平面斜交联络通道水平冻结及实测分析

马 俊， 胡导云， 杨 平, *

(1. 南京林业大学土木工程学院， 江苏 南京 210037； 2. 常州市轨道交通有限公司， 江苏 常州 213022)

0 引言

随着我国城市地下空间的大力开发，地铁施工安全变得尤为重要。人工冻结加固技术相比其他工法具有诸多优点，如止水密封性好、强度高、环境适应性好等，因此被视为地铁施工中土层加固的较优选择，尤其是上海、杭州、南京等地下含水量较丰富的长三角城市[1-3]。

目前，关于人工冻结法已有详细研究。国内外专家采用现场实测[1,4-5]、数值模拟[6-8]和室内试验[9-11]等方法对人工冻结法冻结及解冻温度场、土层位移、应力等物理力学特性进行了较为系统的研究。李大勇等[12]针对南京地铁联络通道冻结法施工过程中盐水温度、土体温度及地表变形等进行监测分析，获得其变化规律，以此判断最佳开挖时机。但现有研究均针对常规直交联络通道及盾构始发与接收工程。

目前，工程中多以水平直墙圆拱型结构的常规联络通道为主，但有时会遇到因施工不慎，导致联络通道预留钢管片错环，或因工程环境的需要，出现倾斜联络通道，而目前关于异型通道的研究尚鲜有报道。

樊文虎等[13]对出入口及风道矩形断面加固工程进行方案比选，提出全断面注浆+顶部管棚+矩形水平冻结加固方案，并进行土体温度、地表及管线位移实测，获得加固土体的温度分布规律及地表位移规律。张军等[14]对港珠澳大桥长距离曲线管幕冻结浅埋暗挖隧道工程的近20种方案进行比选，采用管幕间分段分区水平动态控制性冻结止水技术。首次建立了由常规、异形和限位冻结管构成的“管幕冻结法”冻结体系。文献[15]对南京地铁10号线大直径跨江盾构隧道垂直冻结工程进行改造并现场实测，详细分析隧道末端垂直冻土墙整个冻结期间温度分布和地表变形情况。黄浩斌[16]以因特殊原因存在竖向高差的武汉某异型地铁联络通道人工冻结法施工工程为背景，对其各影响因素及参数进行数值模拟分析，从而得到异型联络通道人工冻结法施工过程中各结构的应力与位移发展规律。

综上，尽管人工冻结法在地铁联络通道、盾构隧道端头加固、地铁事故修复及特殊工程等均有着广泛应用，专家学者通过实测、室内试验研究、数值模拟等手段对人工冻结法加固机制、冻结及解冻温度场变化规律、开挖应力场与位移场等进行了针对性的研究，形成了一套成熟的冻结理论。但在联络通道的研究中主要集中于常规联络通道，对异型联络通道的研究很少，为此有必要对异型联络通道进行研究。本文以常州地铁1号线翠竹站—常州火车站区间隧道平面斜交联络通道工程为依托，给出其冻结加固方案，并通过对土体温度、地表沉降进行现场实测分析，研究冻结温度场、位移场的变化规律，以便为今后类似工程提供参考依据。

1 工程概述

常州地铁1号线1期工程翠竹站—常州火车站区间隧道平面斜交联络通道工程，两隧道中心间距12.277 m，隧道衬砌采用预制钢筋混凝土管片，错缝拼装。隧道外径为6.2 m、内径为5.5 m，隧道管片厚0.35 m、宽1.2 m。上行线隧道中心标高为-9.982 m，下行线隧道中心标高为-9.977 m，联络通道所处位置地面标高上行线约为+4.09 m(下行线为+4.91 m)。地面均为拆迁区，无重要建筑物及管线。但因施工原因，联络通道两侧安设的盾构钢管片中心距偏差2.35 m。

该区间范围内无不良地质环境，地质勘察报告显示联络通道施工深度范围内的土层由上而下分别为： ⑤1粉砂夹粉质黏土、⑤2粉砂、⑥3黏土，地下水系发达，表现出自稳能力差、易变形和坍塌的特征。

2 联络通道结构、冻结加固及监测方案

2.1 联络通道结构方案

基于联络通道两侧按盾构钢管片中心距偏差已达2.35 m的情况，因此本通道必须设计成平面斜交联络通道。为缓解与隧道连接处受力状态，与隧道连接的两端部0.8 m为直交，其余部分转为斜交，计算得联络通道倾斜部分水平倾角为31.2°，水平通道为直墙圆弧拱结构，通道初期支护(木背板+型钢支架+喷射C25混凝土)厚0.15 m，二次衬砌为厚0.45 m的C35、P8模筑防水钢筋混凝土，如图1所示。

图1 联络通道结构平面图(单位： mm)

2.2 冻结加固方案

由于盾构隧道钢管片中心距偏差较大，确定采用“水平人工冻结法+矿山法开挖”的平面斜交联络通道施工方案。

平面斜交联络通道布置采用从上、下行线隧道两侧打孔方式进行，冻结孔按上仰倾斜、水平、水平倾斜、下俯倾斜4种角度布置在通道的四周。共布置冻结孔79个，其中下行线54个(包括4个透孔)，上行线25个。因联络通道水平倾斜，所以大部分冻结管水平夹角为31.2°，只有少数加强冻结孔位于水平面上夹角0°处。考虑到平面斜交联络通道拐角处存在应力集中现象，故在联络通道顶部、底部及两侧均增设长度较短的加强冻结孔共23个。其中下行线联络通道顶部与底部均布置6个，为F1—F6和F7—F12，长度为3.5 m；副线联络通道左右两侧分别增设E排7个(E1—E7)与E排4个(E8—E11)加强冻结孔，长度均超过1.5 m，即深入土体长度均超过联络通道拐角处，冻结管布置如图2所示。

设计最低盐水温度-28～-30 ℃，冻结壁设计平均温度≤-10 ℃，有效厚度≥1.7 m，喇叭口处≥1.4 m，冻结壁与管片交界面平均温度≤-5 ℃，积极冻结45 d。

(a) 下行线冻结孔及测温孔立面图(单位： mm)

(b) 上行线冻结孔及测温孔立面图(单位： mm)

(c) 顶部冻结孔及测温孔俯视图

(d) 底部冻结孔及测温孔俯视图

(e) 冻结孔及测温孔剖面图(单位： mm)

2.3 测温孔及地表位移点布置

2.3.1 测温孔布置

为掌握冻土帷幕温度变化情况，研究冻土体温度发展规律，在上、下行线平面斜交联络通道四周分别埋设11个测温孔，其中下行线冻结站侧4个测温孔，从左往右依次为C1—C4，副线7个温测温孔分别为C5—C11。其中，C1—C4、C6—C9位于联络通道主体结构两侧，且每个测孔内同等间距埋设4个温度测点，由隧道管片外往土体内部依次位于0.50、1.10、1.70、2.30 m深度处。C5位于联络通道拱顶位置，测孔内同等间距埋设5个温度测点，从隧道管片外往土体内部依次位于0.50、1.35、2.20、3.05、3.90 m深度处；C10、C11位于联络通道底部位置，测孔内同等间距埋设5个温度测点，沿隧道管片往土体内部依次位于0.50、1.38、2.25、3.13、4.00 m深度处。除C6和C8垂直于隧道管片外，其余测温孔在水平面上的夹角与斜交联络通道轴线相同，为31.2°，各测温孔位置如图2所示。

2.3.2 地表位移点布置

在联络通道正上方布置5排沉降监测点D2—D6，每排间距为3 m。D2、D3排测点编号为Di-1—Di-9及中间点Di共10个测点；D4、D5、D6排测点编号为Di-1—Di-8及中间点Di共9个测点。在联络通道上方区域测点间距为3 m，在联络通道区域外间距为5 m。地表沉降监测点布置如图3所示。

图3 地表沉降监测点布置图

3 冻结实测分析

3.1 干管盐水温度分析

为高效控制干管与各分支管路中盐水温度的变化，在盐水干管去、回路上均布设测温点，并在各分支管路上布设测温点，共17个。干管温度变化曲线如图4所示。

由图4可知，盐水干管测点温度曲线可细分为以下4个阶段： 1)迅速降温期，在该阶段内迅速拉低盐水干管温度，10 d内总去管路温度由-15 ℃降至-27 ℃，平均降温速率达到1.2 ℃/d； 2)缓慢降温期，在此14 d内，盐水干管温度下调至设计要求-31 ℃，平均降温速率约0.29 ℃/d； 3)温度稳定阶段，盐水干管温度维持于-31 ℃左右； 4)维护冻结阶段，为保证安全开挖，需维持干管盐水温度不回升。冻结降温速率远快于盐水降温计划表(积极冻结7 d降至-18 ℃，15 d降至-24 ℃，开挖时降至-28 ℃以下)，积极冻结10 d已降至-27 ℃以下。各盐水分支回路温度变化曲线基本一致，且与盐水干管温度变化曲线基本保持同步，如图5所示。

图4 总去、回盐水温度随时间变化曲线图

Fig. 4 Curves of total temperature of desalination and brine water with time

(a) 左分支回路

(b) 右分支回路

Fig. 5 Curves of brine water temperature with time in branch circuit

3.2 测温孔温度分析

3.2.1 冻结帷幕发展速率分析

根据实际测温数据可知，原始地层温度约为25 ℃。冻结期间，各测点温度变化趋势大致相同。冻结前期，地层温度高，与盐水温差大，测点降温速率较快，随着土体温度降低，盐水与地层温差逐渐缩小，土体降温速率亦逐渐减小。为获得同一界面上冻结壁温度发展及分布规律，选取位于主线一侧同一界面上的测温孔C1—C4进行分析，如图6所示，该测温孔均平行冻结管布置。

(a) C1测温孔温度变化曲线

(b) C2测温孔温度变化曲线

(c) C3测温孔温度变化曲线

(d) C4测温孔温度变化曲线

Fig. 6 Temperature variation curves of measuring points C1 to C4

测温孔C1—C4在0.5 m深度处测点温度下降至0 ℃所需时间分别为9、10、10、7 d。C1—C4测温孔与相邻冻结管的间距依次为55、76、83、45 cm，由此推算可得，冻土帷幕发展至C1-1—C4-1的发展速率分别为61.1、76.0、83.0、62.3 mm/d。由此可见，冻土帷幕往内侧扩展速率是向外侧扩展速率的1.3倍左右。这是由于冻结管冷量向外侧扩散范围较大，冷量损失严重，而冻结管向内侧扩散范围局限于联络通道内，冷量流失较小。

3.2.2 冻结壁内外侧温度规律差异性分析

测点间距如图7所示。由图7可知，C3内部测点与外部测点距冻结孔距离相同，但C4内部测点距冻结孔间距比外部测点小，故出现降温速率不一致的情形。C1—C4测温孔温度下降速率较快，在冻结5～15 d各测点温度均已降至0 ℃以下，同时水相变期亦不明显。这一方面是由于干管盐水温度下降较快，使得土体降温速率加快；另一方面是由于大部分测点与冻结孔实际距离较近，温度传至测点较快。

图7 测点间距(单位： mm)

当积极冻结结束，进入维护冻结阶段，各测点温度保持在一个固定温度附近上下波动。由于开挖使得位于冻结壁内侧的C2、C3测温孔周围冻结土体暴露于空气中，开挖后有效冻结壁厚度减小，温度陡然升高，随着冻结的持续，温度逐渐趋于稳定。由于联络通道入口处与隧道直交，而中部与隧道平面斜交，以及测温孔倾斜(见图2(c))，使得同一测孔的不同测点与开挖边线距离不一，导致测孔温度规律不一。C3测孔内部测点C3-4更接近于开挖边线，而外部测点C3-1距开挖面较远，导致其C3-4温度回升较大，但C3-1温度未回升。C2测孔刚好与其相反，C2测孔内部测点C2-4距开挖边线较远，而外部测点C2-1距开挖面较近，造成开挖时测点C2-1温度回升较大，而测点C2-4温度未回升。这与平面直交联络通道的统一性有所区别。

3.2.3 不同降温阶段温度变化

图8示出C6—C9测温孔温度变化曲线。其中C7、C8位于联络通道开挖面内，在冻结54 d时由于联络通道开挖，2个测点被挖出，后期无数据。各测温孔温度变化曲线大致可分为4个阶段，如图8(d)所示。1)快速降温期： 此阶段内，土体初始温度较高，低温盐水与其进行大量热交换，使得该阶段12 d内平均降温速率达2.08 ℃/d，各测点温度下降速率较快。 2)水相变期： 该阶段内各测点温度维持在0 ℃左右，在该阶段的8 d内，温度基本维持不变。 3)继续降温期： 当各测点温度降至0 ℃以下后再次快速下降，但其降温速率比第1阶段慢，该阶段持续约25 d左右，在此期间冻结帷幕迅速发展扩大，逐渐达到设计厚度。 4)开挖维护冻结期： 各测点温度基本趋于平缓，此时土体内热交换已达到平衡。当联络通道开挖时，由于部分测点靠近开挖面，甚至被挖出，温度在短时间内会大幅上升，但此为正常现象。

(a) C6测温孔温度变化曲线

(b) C7测温孔温度温度变化曲线

(c) C8测温孔温度温度变化曲线

(d) C9测温孔温度变化曲线

图8C6—C9测温孔温度变化曲线

Fig. 8 Temperature variation curves of measuring points C6 to C9

不同测点各阶段显著程度不同，测点周围加强冻结孔较多或与冻结管距离较小，则温度下降较快，其水相变期较短，测点温度较早进入稳定阶段。由图8分析可知，C6、C8测温孔附近设有一排加强冻结孔，且距离较近，因此降温速率比C7、C9快，最终温度较低，无论测温孔位于冻结管内侧亦或是外侧。由此可见加强冻结孔的存在对冻结起到积极推动的作用，使得土体降温速率快，温度低，冻土帷幕厚度大。

4 地表位移实测分析

4.1 不同断面沉降分析

为掌握平面斜交联络通道水平冻结对地表冻胀融沉的影响，对地表变形进行监测，对地表沉降位移自2017年9月18日钻孔起进行监测记录，冻结起始日期为2017年10月18日，停止冻结日期为2017年12月24日，至2018年5月10日结束融沉注浆，然后绘制地表各断面累计竖向位移曲线。图9示出D4排各测点位移曲线。

图9 D4排测点累计竖向位移曲线

由图9可知，地表冻胀融沉变形可分为6个阶段。1)钻孔阶段： 在该期间由于冻结孔施工，存在少量水土流失，导致地表有所沉降。2)地表缓慢隆起阶段：该阶段持续8 d左右，此时土体温度虽快速下降，但尚未冻结成冻土，且由于钻孔期间的影响地表甚至仍有所下沉，所以地表冻胀变形无显著变化。 3)地表迅速隆起阶段： 该阶段持续约37 d左右，此时土体温度降至0 ℃以下，冻结帷幕迅速扩展，土体产生的冻胀变形迅速传至地表。 4)开挖阶段： 由于开挖应力释放导致地表略有沉降，但总体波动不大，趋于稳定。此阶段持续至开挖结束停止冻结后10 d，这是由于第95 d停止冻结后冻土体尚未立即融化，所以地表未发生明显沉降，而因工后充填注浆导致地表上抬。 5)地表快速下沉阶段： 在105～140 d，冻土体开始融化，体积减小，土体在自重作用下压缩变形产生显著下沉。 6)融沉跟踪注浆阶段： 为防止土体发生过大融沉变形造成不良影响，在此期间根据地表变形进行跟踪注浆，因此导致地表变形反复波动。进行多次跟踪注浆后，地表逐渐趋于稳定。

总体上，地表变形规律与温度变化规律相对应。温度变化的前3个阶段(温度快速下降阶段、水相变阶段、温度继续下降阶段)冻结帷幕迅速向外扩展，冻结壁厚度快速增大，导致地表快速隆起，这与地表冻胀变形第2、3阶段相对应。温度变化的第4阶段至开挖结束，温度变化不大，这与地表冻胀变形第4阶段的结果相对应。

4.2 各断面最大沉降分析

图10示出各断面最大累计竖向位移。由图10可知，开机冻结后，冻结壁因冻结体积增大而向外膨胀变形，使得地表发生不均匀上抬，这与土体因冻结产生的冻胀变形相符。在整个冻结期间，由土体冻胀引起的地表变形不大，最大变形量为D4-5点的10.94 mm。该点位于联络通道正上方，这是由于联络通道中间应力无处释放导致。随着距联络通道水平距离增大，其产生的位移减小，且D4-5地表隆起值最大，向两侧逐渐减小。D2、D3、D4、D5排地表隆起最大值分别为测点D2-6、D3、D4-5、D5-5、D6-4，如图11所示，由此推测平面斜交联络通道地表隆起最大值分布线也是斜交，其斜交角度约为36.2°，与联络通道相近。由此推断，斜交联络通道地表隆起最大值分布线与冻结孔一致。且由图10可知，主线联络通道上方地表隆起值比副线联络通道上方地表隆起值大，这是由于主线处拱顶与拱底均为3排冻结孔，相比副线均多1排冻结孔。

正值为隆起，负值为沉降。

图10各断面最大累计竖向位移曲线

Fig. 10 Maximum cumulative vertical displacement curve of each cross-section

图11 75 d各测点竖向累计位移值(单位： mm)

Fig. 11 Vertical cumulative displacement of each measuring point in 75 days (unit： mm)

5 结论与建议

1)斜交联络通道采用Z型直墙圆拱结构形式，冻结采用平行于轴线的通长冻结孔加水平加强孔的冻结孔布置方案，本工程实践验证了其合理有效性。

2)冻结期间，各测点温度变化趋势大致相同。由于向外侧扩散时冷量损失较大，而向内侧扩散冷量流失较小，导致冻土帷幕往内侧扩展速率相比于向外侧扩展速率更快，大约为1.3倍。

3)由于平面斜交联络通道冻结管与测温孔倾斜，导致部分测温孔内部测点至冻结管的距离比外部测点小，并非隧道内直观所见间距，使得同一界面处测温孔内部与外部测点温度降至0 ℃的先后次序不一致。这与常规直交联络通道有所不同。

4)由于联络通道入口处与隧道直交但中部与隧道平面斜交，以及测温孔倾斜，使得同一测孔的不同测点与开挖边线距离不一。部分测温孔内部测点更接近于开挖边线，而部分测温孔刚好相反，使得开挖时温度回升测点分别为土体深处测点和界面处测点。这与常规直交联络通道的统一性区别。

5)加强冻结孔的存在对冻结起到积极推动作用，致使土体降温速率快，温度低，冻土帷幕厚度大。

6)斜交联络通道地表隆起最大值分布线亦倾斜，其倾斜角度约为36.2°，与联络通道倾斜角度几近相同。

7)因设计测温孔数量限制及施工过程中测温孔位置的偏差，本分析结果有限。今后可在冻结孔至冻结壁交界面处的内外两侧均布置2～3个测温孔，以分析斜交联络通道平行冻结孔及垂直隧道土体温度分布及发展规律。