冻结法在北京地铁联络通道施工中的应用研究

张海洋 王莉贤 罗富荣

(1.湖北工业大学，湖北 武汉 430068； 2.阜阳职业技术学院，安徽 阜阳 236031； 3.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100037)

冻结法在北京地铁联络通道施工中的应用研究

张海洋1王莉贤2罗富荣3

(1.湖北工业大学，湖北 武汉 430068； 2.阜阳职业技术学院，安徽 阜阳 236031； 3.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100037)

以北京地铁联络通道冻结法施工为研究对象，通过人工冻土力学实验，获得了北京地区典型土层冻土物理力学参数，同时给出了北京地铁联络通道冻结壁经验设计厚度，阐述了冻结施工中的主要工序，经实践表明，冻结法在北京地铁联络通道施工中的应用是可行且成功的。

地铁，联络通道，冻结法，地质条件

0 引言

在北京地铁联络通道施工中，因所处地层主要为砂卵石层，强度高，自立性好，一般采用超前小导管注浆法配合降水法或地面预注浆加固的地基处理方法。但遇到诸如承压水、流砂以及穿越河流等特殊地层，注浆法等普通地基加固方法效果不佳，存在流砂涌水的安全隐患。人工地层冻结法以其绝对的封水性，在处理流砂地层时体现出了不可替代的优势[1]。

人工地层冻结法在城市地铁建设中被广泛采用，但在北京地区少有工程应用，鉴于地层的特殊性，采用冻结法进行施工时，应进行个性化的设计与施工，本文以北京地铁6号线东延伸段区间联络通道冻结法施工为例，详细介绍冻结法在北京地铁联络通道施工中的应用。

1 地质条件

北京地区西部以厚层砂土和卵、砾石地层为主，向东于城市中心区大部分范围内地层过渡为粘性土、粉土与砂土、卵砾石土互层，再向东北的东郊及北郊地区，则以厚层粘性土、粉土为主，表现出由西向东土颗粒由粗到细的递变规律。与上海地区典型粘性土层不同的是，北京地区典型土层为粉土、砂性土及砂卵石地层。北京地铁6号线东延伸段区间联络通道主要处于中粗砂层以及细砂层中，局部为卵砾石层，其中中粗砂层渗透系数为3.31×10-2cm/s，卵砾石层渗透系数高达9.65×10-2cm/s，存在较大的涌水流砂风险。

北京地铁6号线东延伸段区间所处地层含承压水，且区间线路与北运河斜交，河水对承压水层的补给作用使得地下水活动频繁，地层涌水流砂风险尤为突出。

2 冻土力学指标与冻结壁设计

冻土物理力学参数是冻结法设计的基础，针对北京地区缺乏冻土实验资料的情况，课题选取了北京地区5种典型地层土样在

煤矿深井建设技术国家工程试验室进行了冻土物理力学参数实验，得到-10 ℃时冻土的力学参数如表1所示。

表1 北京地区典型土层冻土物理力学参数表

3 施工流程

选取表1中参数，采用容许应力法，抗压强度安全系数取2.0，抗折强度安全系数取3.0，抗剪强度安全系数取2.0，按照结构力学方法确定冻结壁厚度，同时利用有限元数值计算软件对设计冻结壁厚土进行验算。根据北京地区地层特点以及实验所得的冻土物理力学参数，给出了北京地区冻结壁厚度设计的经验取值，如表2所示。

表2 北京地区设计冻结壁厚度取值 m

冻结施工主要包括冻结孔施工、冻结系统安装、积极冻结、维护冻结以及冻结完成后的融沉注浆五个阶段[2]，其中冻结站安装通常与冻结孔施工平行作业，以压缩冻结施工工期，提高施工效率，土方开挖及联络通道结构施工的同时，为保障施工安全，冻结系统仍需继续运转称为维护冻结，结构施工完成后停止冻结，冻土融化会产生一定的地层沉降，因此冻结完成后还应进行融沉注浆[3]，以防止地层产生过大沉降。

同时，在冻结施工过程中还应进行监测，包括对地表、建(构)筑物、地下管线与隧道管片等进行的沉降监测[4]，以及冻结施工过程中对冻结系统(如冷冻机组参数、盐水流量与地层温度等)进行的监测。

4 工程应用效果

北京地铁联络通道通常采用超前小导管注浆法以及地面降水法施工，但在如承压水等地下水情况复杂或不具备地面加固条件及沉降控制要求高的工况条件下，冻结法以其安全性高、不污染环境且沉降控制好等优势被称为“终极工法”[5]。北京地铁6号线东延伸段因线路下穿京哈铁路、大运河、民房，且主要处于含承压水的砂性地层，区间4座联络通道均采用冻结法施工，包括起点站—物资学院站区间单线泵房、玉带河大街站—郝家府站区间联络通道、玉带河大街站—郝家府站区间联络通道兼泵房、东部新城站—东小营站区间联络通道兼泵房。

以东部新城站—东小营站区间联络通道兼泵房施工为例，联络通道上覆土厚度19.16 m，隧道中心线间距为13 m，处于⑤2层饱和粉细砂及⑦层饱和中砂(两层位均含承压水)，设计冻结壁厚度为1.8 m，冻结壁平均温度不大于-10 ℃，积极冻结时间为45 d，冻结孔布置图如图1所示。冻结施工过程中安全可控，施工过程较为顺利，未发生涌水流砂以及塌方等异常情况。如图2所示[6]为冻结施工过程中各阶段地表某监测点的变形情况。钻孔阶段由于采用的是跟管钻进法[7,8]，承压水从冻结管与地层的环形空间流失，造成地层稍有沉降，但钻孔结束后进行了地层补偿注浆，因而地表变形得以恢复；积极冻结阶段，由于冻胀效应，地层产生隆起，期间随着泄压而有所缓解，冻结壁形成后，冻胀效应最为剧烈，此时泄压孔泄压，地层隆起量得到控制，变形量有限；维护冻结阶段即开挖构筑阶段，随着土方开挖的卸荷作用地层沉降明显，由于开

挖过程中控制开挖步距且及时进行支护，地层沉降量被控制在允许范围内；停止冻结后，冻土融化而产生一定的沉降，此时随着融沉注浆的进行，前期地层沉降得到弥补，地表沉降逐渐减小，当地层沉降愈趋稳定即停止融沉注浆。

北京地铁6号线东延伸段区间4座联络通道沉降情况如表3所示，其中最大隆起量为3.01 mm，最大沉降量为-6.11 mm，地表变形量均控制在允许范围内，冻结环境效应得到了较好的控制，表明冻结法在北京地铁联络通道施工中的应用是成功的。

表3 冻结施工各阶段的地表变形量 mm

5 结语

冻结法在北京地铁联络通道施工中的成功应用体现了冻结法在诸如流砂地层等复杂工况条件的突出优势，但在设计与施工过程中也遇到了许多难题，同时也为冻结法在北京地区的应用与发展指明了方向。1)针对北京地区典型土层的冻土物理力学参数等基础资料缺乏，需建立并完善典型土层的冻土物理力学参数数据库，为冻结勘察设计与施工提供依据。2)冻结施工工艺与参数需针对北京地区水文地质条件、环境条件及结构型式进行调整，使其适应北京地铁的建设需要。3)为使冻结法在北京地区应用与发展，需制定与完善北京地区冻结施工技术规范，使冻结施工更为系统和规范。

[1] 李方政.人工地层冻结的环境效应及工程对策研究[J].公路交通科技,2004,21(3):67-69.

[2] DG/T J08—902—2006，旁通道冻结法技术规程[S].

[3] 韩玉福,李方政.地铁联络通道冻土融化规律实测研究[J].上海建设科技,2009(4):53-55.

[4] 付 财,韩圣铭,韩玉福.浅覆土条件下地铁出入口冻结法暗挖施工技术[J].施工技术,2014(7):91-93.

[5] 敖 松,韩圣铭.浅覆土冻结法加固的冻胀控制技术应用[J].城市轨道交通研究,2015(4):107-110，127.

[6] 李方政,罗富荣,韩玉福,等.复杂条件下地铁联络通道冻结壁不交圈原因分析及对策[J].工业建筑,2015(11):187-190.

[7] 王胜利,韩圣铭.气动夯管法施工水平冻结孔技术[J].中国市政工程,2007(1):61-63,100.

[8] 胡向东,陈 蕊.双层越江隧道联络通道冻结法施工技术[J].低温建筑技术,2006(5):64-66.

Application of ground freezing method in cross passage of Beijing metro

Zhang Haiyang1Wang Lixian2Luo Furong3

(1.HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China; 2.FuyangInstituteofTechnology,Fuyang236031,China; 3.BeijingMTRConstructionAdministrationCorporation,Beijing100037,China)

Taking Beijing subway connecting passage construction with freezing method as the research target, through artificial frozen soil mechanics testing, the paper obained physical mechanics parameters of frozen soil of typical soil layer in Beijing region, shows freezing wall experience design thickness of Beijing subway connecting passage, and illustrates major freezing construction procedures. Practice proves that: it is feasible and successful to apply freezing method in Beijing subway connecting passage construction.

subway, connectional passage, freezing method, geological conditions

1009-6825(2017)02-0142-02

2016-11-09

张海洋(1979- )，男，在读硕士; 王莉贤(1988- )，女，助教; 罗富荣(1968- )，男，教授级高级工程师

TU472.9

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