常州軌道交通一號線地質特征及人工凍結法試驗取樣分析

徐敏　羅元喜

【摘 要】地鐵建設中的上、下行隧道的聯絡通道，在一些地下水較為豐富的地區在其施工過程中存在著較大的風險。人工凍結法以結構適應性強、無環境污染、隔水性好等優點在聯絡通道施工中常被采用。而之前未有常州地區凍土物理力學參數相關試驗研究資料，本文以常州地鐵I-01標段新龍車輛段出入場線及4個盾構區間的聯絡通道場地典型土層為研究對象，分析了常州軌道交通一號線地質特征及凍土試驗取樣特點，可為常州區域軌道交通工程建設提供參考。

【關鍵詞】聯絡通道；凍結法；取樣；軌道交通建設

隨著常州經濟高速發展，城市化水平不斷提高，城市交通壓力持續增大，中心城區道路交通容量已基本飽和。為有效解決常州長遠交通問題，建立以軌道交通為骨干、以公共交通為主體的現代化、多層次的綜合交通體系，是必經之路。軌道交通建設不僅促進實現區域交通一體化、還能帶動長三角區域經濟協調發展，軌道交通建成后，常州市將更好融入長三角1小時、2小時經濟圈中。

在多數地鐵隧道建設中，為保證隧道的防災抗災安全，一般會在兩條平行隧道之間設置橫向聯絡通道。聯絡通道的施工，不僅要考慮自身結構和地面建筑物的安全，更要確保主隧道的穩定，但其安全防護系統遠不如主隧道完備[1]。尤其在孔隙比大、含水豐富、高壓縮性的敏感性地層中，開挖后土體難以自穩的情況下，必須選擇合適的施工方法，才能保證施工安全及減小對周圍環境的影響。因不同地質條件及施工要求，聯絡通道施工有多種方法。在諸多方法中，人工凍結法[2-4]以其封水性好、強度高、適應性強、無污染以及超強的可控性和實用性被沿海城市廣泛的應用，例如上海、廣州、天津等。人工凍結法是特殊環境和工程地質條件下一種重要的地下工程施工方法，人工凍結法能夠適應各種復雜的工程地質和水文地質條件，如軟土、含水不穩定層、流砂、高水壓及高地壓地層。該項技術在德國、法國、美國、加拿大的地鐵、隧道、基坑等地下工程及環境保護中廣泛應用[5]。本文主要針對常州軌道交通一號線地質特征及人工凍結法試驗取樣展開分析。

1 常州市軌道交通全線概況

常州市軌道交通1號線一期工程由武進區南夏墅至新北區新龍，起點站為南夏墅站，終點站為北海路站，線路全長約34.237km；起點南夏墅站至陽湖路站采用高架敷設方式，陽湖路站后設置高架至地下過渡段，至終點采用地下敷設方式，其中高架線長2.189km，地下線長31.635km，敞開段長0.413km；共設29座車站，其中地下車站27座，高架車站2座，平均站間距1207m。設一段一場，在鳳棲路西側、鏡湖路南側設城南停車場，在長江路東側、創業路南側設新龍車輛段。

在茶山站附近旁設控制中心，1號線一期工程共有7座車站與5條軌道交通線換乘（龍躍路站與規劃3號線換乘、武進區站與規劃6號線換乘、茶山站與規劃4號線換乘、文化宮站與規劃2號線換乘、翠竹站與規劃5號線換乘、漢江路站與規劃6號線換乘、常州北站站與規劃3號線換乘）。在大學城北站、同濟橋站、龍虎塘站附近共設置3座主變電所。在文化宮站西北象限設1、2號線間聯絡線。

2 場地工程地質條件分析

2.1 場地地形地貌

常州市地處長江下游三角洲蘇南平原，區域內平原可進一步劃分為長江漫灘平原區、沖湖積高亢平原區、滆湖平坦水網化平原區、太湖平坦水網化平原區、湖沼平坦水網化平原區等五個地貌單元。

Ⅰ-KC-01標段沿線除常州北站附近外多為農田、村莊和工廠，長江北路沿線有水管、電力、通信管線分布，鄉村道路附近有部分農村用的水管、電力、通信線路。

Ⅰ-KC-02標段從市民廣場站起，至常州北站止，從市民廣場站～黃河路站，擬建線路在新北區中心城區穿行，沿線均為城市主干道和重要商業街區，兩側高樓林立，道路交通繁忙，地下管線遍布密集，周圍環境復雜；從黃河路站～常州北站，擬建線路位于郊區，需依次下穿滬寧高速公路、滬寧高速鐵路等重要交通線，除龍虎塘站～華山路站在穿越藻江河后需近距離穿越現有住宅小區外，其余大部分區域，擬建線路主要位于郊區待開發空地內，周圍環境一般。

Ⅰ-KC-03標段沿線均為城市主干道和重要商業街區，沿線兩側高樓林立，交通繁忙，地下管線遍布密集，錯綜復雜，沿線的場地環境條件對軌道交通工程影響較大。

Ⅰ-KC-04標段沿武進區花園街→大學城→鳳棲路，沿線道路交通繁忙、兩側建筑物林立、各類地下管線遍布，錯綜復雜。其中線路下穿中防花園商貿城（人防綜合）工程、下穿常州機電職業技術學院圖文中心大樓等處建設環境復雜。Ⅰ-KC-04標段需穿越的建（構）筑物有長虹路高架、常州機電職業技術學院圖文信息大樓、武南河鳳棲橋等，以上建（構）筑物下均有樁基礎，地下障礙對軌道交通工程施工影響較大?；▓@街兩側地下工程較多，在基坑開挖過程中，一般采用了土釘墻、排樁、錨桿等支護措施，部分土釘、錨桿可能進入軌道交通建設范圍線以內，對后續軌道交通工程基坑開挖、盾構均可能產生影響。

2.2 水文地質條件

2.2.1 地表水類型

常州市北臨長江，南瀕太湖，區內地表水系極為發育，為太湖上游高水網區。境內河流縱橫，湖蕩棋布，連江通海。主要河流有長江、京杭大運河、北塘河、采菱河、夏溪河、新孟河、 武宜運河、武南河等，湖泊主要有太湖、滆湖。長江主要位于擬建場地北面，河床寬4～12km，水深30～40m，主要洪水期在7～9 月。根據觀測站資料，最大洪峰徑流量約10萬m3/s，最小徑流量約6000m3/s，多年平均徑流量約3萬m3/s，江水平均流速1m/s 左右。

全線聯絡通道都位于地下，與上部地表水無直接聯系。

2.2.2 地下水類型

根據本次初步勘察結果，場地地下水主要為孔隙潛水及承壓水。

孔隙潛水主要賦存于①層填土中。①層填土，土質較松軟，由軟-可塑狀粉質粘土組成，夾碎塊及植物根莖，厚度不均，富水性一般，透水性一般，主要補給源為大氣降水、人工用水、地表逕流，以大氣蒸發作用排泄。潛水水位埋深約為0.50～2.60m，水位標高約為1.83～4.60m，年變化幅度約為0.5m。

承壓水分為第Ⅰ層承壓水和第Ⅱ層承壓水。第Ⅰ層承壓水主要埋藏于⑤1、⑤2、⑧2層粉土、粉砂中，其中⑤1、⑤2為Ⅰ1承壓含水層，⑧2為Ⅰ2承壓含水層，其主要補給源為滆湖水的側向補給，排泄途徑亦相同，水量較豐富。第Ⅰ1承壓水埋深為地面下3～10.3m，水位標高約為-5.27～2.63m。Ⅰ2層承壓水埋深為地面下6.79～11.2m。第Ⅱ層承壓水主要埋藏于⑨4、⑩1層砂土中，主要通過側向徑流補給，曾經是常州地區工業用水抽汲的地下水，自2004年對第Ⅱ承壓水禁采以后，該承壓水水位逐漸回升，水位年變化幅度很小。

2.3 不良地質與特殊性巖土

2.3.1 不良地質作用

1）地面沉降和地裂縫

地面沉降是常州市域平原區主要的地質災害類型，主要是長期強烈開采地下水所引起的。

地面沉降與地裂縫對軌道交通工程危害較大。由于地層構造、抽水量等差異使得城市各地區的地面沉降量和沉降速率會有所不同，長期積累下去，地面沉降會產生沉降漏斗區，漏斗區內的地層沉降遠大于其它地區的沉降，局部地段甚至可能發生地裂縫災害。當隧道穿越沉降漏斗區時，位于漏斗區內的隧道沉降明顯比漏斗區外隧道的沉降大，使得相鄰盾構隧道管片間有較大的差異變形，這將極大地影響隧道的正常運營。擬建軌道交通的建設和運營，應對地面沉降和地裂縫的危害和危險性予以足夠重視。

2）砂土

全線聯絡通道影響范圍內的砂性土層主要有⑤1粉砂夾粉土、⑤1-1粉土、⑤1-2粉砂夾粉土、⑤2粉砂、⑤2A粉砂夾粉土、⑤3粉砂夾粉土、⑧2粉土夾粉砂。砂性土對凍結法的施工的影響主要為砂性土一般存在承壓水層，如果水流過快，會帶走溫度，影響凍結壁的形成。

2.3.2 特殊性巖土

全線聯絡通道影響范圍內特殊性巖土主要為軟土，②3層淤泥質粉質粘土為軟土層，具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高等不良工程特性。凍結法施工解凍后易產生較大變形，從而易造成地基、管線和周邊構筑物沉降量過大、不均勻沉陷或基礎面側向滑動等問題。

3 凍土試驗取樣

常州市軌道交通1號線一期工程共劃分為五個標段，標段所有出入場線及盾構區間聯絡通道場地主要第四系松散沉積物，其巖性主要為軟土和粉細砂層，結構松散，地下水較為豐富，擬采用凍結法施工，本次凍土物理力學特性試驗研究主要針對I-01標段。I-01標段聯絡通道分布在新龍車輛段出入場線及4個盾構區間內（除新龍站～北海路站設置2個聯絡通道外，其余各區間均設置1個聯絡通道），擬采用凍結法施工。

本次取樣采用鉆孔取樣，土樣尺寸統一為■92mm×250mm。依據《城市軌道交通巖土工程勘察規范》（GB 50307-2012）和《巖土工程勘察規范》（GB50021-2001）。

取原狀土樣主要在粘性土、粉土和砂土中進行，取樣位置視土層的埋深及厚度變化情況而定，聯絡通道周邊距結構上下6m范圍內取樣間距為1.0～1.50m，確保每層取土試驗數據不少于18個Ф92×250mm土樣。

每層土層做1 組凍土的物理力學特性指標。主要應包括不同溫度（-5℃、-10℃、-15℃）的凍土抗壓強度、凍土彈模、凍土泊松比，-10℃凍土的剪切強度、-10℃凍土的抗折強度、-10℃凍土的蠕變參數，融沉系數、凍土導熱系數、凍脹率等。

4 結論

地鐵建設中的上、下行隧道的聯絡通道，既有保證乘客在必要時進行安全疏散功能，又起到地鐵運營中兩車站間的集排水作用。在一些地下水較為豐富的地區在其施工過程中存在著較大的風險性，應對處理難度大，這一技術難題越來越引起人們的重視。

人工凍結法以結構適應性強、無環境污染、隔水性好等優點在聯絡通道施工中常被采用。而之前未有常州地區凍土物理力學參數相關試驗研究資料，參考其他地區參數會對工程帶來很多不確定性。而之前未有常州地區凍土物理力學參數相關試驗研究資料，本文以常州地鐵I-01標段新龍車輛段出入場線及4個盾構區間的聯絡通道場地典型土層為研究對象，分析了常州軌道交通一號線地質特征及凍土試驗取樣特點，可為常州區域軌道交通工程建設提供參考。

【參考文獻】

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[2]楊平，佘才高，董朝文，柯潔銘，張婷.人工凍結法在南京地鐵張府園車站的應用[J].巖土力學，2003，24：388-391.

[3]Wind H. The soil-freezing method for large tunnel construction[J]. Engineering Geol， 1979（13）： 417-423.

[4]GallavresiF.Consideration on the choice among the different freezing method and competitiveness of the system as compared to alternative solutions[C]//8.In：YuXiang，WangChangsheng，eds.Groundfreezing91. 1991（l）： 319-324.

[5]Zheng X Q， Flerch inger G N. Infiltration into freezing and thawing soils under differing field treatments[J]. J.Irring.and Drain Engrg， 2001， 127（3）： 176-182.

[責任編輯：楊玉潔]