天津地鐵4號(hào)線富水聯(lián)絡(luò)通道水平凍結(jié)法施工技術(shù)

孟憲美

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300000)

1 工程概述

1.1 工程概況

天津地鐵4號(hào)線成林道站—六緯路站區(qū)間右線全長(zhǎng)2 517.985 m，左線全長(zhǎng)2 538.700 m。區(qū)間左線有半徑350、450、600、1 000、1 500 m的平曲線各一處，半徑400 m的平曲線兩處。右線有半徑350、462、600、1 000、1 500 m的平曲線各一處，半徑400 m的平曲線兩處。區(qū)間線間距在12.0～27.20 m變化。區(qū)間隧道為單洞單線圓形隧道，管片內(nèi)徑?5 500 mm、管片厚度350 mm、環(huán)寬1.5 m/1.2 m，管片混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，抗?jié)B等級(jí)P10。

1.2 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)概況

成林道站—六緯路站場(chǎng)地埋深75.00 m 深度范圍內(nèi)，盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)從上到下地層劃分及各地層的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。根據(jù)地基土的巖性分層、室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果，成林道站—六緯路站區(qū)間場(chǎng)地埋深50.00 m 以上可劃分為潛水含水巖組、第一承壓含水巖組和第二承壓含水巖組。⑦粉質(zhì)粘土、⑧1粉質(zhì)粘土屬不透水～微透水層，可視為潛水含水層與其下承壓含水層的相對(duì)隔水層，初見水位埋深1.40～2.40 m，相當(dāng)于標(biāo)高1.24～-0.30 m；靜止水位埋深0.70～2.40 m，相當(dāng)于標(biāo)高1.49～0.80 m，潛水水位一般年變幅在0.50～1.00 m 左右。⑧2砂質(zhì)粉土、⑨1粉質(zhì)粘土、⑨2砂質(zhì)粉土為第一承壓含水層，該承壓水水頭大沽標(biāo)高約為-0.50 m；⑩1、粉質(zhì)粘土、1粉質(zhì)粘土為第二承壓含水層，該承壓水水頭大沽標(biāo)高約為-0.50 m。盾構(gòu)局部穿越⑧2、⑨2粉土承壓水層，易引發(fā)突發(fā)性涌水和涌泥，造成地面塌陷，發(fā)生施工事故。

1.3 聯(lián)絡(luò)通道概況

本標(biāo)段盾構(gòu)區(qū)間設(shè)有三處聯(lián)絡(luò)通道，采用水平凍結(jié)法進(jìn)行土體加固，暗挖法修建聯(lián)絡(luò)通道。聯(lián)絡(luò)通道采用曲拱直墻斷面，通道設(shè)計(jì)寬度為2.8 m，設(shè)計(jì)凈高為2.9 m，聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)型式見圖1。

圖1 聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)

2 聯(lián)絡(luò)通道施工工藝

聯(lián)絡(luò)通道施工工藝流程：第一步，盾構(gòu)區(qū)間采用冷凍法加固聯(lián)絡(luò)通道周圍土體，平面加固范圍為通道中線兩側(cè)各6 m(見圖2)，Ⅰ區(qū)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度須≥0.8 MPa，滲透系數(shù)須<10-8cm/s；Ⅱ區(qū)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度須≥1.5 MPa，滲透系數(shù)<10-8cm/s。第二步，采用千斤頂和手拉葫蘆先拆除上部4塊鋼管片，待通道貫通后再拆除下部?jī)蓧K鋼管片。第三步，先進(jìn)行上部通道的開挖和支護(hù)，再對(duì)泵站開挖和支護(hù)。

表1 各地層的物理力學(xué)指標(biāo)

第四步，對(duì)聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行支護(hù)施工(格柵鋼架及掛網(wǎng)施工、濕式噴射砼施工等)。第五步，采用4 mm厚自粘性改性瀝青柔性防水卷材進(jìn)行防水層施工。第五步，二襯采用防水混凝土，防水混凝土的抗?jié)B等級(jí)不得小于P8。第六步，二次襯砌后注漿和地層跟蹤注漿，注漿順序?yàn)楣芷撞俊瓤凇ǖ兰凹甗1-2]。

圖2 聯(lián)絡(luò)通道土體凍結(jié)加固范圍

3 凍結(jié)加固施工方案

3.1 凍結(jié)參數(shù)確定

設(shè)計(jì)鹽水溫度-34 ℃，積極凍結(jié)時(shí)間為45 d，凍結(jié)孔單孔流量≥5 m3/h，凍結(jié)帷幕平均溫度≤-10 ℃，凍土帷幕交圈時(shí)間18～21 d。由于聯(lián)絡(luò)通道施工地層地下水豐富，因此在凍結(jié)初期需要快速使水凍結(jié)，從而保證滲流量減小。凍結(jié)施工分三個(gè)時(shí)段降低鹽水溫度：第一階段0～7 d，初始鹽水溫度為-10 ℃，鹽水溫度逐漸降至-24 ℃；第二階段7～15 d，鹽水溫度降至-30 ℃；第三階段15～45 d，鹽水溫度降至-34 ℃以下，工況條件下凍結(jié)總需冷量為60 545.59 kcal/h。

3.2 凍結(jié)孔設(shè)計(jì)

凍結(jié)孔布置采取從左、右線隧道兩側(cè)打孔方式進(jìn)行，凍結(jié)孔個(gè)數(shù)為77個(gè)，凍結(jié)孔終孔控制間距為0.05 m，凍結(jié)孔允許偏斜為150 mm，凍結(jié)管采用?89 mm×8 mm低碳無縫鋼管，凍結(jié)管總長(zhǎng)度644.5 m；測(cè)溫孔10個(gè)，材質(zhì)為低碳無縫鋼管；卸壓孔4個(gè)，材質(zhì)為低碳無縫鋼管。凍結(jié)孔按上仰、水平、下俯三種角度布置，聯(lián)絡(luò)通道設(shè)穿透孔，供對(duì)側(cè)隧道凍結(jié)孔和冷凍排管需冷用[3-4]，凍結(jié)孔具體布置見圖3。測(cè)溫孔鉆孔深度為3.5～7.7 m，總孔深為52.5 m；測(cè)壓孔鉆孔深度為3 m，總鉆孔深度為12 m。

圖3 凍結(jié)孔設(shè)計(jì)情況

3.3 施工監(jiān)測(cè)方案

為確保凍結(jié)施工效果，對(duì)鹽水溫度、測(cè)溫孔溫度、卸壓孔壓力等參數(shù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。鹽水溫度監(jiān)測(cè)：在總?cè)ヂ?、總回路各設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從冷凍機(jī)試運(yùn)行到永久結(jié)構(gòu)施工結(jié)束，全程對(duì)去回路溫差進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率為1次/d。測(cè)溫孔溫度監(jiān)測(cè)： 10個(gè)測(cè)溫孔分別設(shè)置在左、右隧道的聯(lián)絡(luò)通道，泵房?jī)鼋Y(jié)壁上、中、下內(nèi)外兩側(cè)，監(jiān)測(cè)頻率為1次/d。卸壓孔壓力監(jiān)測(cè)在通道拱頂和中心位置各布置兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，泄壓孔必須貫通開挖區(qū)內(nèi)的透水層，距離聯(lián)絡(luò)通道中軸線均為0.45 m，監(jiān)測(cè)頻率為1次/d。監(jiān)測(cè)方案布置示意見圖4。

圖4 監(jiān)測(cè)方案布置

4 凍結(jié)施工效果分析

4.1 鹽水溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果

凍結(jié)施工期間去路溫度、回路溫度及去回路溫差變化曲線見圖5。從圖5中可知：隨著凍結(jié)時(shí)間的增加，溫度呈逐漸降低的變化特征，其中，在0～7 d內(nèi)，凍結(jié)鹽水溫度下降速率加快，從-10 ℃下降至-26 ℃，在此階段內(nèi)去路溫度與回路溫度的最大溫差達(dá)到4 ℃，這是因?yàn)樵趦鼋Y(jié)初期，土體內(nèi)的熱交換最為強(qiáng)烈，但如果溫度下降幅度過快，則會(huì)影響凍結(jié)過程的熱交換速度，因此在施工后期經(jīng)過調(diào)整，將鹽水溫度下降速率調(diào)慢。當(dāng)凍結(jié)至10 d后，溫度下降至-33 ℃；凍結(jié)45 d后，鹽水溫度性降至-34 ℃，隨著凍結(jié)持續(xù)，土體內(nèi)熱交換程度逐漸放緩，去回路溫差在逐漸變小并最終趨于穩(wěn)定。雖然凍結(jié)施工過程中鹽水溫度與設(shè)計(jì)溫度變化過程有些出入，這可能是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)施工控制及施工環(huán)境影響導(dǎo)致，但是從整體上來看，凍結(jié)30 d后，去路鹽水溫度基本穩(wěn)定在-34 ℃左右，而回路鹽水溫度也基本穩(wěn)定在-32 ℃左右，去路溫度與來路溫度的差值基本控制在2 ℃左右，差值符合凍結(jié)設(shè)計(jì)要求，因此鹽水溫度控制相對(duì)來講還是比較合理的。

圖5 凍結(jié)施工期去、回路溫度及差值變化曲線

4.2 測(cè)溫孔溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果

不同測(cè)溫孔在凍結(jié)45 d后，溫度隨測(cè)溫孔深度變化的趨勢(shì)見表2。從表2中可知：隨著測(cè)溫孔深度的增加，土體溫度逐漸降低，這是因?yàn)殡x管片越近，土體與外界環(huán)境之間的熱交換現(xiàn)象越明顯，影響低溫鹽水與土體之間的熱交換，因此在施工時(shí)如果有條件的可以在凍結(jié)目標(biāo)區(qū)域范圍內(nèi)的管片上鋪設(shè)隔熱材料，從而減少冷量流失到外界環(huán)境中[5]；C9測(cè)溫孔不同深度處的凍結(jié)溫度溫差較大，這是因?yàn)镃9測(cè)溫孔附近存在多根交叉凍結(jié)管，從而導(dǎo)致不同深度處的凍結(jié)效果差別較大；C1、C5、C6、C7、C8這幾個(gè)測(cè)溫孔的最終凍結(jié)溫度在-15 ℃左右，低于其他測(cè)溫孔的監(jiān)測(cè)得到的凍結(jié)溫度，這是因?yàn)樯鲜鰩讉€(gè)測(cè)溫孔位于側(cè)墻和拱頂連接處，處于凍結(jié)管布置區(qū)域的左右下角，此處凍結(jié)壁往往不易交圈，凍結(jié)效果相較于其他區(qū)域更差；從整體上看，雖然不同區(qū)域凍結(jié)溫度差別較大，但均達(dá)到凍結(jié)溫度低于-10 ℃的要求，表明凍結(jié)區(qū)域范圍內(nèi)土體被完全凍結(jié)。

表2 測(cè)溫孔監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果℃

4.3 泄壓孔壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果

不同泄壓孔壓力隨凍結(jié)時(shí)間的變化關(guān)系見圖6(X1和X3為拱頂泄壓孔，X2和X4為中心區(qū)域泄壓孔;X1和X2位于左側(cè)隧道，X3和X4位于右側(cè)隧道)。從圖6中可知：在凍結(jié)初期(0～13 d)，4個(gè)泄壓孔的壓力均為0;當(dāng)凍結(jié)時(shí)間達(dá)到13 d后，位于左側(cè)隧道的X1和X2泄壓孔壓力逐漸開始增大，表明此時(shí)泄壓孔布置區(qū)域內(nèi)發(fā)生相變，相變會(huì)引起透水層水壓增大，土體開始被凍結(jié)并逐漸形成凍結(jié)壁；X3泄壓孔和X4泄壓孔的壓力分別從第16 d和第20 d開始增加，拱頂位置處的泄壓孔先于中心區(qū)域的泄壓孔升壓，且拱頂處泄壓孔壓力大于中心區(qū)域泄壓孔壓力，表明拱頂處的土體被凍結(jié)時(shí)間早于通道中心。拱頂泄壓孔在18～20 d左右的壓力有較大幅度增長(zhǎng)，而中心區(qū)域泄壓孔在24～26 d左右壓力會(huì)有較大幅度增長(zhǎng)，表明在此凍結(jié)時(shí)段內(nèi)周圍土體相變十分劇烈。當(dāng)泄壓孔的壓力上升到一定程度后，泄壓孔的壓力就會(huì)在0.2～0.3 MPa呈動(dòng)態(tài)波動(dòng)變化，當(dāng)凍結(jié)時(shí)間為35 d時(shí)，打開氣閥檢查有無漏水，因而此時(shí)泄壓孔壓力有所降低，之后又會(huì)逐漸增大到原有壓力值；當(dāng)凍結(jié)時(shí)間為40 d時(shí)，打開氣閥，仍然無水流出，表明凍結(jié)帷幕交圈效果良好。

圖6 泄壓孔壓力隨凍結(jié)時(shí)間的變化曲線

5 結(jié)束語

(1)在富水地區(qū)進(jìn)行凍結(jié)施工，為防止地下水滲漏，必須在凍結(jié)初期快速降低溫度，使周圍土體連同水體一起凍結(jié)，但是只限凍結(jié)初期內(nèi)，也是土體內(nèi)熱交換最為強(qiáng)烈的時(shí)間段；在水體凍結(jié)完成后，應(yīng)該將鹽水溫度下降速率放緩，以防止去回路鹽水溫度出現(xiàn)較大溫差。

(2)在靠近管片處以及凍結(jié)管角落處的凍結(jié)區(qū)域，凍結(jié)效果較差，可在凍結(jié)區(qū)域范圍內(nèi)管片上鋪設(shè)保溫材料，以減少土體與外界環(huán)境的熱交換，從而保證凍結(jié)效果。

(3)鹽水去回路差值控制在2 ℃左右，凍結(jié)溫度均低于-10 ℃，凍結(jié)40 d后無水流出，表明本次聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工凍結(jié)帷幕交圈效果良好。