地層凍結(jié)法在地鐵旁通道施工中的研究與應(yīng)用

谷明瑞

煤炭科學(xué)研究總院成功開發(fā)一整套水平凍結(jié)施工技術(shù)后,凍結(jié)法才開始廣泛引入市政及隧道工程領(lǐng)域,并相繼在北京、上海、廣州、南京、天津等地鐵得到廣泛應(yīng)用。由于地層凍結(jié)工法形成的凍土墻封水性好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),國內(nèi)外較多地應(yīng)用地層凍結(jié)工法加固旁通道周圍軟弱土體。本文重點(diǎn)以天津地鐵隧道某旁通道為主介紹凍結(jié)加固的施工技術(shù)。

1 工程概況

1.1 工程結(jié)構(gòu)

天津地鐵隧道采用盾構(gòu)法施工,設(shè)左、右兩條隧道,隧道外徑6 200 mm,凈徑5 500 mm。區(qū)間旁通道由與左、右線隧道正交的水平通道及通道中部的集水井組成(見圖1)。按設(shè)計,旁通道位置底板標(biāo)高為-21.082 m,左、右行線隧道中心線間距約11.022 m。

通道為直墻圓弧拱結(jié)構(gòu),集水井為矩形結(jié)構(gòu),通道和集水井均采用二次襯砌。通道的開挖輪廓高約4.583 m,寬3.3 m,局部(喇叭口處)高 5.05 m,寬 4.5 m;集水井開挖輪廓長 5.3 m,寬3.3 m,深 3.32 m。開挖區(qū)標(biāo)高范圍約為-13.704 m～-21.607 m。

為了避免在旁通道開挖構(gòu)筑時泥砂和地下水涌入,需要對旁通道附近的地層進(jìn)行凍結(jié)加固。

1.2 地質(zhì)條件

該項(xiàng)工程位于天津市河西區(qū),聯(lián)絡(luò)通道位置地面標(biāo)高+3.30 m,地下水位1.90 m。

凍結(jié)施工區(qū)域標(biāo)高范圍約為-12.0 m～-24.0 m。根據(jù)附近地層情況,旁通道施工范圍內(nèi)土層主要為⑤粉質(zhì)黏土和⑥1粉土及以下⑥2粉砂層和⑥3粉土層。由于工程所處地層主要為第四系河漫灘相沉積層,其孔隙比大、含水豐富、承載力低、容易壓縮、在動力作用下易流變,開挖后天然土體本身難以自穩(wěn),特別是集水井位置土層含水豐富、滲透性好,容易引起水砂凸出。因此,在施工旁通道時必須對施工影響范圍內(nèi)的土體進(jìn)行穩(wěn)妥、可靠的加固處理。

2 地層凍結(jié)加固施工方案

2.1 凍土帷幕形式

2.2 凍結(jié)設(shè)計參數(shù)

施工采用“隧道內(nèi)水平凍結(jié)加固土體,隧道內(nèi)開挖構(gòu)筑”的全隧道內(nèi)施工方案,即:在隧道內(nèi)采用凍結(jié)法加固地層,使旁通道外圍土體凍結(jié),形成強(qiáng)度高、封閉性好的凍土帷幕,然后在凍土帷幕中采用礦山法進(jìn)行通道及集水井的開挖構(gòu)筑施工。施工在旁通道周圍土層中布置水平凍結(jié)孔(或小角度傾斜凍結(jié)孔)凍結(jié)的方法,在旁通道外側(cè)形成一周與隧道管片緊貼的凍土墻,用以抵抗土層壓力,保護(hù)開挖構(gòu)筑面,確保泥砂和地下水不會進(jìn)入開挖工作面。

旁通道地層凍結(jié)加固設(shè)計需滿足以下基本要求:首先是圍護(hù)開挖區(qū),確保開挖和支護(hù)施工能安全順利地進(jìn)行,主要是要保證凍土帷幕有足夠的強(qiáng)度;其次,要便于隧道開挖和支護(hù),降低施工費(fèi)用,縮短施工工期。凍結(jié)施工參數(shù)見表1。

表1 主要凍結(jié)施工參數(shù)一覽表

3 旁通道地層凍結(jié)加固施工流程

在旁通道軸線方向,沿通道及集水井外側(cè)布置凍結(jié)孔,并在凍結(jié)孔中循環(huán)低溫鹽水,使凍結(jié)孔附近的含水地層結(jié)冰,形成強(qiáng)度高、封閉性好的凍土墻,然后在凍土墻的保護(hù)下打開拼裝鋼管片,進(jìn)行通道及集水井的開挖構(gòu)筑工作。凍結(jié)法加固旁通道地層的施工流程如圖2所示。主要工序?yàn)閮鼋Y(jié)孔施工,凍結(jié)站安裝運(yùn)轉(zhuǎn),旁通道開挖構(gòu)筑。

3.1 凍結(jié)孔施工

由于旁通道所處地層穩(wěn)定性差,遇擾動易流變、涌水涌砂,為減小鉆孔對地層的影響,凍結(jié)孔施工首次在天津地區(qū)采用水平鉆進(jìn)法與夯管法聯(lián)合施工凍結(jié)孔。

凍結(jié)管選用φ 89×8 mm低碳無縫鋼管,單根管材長度1 m～2 m。測溫管和泄壓管材質(zhì)同凍結(jié)管,供液管采用1.5″鋼管。地層凍結(jié)的凍結(jié)孔設(shè)計原則是保證凍土帷幕的封閉性、凍土帷幕的厚度及強(qiáng)度。根據(jù)施工基準(zhǔn)點(diǎn),按凍結(jié)孔施工圖布置凍結(jié)孔,孔位偏差不應(yīng)大于100 mm。凍結(jié)孔鉆進(jìn)深度根據(jù)圖紙尺寸應(yīng)不小于設(shè)計值且不大于0.5 m,或者以碰到對側(cè)隧道管片為準(zhǔn)。凍結(jié)孔偏斜值宜不大于200 mm,并采用經(jīng)緯儀燈光測斜,保證內(nèi)圈成孔最大間距小于1.6 m,外圈成孔最大間距小于1.4 m。由于在凍結(jié)造孔施工過程中可能會出現(xiàn)涌砂、涌水事故,因此施工時采用二次開孔工藝開孔,并安裝孔口密封裝置,防止凍結(jié)孔穿透隧道管片時和鉆進(jìn)時孔口涌水噴砂。

3.2 凍結(jié)站安裝

冷凍機(jī)采用一套YSLGF-300型冷凍機(jī)組,配備一臺200S42A鹽水泵,一臺 IS125-100/250型清水泵,兩臺DBNL3-50型冷卻塔,設(shè)備裝機(jī)容量171 kW。凍結(jié)站的制冷、鹽水及清水循環(huán)系統(tǒng)形成后,調(diào)試運(yùn)轉(zhuǎn)正常,即可轉(zhuǎn)入積極凍結(jié)。

3.3 旁通道開挖構(gòu)筑

經(jīng)過對凍結(jié)狀態(tài)的監(jiān)控和檢測,旁通道周圍土體加固厚度及強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后,即可打開鋼管片,進(jìn)行凍土開挖和結(jié)構(gòu)施工。開挖采用“新奧法”暗挖施工,短段掘砌,隨掘隨支,循環(huán)步距0.5 m～0.8 m;初次支護(hù)為型鋼加木背板,再掛網(wǎng)噴射混凝土,永久支護(hù)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土,中間設(shè)防水層。旁通道總體開挖順序?yàn)橄韧ǖ啦糠趾蠹┕ぁ?/p>

4 地層凍結(jié)加固效果

開機(jī)積極凍結(jié),凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常,凍結(jié)鹽水降溫速度較快,凍結(jié)5 d時間即達(dá)到-20℃,至3月5日,鹽水溫度降至-30℃,此后基本在此溫度狀態(tài)下運(yùn)行。凍結(jié)過程中由卸壓孔的觀測數(shù)據(jù)顯示,3月9日兩個卸壓孔壓力由最初的0.12 MPa開始明顯上升,至3月14日上升到最高壓力達(dá)到 0.35 MPa,表明凍土墻已成功交圈,比設(shè)計交圈時間提前6 d,表明小孔間距的設(shè)置以及凍結(jié)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)、低鹽水溫度的凍結(jié),加快了凍土墻的交圈時間。由測溫孔數(shù)據(jù)分析得出,凍土墻的凍土擴(kuò)展較快,凍土平均擴(kuò)展速度達(dá)35 mm,表2為旁通道凍土墻厚度,表3為旁通道各點(diǎn)凍土墻平均溫度,表明凍土墻的厚度及平均溫度均超過設(shè)計要求。

表2 旁通道凍土墻厚度

表3 旁通道凍土墻平均溫度

從開挖后凍土墻的凍土情況來看,凍結(jié)效果很好,暴露土體穩(wěn)定,無坍塌片幫現(xiàn)象,凍土強(qiáng)度較高,施工時須用風(fēng)鎬開鑿,為旁通道的開挖與支護(hù)施工創(chuàng)造了良好的施工條件。根據(jù)開挖后對凍土墻的量測,凍土墻厚度均在1.9 m～2.4 m之間(遠(yuǎn)大于1.6 m的設(shè)計凍土墻厚度)。

5 結(jié)語

1)凍結(jié)工法加固旁通道地層是一項(xiàng)臨時加固措施,施工前應(yīng)與業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理等單位密切溝通,做好工序轉(zhuǎn)換準(zhǔn)備,以及必要的管片孔位預(yù)留,在滿足凍土墻設(shè)計情況下,應(yīng)避免管片過多開孔,影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。2)地層凍結(jié)工法施工對環(huán)境污染少,占用施工場地小,隧道內(nèi)可設(shè)工作平臺且布置靈活,市區(qū)內(nèi)施工優(yōu)勢明顯。3)地層凍結(jié)工法作為含水軟土地層加固的特殊解決方案,實(shí)踐證明地層凍結(jié)是目前最為可靠的施工方法之一。在我國,大部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市所處地層松軟含水,隨著地鐵等地下工程的迅猛發(fā)展,地層凍結(jié)暗挖法施工技術(shù)的應(yīng)用也將越來越廣泛。

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