北京地鐵超長聯(lián)絡通道凍結法關鍵技術及經(jīng)濟分析

劉曉波，凌立靜，王秋生

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司,北京 100080; 2.北京住總集團有限責任公司軌道交通市政工程總承包部,北京 100029)

凍結法[1-6]是利用人工制冷技術,將鹽水介質的溫度降至0 ℃以下,此時負溫的鹽水會使土層中的水凍結結冰,將松散含水土層變?yōu)閮鐾?進而增加了土層的強度和穩(wěn)定性,隔絕了地下水,使得可以在該凍結壁的保護下,進行地下工程開挖施工。目前,凍結法由于其自身安全性高、封水性強等特點而廣泛應用于地鐵工程建設中。

地鐵聯(lián)絡通道[7-9]是位于兩條地鐵隧道間的一條橫向連接通道,主要起到隧道內排水、防火及人員緊急避險疏散作用。地鐵聯(lián)絡通道位置兩隧道中心距一般為12 m～15 m,對于兩隧道中心距20 m一般稱為超長聯(lián)絡通道[10]。當?shù)罔F聯(lián)絡通道位于富水軟土地層時,通常采用凍結法加固地層[11-12],暗挖法進行施工。

目前聯(lián)絡通道凍結施工存在的問題主要集中在以下幾點:1)大埋深、富水層、超長聯(lián)絡通道的凍結法施工工藝應用案例較少;2)施工周期較長、用電成本高、工程造價較高等經(jīng)濟效益不理想。如何在確?，F(xiàn)場施工安全、質量的前提下,提高聯(lián)絡通道凍結施工的經(jīng)濟效益,是需要我們共同探討解決的問題。筆者擬以北京地鐵12號線三元橋站—西壩河站區(qū)間聯(lián)絡通道工程(以下簡稱“本工程”)為例進行討論。

1 工程概況

北京地鐵12號線三元橋站—西壩河站盾構區(qū)間總長1 481 m,區(qū)間線路線間距為19.2 m～35 m～17.2 m,區(qū)間設置2座聯(lián)絡通道,均采用凍結法加固地層,暗挖法進行施工,平面位置如圖1所示。

1號聯(lián)絡通道所在位置兩隧道中心距35 m,上覆土層厚度約28 m,上覆土層主要為粉土、粉質黏土、粉細砂,開挖初支外輪廓尺寸為3.27 m×4.27 m(寬×高),開挖地層主要為粉質黏土,開挖斷面位于承壓水(四)之下。

2號聯(lián)絡通道所在位置兩隧道中心距34.309 m,上覆土層厚度約31 m,上覆土層主要為粉土、粉質黏土、粉細砂,開挖初支外輪廓尺寸為4 m×4.27 m(寬×高),泵房處開挖初支外輪廓尺寸為5.9 m×7.656 m(寬×高),開挖地層主要為粉質黏土,開挖斷面位于承壓水(四)之下。

2 工程重難點

本工程受施工地域條件及周邊環(huán)境等因素制約,凍結施工存在以下幾項施工難點:

1)超長聯(lián)絡通道凍結施工應用較少,鉆孔、凍結管安裝等難度加大,凍結實施效果難以把控,工程造價高。

2)常規(guī)雙線盾構隧道貫通后再行施工聯(lián)絡通道凍結工程,而本工程雙線盾構隧道均未貫通,為保證凍結工作環(huán)境溫度凍結站須設置在隧道外,長距離凍結鹽水運輸及其保溫措施具有一定難度。

3)工期要求緊,較低鹽水溫度會導致掌子面結冰強度大不僅影響暗挖施工進度,而且增加能耗成本,較高鹽水溫度可以降低能耗成本,但不利于凍結壁的穩(wěn)定,如何權衡二者間的關系面臨一定困難。

4)超長聯(lián)絡通道凍結體量大,如何有效降低凍脹融沉的影響,減少凍結施工的后續(xù)影響、降低造價存在一定困難。

3 造價控制分析

本工程凍結工藝流程如圖2所示,結合凍結施工流程及本工程重難點,以下對凍結造價控制的關鍵點進行分析研究。

3.1 優(yōu)化凍結孔布設

常規(guī)聯(lián)絡通道中心線間距一般為12 m～15 m,通常采用單側打孔凍結孔的方式進行凍結施工。對于超長聯(lián)絡通道,當繼續(xù)采用單側打設凍結孔的方式時,不僅過長的凍結管易發(fā)生偏斜,使得凍結帷幕不交圈,不夠安全,而且凍結帷幕過大,會使造價偏高,經(jīng)濟性較差。

本工程通過對凍結方案進行優(yōu)化,采用從兩側盾構隧道各打設凍結孔,減少了單個凍結管長度,凍結管的打設精度易于控制。凍結管在聯(lián)絡通道中部形成交叉,通過設置1.5 m的搭接區(qū)域的方式確保了凍結帷幕薄弱處的強度,凍結過程中從兩側凍結管進行鹽水供冷,從而使隧道在兩側同時進行凍結形成凍結壁。同時,通過優(yōu)化凍結孔的布設,將凍結孔按上仰、水平、下俯三種角度布置,將開挖斷面外殼土體進行凍結,減少開挖斷面的凍結,達到類“糖心”凍結效果,如圖3所示,在保障安全的同時,提高土體開挖效率,降低了造價。

本工程兩座聯(lián)絡通道凍結孔布設如圖4,圖5所示,該種凍結方案,不僅增加了安全性,而且減少了造價。凍結管采用φ89 mm×8 mm低碳鋼無縫鋼管,供液管采用φ48 mm×8 mm低碳鋼無縫鋼管,單側打設凍結管與雙側打設凍結管造價對比,如表1所示。

表1 單側打設凍結管與雙側打設凍結管造價對比

3.2 加強管路連接保溫

常規(guī)雙線盾構隧道貫通后再行施工聯(lián)絡通道凍結工程,凍結站一般布置在聯(lián)絡通道旁,鹽水循環(huán)管路相對較短。本工程雙線盾構隧道均未貫通,為保證凍結工作環(huán)境溫度,凍結站須設置在隧道外。根據(jù)現(xiàn)場施工環(huán)境,凍結站最終布置在了車站內,凍結站布設情況見圖5,距離1號聯(lián)絡通道960 m,距離2號聯(lián)絡通道580 m,造成了鹽水循環(huán)管路增加及管路保溫費用增加。

施工中,鹽水管路采用φ159 mm×30 mm PE管外包雙層保溫棉的方法,如圖6所示,有效地阻止了低溫鹽水溫度的回升,監(jiān)測發(fā)現(xiàn)鹽水管自凍結站至集配液圈過程中=冷量的損失僅為2%,不僅保證了現(xiàn)場的凍結效果,也節(jié)約了施工成本。由于管片相較于土層更易散熱,為加強凍結帷幕與管片膠結,對凍結孔外側1 m范圍內的聯(lián)絡通道處管片鋪設保溫板,保溫板采用40 mm厚的PEF板(聚乙烯保溫板),以減少冷量損失,見圖7,圖8。兩座聯(lián)絡通道鹽水循環(huán)管路及保溫造價情況如表2所示。

表2 鹽水循環(huán)管路及保溫造價統(tǒng)計

3.3 動態(tài)控溫制冷

凍結制冷是凍結帷幕的形成階段,根據(jù)計算的供冷量對實際供冷量進行調整,保證鹽水溫度符合計算結果的條件下,進行凍結作業(yè)。

凍結制冷是凍結施工中能耗較大的環(huán)節(jié),為降低造價,本工程凍結制冷采用動態(tài)控溫技術。動態(tài)監(jiān)控鹽水溫度、隧道表面溫度從而計算當前凍結壁厚度,并根據(jù)結果反饋適度調控鹽水溫度以改變供冷量,從而達到控制凍結效果避免掌子面過度凍結,冷量反饋調節(jié)如圖9所示。根據(jù)現(xiàn)場實際開挖狀態(tài)及實時反饋數(shù)據(jù),動態(tài)調節(jié)供冷量,避免了掌子面結冰造成的圍巖強度過度提升,在凍結施工中不僅具有安全、穩(wěn)定的優(yōu)點,而且可有效降低開挖的難度,主動縮短工期,降低了水電能耗等。傳統(tǒng)恒溫凍結與本工程動態(tài)控溫凍結制冷耗電量對比及造價對比情況,如表3所示。

表3 恒溫凍結與動態(tài)控溫凍結制冷耗電量及造價對比

3.4 減少凍脹融沉

凍脹融沉是凍結施工面臨的不可避免的問題,為消除地層凍脹、融沉對聯(lián)絡通道產(chǎn)生的不良影響,在凍土帷幕內每個斷面設置2個卸壓孔,用于卸除消散凍結附加力,并在結構襯砌上預留注漿管,在凍土帷幕自解凍過程中通過預埋注漿管進行土體注漿[13-15]。

本工程卸壓孔采用φ89 mm×8 mm低碳鋼無縫鋼管,在凍結過程中,當凍脹引起地層壓縮時,由卸壓孔內排除部分土體,消散凍脹壓力。

融沉注漿量按不低于凍結帷幕體積的30%估算,當凍結壁全部融化,且實測地表沉降速率連續(xù)2次小于0.5 mm/15 d時,可停止融沉注漿。本工程兩座聯(lián)絡通道融沉注漿造價統(tǒng)計見表4。

表4 融沉注漿造價對比

4 經(jīng)濟效益分析

4.1 工期分析

本工程通過雙向凍結技術,大幅縮短了積極凍結所需時間,降低了成孔難度,后續(xù)開挖過程中采用控制供冷量與雙向開挖的技術措施,使掌子面處于未結冰的狀態(tài),降低了隧道開挖的難度,相比于傳統(tǒng)單向1 d 1榀鋼格柵的掘進速度,提高到雙向2 d 3榀鋼格柵,施工效率提升了約50%,有效的節(jié)約了工期,工期對比見表5。

表5 工期對比 d

4.2 造價分析

本工程凍結施工造價控制關鍵點的造價統(tǒng)計分析如表6所示,可見凍結制冷是凍結造價控制的重中之重。

表6 凍結施工關鍵點造價統(tǒng)計

相較于傳統(tǒng)的恒溫凍結工法,本工程根據(jù)所需冷量進行動態(tài)調控,減少了不必要的冷量損失,減少了持續(xù)供冷的能源損耗,達到了節(jié)能的目的,降低了造價,本工程與傳統(tǒng)工程造價對比情況見表7。

表7 造價對比

5 結論

1)本工程提供了一種適用于超長聯(lián)絡通道開挖過程中,采用雙向凍結對地層進行加固的方法,提高了施工效率,縮短了施工工期,確保了施工的安全及質量,降低了造價,為進一步推廣提供了依據(jù)。

2)本工程通過優(yōu)化凍結孔布設,達到類“糖心”凍結效果,在提升后續(xù)開挖施工效率的同時,降低了工程造價。

3)通過對本工程凍結施工的關鍵點進行造價對比分析,凍結制冷占凍結總造價的36%～40%,是凍結施工造價控制的重中之重。

4)本工程凍結制冷階段通過動態(tài)控溫技術,使鹽水溫度始終維持在適當所需的范圍內,降低了隧道開挖的難度,縮短了工期,降低了造價,為今后類似工程提供了參考。

5)本工程雙線盾構隧道均未貫通,凍結站設置在車站內,長距離鹽水管路采用φ159 mm×30 mm PE管外包雙層保溫棉的方法,有效地阻止了低溫鹽水溫度的回升,不僅保證了現(xiàn)場的凍結效果,也節(jié)約了施工成本,為長距離凍結鹽水運輸?shù)谋靥峁┝顺晒?jīng)驗。