北京地鐵富水砂層中盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道水平凍結(jié)施工技術(shù)

萬小飛 高振

1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司 100068

2.中鐵大橋勘測設(shè)計院有限公司 武漢430050

引言

設(shè)置于地鐵區(qū)間隧道中間的聯(lián)絡(luò)通道，起到連通兩條隧道間的人員疏散作用，有時根據(jù)工程情況兼顧設(shè)置排水泵房。聯(lián)絡(luò)通道施工不僅要考慮自身結(jié)構(gòu)及地面環(huán)境安全，同時要考慮盾構(gòu)隧道的安全與穩(wěn)定。所以城市地鐵聯(lián)絡(luò)通道開挖前必須對其周圍土體進(jìn)行加固，常見的土體加固方法有：地面旋噴樁加固、攪拌樁加固或隧道內(nèi)水平旋噴樁加固等［1］。在地層復(fù)雜、地下水豐富的情況下，凍結(jié)法在施工安全、地下水保護(hù)等方面不失為一種行之有效的土體加固方法。在北京地區(qū)某地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工過程中，由于聯(lián)絡(luò)通道所在砂層地質(zhì)的復(fù)雜性，旋噴樁加固有時不能達(dá)到預(yù)期的加固效果，故采用凍結(jié)法加固的方法進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道的施工。

1 工程概況

北京地鐵七號線某聯(lián)絡(luò)通道兼泵房，礦山法施工，凍結(jié)法加固土體。聯(lián)絡(luò)通道為與上、下行隧道相交的水平通道。按聯(lián)絡(luò)通道線路設(shè)計，聯(lián)絡(luò)通道與上、下行線隧道中心相交的隧道中心標(biāo)高均為1.625m，隧道中心距為17.000m。聯(lián)絡(luò)通道覆土厚度16.23m，凈空尺寸2.8m×2.8m，外輪廓開挖尺寸3.9m×4.87m（非廢水泵房部分），廢水泵房部分凈空長3m，寬2.1m，深3.8m。聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the communication channel

2 工程地質(zhì)

聯(lián)絡(luò)通道兼泵房地層從上至下依次為⑥粉質(zhì)黏土、⑦細(xì)砂、⑧粉質(zhì)黏土層。地層中存在承壓水（二）位于隧道上方，距離聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)頂部垂直距離約4.6m；承壓水（三）位于隧道上方，距離聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)頂部垂直距離約2.9m，承壓水（四）位于隧道上方，距離聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)頂部垂直距離約2m，具體地質(zhì)特征如圖2所示。

圖2 工程地質(zhì)特征Fig.2 Engineering geological features

3 凍結(jié)設(shè)計

根據(jù)北京市《旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程》（DG/TJ08-902—2006）要求，凍結(jié)壁的力學(xué)計算模型按均質(zhì)線彈性體簡化，其力學(xué)特性參數(shù)取設(shè)計凍結(jié)壁平均溫度下的凍土力學(xué)特性指標(biāo)。將通道側(cè)墻凍結(jié)壁底部做為固定支座［2］，取模型長度1m，凍結(jié)壁厚度2.0m，上覆土體范圍從埋深17.425m～22.295m。聯(lián)絡(luò)通道標(biāo)準(zhǔn)斷面凍結(jié)壁計算模型如圖3所示。

圖3 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁計算模型Fig.3 Calculationmodel of connected aislefrozen wall

泵房開挖時，上部通道部分已經(jīng)施工完畢，將房側(cè)墻凍結(jié)壁上端與通道連接視為固定支座，取模型長度1m，凍結(jié)壁厚度2.25m，泵房上覆土體范圍從埋深22.295m～24.945m。模型如圖4所示。

圖4 泵房凍結(jié)壁計算模型Fig.4 Calculation model of pump house frozen wall

根據(jù)地層條件，凍土強度的設(shè)計指標(biāo)取為：單軸抗壓不小于3.6MPa，彎折抗拉不小于1.8MPa，抗剪不小于1.5MPa（-10℃）。為保證凍土平均溫度達(dá)到設(shè)計時計算值，凍土驗收時平均溫度應(yīng)不高于-10℃［3］。

凍結(jié)壁承載力計算采用許用應(yīng)力法，根據(jù)《旁通道凍結(jié)技術(shù)規(guī)程》（DG/TJ 08-902—2006）中的Ⅲ類凍結(jié)壁強度檢驗，安全系數(shù)?。嚎箟?.0，抗折3.0，抗剪2.0。聯(lián)絡(luò)通道標(biāo)準(zhǔn)段凍結(jié)壁厚度2m，泵房位置局部達(dá)到2.25m時，凍結(jié)壁的應(yīng)力計算結(jié)果見表1。

表1 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁計算結(jié)果（單位：MPa）Tab.1 Calculation result table of frozen wall of connecting channel（unit：MPa）

根據(jù)凍結(jié)壁設(shè)計計算結(jié)果，為了達(dá)到設(shè)計的凍結(jié)壁效果，設(shè)計聯(lián)絡(luò)通道兼泵房主要凍結(jié)技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)技術(shù)參數(shù)Tab.2 Contact channel freezing technical parameter table

4 凍結(jié)施工

冷凍法聯(lián)絡(luò)通道施工可分為凍結(jié)孔施工、凍結(jié)施工和開挖構(gòu)筑施工三個主要部分，其主要施工順序為：施工準(zhǔn)備→凍結(jié)孔施工→進(jìn)行隧道支撐→積極凍結(jié)→安裝安全門→探孔試挖→拆鋼管片→聯(lián)絡(luò)通道掘進(jìn)與初期支護(hù)→聯(lián)絡(luò)通道永久支護(hù)→泵房開挖與初期支護(hù)→泵房永久支護(hù)（含泵房）→結(jié)構(gòu)充填注漿→進(jìn)行自然解凍融沉注漿充填→撤場［4］。

4.1 凍結(jié)孔施工

聯(lián)絡(luò)通道共布置凍結(jié)孔85個（右線17排，左線4排），造孔工程量789.57m。實際施工完成凍結(jié)孔85個，布置測溫孔10個，造孔工程量39.17m；卸壓孔4個，4m/個，共計16m，右線鋪設(shè)冷凍排管，排管長度140m。聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔布置如圖5所示。

圖5 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔布置Fig.5 Layout of the freezing hole of the communication channel

凍結(jié)孔采用φ89無縫鋼管的凍結(jié)管鉆進(jìn)到設(shè)計深度后，進(jìn)行終孔測斜，當(dāng)凍結(jié)管長度和偏斜驗收合格后在進(jìn)行打壓試漏，凍結(jié)孔試漏壓力保持在0.8MPa，半小時內(nèi)壓力下降不超過0.05MPa為試驗合格。驗收合格后，用水泥漿對空口管與管片之間的縫隙進(jìn)行封堵。

4.2 冷凍站安裝

該項工程凍結(jié)站放在車站地面，選用CWZ-290（標(biāo)準(zhǔn)制冷量115kW）型4臺，標(biāo)準(zhǔn)制冷量為39.56萬kcal/h，其中區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道配機2臺。在積極凍結(jié)期，冷凍機組達(dá)到滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)，確保聯(lián)絡(luò)通道盡快達(dá)到凍結(jié)開挖條件，及時進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工。

4.3 積極凍結(jié)與維護(hù)凍結(jié)

本工程積極凍結(jié)期間，開機7d鹽水溫度降至-21℃，10d鹽水溫度降至-25℃以下，到13d去路鹽水溫度穩(wěn)定在-30℃，去回路溫度差穩(wěn)定在1℃左右，凍結(jié)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常，供冷量充分。

維護(hù)凍結(jié)期間，鹽水溫度穩(wěn)定在-28℃以下，滿足設(shè)計要求。

4.4 聯(lián)絡(luò)通道開挖

本工程聯(lián)絡(luò)通道所處地層屬于穩(wěn)定性較差的細(xì)砂和粉質(zhì)黏土層，且承壓水豐富，開挖時容易發(fā)生坍塌、涌水涌砂的風(fēng)險。

聯(lián)絡(luò)通道開挖時采用臺階法施工，短段掘砌，開挖步距設(shè)置為0.5m，鑒于凍土強度高，且距離凍土帷幕越近開挖越困難，因此采用風(fēng)鎬人工掘進(jìn)，在開挖的過程中，及時對暴露的凍土進(jìn)行保溫，保溫板采用50mm的泡沫塑料板。

聯(lián)絡(luò)通道開挖后地層應(yīng)力重分布，當(dāng)凍土帷幕所受應(yīng)力較大時，會發(fā)生較大的蠕變變形，為了控制這種變形的發(fā)展，開挖后要及時進(jìn)行支護(hù)。聯(lián)絡(luò)通道初次支護(hù)型鋼支架噴射混凝土，支架間距為0.5m，二次襯砌時采用模筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用組合鋼模板，支撐體系采用工字鋼龍骨配合扣件式腳手架。

本工程在開挖和襯砌過程中，并未出現(xiàn)坍塌和涌水涌砂，工程質(zhì)量良好。

4.5 融沉注漿

聯(lián)絡(luò)通道施工完成后解凍過程中，富水砂層極易發(fā)生沉降，因此需要通過結(jié)構(gòu)施工時預(yù)留的注漿管進(jìn)行融沉注漿，預(yù)埋的注漿管長度以深至初期支護(hù)后部且端部深處結(jié)構(gòu)層40cm為宜，每個斷面都在通道拱頂、側(cè)壁和底板埋設(shè)7根注漿管。

注漿管采用φ32的花管，注漿前，孔口處塞入黑心棉等防止返漿材料，分3～4層進(jìn)行注漿，每個孔位注漿結(jié)束后，為防止水泥漿硬化后阻塞注漿管，每次停注前均需將注漿管注滿水玻璃液，以便后期復(fù)注。

注漿時從最底層注漿孔進(jìn)行注漿，注漿壓力過大時會導(dǎo)致地面隆起，因此注漿壓力控制在0.3MPa～0.5MPa之間，注漿流量控制在25L/min～30L/min，直至上一層預(yù)埋的注漿管留出漿液時暫停注漿，關(guān)閉底層注漿管閥門；繼續(xù)對上一層注漿管注漿，依次直至頂部注漿孔完成注漿。

5 信息化監(jiān)測技術(shù)

在整個凍結(jié)施工過程中，凍結(jié)加固土體的物理性質(zhì)發(fā)生了很大的變化。因此在整個施工過程中，要通過信息化自動監(jiān)測技術(shù)對鹽水溫度、凍結(jié)壁溫度、泄壓孔壓力等進(jìn)行全面監(jiān)測，為實時掌握和控制施工參數(shù)提供依據(jù)。

5.1 鹽水溫度

凍結(jié)13d鹽水溫度降至-28℃，滿足設(shè)計要求。凍結(jié)14d鹽水溫度保持在-31℃左右。鹽水溫度變化曲線如圖6所示。

圖6 鹽水溫度變化曲線Fig.6 Brine temperature change curve

5.2 測溫孔溫度

為了準(zhǔn)確掌握凍結(jié)溫度場變化情況，聯(lián)絡(luò)通道兼泵房共布置了10個測溫孔。現(xiàn)通過4個測溫孔測量典型位置、不同深度的溫度變化趨勢，如圖7所示。

圖7 測溫孔溫度變化曲線Fig.7 Temperature change curve of temperature measuring hole

從圖7可以看出，整個凍結(jié)區(qū)域內(nèi)溫度呈現(xiàn)良好的線性降低趨勢，臨近凍結(jié)管附近的土體溫度在凍結(jié)第6d便降低至冰點以下，截止到積極凍結(jié)第21d，所有測溫孔溫度均降至冰點以下。根據(jù)測溫孔溫度數(shù)據(jù)以及測溫孔與凍結(jié)管距離計算分析可得：凍結(jié)平均發(fā)展速度外側(cè)平均為32mm/d，內(nèi)側(cè)為40mm/d，凍土平均發(fā)展速度為36mm/d，由此推斷出凍結(jié)帷幕內(nèi)最小凍結(jié)壁厚度為2333mm，可以判斷聯(lián)絡(luò)通道四周土體凍結(jié)加固效果良好。

5.3 泄壓孔壓力變化

聯(lián)絡(luò)通道4個泄壓孔的壓力隨時間變化曲線如圖8所示。

圖8 泄壓孔壓力變化曲線Fig.8 Pressure change curve of pressure relief hole

聯(lián)絡(luò)通道4個泄壓孔初始壓力為0.02MPa～0.04MPa，凍結(jié)19d時，開始逐步上漲，最高上漲至0.23MPa；凍結(jié)至38d時，卸壓孔開始泄壓；凍結(jié)第39d時，進(jìn)行放水放壓實驗；凍結(jié)第41d，4個泄壓孔壓力全部降為0，且無水流出，證明凍結(jié)壁已交圈。

6 結(jié)語

在北京地區(qū)富水砂層中施工聯(lián)絡(luò)通道可以采用凍結(jié)法進(jìn)行加固，加固效果良好；整個凍結(jié)過程中，對鹽水溫度、凍結(jié)壁溫度、泄壓孔壓力做好全方位的監(jiān)控，是判斷凍結(jié)效果的關(guān)鍵；積極凍結(jié)期間，凍結(jié)帷幕與管片交界處屬于凍結(jié)薄弱位置，應(yīng)該加強此處的監(jiān)測；同時，聯(lián)絡(luò)通道施工完成后，需根據(jù)測溫點溫度的變化速率來確定凍土的融化程度和融化速率，從而進(jìn)行融沉注漿，繼而有效控制地面沉降。