凍結(jié)技術(shù)在清除地下障礙物施工中的應(yīng)用

馬西峰/MA Xi-feng（南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210008）

凍結(jié)技術(shù)在清除地下障礙物施工中的應(yīng)用

馬西峰/MA Xi-feng
（南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210008）

[摘 要]針對(duì)在已建成的人民路地道內(nèi)破除底板下的鋼筋混凝土灌注樁，施工時(shí)易涌水涌砂，甚至造成人民路地道的破壞這一情況，在借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)凍結(jié)技術(shù)的同時(shí)，因地制宜，有針對(duì)性地采取專項(xiàng)施工技術(shù)，化解了一道道施工難題，取得了理想的效果，為類似工程施工提供借鑒。

[關(guān)鍵詞]凍結(jié)技術(shù)；破除；地下障礙物

1 工程概況

南京市某盾構(gòu)隧道外徑6.2m、內(nèi)徑5.5m。盾構(gòu)隧道左、右線在里程DK11+817～DK11+843范圍內(nèi)下穿人民路地道，此區(qū)域上方為地下直徑線，在人民路地道施工過程中該區(qū)域共設(shè)置了2根臨時(shí)格構(gòu)樁。

格構(gòu)樁直徑均為1m，格構(gòu)樁為鋼筋混凝土灌注樁，配置8根?20mm主筋，樁頂標(biāo)高為-12.212m，樁尖標(biāo)高為-27.212m，樁長(zhǎng)15m；鋼筋籠長(zhǎng)度為12m。原施工單位提供的資料顯示：盾構(gòu)區(qū)間左、右線各有1根樁在區(qū)間隧道內(nèi)，為確保盾構(gòu)順利穿越人民路地道，必須在盾構(gòu)機(jī)穿越前將2根樁破除（圖1）。

鋼筋混凝土灌注樁范圍內(nèi)土層為粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂等，主要為⑦4粉砂層、厚度達(dá)10m，且有微承壓水。施工時(shí)極易發(fā)生涌水涌砂。

2 施工方案選擇

圖1　 格構(gòu)樁與人民路地道、盾構(gòu)隧道關(guān)系圖

破除人民路底板下的格構(gòu)樁，需在人民路底板上開孔，然后進(jìn)行格構(gòu)樁的破除或拔起。因人民路地道位于地表下12m，如果用常規(guī)的方法在人民路地道底板上開孔取樁，待地道底板開通后將會(huì)有大量流砂涌入地道，不但無法破樁，而且危及到地道結(jié)構(gòu)安全。為確保施工安全，經(jīng)多方專家論證，決定首先采用凍結(jié)技術(shù)將鉆孔灌注樁周圍的土體進(jìn)行凍結(jié)加固，使鉆孔灌注樁周圍的土體形成封閉的凍土帷幕，凍土帷幕起到抵抗樁四周的水土壓力和封水的作用。在凍土帷幕的保護(hù)下從人民路地道內(nèi)人工用風(fēng)鎬將樁鑿除。

3 施工難點(diǎn)及采取的相應(yīng)措施

1）人民路地道底板在地面下12m處。施工凍結(jié)管時(shí)極易發(fā)生涌水涌砂；施工凍結(jié)管時(shí)，需安裝孔口密封裝置，以確保鉆孔施工時(shí)無水、砂流出。

2）積極凍結(jié)時(shí)，因人民路地道結(jié)構(gòu)層滲水，地下水通過結(jié)構(gòu)層滲出，土層內(nèi)有流動(dòng)水存在，對(duì)凍結(jié)效果影響很大；在積極凍結(jié)前處理好地道結(jié)構(gòu)層的滲水點(diǎn)，凍結(jié)時(shí)加大供冷量進(jìn)行強(qiáng)制凍結(jié)。

3）破樁時(shí)開挖深度在人民路底板以下17m（自然地面以下27m），開挖深度大。在開挖時(shí)如果凍結(jié)壁局部有薄弱點(diǎn)就會(huì)發(fā)生涌水涌砂；開挖前在樁頂部安裝安全防護(hù)門。如果出現(xiàn)險(xiǎn)情及時(shí)關(guān)閉安全防護(hù)門，再繼續(xù)進(jìn)行凍結(jié)直至達(dá)到設(shè)計(jì)凍結(jié)效果后再開挖。

4 凍結(jié)孔、測(cè)溫孔布置

凍結(jié)管選用?108×8mm低碳鋼無縫鋼管；測(cè)溫孔選?108×8m低碳無縫鋼管。凍結(jié)管材質(zhì)量必須符合設(shè)計(jì)要求。

凍結(jié)孔布置圈徑：?1.2m/?2.6m/4.2m；每根樁布置凍結(jié)孔29個(gè)；開孔間距0.8m/1m；測(cè)溫孔1個(gè)（圖2、圖3）。

5 凍結(jié)孔施工

5.1 孔口管的安裝

將人民地道路面下的1.3m厚襯砌混凝土全部鑿除，露出人民路地道底板結(jié)構(gòu)層。按照設(shè)計(jì)凍結(jié)孔位置定位開孔及安裝孔口管：首先用開孔器（配金剛石鉆頭取芯）按設(shè)計(jì)角度開孔，開孔直徑146mm，開孔深度為300mm時(shí)停止鉆進(jìn)，安裝孔口管。

孔口管的安裝方法為：首先將孔口處鑿平，安好四個(gè)膨脹螺絲，而后在孔口管的魚鱗扣上纏好麻絲或棉絲等密封物，將孔口管砸進(jìn)去，用膨脹螺絲固定，裝上DN150球閥，再將球閥打開，用開孔器從球閥內(nèi)開孔，開孔直徑為130mm，一直將底板開穿，這時(shí)，如地層內(nèi)的水砂流量大，就及時(shí)關(guān)好閘門，安裝壓緊裝置。

圖2　 凍結(jié)孔、測(cè)溫孔布置圖

圖3　 凍結(jié)孔、測(cè)溫孔布置縱剖面圖

5.2 鉆 孔

1）鉆孔設(shè)備選擇 根據(jù)施工地質(zhì)條件和對(duì)鉆孔精度要求，地道內(nèi)垂直鉆孔均選擇MD-60 A型錨固鉆機(jī)。鉆孔采用泥漿循環(huán)護(hù)壁，每臺(tái)鉆機(jī)配1臺(tái)BW-250型泥漿泵。

2）凍結(jié)孔鉆進(jìn) 按設(shè)計(jì)要求調(diào)整好鉆機(jī)位置，并固定好，將鉆頭裝入孔口裝置內(nèi)，在孔口裝置上接上1.5寸閥門，并將盤根輕壓在盤根盒內(nèi)，首先采用干式鉆進(jìn)，當(dāng)鉆進(jìn)扭矩大不進(jìn)尺時(shí)，從鉆機(jī)上進(jìn)行注水鉆進(jìn)，同時(shí)打開小閥門，觀察出水、出砂情況，利用閥門的開關(guān)控制出漿量，鉆機(jī)選用MD-60A型錨桿鉆機(jī)，鉆機(jī)扭矩3 000Nm，推力25kN。

凍結(jié)管連接接頭采用絲扣連接加焊接形式，加強(qiáng)冷凍管連接質(zhì)量的控制，每個(gè)接頭連接完成后逐個(gè)檢查，要求絲扣擰緊，焊縫飽滿。

6 積極凍結(jié)

在凍結(jié)過程中，每天檢測(cè)去、回路干管鹽水溫度、凍結(jié)器回路鹽水溫度、鹽水箱液位變化、冷卻水溫度，觀察凍結(jié)器頭部結(jié)霜是否有異常融化。在凍結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)初期，檢測(cè)各凍結(jié)器的鹽水流量，如發(fā)現(xiàn)檢測(cè)流量小于設(shè)計(jì)要求，則應(yīng)用控制閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，或者加大鹽水泵泵量，使其滿足設(shè)計(jì)要求。

6.1 凍結(jié)達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)

1）凍結(jié)加固區(qū)有效厚度達(dá)到1m，平均溫度達(dá)到-10℃。

2）設(shè)計(jì)最低鹽水溫度為-28～-30℃，并要求凍結(jié)7天達(dá)到-18℃，15天達(dá)到-24℃。

3）凍結(jié)孔單孔鹽水流量為5～8m3/h。

6.2 凍結(jié)需冷量計(jì)算

采用Q=πdHKm

式中 H—凍結(jié)總長(zhǎng)度（m）;

d—凍結(jié)管直徑；

K—凍結(jié)管散熱系數(shù)；k=250kcal/h?m2;

m—冷量損失系數(shù)，取1.15;

得凍結(jié)需冷量為：39.1萬kcal/h。

6.3 凍結(jié)制冷設(shè)備選型

冷凍機(jī)組選用YSKF2-20型3臺(tái)，運(yùn)行2臺(tái)，備用1臺(tái)，單機(jī)標(biāo)準(zhǔn)工況制冷量為47.1萬大卡/h。

6.4 測(cè) 溫

在測(cè)溫管內(nèi)從上至下每隔2m安裝一根用康銅線制作的感溫片，每個(gè)測(cè)溫孔內(nèi)共安裝10個(gè)感溫片，康銅線的另1端固定在測(cè)溫管的上口，用測(cè)溫儀分別同康銅線的端頭連接進(jìn)行測(cè)溫。積極凍結(jié)期間每24h測(cè)溫1次；開挖期間每12h測(cè)溫1次，并做好記錄。

7 格構(gòu)樁破除

通過測(cè)溫計(jì)算，當(dāng)凍結(jié)帷幕厚度達(dá)到設(shè)計(jì)厚度1m;凍結(jié)壁平均溫度為-10℃時(shí)，凍結(jié)帷幕的強(qiáng)度足可地下水土壓力和封水要求，在凍結(jié)帷幕的支護(hù)下即可進(jìn)行人工破除灌注樁。

7.1 安全防護(hù)門安裝

破除前安裝安全防護(hù)門，首先沿安全防護(hù)門框四周每隔500mm植一根直徑25的鋼筋，一端錨入混凝土結(jié)構(gòu)層200mm；另一段與安全防護(hù)門框焊牢，門框四周用雙快水泥封牢。安全防護(hù)門框安裝要平整、牢固，門扇開啟靈活。發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)由當(dāng)班班長(zhǎng)命令將井下人員撤出后，由班長(zhǎng)負(fù)責(zé)關(guān)閉安全防護(hù)門，然后進(jìn)行注漿堵漏，開挖直徑以樁中心向外直徑為1.2m。破除過程中所遇主筋需全部割除（圖4、圖5、圖6）。

圖4　 安全防護(hù)門示意圖

圖5　 安全防護(hù)門井蓋平面圖

圖6　 安全防護(hù)門底座平面圖

7.2 樁體破除

采用人工挖孔用風(fēng)鎬破除灌注樁，破除深度為18m，用電動(dòng)空壓機(jī)帶動(dòng)風(fēng)鎬從上往下人工鑿除，人工鑿除可減少對(duì)凍結(jié)帷幕的擾動(dòng)。步距深度為1m，先破核心部分然后再破四周部分，減少凍結(jié)體直接暴露的時(shí)間。破除直徑為1.2m。

每次出渣時(shí)，當(dāng)料斗高于安全網(wǎng)后，先將安全網(wǎng)掛鉤安裝好后再緩慢吊出。出渣時(shí)渣土料斗不得裝滿，出渣時(shí)人員站在料斗另一側(cè)，不得站在料斗正下方。

8 凍結(jié)管拔除

待格構(gòu)樁破除完畢、結(jié)構(gòu)全部修補(bǔ)完成后，停止冷凍施工，利用人工強(qiáng)制解凍，進(jìn)行拔管，具體方法如下：用20～30℃的鹽水循環(huán)5min左右，然后鹽水溫度逐步升高到30～60℃循環(huán)達(dá)30min左右，當(dāng)回路鹽水溫度上升到25～30℃時(shí)，使凍結(jié)管周圍的凍土融化達(dá)到1～5mm時(shí)，即可進(jìn)行邊循環(huán)邊試拔。

采用5t手拉葫蘆或?qū)Ｓ霉苈菲鸢纹鬟M(jìn)行分段拔除，拔管注意凍結(jié)管與掛鉤要成一直線，凍結(jié)管不能蹩勁，拔管時(shí)要常轉(zhuǎn)動(dòng)凍結(jié)管，凍結(jié)管不能硬拔，如拔不動(dòng)時(shí)，要繼續(xù)循環(huán)熱鹽水解凍，直至拔起凍結(jié)管。拔除凍結(jié)管后采用灌注微膨脹混凝土進(jìn)行凍結(jié)孔封堵。

9 結(jié) 語

在自然地面以下12m地道內(nèi)處理地下障礙物，施工風(fēng)險(xiǎn)很大，極有可能發(fā)生涌水涌砂。運(yùn)用其它處理方法很難完成此項(xiàng)工作。只有運(yùn)用凍結(jié)技術(shù)進(jìn)行地層加固才能安全、可靠地完成。通過工程實(shí)踐進(jìn)一步證明在凍結(jié)帷幕的支護(hù)下破除地下障礙物的安全、可靠性。為同類工程提供了一項(xiàng)新的施工方法。

[參考文獻(xiàn)]

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（編輯 張海霞）

［中圖分類號(hào)］U455.49

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1001-1366（2015）02-0089-04

［收稿日期］2014-10-25

Application of freezing technology in removing obstacles in the construction of underground