高梦怡

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

随着科学技术的日益创新和发展，越来越多的城市路网项目向纵深方向发展。轨道交通作为城市重要的道路交通设施，正不断在各个城市发展建设，密布的地下车站和隧道构成了城市的交通生命线。

自1993年国内首次将冻结法引入上海轨道交通1号线联络通道施工以来[1]，冻结法施工在地铁隧道联络通道中的应用日趋成熟。尤其在软土地区以及不稳定含水地层中，冻结法环保性能强，结构安全性高的优势，在周边环境复杂区域得到充分发挥。冻结法融沉阶段普遍采用自然解冻手段。自然解冻工艺成熟、造价低，但施工周期长，后期注浆难以保证，融沉对隧道结构及周边环境影响较大。受施工工期、周边环境等因素影响，为了控制融沉对隧道结构及周边环境造成的持续变形，部分联络通道采用强制解冻手段。

目前，针对自然解冻和强制解冻的对比研究主要集中在基本理论与技术研究[2]、对周边环境影响的预测方法[3]和冻土温度变化规律[4]等方面。因此，基于上海轨道交通13号线二期工程出场线和入场线2座单侧泵站项目，本文采取2种解冻方式，结合温度变化、空间距离等因素，对隧道结构变形及周边地表沉降的监测成果进行对比分析。

1 工程概况

入场线盾构段单侧泵站位于上海市浦东新区华夏中路高架西侧约43m。出场线盾构段单侧泵站位于上海市浦东新区三八河东侧约26m。两项目直线距离约500m。场地周边为空地，施工影响范围内无地下管线及建构筑物。出入场线单侧泵站位置见图1；出入场线单侧泵站部分参数对比情况见表1。

图1 出入场线单侧泵站位置示意图

通过图1、表1可以看出，出入场线单侧泵站在结构尺寸、地质条件、冻结壁设计厚度等内容上基本一致。

2 监测情况

2.1 隧道结构监测

隧道结构监测主要对单侧泵站两侧50m范围内的隧道垂直位移和横径收敛进行观测。

表1 出入场线单侧泵站概况对比情况表

隧道垂直位移监测点先密后疏布置，在泵站中心线对应钢管片的拱底位置布设1个测点，泵站中心线两侧10环（每环为6片宽度1.2m错缝拼装的混凝土管片）范围内每2环布设1个测点，10环范围外每4环布设1个测点，监测点按环号进行编号。

隧道横径收敛监测点布设在泵站两侧第1个混凝土管片上，然后在泵站中心线两侧10环范围内每2环布设1个断面，10环范围外每4环布设1个断面，监测点按环号进行编号。

2.2 周边环境监测

地面垂直位移监测范围为以泵站中心为圆心，半径为20m的范围。监测点布设情况如图2所示。

图2 泵站施工地面环境监测沉降点布置平面图（单位：m）

出入场线单侧泵站监测自钻孔施工开始，至融沉注浆完毕后隧道结构及周边环境数据达到稳定标准为止。为了解单侧泵站强制解冻与自然解冻对隧道结构变形及周边环境产生的直接影响，因钻孔、冻结、开挖及泵站结构施工所产生的位移在后文数据及分析中剔除。

3 监测成果与分析

3.1 隧道垂直位移监测

3.1.1 隧道垂直位移与空间距离的关系

将出入场线单侧泵站融沉注浆阶段隧道垂直位移监测数据进行汇总，为分析隧道垂直位移变化情况与空间距离的关系，绘制出入场线单侧泵站隧道垂直位移展开曲线图，如图3所示。

图3 出入场线单侧泵站隧道垂直位移展开曲线图

从图3中可以看出：

（1）隧道在单侧泵站中心位置呈盆式下沉。自然解冻产生的隧道垂直位移量为-9.8mm，强制解冻产生的隧道垂直位移量为-2.0mm，泵站中心位置在自然解冻下产生的沉降较强制解冻下大。

（2）泵站侧壁与冻结壁交圈位置处于盆式下沉边缘，相对中心位置上抬。自然解冻产生的隧道垂直位移量为-7.2mm，强制解冻产生的隧道垂直位移量为2.0mm，泵站侧壁与冻结壁交圈位置在自然解冻下产生的沉降较强制解冻下大。

（3）隧道在冻结壁以外位置产生的隧道垂直位移变化随距离增加而逐步减小，自然解冻产生的平均隧道垂直位移量为-0.8～-8.3mm，强制解冻产生的平均隧道垂直位移量为1.3～-1.0 mm。自然解冻和强制解冻对隧道沉降的主要影响区域在20m以内，及3D（D为隧道直径，6.2m，下同）范围内，影响量分别为0.3‰D和0.1‰D。强制解冻对隧道沉降的次要影响区域在20m以外，即3D范围外，强制解冻和自然解冻手段对隧道垂直位移影响量基本一致，影响量在0.1‰D以内。

3.1.2 隧道垂直位移与温度的关系

根据测温孔监测数据与冻结壁交圈位置隧道垂直位移累计变化量，绘制出隧道垂直位移-温度曲线图，见图4。

图4 出入场线单侧泵站隧道垂直位移-温度曲线图

从图4可以看出：

（1）强制解冻产生的隧道垂直位移整体变化量小于自然解冻。强制解冻产生的隧道垂直位移量在±3mm以内，自然解冻产生的隧道垂直位移量为-11mm。

（2）注浆施工完成后，强制解冻产生的隧道垂直位移变形速率逐渐趋缓，达到0.25 mm/℃。自然解冻产生的隧道垂直位移在解冻及注浆施工完成后，变形速率没有出现明显缓和趋势，达到0.48mm/℃。

整体来看，采用自然解冻手段对隧道垂直方向位移影响较采用强制解冻手段大。在泵站结构、冻结壁交圈及冻结壁以外位置的隧道垂直位移影响最大差异量分别为1.7‰D、1.4‰D和0.2‰D，即越靠近泵站中心位置的隧道垂直位移受解冻手段影响所造成的差异性越大。在注浆完成后自然解冻产生的隧道垂直位移变形速率是强制解冻的近2倍。

3.2 隧道横径收敛

3.2.1 隧道横径收敛与空间距离的关系

将出入场线单侧泵站融沉注浆阶段隧道横径收敛监测数据进行汇总，为分析隧道横径收敛变化情况与空间距离的关系，绘制出入场线单侧泵站隧道横径收敛展开曲线图，如图5所示。

图5 出入场线单侧泵站隧道横径收敛展开曲线图

从图5中可以看出：

（1）泵站侧壁与冻结壁交圈位置产生了相对明显的横径张开，自然解冻产生的隧道横径张开量为7.9mm，强制解冻产生的隧道横径张开量为9.0mm。融沉阶段强制解冻产生的隧道横径张开量略大于自然解冻。

（2）冻结壁以外位置产生的隧道横径变化随距离增大而逐渐减小，自然解冻产生的隧道横径变化量为2.6～6.3mm，强制解冻产生的隧道横径变化量为2.8～7.7mm。强制解冻对隧道横径的主要影响区域在20m以内，即3D范围内，影响量在0.5‰D～1.2‰D。强制解冻对隧道横径的次要影响区域为20m以外，即3D范围外，强制解冻和自然解冻手段对隧道横径影响量基本一致，影响量在 0‰D～0.5‰D。

3.2.2 隧道横径收敛与温度的关系

根据测温孔监测数据与冻结壁交圈位置隧道横径收敛累计变化量，绘制出隧道横径收敛-温度曲线图，见图6。

图6 出入场线单侧泵站隧道横径收敛-温度曲线图

从图6中可以看出：

（1）强制解冻产生的隧道横径整体张开量较自然解冻大。强制解冻产生的隧道横径收敛量在9mm以内，自然解冻产生的隧道横径收敛量在8mm以内。

（2）注浆施工完成后，强制解冻与自然解冻产生的隧道横径收敛速率逐渐趋缓，分别为0.4mm/℃和 0.8mm/℃。

综上所述，融沉阶段采用强制解冻手段对隧道横径的影响与采用自然解冻手段时基本一致，影响量均随距离增大而逐渐减小。在冻结壁交圈、主要影响区及次要影响区的隧道横径变化最大差异量分别为0.22‰D、0.19‰D和0.04‰D，即越靠近泵站中心位置的隧道横径收敛受解冻手段影响所造成的差异越大。在注浆完成后自然解冻产生的隧道收敛变化速率是强制解冻的2倍。

3.3 地表垂直位移

3.3.1 地表垂直位移与空间距离的关系

将出入场线单侧泵站融沉注浆阶段地表沉降监测数据进行汇总，为分析地表沉降情况与影响距离的关系，绘制出入场线单侧泵站地表垂直位移展开曲线图，如图7所示。

从图7中可以看出：

图7 出入场线单侧泵站地表垂直位移展开曲线图

地表垂直位移量与泵站中心地面投影距离成反比，距离中心越近则下沉越明显。0m至30.6m范围内，自然解冻产生的地表垂直位移量为-100.8～-10.2 mm，强制解冻产生的地表垂直位移量为-79.2～14.2mm，最大差异量为3.5‰D。

根据地表垂直位移展开曲线计算自然解冻与强制解冻线性趋势，可以看到2条趋势线随距离增加呈逐步接近状态，即随距离增加自然解冻与强制解冻对地表垂直位移影响的差异性逐渐减弱。

3.3.2 地表垂直位移与温度的关系

根据测温孔监测数据与冻结壁交圈位置地表垂直位移累计变化量，绘制出地表垂直位移-温度曲线图，见图8。

图8 出入场线单侧泵站地表垂直位移-温度曲线图

从图8中可以看出：

强制解冻产生的地表沉降速率较均匀，约为2mm/℃。自然解冻产生的地表沉降速率在注浆停止后有所增加，由1mm/℃上升到5mm/℃。因此在注浆停止后，自然解冻产生的地表沉降量超过强制解冻，并且差距逐渐增加。

综上所述，从空间上来看，强制解冻与自然解冻所产生的地表垂直位移分布规律基本一致，位移量与泵站中心地面投影距离成反比，且呈线性分布趋势。从温度发展规律来看，强制解冻产生的地表沉降速率较均匀，自然解冻产生的地表沉降速率在注浆停止后逐渐增加。

4 结语

（1）整体而言，从强制解冻与自然解冻对不同监测内容的影响上来看，强制解冻对隧道垂直位移、隧道横径收敛及地表垂直位移的影响程度普遍小于自然解冻。

（2）从空间影响距离角度来看，强制解冻与自然解冻对隧道垂直位移、隧道横径收敛、地表垂直位移最大差异位置普遍位于泵站侧壁与冻结壁交圈处，差异性分别为0.3‰D、0.5‰D和3.5‰D，说明2种解冻手段对隧道结构位移的影响差异性较小，而对周边环境变形的影响差异性较大。

（3）从温度变化过程角度来看，强制解冻与自然解冻在注浆过程中，对隧道结构位移和周边环境变形的影响整体差异不大。在注浆停止后强制解冻引起的变形速率逐步减小，自然解冻引起的变形速率未出现明显缓和。注浆完成后，强制解冻与自然解冻对隧道垂直位移、隧道横径收敛、地表垂直位移变形速率的影响差异均接近2倍。

（4）在结构尺寸、地质条件、冻结壁设计厚度等情况基本一致的背景下，强制解冻加速了土体融沉的进程，使得隧道结构位移及周边环境变形在注浆阶段得到较好的控制，后期变形情况稳定。而自然解冻在注浆结束后周边环境变形仍有继续发展趋势，对融沉控制较为不利。