北京某富水砂层联络通道冻结法设计施工研究

郭建涛，孙立柱，油新华

(1.中国建筑股份有限公司技术中心，北京 101300；2.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082)

1 工程概况

1号联络通道位于北京地铁7号线东延工程万盛南街西口站—云景东路站区间。采用明挖法、盾构法施工，其中，里程左线K32+279.578—K34+60.548为盾构法施工，K34+60.548—K34+86.878为明挖法施工；右线K32+279.578—K34+86.878均为盾构法施工。1号联络通道设置于规划万盛南街(规划荟萃南大街)绿化带内，1号联络通道中心里程右K32+700，覆土约21.5m，左、右线中心距为16m，左、右线隧道中心标高为-0.231m，地面标高约22.960m。联络通道平面布置如图1所示。

图1 7号线东延工程万云区间联络通道平面布置

2 工程地质及水文条件

1号联络通道开挖范围内土层主要由⑥粉质黏土层、⑦粉细砂层、⑧粉质黏土层 、⑧2黏质粉土～砂质粉土层、⑨细中砂层组成，拱部以上为较厚饱和水砂层，基底位于⑨细中砂层，加固范围主要为细中砂层、粉质黏土层。

层间水主要含水层为④3粉细砂层、④2砂质粉土黏质粉土层、⑤细中砂层、⑤1砂质粉土黏质粉土层、⑤4中粗砂层、⑦粉细砂层、⑦1中粗砂层，主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流方式排泄，水头埋深为9.75～12.00m，水头标高为10.160～13.190m。承压水主要含水层为⑨细中砂层、⑨4中粗砂层、⑨3圆砾层，含水层分布连续，水头埋深为15.78～18.58m，水头标高为3.890～7.160m，主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流、人工开采方式排泄。本工程联络通道开挖范围内主要为承压水，其中1号联络通道进入承压水中，水头高出联络通道2.6m。

3 冻结设计及参数选取

冻结法是向地层中打入钢管，在钢管内循环流动低温盐水，将地层内的热量带出，使地层慢慢冷却到 0℃以下结成冰块，形成一个密闭的坚硬壳体，不仅可承受四周水土压力，还能隔绝地下水，保证施工安全。

目前，已有国内外专家采用现场实测、数值模拟 和室内试验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系统研究。为确保工程安全，本文采用有限元和经典结构力学2种计算方法，确定1号联络通道冻结法的设计参数及冻结范围。

3.1 冻结壁设计

水平通道外围冻结壁有效厚度初步设计为2.2m，冻结壁平均温度≤-10℃。设计取-10℃冻土，弹性模量为120MPa，泊松比为0.25，抗压强度3.6MPa，抗折强度2.0MPa，抗剪强度1.5MPa。冻结法联络通道断面如图2所示。

图2 冻结法联络通道断面

3.2 有限元计算

联络通道冻结壁力学分析采用均质线弹性三维模型，考虑结构埋深较深，初始地应力产生的变形对冻结壁影响较大，故采用中间未冻土开挖进行模拟计算。冻土力学特性参数取冻结壁平均温度下的冻土力学特性值，计算模型如图3所示。

图3 通道冻结壁有限元计算模型

采用有限元法进行冻结壁的受力分析与变形计算，1号联络通道有限元计算结果如图4所示，存在应力集中现象，计算冻土壁安全系数如表1所示，计算所得变形为弹性变形，未考虑开挖后未开挖部分土体作用，因此，计算和实际相比偏于安全。

图4 1号联络通道有限元计算结果

表1 1号联络通道冻结壁应力、位移计算值及安全系数

3.3 经典结构力学计算

冻土壁承载力验算采用许用应力法，根据DG/TJ 08—902—2016《旁通道冻结法技术规程》中的Ⅲ类冻结壁强度检验，安全系数取抗压强度2.0，抗折强度3.0，抗剪强度2.0。

冻结壁顶面所受土压力根据开挖向下变形特性按主动土压力计算，侧面承受水土侧压力，静止侧压力系数按0.4计算，土的平均重度取18.5kN/m3，正常断面荷载值为HZ1=200.020kPa，HZ2=181.228kPa，HZ3=146.633kPa，HZ4=366.583kPa，未记地面超载20kPa及侧向超载8kPa。计算模型如图5所示，荷载计算简图如图6所示，计算结果如图7所示。

图5 计算模型

图6 荷载计算简图

图7 经典结构力学计算结果

冻结壁最大应力、位移计算值及安全系数如表2所示。

表2 冻结壁最大应力、位移计算值及安全系数

4 冻结施工流程及地表沉降监测

1号联络通道冻结法施工流程为：施工冻结孔、测温孔、卸压孔→管路连接、开机调试→积极冻结→开挖构筑施工，如图8所示。

图8 冻结施工流程

施工过程中选取1号联络通道中部断面为监测对象，以1号联络线中心线为中心，两侧分别布置5个点，监测点间距为2m，共计10个监测点，地表最终变形如图9所示。

图9 1号联络通道中部断面地表变形

由监测数据可知，1号联络通道最大沉降变形值为14.24mm，满足地铁规范规定的变形要求(规范要求≤20mm)，因此，上述设计保证了施工安全。

5 结语

综合2种计算结果，通道部分的冻结壁强度和刚度均满足相关规范、规程要求。虽然水平通道中间部位位移较大，但水平通道中间是通道段的最后施工部位，在开挖时间内冻土作用还有一定发展，可保证施工安全。

因此，冻结壁设计参数取1号联络通道及泵站冻结壁厚度≥2.2m，冻结壁平均温度≤-10℃能满足施工要求。