平行隧道之间设置横向联络通道。联络通道的施工，不仅要考虑自身结构和地面建筑物的安全，更要确保主隧道的稳定，但其安全防护系统远不如主隧道完备[1]。尤其在孔隙比大、含水丰富、高压缩性的敏感性地层中，开挖后土体难以自稳的情况下，必须选择合适的施工方法，才能保证施工安全及减小对周围环境的影响。因不同地质条件及施工要求，联络通道施工有多种方法。在诸多方法中，人工冻结法[2-4]以其封水性好、强度高、适应性强、无污染以及超强的可控性和实用性被沿海城市广泛的应用，例如上海、广州、天津等。人工冻结法是特殊环境和工程地质条件下一种重要的地下工程施工方法，人工冻结法能够适应各种复杂的工程地质和水文地质条件，如软土、含水不稳定层、流砂、高水压及高地压地层。该项技术在德国、法国、美国、加拿大的地铁、隧道、基坑等地下工程及环境保护中广泛应用[5]。本文主要针对常州轨道交通一号线地质特征及人工冻结法试验取样展开分析。

1 常州市轨道交通全线概况

常州市轨道交通1号线一期工程由武进区南夏墅至新北区新龙，起点站为南夏墅站，终点站为北海路站，线路全长约34.237km；起点南夏墅站至阳湖路站采用高架敷设方式，阳湖路站后设置高架至地下过渡段，至终点采用地下敷设方式，其中高架线长2.189km，地下线长31.635km，敞开段长0.413km；共设29座车站，其中地下车站27座，高架车站2座，平均站间距1207m。设一段一场，在凤栖路西侧、镜湖路南侧设城南停车场，在长江路东侧、创业路南侧设新龙车辆段。

在茶山站附近旁设控制中心，1号线一期工程共有7座车站与5条轨道交通线换乘（龙跃路站与规划3号线换乘、武进区站与规划6号线换乘、茶山站与规划4号线换乘、文化宫站与规划2号线换乘、翠竹站与规划5号线换乘、汉江路站与规划6号线换乘、常州北站站与规划3号线换乘）。在大学城北站、同济桥站、龙虎塘站附近共设置3座主变电所。在文化宫站西北象限设1、2号线间联络线。

2 场地工程地质条件分析

2.1 场地地形地貌

常州市地处长江下游三角洲苏南平原，区域内平原可进一步划分为长江漫滩平原区、冲湖积高亢平原区、滆湖平坦水网化平原区、太湖平坦水网化平原区、湖沼平坦水网化平原区等五个地貌单元。

Ⅰ-KC-01标段沿线除常州北站附近外多为农田、村庄和工厂，长江北路沿线有水管、电力、通信管线分布，乡村道路附近有部分农村用的水管、电力、通信线路。

Ⅰ-KC-02标段从市民广场站起，至常州北站止，从市民广场站～黄河路站，拟建线路在新北区中心城区穿行，沿线均为城市主干道和重要商业街区，两侧高楼林立，道路交通繁忙，地下管线遍布密集，周围环境复杂；从黄河路站～常州北站，拟建线路位于郊区，需依次下穿沪宁高速公路、沪宁高速铁路等重要交通线，除龙虎塘站～华山路站在穿越藻江河后需近距离穿越现有住宅小区外，其余大部分区域，拟建线路主要位于郊区待开发空地内，周围环境一般。

Ⅰ-KC-03标段沿线均为城市主干道和重要商业街区，沿线两侧高楼林立，交通繁忙，地下管线遍布密集，错综复杂，沿线的场地环境条件对轨道交通工程影响较大。

Ⅰ-KC-04标段沿武进区花园街→大学城→凤栖路，沿线道路交通繁忙、两侧建筑物林立、各类地下管线遍布，错综复杂。其中线路下穿中防花园商贸城（人防综合）工程、下穿常州机电职业技术学院图文中心大楼等处建设环境复杂。Ⅰ-KC-04标段需穿越的建（构）筑物有长虹路高架、常州机电职业技术学院图文信息大楼、武南河凤栖桥等，以上建（构）筑物下均有桩基础，地下障碍对轨道交通工程施工影响较大。花园街两侧地下工程较多，在基坑开挖过程中，一般采用了土钉墙、排桩、锚杆等支护措施，部分土钉、锚杆可能进入轨道交通建设范围线以内，对后续轨道交通工程基坑开挖、盾构均可能产生影响。

2.2 水文地质条件

2.2.1 地表水类型

常州市北临长江，南濒太湖，区内地表水系极为发育，为太湖上游高水网区。境内河流纵横，湖荡棋布，连江通海。主要河流有长江、京杭大运河、北塘河、采菱河、夏溪河、新孟河、 武宜运河、武南河等，湖泊主要有太湖、滆湖。长江主要位于拟建场地北面，河床宽4～12km，水深30～40m，主要洪水期在7～9 月。根据观测站资料，最大洪峰径流量约10万m3/s，最小径流量约6000m3/s，多年平均径流量约3万m3/s，江水平均流速1m/s 左右。

全线联络通道都位于地下，与上部地表水无直接联系。

2.2.2 地下水类型

根据本次初步勘察结果，场地地下水主要为孔隙潜水及承压水。

孔隙潜水主要赋存于①层填土中。①层填土，土质较松软，由软-可塑状粉质粘土组成，夹碎块及植物根茎，厚度不均，富水性一般，透水性一般，主要补给源为大气降水、人工用水、地表迳流，以大气蒸发作用排泄。潜水水位埋深约为0.50～2.60m，水位标高约为1.83～4.60m，年变化幅度约为0.5m。

承压水分为第Ⅰ层承压水和第Ⅱ层承压水。第Ⅰ层承压水主要埋藏于⑤1、⑤2、⑧2层粉土、粉砂中，其中⑤1、⑤2为Ⅰ1承压含水层，⑧2为Ⅰ2承压含水层，其主要补给源为滆湖水的侧向补给，排泄途径亦相同，水量较丰富。第Ⅰ1承压水埋深为地面下3～10.3m，水位标高约为-5.27～2.63m。Ⅰ2层承压水埋深为地面下6.79～11.2m。第Ⅱ层承压水主要埋藏于⑨4、⑩1层砂土中，主要通过侧向径流补给，曾经是常州地区工业用水抽汲的地下水，自2004年对第Ⅱ承压水禁采以后，该承压水水位逐渐回升，水位年变化幅度很小。

2.3 不良地质与特殊性岩土

2.3.1 不良地质作用

1）地面沉降和地裂缝

地面沉降是常州市域平原区主要的地质灾害类型，主要是长期强烈开采地下水所引起的。

地面沉降与地裂缝对轨道交通工程危害较大。由于地层构造、抽水量等差异使得城市各地区的地面沉降量和沉降速率会有所不同，长期积累下去，地面沉降会产生沉降漏斗区，漏斗区内的地层沉降远大于其它地区的沉降，局部地段甚至可能发生地裂缝灾害。当隧道穿越沉降漏斗区时，位于漏斗区内的隧道沉降明显比漏斗区外隧道的沉降大，使得相邻盾构隧道管片间有较大的差异变形，这将极大地影响隧道的正常运营。拟建轨道交通的建设和运营，应对地面沉降和地裂缝的危害和危险性予以足够重视。

2）砂土

全线联络通道影响范围内的砂性土层主要有⑤1粉砂夹粉土、⑤1-1粉土、⑤1-2粉砂夹粉土、⑤2粉砂、⑤2A粉砂夹粉土、⑤3粉砂夹粉土、⑧2粉土夹粉砂。砂性土对冻结法的施工的影响主要为砂性土一般存在承压水层，如果水流过快，会带走温度，影响冻结壁的形成。

2.3.2 特殊性岩土

全线联络通道影响范围内特殊性岩土主要为软土，②3层淤泥质粉质粘土为软土层，具有含水量高、孔隙比大、压缩性高等不良工程特性。冻结法施工解冻后易产生较大变形，从而易造成地基、管线和周边构筑物沉降量过大、不均匀沉陷或基础面侧向滑动等问题。

3 冻土试验取样

常州市轨道交通1号线一期工程共划分为五个标段，标段所有出入场线及盾构区间联络通道场地主要第四系松散沉积物，其岩性主要为软土和粉细砂层，结构松散，地下水较为丰富，拟采用冻结法施工，本次冻土物理力学特性试验研究主要针对I-01标段。I-01标段联络通道分布在新龙车辆段出入场线及4个盾构区间内（除新龙站～北海路站设置2个联络通道外，其余各区间均设置1个联络通道），拟采用冻结法施工。

本次取样采用钻孔取样，土样尺寸统一为■92mm×250mm。依据《城市轨道交通岩土工程勘察规范》（GB 50307-2012）和《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）。

取原状土样主要在粘性土、粉土和砂土中进行，取样位置视土层的埋深及厚度变化情况而定，联络通道周边距结构上下6m范围内取样间距为1.0～1.50m，确保每层取土试验数据不少于18个Ф92×250mm土样。

每层土层做1 组冻土的物理力学特性指标。主要应包括不同温度（-5℃、-10℃、-15℃）的冻土抗压强度、冻土弹模、冻土泊松比，-10℃冻土的剪切强度、-10℃冻土的抗折强度、-10℃冻土的蠕变参数，融沉系数、冻土导热系数、冻胀率等。

4 结论

地铁建设中的上、下行隧道的联络通道，既有保证乘客在必要时进行安全疏散功能，又起到地铁运营中两车站间的集排水作用。在一些地下水较为丰富的地区在其施工过程中存在着较大的风险性，应对处理难度大，这一技术难题越来越引起人们的重视。

人工冻结法以结构适应性强、无环境污染、隔水性好等优点在联络通道施工中常被采用。而之前未有常州地区冻土物理力学参数相关试验研究资料，参考其他地区参数会对工程带来很多不确定性。而之前未有常州地区冻土物理力学参数相关试验研究资料，本文以常州地铁I-01标段新龙车辆段出入场线及4个盾构区间的联络通道场地典型土层为研究对象，分析了常州轨道交通一号线地质特征及冻土试验取样特点，可为常州区域轨道交通工程建设提供参考。

【参考文献】

[1]张庆贺.地铁区间隧道旁通道施工及监测技术[J].施工技术，2001，30（l）：32-33.

[2]杨平，佘才高，董朝文，柯洁铭，张婷.人工冻结法在南京地铁张府园车站的应用[J].岩土力学，2003，24：388-391.

[3]Wind H. The soil-freezing method for large tunnel construction[J]. Engineering Geol， 1979（13）： 417-423.

[4]GallavresiF.Consideration on the choice among the different freezing method and competitiveness of the system as compared to alternative solutions[C]//8.In：YuXiang，WangChangsheng，eds.Groundfreezing91. 1991（l）： 319-324.

[5]Zheng X Q， Flerch inger G N. Infiltration into freezing and thawing soils under differing field treatments[J]. J.Irring.and Drain Engrg， 2001， 127（3）： 176-182.

[责任编辑：杨玉洁]