越江隧道聯(lián)絡通道凍結法信息化施工技術

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063； 2.武漢地鐵集團有限公司，湖北 武漢 430077)

王金龍1 倪正茂2

越江隧道聯(lián)絡通道凍結法信息化施工技術

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063； 2.武漢地鐵集團有限公司，湖北 武漢 430077)

著重介紹了凍結法信息化施工的三大組成模塊，以武漢市軌道交通江漢路站至積玉橋站區(qū)江底3號聯(lián)絡通道凍結工程為背景，利用量測系統(tǒng)和儀器實時收集現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)并加以分析處理，根據(jù)分析結果對積極凍結階段與開挖構筑施工階段凍土帷幕的安全狀態(tài)進行了評判，及時有效反饋到施工中，以確保施工過程安全、經(jīng)濟、高效。

隧道，高水壓，凍結法，信息化施工

隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展以及城市化進程的加速，為滿足交通需求，許多城市都興起了軌道交通建設的熱潮。越來越多的越江及越海隧道將會修建，凍結法作為地層加固的一種方法在止水效果上有著明顯的優(yōu)勢，因此凍結法廣泛應用于修建區(qū)間隧道聯(lián)絡通道、盾構進出洞止水加固地層、隧道修復等工程。然而，凍結法在發(fā)揮其獨特優(yōu)越性的同時，由于其施工工藝的特殊性，施工中如果不能及時掌握現(xiàn)場的量測信息，不僅對凍結施工起不到指導作用，很有可能導致工程的失敗，甚至造成災難性的后果。

1 信息化監(jiān)測

人工地層凍結信息化施工就是在施工過程中，通過設置各種測量元件和儀器，實時收集現(xiàn)場溫度場、應力場、位移場等實際數(shù)據(jù)并加以分析，根據(jù)分析結果對原設計和施工方案進行必要的調整，并反饋到下一施工過程，對下一階段的施工過程進行分析和預測，從而保證工程施工安全、經(jīng)濟地進行。因此，要進行信息化施工，應當具備一些條件：1)有滿足檢測需要的測量元件及儀器；2)可實時檢測；3)有相應的分析預測模型和方法；4)應用計算機。具體主要包括三個方面：信息采集、信息處理和信息反饋。

1.1 信息采集

人工地層凍結工程信息可分為施工前地質勘測信息和相應土層凍融狀態(tài)下土工參數(shù)及熱物理參數(shù)信息的采集、施工過程中的信息采集以及施工過程中地質信息的采集。施工前地質勘測信息的采集包括工程地質、水文地質信息等，土層凍融狀態(tài)下土工參數(shù)及熱物理參數(shù)信息的采集包括土層含水量、結冰溫度、導熱系數(shù)、比熱、熱容量等。凍結階段的信息采集主要包括凍結系統(tǒng)的運行參數(shù)、凍土帷幕的溫度場及由凍結引起的應力場、位移場變化情況等；開挖階段的信息采集除包含凍結階段的信息外，還包括開挖面溫度、凍結壁變形情況等。

1.2 信息處理

信息處理是將施工監(jiān)測中采集到的信息按照相關理論進行分析處理，其目的是把分析處理的結果反饋到施工、設計中去，對施工、設計提出改進性意見或修改方案，從而達到指導施工和完善設計的目的。對于凍結施工，現(xiàn)階段一般采用“多點多線式”或基于離散點的“一線總線式”量測技術，這些方法獲得的都是離散點的溫度信息，不能測量整個待測區(qū)域的溫度，供推斷凍結壁發(fā)展情況的信息量相對較少。因此，在溫度信息的處理分析時，需要由局部信息及時推斷整個待測區(qū)域的溫度情況，確保工程施工安全。隨著數(shù)值模擬技術及反分析技術研究的不斷深入，依據(jù)離散點的溫度信息采用有限元分析軟件反推凍土的熱物理指標，再根據(jù)反分析獲得的凍土的熱物理指標，采用有限元計算方法，推求整個待測區(qū)域的溫度信息并確定凍土帷幕的性狀(有效厚度和平均溫度)，同時預測下一階段凍土帷幕的性狀。

1.3 信息反饋

信息反饋是將采集到的信息經(jīng)處理后及時有效的反饋到設計、施工中去，一方面，做到完善設計、指導施工，確保工程安全、經(jīng)濟的進行；另一方面，可以為類似地質條件的工程提供第一手可靠的經(jīng)驗資料。凍結孔施工階段，主要反饋凍結孔的成孔信息，根據(jù)這些信息為凍結孔的成孔質量做出評價；凍結施工階段，主要反饋溫度信息及因凍脹引起的應力、變形信息，通過這些信息指導工程施工；開挖構筑施工階段，主要反饋凍土帷幕的溫度信息、開挖面的溫度信息及凍土帷幕變形信息，通過這些信息及時調整開挖的施工工藝。

2 工程實例

2.1 工程概況

武漢市軌道交通2號線一期工程江漢路站—積玉橋站越江區(qū)間隧道，區(qū)間長3 092.543 m(右線)，采用盾構法施工。為了滿足區(qū)間防災和排水要求，區(qū)間內共設置5條聯(lián)絡通道。其中1號、4號聯(lián)絡通道分別設于漢口、武昌風井內。2號聯(lián)絡通道里程右DK12+800(左DK12+800)，3號聯(lián)絡通道與泵房合建，里程右DK13+382.849(左DK13+382.849)，均位于長江下。5號聯(lián)絡通道里程右DK14+340(左DK14+363.867)，位于武昌風井與積玉橋站之間。2號、3號和5號聯(lián)絡通道均采用洞內凍結法加固地層，采用礦山法施工。其中，3號聯(lián)絡通道施工難度大，危險系數(shù)高，因此本文以3號聯(lián)絡通道為例，介紹凍結法信息化施工技術。

2.2 水文地質條件

長江河床地層巖性自上而下為：粉細砂(②-1)，厚約6.2 m～7.3 m；中砂(②-2)，分布不連續(xù)，厚度變化較大，一般2.9 m～13.2 m，下伏基巖為志留系中統(tǒng)墳頭群泥巖、泥質粉砂巖。擬建場地的地下水類型為孔隙潛水，賦存于長江河床部位第四系全新統(tǒng)粉細砂、中粗砂層中，孔隙水壓力大，與長江水有直接水力聯(lián)系。

3 信息處理與反饋

3.1 凍結孔成孔

凍結孔成孔是凍結工程成敗的關鍵因素之一，有效控制凍結孔成孔質量對于施工工期和工程節(jié)能效果明顯。根據(jù)現(xiàn)場記錄和測量監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，部分凍結孔未達到設計長度，鑒于均打入注漿層，且偏差值不大，經(jīng)分析演算可不進行補救措施。其中D25號凍結孔距離設計值偏差3 907 mm，且D25孔比較重要，所以在左線增設補孔補1、補2。經(jīng)過打壓測試所有凍結孔密閉性均滿足凍結要求。

3.2 凍結帷幕

1)凍結孔溫度。3號聯(lián)絡通道測溫孔右行線4個，左線8個，共計12個，孔深為2.0 m。在凍結帷幕易出現(xiàn)薄弱的地方附近的測溫孔C1和C8埋設10個溫度熱電偶，測溫深度為0.45 m，0.6 m，0.7 m，0.8 m，之后每隔0.2 m設置一個。其他測溫孔內設3個測溫點，測點深度分別為0.45 m，0.8 m，2.0 m不等。從測溫孔各測點溫度隨時間變化的曲線看出各測溫孔溫度逐漸下降，積極凍結初期下降較快，積極凍結后期下降較慢，維護時期降溫很慢，凍結效果良好。凍結過程中鹽水流量均衡，離凍結孔越近降溫越快。

2)凍脹壓力。為了了解凍結過程中，凍結帷幕對隧道管片產(chǎn)生凍脹壓力的變化情況，掌握凍結帷幕發(fā)展狀況，在開挖范圍內靠近凍結帷幕邊緣的位置布置土壓力計，監(jiān)測凍脹壓力。壓力盒的位置見表1。

表1 壓力盒的位置

初始低壓為0.5 MPa左右，凍結第16天，壓力表顯示開始漲壓。凍結18 d，壓力開始劇烈上漲，說明凍結帷幕已經(jīng)交圈。凍結21 d，將泄壓孔泄壓后，壓力盒降到0.5 MPa后壓力繼續(xù)劇烈增長，凍結32 d，將各卸壓孔半打開，壓力盒讀數(shù)維持在0.5 MPa，與泄壓的變化基本相同。土壓力盒隨時間的變化曲線見圖1。

3.3 泄壓孔壓力

泄壓孔的作用主要有兩個：1)通過和原始地壓的比較，可以作為判斷凍結壁是否交圈的依據(jù)；2)通過及時泄壓，可以減少土體凍脹對結構的不利影響。3號通道共布置了2個泄壓孔，右線泄壓孔為X1，左線泄壓孔為X2，泄壓孔深度均為2 m，均布置在開挖斷面內。X1和X2泄壓孔壓力隨時間變化曲線見圖2。由圖2可知，泄壓孔的初始壓力為0.4 MPa，凍結16 d壓力表開始發(fā)生變化，壓力開始劇烈上漲，在凍結18 d達到0.7 MPa以上，為了凍結壁安全進行開閘泄壓，壓力下降到0.2 MPa上下，泄壓后壓力繼續(xù)上升。凍結32 d，為了降低凍脹，將泄壓孔打開，泄壓孔一直處于半泄壓的狀態(tài)。凍結41 d，在聯(lián)絡通道左右行線開挖斷面未凍區(qū)內各施工一個探孔，沒有發(fā)現(xiàn)涌砂、涌水現(xiàn)象，說明凍結效果良好。

3.4 預應力支架軸力

通過安裝在隧道預應力支架千斤頂上的軸力計，來監(jiān)測千斤頂對隧道施加的預應力是否滿足設計值要求，保證不對隧道的管片造成破壞。在凍結過程中，通過監(jiān)測預應力支架的軸力變化來監(jiān)測凍脹力的作用，預測隧道的變形趨勢。同時，必要時根據(jù)預應力軸力的變化來調整凍結施工，保證隧道在整個凍結期間的安全。在3號聯(lián)絡通道的兩端選擇1榀預應力支架上各布置3個軸力計，每個聯(lián)絡通道布置6個軸力計。通過監(jiān)測軸力計的讀數(shù)可知千斤頂對隧道施加的預應力滿足要求，開挖期間軸力計的讀數(shù)整體變化幅度很小，可知千斤頂對隧道的壓力基本保持恒定，隧道變形較小。

4 結語

通過對凍結孔成孔情況的監(jiān)測，及時找出薄弱區(qū)域進行補孔，消除了凍結過程中的隱患，在開挖范圍內靠近凍結帷幕邊緣的位置布置土壓力盒，及時了解凍脹壓力，掌握凍結過程中凍結帷幕的交圈情況，合理安排開挖時間。由安裝在隧道預應力支架千斤頂上的軸力計，來監(jiān)測千斤頂對隧道施加的預應力是否滿足設計值要求，保證了隧道管片變形在允許范圍內。通過對凍結過程中的信息化監(jiān)測，及時獲得凍結過程中的有效數(shù)據(jù)，為科學決策、科學施工提供了有利保證，大大降低了凍結過程中的盲目性，同時降低了工程施工成本和安全隱患，保證了江底3號聯(lián)絡通道順利完成，為今后我國類似工程的凍結法施工提供寶貴的經(jīng)驗。

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Research on freezing method information construction technology of connected aidle in Yangtze river tunnel

WANG Jin-long1NI Zheng-mao2

(1.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Wuhan 430063, China； 2.Wuhan Metro Group Co., Ltd, Wuhan 430077, China)

Introduction of the three major components of the information construction of the freezing method， baised on freezing engineering of No.3 connected aisle of Wuhan subway from Jianghanlu station to Jiyuqiao station. With the help of measure system, real-time collection and analysis software, the achieved information will be timely and effective feedback to the various stages of positive freezing stage and excavation building construction stage, ensuring that the construction process to be security, economy, high efficiency.

tunnel, high water pressure, freezing method, information construction

1009-6825(2014)36-0157-02

2014-10-16

王金龍1倪正茂2

U456.1

A