软土地层冷冻法联络通道地表沉降研究

内容提要：软土地层盾构隧道联络通道施工多采用冷冻法，施工风险大。本文通过工程实际的监测数据分析软土地层中，冷冻法施工的联络通道地表变形监测情况，积极冷冻和维护冷冻期间会造成地层的隆起，而冷冻结束后进入融沉阶段，地面又会大幅度下沉，安全风险较大，通过excel软件进行数据分析，总结出软土地层冷冻法联络通道施工各个阶段和后期融沉阶段的监测情况，控制周边地面的安全。

关键词：软土地层 冷冻法 联络通道 地表沉降

中图分类号： TU74 文献标识码： A 文章编号：

1．工程概况

宁波市轨道交通1号线福明路站～世纪大道站区间隧道联络通道及泵站工程，联络通道位置里程为左线：K15+591.259，右线：K15+590.813，通道处线间距约13.4m。中心标高左线约为-15.009m，右线约为-15.191m，地面标高约为+3.21m。

联络通道由与隧道钢管片相连的水平通道和泵站构成。水平通道为直墙圆弧拱结构，通道采用两次衬砌（钢支架喷射混凝土）厚度为200mm。联络通道及泵站结构图见图1.1。

图1.1 联络通道及泵站结构图

2.工程地质

2.1地质条件情况

根据福明路站～世纪大道站区间联络通道部位的勘察资料，在联络通道及泵站施工深度范围内的土层主要为②2-2灰色淤泥质粘土和③2灰色粉质粘土夹粉砂层。其中②2-2灰色淤泥质粘土，流塑，土质不均，局部为淤泥，切面光滑，呈油脂光泽，干强度中，韧性中，无摇振反应；③2灰色粉质粘土夹粉砂层，软塑，土质不均，局部粉性较重为粉土，切面稍光滑，无光泽，干强度中，韧性中，无摇振反应。

2.2水文条件情况

场区地下水由浅部土层中的潜水及深部粉(砂)性土层中的承压水组成，其补给来源主要为大气降水与地表泾流，其排泄方式主要以蒸发形式排泄。

潜水主要赋存于浅部粘性土、粉性土中，地下水位随降雨、潮汛影响而略有变化，根据区域地质资料，地下水位变化幅度不大，一般在0.5～1.0m之间。

承压水主要赋存于中、深部粉(砂)性土中，⑤3层灰黄色砂质粉土和⑧1层灰色粉细砂地下水具承压性。承压水水位相对较稳定，⑤3层灰黄色砂质粉土和⑧1层灰色粉细砂中承压水水位埋深3.0～5.5m。

3.监测点布设及监测分析

3.1监测项目

根据设计要求，结合施工环境和工况情况，本工程的监测由通道施工安全监测、周围环境监测、主线隧道监测四部分组成，其主要目的是掌握通道、主线及周围环境、通道冷冻温度在通道施工期间的变形、变化，及时反馈给设计和施工，确保本工程及邻近建、构筑物的安全。

本工程监测项目见下表1。最主要的项目是地表沉降、地面建(构)筑物、管线沉降；隧道拱顶/拱底监测，水平位移、收敛监测。监测点的具体布设可根据实际情况作相应调整。测点布置见表3.1和图3.1。

表3.1联络通道监测项目表

3.2监测频率及周期

根据设计文件及相关规范要求，监测项目具体监测频率见表3.2，监测周期自通道钻孔施工开始至融沉注浆完成。

表3.2联络通道监测频率表

图3.2联络通道地面监测点布置图

监测频率可根据监测数据变化情况作相应调整，在融沉注浆时应根据注浆时间确定监测频率。遇超过报警值或异常情况时，根据具体情况及时调整监测时间间隔，加密监测频率，直至跟踪监测，以保证及时反馈信息。监测过程中可区分重点监测部位和非重点监测部位，对重点部位加密监测，对非重点部位适当调整监测频率。

3.3监测报警控制指标

表3.3监测控制标准表

4.监测点变形分析

4.1联络通道施工阶段及时间

联络通道冷冻孔施工：2011年5月10日～2011年5月25日；联络通道冻结施工：2011年6月3日～2011年8月23日；联络通道开挖施工：2011年7月20日～2011年8月2日；联络通道构筑施工：2011年8月3日～2011年8月23日。

4.2地表沉隆监测分析

4.2.1福世区间联络通道2011年5月10日开始冷冻孔施工，2011年8月23日结构施工完成，四个施工阶段的地表沉降监测数据详见下图：

图4.1D1-D3地面沉降监测断面沉降量―时间变化曲线图

图4.2D3-D5地面沉降监测断面沉降量―时间变化曲线图

4.2.2福世区间联络通道施工完成后，进入土层融沉阶段，施工过程中通过融沉注浆控制地面的大幅度下沉，融沉及工后长期沉降监测数据详见下图：

图4.3地面累计沉降量~时间曲线图

4.2.3监测数据分析结论

从图4.1、4.2、4.3可以看出，地面变形可根据施工过程区分为四个阶段：

第一阶段：冻结孔施工阶段。主要表现为地面沉降，沉降量不大，最大值为-5.7mm。主要是因为在冻结孔施工过程中，有部分水土流出冻结孔，地层发生了一定的损失，后期为了减少地面沉降，在每个冻结孔施工完成后进行了注浆。这样就有效地控制了地面沉降。

第二阶段：冻结阶段。冻结前期（约13天）土体温度下降较大；未冻区土体中的水分急速向冻结区迁移、集聚，使冰晶体逐渐增大，土体的体积发生膨胀快，地表隆起较快，见图1、2：2011-6-7至2011-6-20；冻结后期随着土体温度进一步下降至0℃以下，拟建区域内没有更多的自由水供给，土体膨胀速度减缓。土体温度下降到一个比较低的温度后，冻胀基本停止，地面隆起量减小，从图中可以看出，在2011年6月20日至2011年7月18日变化曲线图比较平稳。

第三阶段：开挖及结构构筑阶段。这一阶段的主要特征是地面隆起速率减小至几乎为0；沉降变化明显，未发生大的沉降，累计变化量最大值远小于设计允许值，亦沉降速率较小。主要是因为冻结帷幕交圈达到了设计效果，再之在开挖过程中采取了及时支护和继续进行土体冻结。

第四阶段：融沉注浆。这一阶段分为壁后注浆和隔沉注浆。从图4.1、4.2中可以得出，在结构施工完成后，地面沉降最大为-12.8mm（-2.13mm/d），沉降速率相对较小。从图4.3可以看出，自2011年8月23日以后地表沉降速率加快。由于联络通道的特殊性，通道顶板内的砼浇筑较为困难，壁后存在较大的空隙，冷冻设备拆除后，壁后注浆的不及时以及注浆量、注浆次数较少，在一定程度上加快了土体的中水的溶解，同时增加了土体的自重压力，从而进一步加快了地表沉降。

因周围地表环境要求不高，采取自然解冻方法。当土层解冻时，冰晶体开始慢慢融化，地面开始下陷，出现融沉现象。为了防止解冻造成地面较大沉降，利用预埋注浆管进行了注浆处理。

从表1可以看出在融沉注浆后，平均变化速率为-0.13mm/d,而根据现有可参照规范《旁通道冻结法技术规范》上海DG/TJ-902-2006中“9.6.8-冻结壁已全部融化后，地层沉降持续一个月每半个月不大于0.5mm,可停止融沉补偿注浆。”可以得出，宁波地层并未达到上述规范中所要求的变化速率。

5.地表融沉变化规律探讨

取联络通道的一个横向和一个纵向断面监测点的监测数据进行分析，具体分析结果如下：

5.1横向断面沉降分布图

图5.1 横向断面沉降分布图

5.2纵向断面沉降分布图

图5.2纵向断面沉降分布图

5.3纵横段分析结论

5.3.1垂直于联络通道距开挖面影响范围约13.5~15m，平行于联络通道距开挖面影响范围约7.0～11.8m。

5.3.2地表隆起主要发生在积极冷冻时期，持续时间约13天，冷冻影响影响范围分布在0～9.2m，隆起最大区域在6.5～9.2m。

5.3.3土体自然解冻后（约3个月），后续沉降速率在某一区间内，此旁通道在「-0.6，-0.4mm。

5.3.4监测点同一断面联络通道拱顶上方产生的变形最大，两边依次减小。

6.结束语

通过对各阶段监测数据分析，可以看出福～世区间联络通道施工控制措施有效，整个通道在融沉注浆前并未对周边环境产生较大的影响，为以后联络通道在施工过程积累了宝贵的经验。本联络通道处于软土地区主要以②2-2灰色淤泥质粘土和③2灰色粉质粘土夹粉砂层，土质较差，地质条件决定了沉降速率要达到稳定需要一个较长时间。

[1]周文波 《盾构法隧道施工技术及应用》 中国建筑工业出版社 2004.11

[2]GB 50446-2008 《盾构法隧道施工与验收规范》2008.6

[3]陈馈等主编 《盾构施工技术》 人民交通出版社 2009.5