穿越富水砂卵石層盾構(gòu)隧道凍結(jié)施工技術(shù)

沈春盛

(中國(guó)鐵建股份有限公司華東區(qū)域總部 浙江杭州 310011)

1 引言

地下軌道交通常下穿既有構(gòu)建筑物，對(duì)其穩(wěn)定性造成不利影響，隧道下穿引起的重要建筑沉降尤為關(guān)鍵。對(duì)于富水的松散地層，一旦開挖擾動(dòng)，極有可能造成洞內(nèi)涌水、涌泥等危害，因而采用凍結(jié)加固法則是該類地層的首選。

為此，眾多學(xué)者開展了一系列的研究。崔灝[1]以超長(zhǎng)地鐵聯(lián)絡(luò)通道為研究對(duì)象，分析了凍結(jié)法施工下聯(lián)絡(luò)通道水平凍結(jié)溫度場(chǎng)的變化趨勢(shì)。于長(zhǎng)一[2]以某凍結(jié)法施工的地鐵聯(lián)絡(luò)通道，分析了施工過程中土層的凍脹、融沉規(guī)律。阮慶松等[3]通過數(shù)值模擬手段分析了凍結(jié)法施工下聯(lián)絡(luò)通道和地層在施工過程中變形規(guī)律。陳生[4]利用數(shù)值模擬軟件模擬了天津地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道施工，獲得了施工過程中聯(lián)絡(luò)通道和地層的受力變形規(guī)律。金洲[5]對(duì)南寧地鐵富水圓礫地層中的聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工進(jìn)行分析，研究表明凍結(jié)法施工能很好地限制聯(lián)絡(luò)通道和地層的變形。郝潤(rùn)霞等[6]針對(duì)軟土地區(qū)的聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工過程及解凍過程，對(duì)凍結(jié)孔的打設(shè)與隧道的位移關(guān)系進(jìn)行了研究。李增理等[7]針對(duì)南京地鐵凍融沉問題，研究了劈裂-擠密注漿并同步降低地層水位的方法，可以有效控制沉降。姜耀東[8]、孫立建[9]、郭正偉[10]等人分別通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬手段，研究了凍結(jié)加固與融沉注漿等技術(shù)，并分析了聯(lián)絡(luò)通道的受力變形規(guī)律。

以某地鐵下穿城市廣場(chǎng)工程為研究對(duì)象，針對(duì)二級(jí)分項(xiàng)工程地下聯(lián)絡(luò)通道施工開挖項(xiàng)目，總結(jié)了凍結(jié)固結(jié)施工難點(diǎn)以及相應(yīng)的改進(jìn)措施?；跀?shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析了地下聯(lián)絡(luò)通道地表變形規(guī)律。

2 工程概況

某城市軌道交通包含2個(gè)地下車站、2個(gè)地下盾構(gòu)區(qū)間。其中某盾構(gòu)區(qū)間線路下穿城市廣場(chǎng)8 232.584 m，礦山法隧道全長(zhǎng)44 m，洞門12個(gè)，隧道頂部埋深在8.1～41.8 m之間。其中1號(hào)盾構(gòu)區(qū)間段設(shè)置一座聯(lián)絡(luò)通道，即1＃聯(lián)絡(luò)通道，埋深為20.7 m，擬采用凍結(jié)法加固進(jìn)行施工。

該工程區(qū)域巖土層信息從上至下分述如表1所示。本區(qū)間范圍內(nèi)地表河流、溝渠、湖泊、水塘等地表水不發(fā)育。根據(jù)地勘報(bào)告，對(duì)工程影響較大的為第四系砂、卵石層的孔隙潛水。其中，1＃聯(lián)絡(luò)通道的地下水運(yùn)動(dòng)方向?yàn)楸蔽髦聊蠔|方向，實(shí)際流速為0.66 m/d，滲透速度為0.198 m/d。

表1 工程區(qū)地層巖性特征

地下聯(lián)絡(luò)通道位于廣場(chǎng)停車場(chǎng)下方，對(duì)地表沉降有嚴(yán)格的要求。按照工程設(shè)計(jì)文件及相關(guān)規(guī)范要求[11-12]，聯(lián)絡(luò)通道的監(jiān)測(cè)內(nèi)容及控制標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

3 地下聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)固結(jié)施工難點(diǎn)分析

根據(jù)工程特點(diǎn)結(jié)合以往凍結(jié)法的施工經(jīng)驗(yàn)，聯(lián)絡(luò)通道土體加固方案擬采用凍結(jié)法，隧道施工采用暗挖法。由于地質(zhì)巖性的差異性，該工程存在以往未曾有過施工難點(diǎn):

(1)凍結(jié)加固區(qū)位于卵石土地層中，富含地下水，并且滲透系數(shù)較大，流速超過凍結(jié)法所適用的地下水流速，不利于凍結(jié)法加固，易造成凍結(jié)帷幕不均勻。

(2)施工范圍處于停車場(chǎng)下方，施工過程中要嚴(yán)格控制停車場(chǎng)沉降，減小不利影響。

(3)砂卵石地層卵石粒徑大，鉆孔困難，可能會(huì)造成鉆孔期間斷管、偏斜大等不利影響。

(4)卵石地層凍結(jié)發(fā)展速度相對(duì)較快，尤其向內(nèi)發(fā)展，常規(guī)設(shè)計(jì)凍結(jié)孔布置距離開挖面1 m左右，如開挖面井幫處遇到大直徑卵石，會(huì)造成超挖或破壞有效凍結(jié)帷幕，使凍結(jié)帷幕厚度減小。

4 主要優(yōu)化及改進(jìn)技術(shù)措施

4.1 控制地下水流速過大對(duì)凍結(jié)的影響措施

(1)在鉆孔過程中對(duì)滲透性強(qiáng)的地層用膨潤(rùn)土進(jìn)行凍結(jié)孔護(hù)壁，同時(shí)還可預(yù)先改良凍結(jié)孔周圍地層，以減小水流速。

(2)為解決鉆孔難的問題，可以通過鉆孔注水泥漿，改良土層，注漿孔環(huán)向間距0.6 m，采用φ42 mm花管，單個(gè)聯(lián)絡(luò)通道單側(cè)布置51個(gè)，長(zhǎng)度L＝7 m，單個(gè)聯(lián)絡(luò)通道注漿管長(zhǎng)度714 m，從而降低土體滲透系數(shù)。

(3)在凍結(jié)帷幕處多布置溫度測(cè)點(diǎn)。尤其是拱頂處在凍結(jié)過程中要密切觀察溫度變化，如凍結(jié)壁被影響時(shí)可以局部加強(qiáng)凍結(jié)。

4.2 中密度以上卵石鉆孔措施

常規(guī)鉆孔不能滿足施工需要，參考以往類似地層的施工經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化采用以下措施:

(1)采用MD-80強(qiáng)力水平鉆機(jī)，該設(shè)備動(dòng)力足，扭矩大。

(2)凍結(jié)管可加大壁厚，確保其質(zhì)量。

(3)采用大八角三翼鉆頭。

(4)必要時(shí)采用水平?jīng)_擊液壓鉆機(jī)，邊鉆邊沖擊前進(jìn)。

4.3 對(duì)停車場(chǎng)和管線、隧道結(jié)構(gòu)的保護(hù)控制措施

(1)對(duì)凍結(jié)范圍內(nèi)的土層采用雙液預(yù)注漿加固。

(2)可架設(shè)鋼支架。

4.4 防止凍結(jié)不連續(xù)的控制措施

(1)工程開挖階段保證設(shè)備的電力供應(yīng)，儲(chǔ)備發(fā)電機(jī)組，保證停電時(shí)自發(fā)電量能滿足正常供電的75%以上。

(2)在現(xiàn)場(chǎng)采用大蓄水池，以滿足停水后不少于2 d的水量需求。

5 地下聯(lián)絡(luò)通道地表變形分析

5.1 數(shù)值模擬分析

采用有限元軟件構(gòu)建盾構(gòu)施工過程中對(duì)下穿城市廣場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。砂卵石地層及預(yù)注漿土層設(shè)置為實(shí)體單元，盾構(gòu)襯砌管片使用2D結(jié)構(gòu)單元模擬。地層屬性采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，襯砌及預(yù)注漿土層滿足彈性準(zhǔn)則。整體建模如圖1所示。

圖1 三維數(shù)值模型

模擬結(jié)果顯示如圖2、圖3，盾構(gòu)下穿引起的停車場(chǎng)等構(gòu)筑物的最大沉降變形位于上下線隧洞之間，其最大沉降值為5.71 mm。此外，地下管線的變形顯示出沉降的趨勢(shì)，其最大豎向位移值為5.43 mm，滿足設(shè)計(jì)文件的要求。

圖2 下穿地下管道變形

圖3 地表位移變形云圖

5.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

地下聯(lián)絡(luò)通道的頂部是廣場(chǎng)的停車場(chǎng)，以聯(lián)絡(luò)通道的軸線為中線，向兩側(cè)對(duì)稱布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，布點(diǎn)及編號(hào)如圖4所示。其中通道兩側(cè)分別矗立著兩盞高燈桿，其監(jiān)測(cè)編號(hào)分別為QX1、QX2。

圖4 地下聯(lián)絡(luò)通道監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置

為了有效地反映地下聯(lián)絡(luò)通道的下部含水砂卵石層在凍結(jié)加固處理的效果，對(duì)聯(lián)絡(luò)通道周邊一定范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。地表位移沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別取 DBZ11425、DBZ11430、DBZ11435、DBZ11440、DBZ11445、DBZ11450、DBZ11455、DBZ11460 共8 個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。高燈桿傾斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為:QX1、QX2。

按照施工方案監(jiān)測(cè)工作從冷凍固結(jié)開始并與監(jiān)測(cè)同步進(jìn)行直至聯(lián)通隧道貫通，完成二次支護(hù)后中止。將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理后得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降位移與時(shí)間的關(guān)系曲線，見圖5、圖6。在冷凍固結(jié)階段，如圖5所示，在通道上部的點(diǎn):DBZ11435、DBZ11440、DBZ11445、DBZ11450 的垂直位移為正值，主要是由于冷凍范圍內(nèi)的動(dòng)土產(chǎn)生體積膨脹，使得地面土體上拱，最大值僅為6 mm，滿足地表上拱的限值。在聯(lián)絡(luò)通道開挖階段，隨著開挖的進(jìn)行凍結(jié)土體地應(yīng)力重新分布，土體開始向洞內(nèi)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致地表在凍結(jié)上拱的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了稍大于原始土體平衡位置的沉降。從而驗(yàn)證了冷凍固結(jié)技術(shù)對(duì)控制圍巖土體及地表沉降的良好作用。

圖5 地下聯(lián)絡(luò)通道上部監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降-時(shí)間曲線

圖6 地下聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降-時(shí)間曲線

如圖6所示，聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn):DBZ11425、DBZ11430、DBZ11455、DBZ11460 在凍固結(jié)階段出現(xiàn)輕微下沉，主要是由于該部分的土體未被冷凍固結(jié)，因受通道附近土體冷凍固結(jié)作用的影響，土中水產(chǎn)生運(yùn)移，形成動(dòng)水壓力，從而使土體產(chǎn)生沉降位移，最大沉降位移也僅為-4.10 mm，滿足工程對(duì)垂直位移的要求。隨后由于聯(lián)絡(luò)通道周圍的冷凍固結(jié)作用基本穩(wěn)定，動(dòng)水壓力消散，趨于靜水壓力，使得該部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降趨于穩(wěn)定甚至略有回彈。在聯(lián)絡(luò)通道開挖階段，由于開挖擾動(dòng)土體，使得該部分的土體產(chǎn)生應(yīng)力重分布，產(chǎn)生一定附加沉降，其累積最大沉降值為-4.14 mm，滿足工程對(duì)沉降的要求。

高燈桿基礎(chǔ)QX1、QX2傾斜率隨時(shí)間變形曲線如圖7所示，對(duì)其監(jiān)測(cè)從通道開挖階段開始。從圖中可以看出，QX1、QX2凍結(jié)加固措施撤除過程開始出現(xiàn)傾斜。這是因?yàn)槔鋬鼋獬馏w固態(tài)冰開始融化，土體有效應(yīng)力降低，砂卵石層的不均勻性導(dǎo)致差異性沉降，形成傾斜，但傾斜率相對(duì)較小，最大傾斜率為3.5‰。隨后便自動(dòng)調(diào)整差異沉降值，從而滿足傾斜的要求。緊接著砂卵石層在冷凍完全解除后，土體的水分逐步均一化，沉降趨于同步。最終在沉降調(diào)整過程中傾斜率逐漸恢復(fù)。

圖7 1＃聯(lián)絡(luò)通道高燈桿基礎(chǔ)傾斜率-時(shí)間監(jiān)測(cè)曲線

通過上述分析可見這種砂卵石沖洪積平原地下水復(fù)雜、豐富，在對(duì)沉降要求較高的工程建設(shè)中冷凍固結(jié)法優(yōu)勢(shì)明顯。本工程對(duì)冷凍固結(jié)法采取了上述改進(jìn)措施滿足地表沉降的要求。

6 結(jié)論

以某地鐵下穿城市廣場(chǎng)工程為研究對(duì)象，針對(duì)二級(jí)分項(xiàng)工程地下聯(lián)絡(luò)通道施工開挖項(xiàng)目，總結(jié)了凍結(jié)固結(jié)施工難點(diǎn)以及相應(yīng)的改進(jìn)措施?；跀?shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析了地下聯(lián)絡(luò)通道地表變形規(guī)律。主要得到以下結(jié)論:

(1)針對(duì)富水砂卵石層本身具有的松散性、不穩(wěn)定性及變形遲滯性使得地下施工難以開展的難題，本工程創(chuàng)新性地在該類地區(qū)采用冷凍固結(jié)措施?？偨Y(jié)了地下聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)固結(jié)施工難點(diǎn)，并提出了優(yōu)化及改進(jìn)技術(shù)措施。

(2)凍結(jié)加固區(qū)位于卵石土地層中，富含地下水，并且滲透系數(shù)較大，流速超過凍結(jié)法所適用的地下水流速，不利于凍結(jié)法加固，易造成凍結(jié)帷幕不均勻。因此，在鉆孔過程中對(duì)滲透性強(qiáng)的地層用膨潤(rùn)土進(jìn)行凍結(jié)孔護(hù)壁，同時(shí)通過鉆孔注水泥漿，以改良土層并減小水流速。

(3)通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬可知，在卵石土地層，對(duì)沉降要求較高的工程冷凍固結(jié)法優(yōu)勢(shì)明顯。