公路隧道間長距離聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工技術(shù)研究

方 衛(wèi)

(上海滬申高速公路建設(shè)發(fā)展有限公司，上海 200063)

當(dāng)兩條單線隧道連貫長度超過600 m時，需要在兩條隧道之間設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，以滿足消防和疏散要求[1]。在富含水軟弱地層中施工時，一般需要先對施工區(qū)域地層進(jìn)行改良，保證通道結(jié)構(gòu)的順利施工[2]。人工凍結(jié)技術(shù)作為軟弱地層的有效加固方法，不僅可以有效隔絕地下水，而且改良后地層均勻、形成凍結(jié)壁強(qiáng)度高，在上海、北京等城市的地鐵建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用[3,4]，有時人工凍結(jié)技術(shù)幾乎是聯(lián)絡(luò)通道暗挖法施工唯一有效加固方法[5]，通過國內(nèi)學(xué)者和工程技術(shù)人員的應(yīng)用和研究，積累了大量的工程經(jīng)驗(yàn)和研究成果。目前已完成施工的聯(lián)絡(luò)通道長度較短，一般隧道中心距離都不超過15 m，而上海沿江通道的越江隧道工程直徑15 m，兩條隧道之間的距離達(dá)到43.48 m，所以聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)加固設(shè)計(jì)和施工與常規(guī)聯(lián)絡(luò)通道差別較大。本文依托該工程，對凍結(jié)加固的設(shè)計(jì)和施工中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

上海市越江隧道工程西起浦西牡丹江路，東至浦東外環(huán)線，長約6.49 km，盾構(gòu)隧道外徑15.0 m，內(nèi)徑13.7 m，共設(shè)6座聯(lián)絡(luò)通道，其中5號聯(lián)絡(luò)通道位置隧道中心距離43.48 m，中間通道內(nèi)徑2 740 mm，喇叭口內(nèi)徑3 340 mm。通道的初期支護(hù)采用HW200 mm×200 mm×12 mm型鋼支架加250 mm厚C20噴射混凝土，永久襯砌為300 mm的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

根據(jù)勘察資料，5號聯(lián)絡(luò)通道所處地層主要為⑤2粘質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土層(頂部少量位于⑤2t粘質(zhì)粉土層)，下臥⑤3-1粉質(zhì)粘土層，聯(lián)絡(luò)通道上方為長江大堤圍堰，隧道中心埋深約41 m。

2 聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)設(shè)計(jì)

2.1 整體施工方案

聯(lián)絡(luò)通道位于長江下，地層中的水力聯(lián)系復(fù)雜，施工風(fēng)險大，采用水平凍結(jié)法加固地層、礦山法暗挖構(gòu)筑的總體施工方案，即在聯(lián)絡(luò)通道周圍施工雙圈水平凍結(jié)孔，采用低溫鹽水凍結(jié)加固地層，使聯(lián)絡(luò)通道外側(cè)土體凍結(jié)形成強(qiáng)度高、封閉性好的凍結(jié)壁，然后采用礦山法進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道的開挖和襯砌結(jié)構(gòu)施工。

2.2 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中間通道凍結(jié)壁厚度為3.0 m，喇叭口處2.7 m，布置內(nèi)、外兩圈共72個凍結(jié)孔(含4個對穿孔)、14個測溫孔和4個卸壓孔。兩圈凍結(jié)孔從隧道上、下行線對打施工，在通道中部進(jìn)行搭接，搭接長度1 m，內(nèi)外圈搭接位置錯開1 m。通過減小凍結(jié)孔長度有利于提高凍結(jié)孔成孔精度，在施工凍結(jié)孔時可顯著降低發(fā)生噴涌的風(fēng)險，并有利于控制施工過程中的凍結(jié)管變形與受力，防止凍結(jié)管接頭裂漏。聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)積極凍結(jié)時間55 d～60 d，設(shè)計(jì)凍結(jié)壁平均溫度不高于-13 ℃，凍結(jié)壁與隧道管片交界面溫度不高于-8 ℃。

3 聯(lián)絡(luò)通道的施工方案

3.1 聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)施工難度

5號聯(lián)絡(luò)通道長度大，所處⑤2粘質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土層為透水地層，且埋深大，施工中面臨如下困難：

1)施工區(qū)域處于透水地層，凍結(jié)孔位置水壓0.45 MPa，成孔過程中面臨出水、噴砂的風(fēng)險。

2)聯(lián)絡(luò)通道長度大，凍結(jié)孔造孔、開挖、支護(hù)與結(jié)構(gòu)施工難度大，鉆進(jìn)法施工凍結(jié)孔防噴要求高，尤其是透孔施工在鉆進(jìn)對側(cè)管片時，容易發(fā)生斷管，而且在鉆透對側(cè)隧道鋼管片時，鉆頭與管片間隙難以封堵。

3)鉆孔施工時容易偏斜，鉆孔施工質(zhì)量較難控制。

4)聯(lián)絡(luò)通道兩端設(shè)有變形縫，襯砌結(jié)構(gòu)施工時需分段澆筑，結(jié)構(gòu)防水施工難度較大。

3.2 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工的關(guān)鍵技術(shù)

針對5號聯(lián)絡(luò)通道施工所面臨的困難，施工中主要采取了以下關(guān)鍵技術(shù)：

1)采取了灌漿法安裝鋼管片上的孔口管。由于凍結(jié)孔布置在鋼管片上，在鋼管片上安裝孔口管時，需先在孔口管頭部焊接3根～4根用直徑20 mm高強(qiáng)螺紋鋼加工的“L”錨筋，并用硫鋁酸鹽雙快水泥封堵孔口管頭部。然后將孔口管插入鋼格腔，并用12 mm鋼板焊接固定孔口管，密封鋼格腔。固定好孔口管后再從鋼格腔上方筋板開孔灌入硫鋁酸鹽雙快水泥漿填充鋼格腔。在開透鋼管片前，需焊接封堵筋板上的灌漿孔，安裝過程如圖1所示，這樣安裝鋼管片上的孔口管牢固，避免鋼格腔之間接縫串水問題。

2)首次研發(fā)了前頂進(jìn)式凍結(jié)管鉆孔方法。前頂進(jìn)式凍結(jié)管鉆進(jìn)方法的基本原理是在凍結(jié)管內(nèi)插入強(qiáng)度、剛度均大的頂桿，并在頂桿尾端連接液壓缸，頂力通過頂桿直接作用在凍結(jié)管前端，從而實(shí)現(xiàn)凍結(jié)管的前頂進(jìn)施工。頂進(jìn)式鉆孔的施工結(jié)構(gòu)如圖2所示，該裝置的允許頂進(jìn)力為30 t，最大凍結(jié)管頂深不小于30 m，頂進(jìn)速度約100 mm/min。

采用高強(qiáng)頂桿與凍結(jié)管組合剛度大，可以有效抵抗凍結(jié)管彎曲和失穩(wěn)，頂進(jìn)精度高，而且施工過程中凍結(jié)管處于受拉狀態(tài)，在凍結(jié)管尾端幾乎不受力，所以凍結(jié)管不易在隧道管片開孔處被卡，相對于傳統(tǒng)后頂進(jìn)方法可以大幅提高頂進(jìn)深度。

3)采用套管法施工管片對穿孔。對于管片上的對穿孔施工，先用跟管鉆進(jìn)法施工套管，套管前端抵到對側(cè)隧道管片后，在套管中用鉆機(jī)鉆透對側(cè)隧道管片，套管采用φ152 mm無縫鋼管，對穿孔凍結(jié)管采用φ127 mm無縫鋼管。凍結(jié)管前部連接直接稍大于取芯鉆頭的止水環(huán)，可解決單一鉆孔法施工透孔時容易漏水噴砂和凍結(jié)管易疲勞斷裂的難題，而且通過在套管與凍結(jié)管間隙內(nèi)充填注漿，可防止對穿孔凍結(jié)管發(fā)生接頭開裂的風(fēng)險。

4)多種措施提高凍結(jié)壁的形成質(zhì)量。為了提高形成凍結(jié)壁的質(zhì)量，施工過程中采取綜合措施，精細(xì)控制凍結(jié)施工過程，主要包括對上、下行線隧道與凍結(jié)壁界面管片表面均敷設(shè)冷凍排管進(jìn)行輔助凍結(jié)，確保凍結(jié)壁不存在薄弱區(qū)；實(shí)時監(jiān)測總管路凍結(jié)鹽水溫度和鹽水流量、每組凍結(jié)器及冷凍排管的鹽水溫度，確保凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)滿足設(shè)計(jì)要求；全方位監(jiān)測地層溫度變化，并結(jié)合凍結(jié)溫度場有限元數(shù)值模擬，隨時分析和評估凍結(jié)壁的發(fā)展情況；采用開放的鹽水循環(huán)系統(tǒng)，鹽水從凍結(jié)器循環(huán)回來后直接進(jìn)入鹽水箱，這樣可以控制凍結(jié)器內(nèi)鹽水壓力最大不超過0.2 MPa，要遠(yuǎn)小于地層水壓，一旦凍結(jié)管接頭發(fā)生斷裂也不會發(fā)生鹽水滲入地層融化凍結(jié)壁的嚴(yán)重后果。

5)綜合控制混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的澆筑質(zhì)量。針對長距離聯(lián)絡(luò)通道的施工特點(diǎn)，混凝土澆筑施工過程中采用和易性好的細(xì)石子混凝土，大塊高強(qiáng)度鋼模，地泵高壓灌注，多點(diǎn)附著式振搗器振搗的施工過程，混凝土的澆筑順序?yàn)橥ǖ赖坠?，通道上?分兩段)，喇叭口，同時在施工縫處鋪設(shè)鋼邊止水帶并加密預(yù)埋注漿管。另外，停凍3 d～7 d后對襯砌與初支、凍結(jié)壁間隙進(jìn)行充填注漿，使初支與襯砌結(jié)合成整體，彌補(bǔ)襯砌的澆筑缺陷。凍結(jié)壁解凍過程中，根據(jù)沉降監(jiān)測進(jìn)行融沉跟蹤注漿，避免聯(lián)絡(luò)通道與隧道發(fā)生不均勻沉降。

3.3 聯(lián)絡(luò)通道的施工過程

5號聯(lián)絡(luò)通道于2018年4月25日開始施工第一個透孔，4月30日四個透孔施工完畢，5月1日起開始施工其他凍結(jié)孔，至5月28日完成全部凍結(jié)孔施工。2018年6月13日，凍結(jié)系統(tǒng)正式運(yùn)行，至8月15日，凍結(jié)系統(tǒng)積極凍結(jié)64 d后開始開挖施工。采用上、下臺階法進(jìn)行凍土開挖，開挖步距不超過700 mm，每隔600 mm設(shè)型鋼支架做臨時支護(hù)，待聯(lián)絡(luò)通道開挖完成之后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的混凝土澆筑施工。施工結(jié)束后，停止凍結(jié)，并割除管片上的孔口管和凍結(jié)管，凍結(jié)管內(nèi)部采用水泥砂漿充填。

4 結(jié)語

依托上海沿江通道越江隧道建設(shè)工程，介紹了聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固中的凍結(jié)孔布置參數(shù)等凍結(jié)加固設(shè)計(jì)過程和主要參數(shù)，并針對長距離聯(lián)絡(luò)通道的施工特點(diǎn)，著重研究了施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)，形成了新的施工體系。聯(lián)絡(luò)通道順利施工完成，說明凍結(jié)設(shè)計(jì)的參數(shù)和關(guān)鍵技術(shù)可以解決江底長距離聯(lián)絡(luò)通道施工的技術(shù)難題，研究成果可以供類似地層中的聯(lián)絡(luò)通道建設(shè)時參考。