區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道施工冷凍法技術(shù)應(yīng)用研究

李 杰

(太原市軌道交通發(fā)展有限公司,山西 太原 030000)

太原地鐵2號線一期工程作為我市軌道交通線網(wǎng)的骨架線路，由南向北依次穿越小店、綜改、迎澤、杏花嶺和尖草坪五個行政區(qū)，起于人民南路站，向北沿人民路、長治路、解放路敷設(shè)，止于西澗河站。2號線一期工程線路全長23.647 km，共設(shè)車站23座，其中換乘站7座。區(qū)間隧道的聯(lián)絡(luò)通道埋深較大，采用旋噴樁進(jìn)行地層加固質(zhì)量較難保證，施工風(fēng)險較大。本聯(lián)絡(luò)通道所處地層主要為中砂、粉質(zhì)黏土層，地下水埋深6.85 m～9.41 m。該區(qū)間主要位于長治路上，勘察揭露的人工填土為雜填土和素填土，松散，干燥，欠壓實，自穩(wěn)性差，吸水性較好，綜上所述：本聯(lián)絡(luò)通道采用冷凍法加固，礦山法施工。

1 工程概述

軌道交通2號線一期工程學(xué)府街—長風(fēng)街盾構(gòu)區(qū)間，區(qū)間右線總長917.775 m(左線917.819 m)。根據(jù)線路設(shè)計在458.8 m處設(shè)置一處逃生使用的區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道以及廢水泵房。聯(lián)絡(luò)通道的水平線間的距離為14.2 m，頂部覆土約為18.94 m，地下水位埋深約為9.1 m。

聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)為曲拱直墻斷面，覆土厚度約19 m，待隧道貫通后采用礦山法施工。聯(lián)絡(luò)通道暗埋段凈寬設(shè)計為2.80 m，凈高2.90 m。支護(hù)結(jié)構(gòu)型式為復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)由300 mm厚C25噴射混凝土格柵鋼架、鋼筋網(wǎng)組成；二次襯砌實施采用設(shè)計C45P10標(biāo)準(zhǔn)的模筑防水混凝土，在初期支護(hù)并二次襯砌間以全包式防水隔離層隔離。

2 施工方案選擇及工藝

2.1 方案和工藝流程簡介

1)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道在加固土體的過程中可以采用凍結(jié)法施工，首先以工業(yè)鹽水作為冷媒，通過埋入通道外圍的凍結(jié)管將聯(lián)絡(luò)通道周圈土體不斷降溫形成物理力學(xué)性能更好的凍土，實現(xiàn)封閉的可承受外部水土壓力的凍土帷幕結(jié)構(gòu)，結(jié)合實體凍結(jié)的方式對集水井進(jìn)行凍結(jié)，最后在凍土帷幕結(jié)構(gòu)中開始聯(lián)絡(luò)通道及泵房的施工掘砌。本文著重對區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道采用凍結(jié)法的凍結(jié)帷幕、強度校驗、安全系數(shù)校驗以及冷凍工藝等環(huán)節(jié)進(jìn)行介紹。

施工組織設(shè)計需結(jié)合詳細(xì)的地質(zhì)勘探文件、周邊環(huán)境現(xiàn)狀確定，故采用“隧道內(nèi)水平鹽水冷凍+礦山法人工暗挖”的工藝工法。詳細(xì)措施如下：

首先進(jìn)行水平鉆孔和部分傾斜鉆孔，再向凍結(jié)管內(nèi)注入工業(yè)鹽水，通過制冷設(shè)備，使隧道區(qū)間之間的土層凍結(jié)加固，隨后再將聯(lián)絡(luò)通道和泵房開挖面的周邊土體冷凍，最終形成具有全方位截斷地下水、支撐強度高等特征的凍土帷幕。

2)在凍結(jié)帷幕的保護(hù)下，采用礦山法人工水平開挖聯(lián)絡(luò)通道，隨挖隨支，通道結(jié)構(gòu)完成后，再向下開挖泵房結(jié)構(gòu)。此項工程施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括凍結(jié)孔施工和聯(lián)絡(luò)通道的初期支護(hù)等。施工管理的重要控制點為供液管的敷設(shè)以及與管片之間的連接情況；還包括：凍結(jié)帷幕溫度監(jiān)測、卸壓孔監(jiān)測、凍結(jié)效果評估檢測、聯(lián)絡(luò)通道開挖支護(hù)等特殊工序的管理。

2.2 凍結(jié)帷幕力學(xué)模型

根據(jù)地質(zhì)資料，學(xué)府街站—長風(fēng)街站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道埋深18.94 m，埋深最大，計算聯(lián)絡(luò)通道垂直土壓力(P)、側(cè)向下荷載(Px)、側(cè)向上荷載(Ps)、公式如下(注：由于凍脹，土體向上膨脹，上、下垂直方向土壓力、上部土體被動土壓力應(yīng)對應(yīng)相等):

P=γ·H=γ·(Ho+Hx)+20=312.7 kPa;

Pcs=ξ·Ps=234.9 kPa;

Pcx=ξ·Px=293.1 kPa。

其中，側(cè)壓力系數(shù)取0.56；h為開挖凈高+凍土厚度。

凍土帷幕設(shè)計厚度為2 m+x，通道開挖輪廓5.40 m×4.30 m，通過計算結(jié)構(gòu)內(nèi)部彎矩、軸力，求取截面內(nèi)壓應(yīng)力、拉應(yīng)力、剪應(yīng)力。

2.3 各截面彎矩及軸力

各截面彎矩及軸力見表1。

2.4 強度校驗及安全系數(shù)校驗

強度校驗及安全系數(shù)校驗見表2。

表2 聯(lián)絡(luò)通道中部凍土結(jié)構(gòu)各截面安全系數(shù)

表2中安全系數(shù)K為凍土的強度與相應(yīng)凍土結(jié)構(gòu)在相關(guān)位置上應(yīng)力的比值。聯(lián)絡(luò)通道斷面所屬土層以粉細(xì)砂層、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土層為主，凍土強度以平均凍土的溫度在-10 ℃時的粉質(zhì)黏土為準(zhǔn)，σ壓=4.5 MPa,σ拉=2.2 MPa,τ剪=2.0 MPa。表2中數(shù)據(jù)顯示，各截面的壓應(yīng)力的安全系數(shù)K=2.3以上，拉應(yīng)力安全系數(shù)值K=3.4，剪應(yīng)力安全系數(shù)K=2.7，安全，凍結(jié)壁厚度選取2 m+x厚能滿足全斷面開挖要求。

2.5 凍結(jié)施工

2.5.1管片壁后二次預(yù)注漿

為確保聯(lián)絡(luò)通道工程的安全有序進(jìn)行，降低鉆孔過程中施工風(fēng)險，在打鉆安裝凍結(jié)管前應(yīng)進(jìn)行管片壁后的預(yù)注漿環(huán)節(jié)。預(yù)注漿范圍為聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)各10環(huán)管片，左右線共計40環(huán)范圍內(nèi)壓注水泥漿液。注漿量根據(jù)管片后土質(zhì)情況及前期注漿情況確定，注漿壓力不超過0.25 MPa。

壁后預(yù)注漿同時也能起到降低后期開挖通道期間風(fēng)險的作用。

2.5.2凍結(jié)孔施工工序

凍結(jié)孔打設(shè)前對聯(lián)絡(luò)通道左右線里程偏差確認(rèn)并對打孔角度進(jìn)行修正后打孔。聯(lián)絡(luò)通道的方位軸線如圖1所示，要先確定出隧道的A點和B點，測量A點和B點的坐標(biāo)后，以AB的連線作為方位線，做延長線至兩側(cè)隧道后管片上，再分別定位出C點和D點，作為施工時定位線。

開孔及終孔測量、封孔、打壓試驗、凍結(jié)孔的施工工序為：

1)定位、開孔：隧道內(nèi)通過全站儀將各孔位置定位，通過孔位在混凝土管片上定位開孔。

2)孔口管安裝：選用工具型號及類型：相應(yīng)功率匹配的金剛石鉆機(jī)、φ130 mm金剛石取芯鉆頭；鉆孔深度要求控制在200 mm～250 mm間，不得鉆穿混凝土管片，采用鋼楔撬斷巖心然后取出，將已成品孔口管打入，使用具有至少4個固定點在管片上完成固定，下一步將孔口密封材料安裝完成。當(dāng)每個孔口施工完成后，使用鋼板將孔口法蘭和凍結(jié)管之間間隙焊接成密封整體。

3)鉆孔：鉆機(jī)就位后，鉆桿穿入孔口管，鉆頭部位安裝一個特制單向閥門，孔口管上安裝旁通閥門，用盤根密封鉆桿與孔口管縫隙；在旁通閥觀察在鉆進(jìn)時的出水和出砂情況。通過開關(guān)旁通閥控制出泥漿量，確保地面安全，控制沉降。

4)封孔：用接長桿在孔的底部將絲堵上，在卸扣時使用反扣將絲堵上緊。

5)打壓試驗：在凍結(jié)管的長度和角度均驗收合格之后，再實施打壓試漏試驗，并將壓力控制在1.0 MPa(且不小于凍結(jié)工作面鹽水壓力的1.5倍)時，方可停止打壓，將閥門關(guān)好，注意觀測壓力方面的變化，30 min內(nèi)的壓力下降不超過0.05 MPa，并保壓15 min以上，若壓力不下降，則為合格。

3 結(jié)語

通過建立凍結(jié)帷幕力學(xué)模型和計算各截面彎矩及軸力以及強度校驗、安全系數(shù)校驗等環(huán)節(jié)，得出冷凍技術(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)能夠滿足現(xiàn)場實際實施。以實驗合格的數(shù)據(jù)通過冷凍施工方案專家評審，方可進(jìn)行下步現(xiàn)場施工，用理論數(shù)據(jù)指導(dǎo)工作，用實際情況驗證理論數(shù)據(jù)，保證安全、質(zhì)量雙控。在施工前嚴(yán)格做好技術(shù)交底；核查區(qū)內(nèi)的建筑物和管線，以及設(shè)施、設(shè)備；核查范圍內(nèi)環(huán)境、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件合理選擇施工機(jī)具。