富水卵石层冷冻法融沉控制措施分析

毕志华

摘要：为确保富水卵石层冷冻法联络通道结构完成后，在融沉阶段如何控制隧道结构变形、地面及管线等沉降，洛阳地铁1号线丽景门站～青年宫站区间联络通道在结构完成后，采用的融沉控制措施，有效解决了土体解冻后隧道结构及地面、管线沉降控制问题。本文对富水卵石层冷冻法联络通道融沉阶段技术措施进行分析阐述。

关键词：联络通道 冷冻法 融沉控制 充填注浆 沉降监测

1 引言

随着我国的地铁建设已经进入了一个新的时期，越来越多的二三线城市也开始修建地铁。由于我国幅员辽阔，地质条件与周边环境情况复杂，复杂的地质条件尤其是地下水丰富给地铁遂道施工带来一定的施工困难和风险。随着隧道挖掘技术的发展，采用盾构法在一定程度上解决了复杂地质和地下水对施工的影响，但盾构隧道的联络通道仍采用暗挖技术，为保证联络通道暗挖的安全，常采用冷冻法暗挖技术。冷冻法暗挖在开挖和结构施工完成后，土体在解冻期间会发生土体体积收缩沉陷，即融沉。因此融沉控制是冷冻法联络通道施工后期控制隧道变形与地表沉降重要技术措施。本文结合洛阳地铁1号线丽景门站～青年宫站区间联络通道在富水卵石层冷冻法施工实践，提出融沉阶段采取注浆及监测等技术措施，并对技术措施及效果进行论述。

2 工程概况

丽景门站～青年宫站区间（CK16+817.358～CK17+890.511）右线长度为1073.153m，左线长度为1077.469m，左右区间共长2150.202单线延米。本区间共设一座联络通道兼泵房，其中心里程为右CK17+410.658(左CK17+410.542）。联络通道结构净高2.55m，净宽2.5m，长约6.8m，顶部埋深约21.31m，地下水位埋深约为19.9m。联络通道地质情况上方从上至下依次为:杂填土、粉质粘土、卵石。联络通道处于卵石层范围内，且处于水位以下。

因地面场地条件显示，本联络通道施工采取“隧道内水平冻结加固土体、隧道内矿山法开挖构筑”的全隧道内施工方案。即：在隧道内利用水平孔和部分倾斜孔冻结加固地层，使联络通道外围土体冻结，形成强度高，封闭性好的冻结帷幕。在冻土中采用矿山法进行联络通道的开挖构筑施工，地层冻结和开挖构筑施工均在区间隧道内进行。

图1联络通道冷冻法剖面示意图

3 融沉控制技术措施

3.1融沉控制原则及分析

根据冻结法技术要求，结合本工程的特点，在联络通道主体结构完成后采用自然解冻、跟踪注浆的施工措施。过程中遵照多点、少量、多次、均匀的循序渐进原则，并根据隧道、地面、管线以及建筑物的沉降和解冻温度场的监测，适时调整注浆量和注浆时间间隔，确保沉降稳定。

在自然解冻过程中，冷冻站停止制冷，冻结管内盐水温度升高，与周围冻结土体进行热交换，土体中的水逐步随着温度升高逐步从固态转变为液态，地层开始融沉，因而联络通道所在位置的土体收缩，地表出现下沉，距联络通道中心距离越近，地表沉降位移越大。从下图变化曲线可以明显地看到，在升温前7天地表沉降位移微小，几近于零，但升温第9天地表沉降激增，最大达到2.77mm，这是因为融沉前期盐水温度依然处于较低水平，地层也未发生状态的转变，故地表位移变化很小，但在第7天到第9天之间联络通道周围大部分地层温度达到土体冻结温度临界点，土体状态发生变化，所以地表产生大幅沉降。

。

图2融沉阶段联络通道所在位置地表位移变化曲线

（a）升温第7天（盐水温度-11℃） （b）升温第9天（盐水温度-1℃）

（c）升温第12天（盐水温度10℃） （d）升温第18天（盐水温度20℃）

图 3 融沉阶段管片竖向变形图

盐水温度（℃）	融沉时间（天/d）	最大变形值/mm
		沉降	隆起
-26	2	32.28	41.56
-20	4	32.32	41.67
-11	7	32.35	41.85
-1	9	39.93	48.09
10	12	39.95	48.36
20	18	39.98	48.60

表1融沉阶段双线隧道管片竖向变形最大值汇总

由图3及表1可知，在融沉过程中管片在与联络通道连接处的顶部出现沉降变形，在底部出现隆起变形，随着温度升高、土体融沉变形值逐渐增大，在融沉阶段最后沉降最大达到39.98mm，隆起最大达到48.60mm。由于土体状态在第7～9天时发生变化，土中水由固态转化为液态，因而在融沉第7天与第9天之间的管片变形值有约7mm左右的大幅增长。

因此本联络通道在停止冻结7天后，且冻结孔封孔、结构混凝土达到设计强度70%时，进行充填注浆和融沉注浆。注浆过程中立足信息化施工，根据监测的沉降变化及时跟踪注浆，以控制融沉。

3.2融沉控制具体措施：

①严格控制注浆压力和注浆量不超过设计范围，结合每日监测数据，按照少注多次的原则，逐步控制地层沉降趋于稳定。

②当一天内联络通道沉降大于0.5mm，或联络通道累计沉降大于3.0mm时，应进行融沉补偿注浆；当联络通道隆起2.0mm时应暂停注浆。

③注浆时监测隧道收敛变形、地表沉降、地下管线沉降、周围建筑物沉降，在保证注浆压力作用下，报警值控制可控范围内。

3.3注浆孔的布置

通过在开挖临时支护阶段，预埋的60根DN40注浆管，深度至支护结构背后，联络通道及泵房集水坑共设置注浆孔57个，通道段注浆孔35个,间距1.4m；集水坑注浆孔24个。通道共布置3排注浆孔，每排7个；喇叭口共两排，每排7个；泵房集水坑布置24个注浆孔，分布在泵房集水坑的侧墙及底板。见图4、5

图4 注浆孔安装布置图 图5 注浆管结构示意图

3.4充填注浆

充填注浆目的主要是填充初支和土体之间的空隙。停止冻结后7天后开始充填注浆，注浆时结构强度必须达到设计强度70%以上。采用单液注浆泵。注浆材料采用水灰比1：0.8-1水泥浆，注浆压力不大于静水压力。注浆流量宜控制在15L/min左右。充填注浆分为6次进行，充填注浆量较大，前3次注浆量约为12m³，后3次注浆量约为4m³，由通道预留注浆孔均匀注入。注浆按由下而上的顺序进行，先将所有阀门开启，然后注底层注浆孔。待上一层注浆孔返浆后，停止本层注浆，进行上一层的注浆，顶部的注浆孔待下部注浆完成后注浆。

3.5融沉注浆

充填注浆结束5～7天开始融沉补偿注浆，并结合地层沉降监测情况调整注浆频率。当一天内联络通道沉降大于0.5mm，或联络通道累计沉降大于3.0mm时，应进行融沉补偿注浆；当地表隆起2.0mm时应暂停注浆。融沉补偿注浆遵循少量、多次、均匀的原则。

融沉注浆持续时间一般为3个月，实际工期以监测数据稳定性确定是否继续注浆。融沉补偿注浆浆液以单液浆为主，水泥—水玻璃双液浆为辅，采用P.O42.5水泥。水泥-水玻璃双液浆配比为：水泥浆和水玻璃溶液体积比为1：1，其中水泥浆水灰比为1：1，水玻璃溶液采用B40水玻璃和加1～2倍体积的水稀释。注浆压力不大于0.5MPa。注浆范围为整个冻结区域。注浆总流量控制在20L/min左右。将原冻土范围分为5个区域，由对应的注浆孔注浆。各区注浆孔分组间隔注浆。Ⅰ区和Ⅱ区在原冻土内侧和外侧注浆，Ⅲ区、Ⅳ区、Ⅴ区只在原冻土内侧注浆。每次注浆量根据地表沉降监测和温度场监测反馈进行适当调整。注浆压力也可根据注浆速度情况进行调整，但稳定后压力不大于0.5Mpa。当按0.5Mpa压力下注浆确实有困难时，可在分析注浆管、底层等原因后，对注浆压力、注浆量进行合理调整。注浆施工结束后，立即将注浆孔用双快水泥进行封堵密实，并用螺纹闷盖拧紧。

分区号	部位
Ⅰ	联络通道拱顶冻土部分
Ⅱ	联络通道侧墙冻土部分
Ⅲ	泵房集水坑侧墙冻土部分
Ⅳ	泵房集水坑端部冻土部分
Ⅴ	泵房集水坑底部冻土部分

表2注浆分区

图6注浆分区示意图

3.6融沉期间监测及结果

融沉期间加强地表以及隧道内的监测，对布设的测点实行24h监测，严格控制隧道的变形量在允许的范围内，一旦出现超标情况，立即采取加强注浆等应急措施。通过实际施工期间监测数据分析显示，地表沉降测、管线沉降测、管片拱顶沉降、管片净空收敛等项均处于安全可控状态。

2019-12-30	2020-1-30	2020-2-29	2020-3-31	2020-4-30
-3.9	-5.3	-4.7	-5.4	-5.1
2020-5-30	2020-6-27	2020-7-30	2020-8-31	2020-9-26
-5.1	-5.2	-5.1	-5.2	-5.5

表3变化最大地表沉降测点累计沉降量统计表(单位:㎜)

2019-12-30	2020-1-30	2020-2-29	2020-3-31	2020-4-30
-4.7	-4.1	-3.7	-4.2	-4.3
2020-5-30	2020-6-27	2020-7-30	2020-8-31	2020-9-26
-4	-4	-3.9	-4.3	-4.1

表4变化最大管线沉降测点累计沉降量统计表(单位:㎜)

2020-1-15	2020-2-15	2020-3-15	2020-4-15	2020-5-15
-1	-1.1	-1.1	-1.1	-1.2

表5变化最大拱顶沉降GGC-Z413测点累计沉降量统计表(单位:㎜)

2020-1-30	2020-2-29	2020-3-31	2020-4-30	2020-5-15
0.7	0.7	0.8	0.2	1.1

表6变化最大净空收敛测点累计沉降量统计表(单位:㎜)

4 结束语

在富水卵石层地质条件下，为确保联络通道开挖施工过程安全可控，常采用冷冻法开挖。采用冷冻法完成结构后，自然解冻过程中，通过采取有效的融沉控制措施非常重要。通过本文论述的注浆与监测相结合使隧道结构变形、地面及地下管线沉降得到有效控制，从而保证地面及周边环境安全，降低了后期变形沉降处理成本，为后续设备安装提供了良好的作业条件，有助于类似工程在施工实践的参考。

参考文献：

郑石.广州富水砂层地区联络通道底层冻结技术[J].广东建材，2013（2）.

侯献语.冻结法在地铁联络通道施工中的冻胀和融沉控制研究[J].科学技术创新，2017（15）.