地铁联络通道冻土帷幕薄弱部位及其成因分析*

董新平 井景凤 王余飞 张毅豪

(1.郑州大学水利与土木学院， 450001， 郑州； 2.洛阳市轨道交通集团有限责任公司， 471009， 洛阳∥第一作者， 副教授)

AGF(人工地层冻结)法为地铁联络通道的主要施工方法之一，尽管其工艺已较为成熟，但因冻结失败导致工程事故的案例仍并不少见[1]。如：2003年上海轨道交通4号线联络通道的涌水事故，2005年高雄捷运橘线联络通道泵站的流砂事故，均导致已建盾构隧道垮塌；2014年北京某联络通道1月15日开始冻结，3月12日冻结壁仍不交圈[2]。上述事故均与冻土帷幕的局部缺陷有关。

任何冻土帷幕局部缺陷的发生均不是偶然的，通常是多种因素综合作用的结果。对其进行多方位、多角度综合研究是事故防治的有效手段。文献[3-9]从管片散热、地下水、地层、冷排管形式、冻结管位置误差等方面研究了冻土帷幕缺陷产生的原因。冻结管布置形式对冻土帷幕温度场有重要影响[3]，冻结管布置有双排水平布置、双排放射布置、单排放射布置、双排+单排放射布置等形式。国内采用最多的是冻结管倾斜放射布置形式，且拱部和底部为双排管，边墙为单排管，实际冻结管开孔位置需避开管片接头，这使得冻结管间距在纵向和横向上呈现变化趋势。本文重点对冻结管布置形式影响进行研究，并从冻土帷幕温度场整体性状层面探究冻结失败的可能原因。

1 工程概况

某城市地铁1号线在DK21+972.000处设1座联络通道兼废水泵房，隧道埋深为15.3 m，所处地层为②92卵石、③93卵石层。其中，卵石地层中漂石占20%～40%，最大粒径为400 mm，渗透系数为80～120 m/d。卵石层为强透水层，且和附近河流有水力联系，水量丰富。

该联络通道采用矿山法+ AGF法施工。冷冻站布置在盾构隧道右线(南侧)，冻结管布置剖面如图1所示。其中，冻结孔69个(φ89 mm)，长2.5～11.1 m；测温孔8个(浅孔φ32 mm，深孔φ89 mm)，长2.0～6.0 m。

2 计算模型及参数选取

2.1 计算模型和边界条件

考虑对称性，以左线盾构隧道中心线和联络通道中心线交叉点作为原点，沿左线盾构隧道走向(z轴负向)建立分析模型(见图2)。

左、右线盾构隧道管片外径为3.1 m，内径为2.75 m，管片厚0.35 m。联络通道中心位置处左、右线盾构隧道的中心线距离为15.0 m。联络通道开挖宽度为3.8 m，冻结壁设计厚度为1.9 m。

自盾构隧道与联络通道交界中心，沿着左、右线盾构隧道z轴负向2.85 m范围内，在盾构隧道管片表面敷设保温层。该位置按绝热面处理，其余位置盾构隧道管片设为对流边界。

2.2 参数选取

根据盾构区间的地质勘察报告，主要计算参数见表1。

表1 不同温度下卵石地层的热力学参数

3 冻土帷幕纵向分布特征及薄弱部位

3.1 冻土帷幕性状定量分析

为对冻土帷幕整体性状进行定量评价，本文采用以下方法：

1) 将冻结壁发展演变过程按照关键特征温度细化分为4个阶段：I阶段——第I冻结区(即-1～-10 ℃带状冻结区域)形成，III阶段——第II冻结区(即-10～-20 ℃带状冻结区域)形成，IV阶段——第III冻结区(即<-20 ℃过度冻结区域)形成。第II冻结区(冻结壁)的形成及其厚度的发展过程是AGF施工的关键控制指标。

2) 对冻结帷幕特征等温线(如-1 ℃ 、-10 ℃、-20 ℃)的坐标进行计算。根据联络通道开挖轮廓线、冻土帷幕外轮廓线坐标，计算得到冻结壁位置及其厚度，并对其进行后续比较和性状评价。

3.2 拱部冻土帷幕

第45天时z=0剖面处模型的温度场分布如图3所示。图3中，根据坐标信息绘制了冻结壁外轮廓线(线1、线4)和联络通道开挖轮廓线(线2、线3)。

由图3可见，冻结壁的温度在纵向上不均匀，左线盾构隧道侧(北侧)主要位于第II冻结区，右线盾构隧道侧(南侧)主要位于第I冻结区。

冻结壁的温度在纵向上不均衡导致拱部冻结壁厚度在纵向上发生变化。以第45天为例，计算第II冻结区坐标，沿隧道纵向分布如图4所示。

由图4可见，拱部冻结壁从北侧向南侧厚度不均衡，距离左线隧道外侧1～3 m位置的冻结壁厚度最大，达2.2 m左右；在右线隧道开挖处，冻结壁厚度最小，约1.7 m。

由于拱顶冻结管以6°～10°上挑，使得南侧冻结管与开挖边界距离较近，故开挖边界温度较低；而在靠近北侧区域，由于冻结管与冻结边界较近，则冻结边界温度较低。

3.3 泵站区域冻土帷幕

z=0剖面处泵站下部区域冻结管编号、冻结壁外轮廓线及节点编号，如图5所示。

冻结管M4、N4的冻结壁交圈控制节点310的温度变化如图6所示。由图6可见，节点281和282的冻结历程基本一致；节点310第I阶段的开始时间为第10天，比邻近节点281晚3 d，该节点需18 d左右才能进入第I冻结阶段。

冻结管M4和N4的闭合处(见图5)是整个泵站区域的薄弱位置，该位置冻结壁的形成最晚。

4 冻土帷幕横向分布特征及薄弱部位

以x=7.5 m剖面为例，对联络通道边墙进行冻结分析。冻结壁演变如图7所示。

冻土帷幕随时间演变具有以下特点：

1) 联络通道拱部和底部采用双冻结管设计，冻结壁厚度较厚，而边墙是单层冻结管设计，冻结壁厚度相对较薄。

2) 第18天时，可完成联络通道中部区域第I阶段冻结壁交圈，其顺序依次为：底板M冻结管→侧墙D冻结管→底板与侧墙连接区域→拱部区域→拱部与侧墙连接区域(A6与D1、A12与D2)。拱部与边墙连接区域的冻结壁交圈时间最长，最容易成为涌水点。

第45天时，剖面x=5.0 m、x=7.5 m、x=12.0 m冻结线与联络通道开挖轮廓线坐标对比，如图8所示。

由图8可见，3个剖面的第I冻结锋线(0 ℃冻结线)均可以满足1.9 m冻结壁厚度的设计要求，但第II冻结锋线则局部不满足该要求：拱顶、底板的第II冻结锋线(-10 ℃冻结线)处有效冻结壁厚度为1.19～2.18 m，而侧墙处冻结壁厚度为1.04～1.38 m。冻结壁厚度的薄弱截面位于侧墙，其中左线x=5 m处的冻结壁厚度最薄(y=-0.45 m)，即联络通道北侧边墙部位冷冻管D5、D6和D7、D8之间区域(冻结管间距相对较大)是冻土帷幕的薄弱位置。

5 结语

1) 冻土帷幕整体性状定量评价方法可以准确揭示出任意时刻冻结壁、特征等温线等与联络通道开挖轮廓线和设计冻土帷幕之间的空间相对关系，便于实时监测冻土帷幕在纵向和横向的整体性状特征。

2) 联络通道冻结管单侧开孔和放射状布置形式，使得冻土帷幕整体性状在局部区域的冻结壁厚度和平均温度上存在薄弱点，增加了AGF法施工的控制难度。

3) 辅助冻结侧冻结壁厚度大于其设计值，平均温度较低；而主冻结侧冻结壁厚度小于其设计值，平均温度较高。主冻结侧的拱顶位置是冻结壁的薄弱点。

4) 联络通道泵站下部区域冻结管相交部位是冻结薄弱位置，该区域冻结壁形成最晚，第II冻结壁厚度最薄。

5) 联络通道拱部与边墙的角部连接区域冻结壁交圈时间最长，辅助冻结侧边墙部位冻结管间距较大区域的冻结壁厚度最薄，为冻土帷幕薄弱部位。

6)采用AGF法施工时，尤其在强透水性地层、附近有水源等高风险条件下，测温孔位置和长度的设计应覆盖薄弱点，施工中应对薄弱点进行重点监控。