凍結(jié)法在富水圓礫層地鐵聯(lián)絡(luò)通道中的應(yīng)用

張永煥 譚 瑞

中國(guó)建筑第八工程局軌道交通分公司

凍結(jié)法在富水圓礫層地鐵聯(lián)絡(luò)通道中的應(yīng)用

張永煥 譚 瑞

中國(guó)建筑第八工程局軌道交通分公司

人工凍結(jié)法是一種土層的臨時(shí)物理加固方法，在巖土工程開(kāi)挖之前，利用人工制冷技術(shù)，通過(guò)凍結(jié)孔對(duì)周圍地層進(jìn)行制冷，使地層中的水結(jié)冰，將松散含水巖土變成凍土，形成強(qiáng)度高，封閉性好的凍結(jié)壁抵抗周圍巖土的壓力，確保工程開(kāi)挖的安全。本文結(jié)合南寧地鐵工程富水圓礫層聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)設(shè)計(jì)和施工過(guò)程，總結(jié)了在富水地下工程中凍結(jié)法施工的凍結(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、凍結(jié)前準(zhǔn)備工作和控制標(biāo)準(zhǔn)、后期融沉注漿的監(jiān)測(cè)要求等。

地鐵：凍結(jié)法；富水圓礫層；聯(lián)絡(luò)通道

1 工程概況

1.1 工程概況

南寧市軌道交通2號(hào)線秀廂站～三十三中站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，長(zhǎng)度為640米，于右線設(shè)置一處聯(lián)絡(luò)通道兼廢水泵房為直墻圓拱式結(jié)構(gòu)，凈寬2.5m，凈高2.9m，采用淺埋暗挖法施工，結(jié)構(gòu)形式采用復(fù)合式襯砌。

1.2 水文地質(zhì)概況

聯(lián)絡(luò)通道及泵房處結(jié)構(gòu)覆土約13.8m，拱頂主要位于粉土③2，洞身主要位于粉土③2及圓礫層⑤1-1，場(chǎng)地地貌形態(tài)主要為侵蝕堆積河谷階地邕江高階地地貌，揭露地層為填土層，第四紀(jì)沖洪積層，基巖為古近系巖層；根據(jù)鉆探及附近工程資料，結(jié)合地下水賦存條件、含水介質(zhì)及水力特征的分析，地下水主要類型為基巖裂隙水。該含水層富水性較好、透水性較好，受大氣降水和地表水補(bǔ)給，水量中等，具承壓性。聯(lián)絡(luò)通道地質(zhì)剖面圖如下所示：

2 凍結(jié)法施工設(shè)計(jì)及應(yīng)用

2.1 凍結(jié)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用水平凍結(jié)法加固地層制冷方式為氟利昂－鹽水凍結(jié)系統(tǒng)。

2.1.1凍結(jié)壁設(shè)計(jì)

凍結(jié)壁設(shè)計(jì)為1.8m，參照類似工程凍土物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，凍土強(qiáng)度的設(shè)計(jì)指標(biāo)取為：?jiǎn)屋S抗壓不小于3.6MPa，彎折抗拉不小于2.0MPa，抗剪不小于1.5MPa（-10℃下）。為保證凍土平均溫度達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算值，凍結(jié)壁驗(yàn)收時(shí)平均溫度應(yīng)不高于-10℃，開(kāi)挖區(qū)凍結(jié)孔布置圈上與隧道管片交界面平均溫度不高于-5℃。開(kāi)挖時(shí)鹽水溫度在-28℃以下，去、回路鹽水溫差不大于2℃。

2.1.2凍結(jié)孔和測(cè)溫孔布置

聯(lián)絡(luò)通道泵房布置凍結(jié)孔總數(shù)50個(gè),其中4個(gè)穿透孔，長(zhǎng)度在5～10米，總長(zhǎng)度約375m；布置9個(gè)測(cè)溫孔，測(cè)溫管選用Φ32鋼管,長(zhǎng)度2.5～6m不等,管前端焊接密封，。目的主要是測(cè)量?jī)鼋Y(jié)壁范圍不同部位的溫度變化。

2.2 凍結(jié)孔施工

2.2.1凍結(jié)孔定位

依據(jù)施工基準(zhǔn)點(diǎn)，按施工圖進(jìn)行孔位放線，孔位布置要依據(jù)管片配筋圖，在避開(kāi)主筋、螺栓和鋼管片肋板的前提下可適當(dāng)調(diào)整。

2.2.2開(kāi)孔及孔口密封

開(kāi)孔深度控制不得鉆穿管片，取出后打入加工好的孔口管，至少有4個(gè)點(diǎn)固定在管片上，然后安裝孔口密封裝置。當(dāng)每個(gè)鉆孔完成后，孔口法蘭與凍結(jié)管之間間隙用鋼板焊接密封。

2.2.3凍結(jié)孔鉆進(jìn)

鉆孔設(shè)備在鉆頭部位安裝一個(gè)特制單向閥門，采用水循環(huán)鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過(guò)程中嚴(yán)格監(jiān)測(cè)孔斜情況，發(fā)現(xiàn)偏斜要及時(shí)糾偏，鉆孔的偏斜應(yīng)控制在150mm以內(nèi)。

2.2.4凍結(jié)管安裝

凍結(jié)管長(zhǎng)度不得小于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，凍結(jié)管之間采用絲扣連接，螺紋緊固后再用電弧焊焊接，確保其連接質(zhì)量。下好凍結(jié)管后，進(jìn)行凍結(jié)管長(zhǎng)度的復(fù)測(cè)，凍結(jié)孔終孔最大允許間距為130cm，集水井處凍結(jié)孔終孔最大允許間距為140cm，超出允許值的可進(jìn)行補(bǔ)孔或作延長(zhǎng)凍結(jié)時(shí)間進(jìn)行處理。

2.3 積極凍結(jié)

凍結(jié)站安裝完畢后進(jìn)行調(diào)試和試運(yùn)轉(zhuǎn)。在試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要隨時(shí)調(diào)節(jié)壓力、溫度等參數(shù)，使機(jī)組在工藝規(guī)程和設(shè)備要求的技術(shù)參數(shù)條件下運(yùn)行。凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后進(jìn)入積極凍結(jié)。要求凍結(jié)孔單孔流量不小于5m3/h；7天后鹽水溫度降至-18℃以下，15天后鹽水溫度降至-24℃以下，去回路溫差不大于2℃；開(kāi)挖前鹽水溫度降至-28℃以下。如鹽水溫度和鹽水流量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，應(yīng)延長(zhǎng)積極凍結(jié)時(shí)間。

2.4 開(kāi)挖二襯

確定進(jìn)行開(kāi)挖之前需結(jié)合測(cè)溫孔資料、探孔情況等方面的數(shù)據(jù)，在滿足設(shè)計(jì)要求條件后進(jìn)行開(kāi)挖。由于土體凍土強(qiáng)度較高，凍結(jié)帷幕承載能力大，因而開(kāi)挖時(shí)可以采用全斷面一次開(kāi)挖，在開(kāi)挖過(guò)程中根據(jù)揭露土體的加固效果，及監(jiān)控監(jiān)測(cè)信息，及時(shí)調(diào)整開(kāi)挖步距和支護(hù)強(qiáng)度，并還要及時(shí)對(duì)暴露的凍結(jié)帷幕進(jìn)行保溫。

結(jié)構(gòu)層混凝土選用商品防水混凝土，混凝土強(qiáng)度、抗?jié)B等級(jí)按設(shè)計(jì)要求。因結(jié)構(gòu)澆筑時(shí)間長(zhǎng)，可在混凝土內(nèi)加入一定量的緩凝劑。

2.5 維護(hù)凍結(jié)

在積極凍結(jié)過(guò)程中，要根據(jù)實(shí)測(cè)溫度資料判斷凍結(jié)帷幕是否交圈和達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，并且監(jiān)測(cè)凍結(jié)帷幕與隧道的膠結(jié)情況，測(cè)溫判斷凍結(jié)帷幕交圈并達(dá)到設(shè)計(jì)厚度且與隧道完全膠結(jié)后，可進(jìn)入維護(hù)凍結(jié)階段。維護(hù)凍結(jié)期溫度為不大于-26℃，凍結(jié)時(shí)間貫穿聯(lián)絡(luò)通道泵房開(kāi)挖和主體結(jié)構(gòu)施工始終。

2.6 凍結(jié)孔（測(cè)溫孔）處理

在二襯施工完成后，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，待達(dá)到設(shè)計(jì)要求，冷凍設(shè)備拆除完成后，將凍結(jié)孔進(jìn)行封孔處理。凍結(jié)孔（測(cè)溫孔）封孔如圖所示：

2.7 融沉注漿施工

控制地面和隧道的沉降變形是融沉注漿的目的。因此在結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后因及時(shí)進(jìn)行充填注漿。另外注漿施工過(guò)程中，漿液的壓力可以通過(guò)在相鄰注漿孔安裝壓力表來(lái)反映。監(jiān)測(cè)地表沉降、監(jiān)測(cè)管片隆沉和收斂變形和監(jiān)測(cè)聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)變形的綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是注漿參數(shù)調(diào)整的依據(jù)。

2.8 測(cè)量和監(jiān)測(cè)

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合連絡(luò)通道和融沉注漿的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)要求及有關(guān)規(guī)范規(guī)定，對(duì)本聯(lián)絡(luò)通道施工中檢測(cè)項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)控制值要求如下表：

表1 各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值

3 凍結(jié)法施工效果分析

3.1 凍結(jié)效果分析

凍結(jié)效果的分析可以從凍結(jié)帷幕厚度的確定、凍土平均溫度和探孔情況二個(gè)方面來(lái)分析。

3.1.1凍結(jié)帷幕厚度

綜合卸壓孔和測(cè)溫孔數(shù)據(jù)分析，聯(lián)絡(luò)通道凍土最慢發(fā)展速度為30.00 mm/d。以最慢發(fā)展速度（11月18日，凍結(jié)39天）計(jì)算凍土發(fā)展半徑r＝30.00×39=1170mm，按凍結(jié)發(fā)展半徑1170mm作圖，從圖上測(cè)量出：通道部位凍結(jié)帷幕最薄有效厚度為2080mm，因此凍結(jié)帷幕厚度已滿足設(shè)計(jì)不小于1.8m要求。

3.1.2凍土平均溫度的確定

根據(jù)公式法計(jì)算（設(shè)計(jì)依據(jù)）：

其中：

tb＝鹽水溫度， -29.5℃

l＝孔間距， 1.2m

E＝凍土厚度， 2.08m

tB＝開(kāi)挖面溫度，-8℃

3.1.3探孔情況

11月10日，在聯(lián)絡(luò)通道的通道段內(nèi)堆積沙袋清理完后隨機(jī)向下部泵房位置打設(shè)5個(gè)探孔，探孔深度1.0米至2.0米不等，目的是探明底部泵房?jī)?nèi)原含水層的地下水情況，經(jīng)探孔情況揭示底部泵房無(wú)明顯泥沙、水等流出，滿足開(kāi)挖條件。

3.2 凍結(jié)效果評(píng)估

根據(jù)上述凍結(jié)分析及探孔情況表明，凍結(jié)效果良好，凍結(jié)帷幕厚度2.08米滿足設(shè)計(jì)要求不小于1.8米的要求，凍土帷幕平均溫度-10.31℃滿足設(shè)計(jì)要求不高于-10℃的要求，探孔無(wú)明顯出水情況，滿足凍結(jié)加固條件，故可以開(kāi)挖施工。

4 結(jié)束語(yǔ)

該區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工期間，冷凍機(jī)于10月11日正式運(yùn)轉(zhuǎn)，至10月15日鹽水去、回路溫度達(dá)到-18℃，10月23日鹽水去、回路溫度達(dá)到-24℃以下，到10月29日鹽水去路溫度達(dá)到-28℃以下，鹽水溫度一直保持在-28℃以下，溫差不大于2℃，滿足設(shè)計(jì)要求，。在積極凍結(jié)期，冷凍機(jī)組達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，整個(gè)過(guò)程中凍結(jié)效果均達(dá)到設(shè)計(jì)要求（積極凍結(jié)期間鹽水溫度及溫差變化見(jiàn)下圖），確保聯(lián)絡(luò)通道及泵站盡快達(dá)到凍結(jié)開(kāi)挖條件，及時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工。為類似的工程提供了可借鑒的施工經(jīng)驗(yàn)。