基于鹽水凍結(jié)加固的地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道施工技術(shù)研究*

尹希旺

(中鐵十八局集團第三工程有限公司,河北 涿州 072750)

0 引言

我國地鐵運營里程建設(shè)速度逐年遞增[1-2]。聯(lián)絡(luò)通道作為盾構(gòu)隧道常用的一種附屬結(jié)構(gòu),在地鐵網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用。但限于地鐵線路大多穿行于繁華區(qū)域,新建地鐵必然會受到周邊復雜環(huán)境的制約,并且不可避免地穿越既有地下管線、橋梁樁基及城市建筑基礎(chǔ)[3]。因此聯(lián)絡(luò)通道的建設(shè)也需要嚴格控制周圍土層變形,避免對上下行隧道之間的中隔巖柱過度擾動,造成鄰近基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及已經(jīng)建成的地鐵隧道破壞。

地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道在施工過程中往往需要考慮工程地質(zhì)條件以及地下水等多種風險因素。不同地層變化、地下水位高低、土層穩(wěn)定性等都可能影響聯(lián)絡(luò)通道施工。對于軟土地層,一般需要采用水泥系加固以及凍結(jié)加固等手段,避免施工過程中出現(xiàn)地表沉降超限、開挖面坍塌等事故[4]。此外,施工過程中還可能遭遇涌水涌砂、滲水等問題,甚至會導致聯(lián)絡(luò)通道未支護部分坍塌、工程停滯等事故。而凍結(jié)法加固是地鐵施工當中常用的且經(jīng)濟效益較好的一種手段[5]。

凍結(jié)法作為常用的一種地基加固手段,在地鐵隧道及其附屬設(shè)施建設(shè)中應(yīng)用非常廣泛[6-7]。但由于地層類型的差異以及隧道周邊地下環(huán)境的復雜變化,凍結(jié)法加固依舊存在大量困難?，F(xiàn)有相關(guān)研究主要集中在聯(lián)絡(luò)通道的開挖支護技術(shù)[8],考慮凍結(jié)加固措施、開挖支護程序以及相關(guān)風險監(jiān)控和處置措施的相關(guān)研究并不豐富,因此結(jié)合具體工程項目,整合施工經(jīng)驗,進行地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道的施工技術(shù)研究,對于類似場地條件的聯(lián)絡(luò)通道施工具有重要參考價值。

本文針對南昌地鐵4號線一聯(lián)絡(luò)通道建設(shè)過程中各個環(huán)節(jié)進行分析,結(jié)合聯(lián)絡(luò)通道所在位置的場地特征,綜合考慮地下管線環(huán)境,明確了施工難點及對應(yīng)解決方案,最終提出了復雜環(huán)境下基于凍結(jié)加固的聯(lián)絡(luò)通道施工關(guān)鍵技術(shù)及風險處置措施。

1 工程概況

南昌市軌道交通4號線七里站—民園路西站區(qū)間隧道內(nèi)徑為5.4m,管片厚度為300mm,聯(lián)絡(luò)通道處上下行隧道間距為12.32m。線路在SK32+140.000里程處設(shè)置一聯(lián)絡(luò)通道(1號聯(lián)絡(luò)通道),如圖1所示。聯(lián)絡(luò)通道處隧道埋深為20.93m,地層以③5礫砂、⑤1-2強風化泥質(zhì)粉砂巖為主。研究區(qū)地表無河流等地表水系,地下水類型包括第四系松散層以及強風化帶中的孔隙潛水、強～中風化基巖裂隙水以及局部賦存于人工填土、黏性土中的上層滯水,無上覆隔水層,下部粉質(zhì)黏土層為其隔水底板。上層滯水深度0.90～3.00m,第四系砂層含水層滲透系數(shù)為5.86～16.96m/d。隧道及聯(lián)絡(luò)通道位于泥質(zhì)粉砂巖中,其微承壓性對聯(lián)絡(luò)通道施工具有一定影響。

圖1 聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)(單位:m)Fig.1 The structure of connecting channel (unit:m)

七里站—民園路西站區(qū)間1號聯(lián)絡(luò)通道正上方為青山北路,水平方向9.935m處為青山北路綜合管廊;聯(lián)絡(luò)通道上方13.15m處橫跨1個3 200mm×2 200mm的鋼筋混凝土箱涵;上方15.88m處橫跨1個1 300mm×3 200m的鋼筋混凝土箱涵。該聯(lián)絡(luò)通道在施工時采用凍結(jié)法,配合復合式襯砌,初期支護厚度≥200mm,初期支護采用型鋼加木背板以及C25噴射混凝土工藝,二次襯砌結(jié)構(gòu)的厚度≥35cm,為C40模筑混凝土,初期支護與二次襯砌之間設(shè)置全包防水層。

2 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固技術(shù)

2.1 凍結(jié)施工參數(shù)

該聯(lián)絡(luò)通道施工前首先對周圍土層進行凍結(jié)加固,凍土發(fā)展速度按22～26mm/d計算,交圈時間為22～25d。除凍結(jié)交圈時間,判定凍結(jié)壁交圈與否還應(yīng)根據(jù)水文觀測孔(泄壓孔)壓力值的變化情況,當泄壓孔壓力持續(xù)上漲,可判定凍結(jié)壁已交圈。判定凍結(jié)帷幕厚度達到設(shè)計值與否則應(yīng)根據(jù)溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進行推算,如式(1),其余凍結(jié)參數(shù)如表1所示。

表1 主要凍結(jié)施工參數(shù)Table 1 Main freezing construction parameters

(1)

式中:T為凍土溫度(℃);T1為凍結(jié)管內(nèi)冷媒劑(鹽水)溫度(℃);r,r1,r2分別為凍結(jié)柱內(nèi)任意點到凍結(jié)管中心距離(m),凍結(jié)管外徑(m),凍土圓柱外徑(m)。

2.2 凍結(jié)孔施工

七里站—民園路西站區(qū)間1號聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工過程中,風化砂巖中凍結(jié)管采用φ89×8無縫鋼管,每根凍結(jié)管用1.5～2m的管材焊接,通過絲扣加對焊進行連接。測溫管材質(zhì)一般同凍結(jié)管,部分測溫孔采用φ32×3焊管,供液管選用φ48焊接鋼管。施工工藝采用跟管鉆進方法進行凍結(jié)孔施工,鉆孔設(shè)備為MD-120A鉆機,可提供不小于4 000N·m扭矩。采用1臺BW-200型泥漿泵,可適用于深度小于50～60m的鉆進。根據(jù)施工基準點,孔位偏差不應(yīng)大于100mm。凍結(jié)孔鉆進至設(shè)計深度,對于側(cè)墻可能接觸對側(cè)管片的凍結(jié)孔以碰到對側(cè)隧道管片為準。

凍結(jié)孔偏斜值一般通過經(jīng)緯儀燈光測斜法進行測斜。將手電固定在PVC測斜管一端,將測斜管插入凍結(jié)孔的底部,通過經(jīng)緯儀的目鏡觀察手電燈芯。當燈芯與經(jīng)緯儀目鏡內(nèi)十字準星重合時讀出垂直角度讀數(shù),并與凍結(jié)孔設(shè)計的豎直角度進行比較,算出凍結(jié)管成孔的豎直偏差。最后固定經(jīng)緯儀底座,并將目鏡旋轉(zhuǎn)180°,確定成孔后視點,與設(shè)計的后視點比較,計算出凍結(jié)孔成孔的水平偏差。通過水平及垂直偏差進而算出凍結(jié)孔成孔偏差。

凍結(jié)孔的試漏壓力值一般為凍結(jié)工作面鹽水壓力的1.5～2倍,一般≥0.8MPa。保證穩(wěn)定30min后壓力下降值<0.05MPa,并保持15min穩(wěn)定為合格。

2.3 凍結(jié)制冷系統(tǒng)設(shè)置

根據(jù)南昌地鐵4號線施工過程中的經(jīng)驗,單座聯(lián)絡(luò)通道選擇JYSLG16F-M型冷凍機。單個聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)總需冷量為80 368kcal,PVC鹽水管路導熱系數(shù)0.14W/(m·k),厚度8mm,聚苯乙烯保溫板導熱系數(shù)0.042W/(m·k),厚度50mm,環(huán)境溫度20℃,鹽水溫度-30℃。最大熱量散失量(忽略了鹽水干管的阻熱)可通過式(2)計算,1號聯(lián)絡(luò)通道施工熱散失量為2 415.62kcal/h<15 570kcal/h。

φ=KAΔT/T

(2)

式中:φ為單位時間內(nèi)散熱量(W);A為管壁面積;K為保溫板的導熱系數(shù)[W/(m·K)];T為管壁溫度;ΔT為平壁兩表面之間的溫度差(K)。

單座冷凍站應(yīng)配置2臺37kW鹽水泵,2臺冷卻水循環(huán)泵,3臺DBNL 型冷卻塔,鹽水管采用PVC-U管。集、配液管與羊角采用高壓膠管連接,冷卻水管為5寸焊管。每個冷凍機進出水管應(yīng)設(shè)置溫度傳感器,同時在去、回路鹽水管上安裝壓力、溫度傳感器以及控制閥。同時鹽水箱上應(yīng)安裝液位感應(yīng)裝置。聯(lián)絡(luò)通道配液圈與凍結(jié)器之間應(yīng)設(shè)置2個閥門以控制凍結(jié)器的鹽水量。

2.4 積極凍結(jié)與維護凍結(jié)

2.4.1積極凍結(jié)

聯(lián)絡(luò)通道附近的地層凍結(jié)施工之前,冷凍站設(shè)置完成之后,應(yīng)當實時檢查電路系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、鹽水循環(huán)系統(tǒng),當各系統(tǒng)參數(shù)維持穩(wěn)定正常后再開冷凍機。冷凍機應(yīng)先空轉(zhuǎn)2h,檢查是否運轉(zhuǎn)正常。在冷凍機試運行過程中,應(yīng)當逐級調(diào)節(jié)壓力、溫度以及電機負荷等參數(shù),使冷凍機組在相應(yīng)標準及運行額定技術(shù)參數(shù)條件下工作。

冷凍機組凍結(jié)15d后鹽水溫度降到-25℃以下。凍結(jié)開始之后,需按時對凍結(jié)器進行檢查避免發(fā)生斷裂漏鹽水的狀況,若出現(xiàn)鹽水滲漏問題,需立即關(guān)閉水閥,并根據(jù)鹽水漏水程度采取措施。

為防止凍結(jié)孔穿透隧道管片時和鉆孔時孔口涌水噴砂可采用二次開孔法,如圖2所示。采用跟管鉆進安裝凍結(jié)管,鉆進時通過軸封實現(xiàn)孔口止水。

圖2 凍結(jié)孔開孔Fig.2 Freezing hole opening

2.4.2開挖條件判別

聯(lián)絡(luò)通道開挖前應(yīng)進行開挖條件評估,當積極凍結(jié)的時間達到40～45d時,且鹽水溫度達到設(shè)計最低鹽水溫度(-28℃),以及打開卸壓孔閥門后不再有連續(xù)的帶壓泥水流出時方可開挖。

探孔位置應(yīng)設(shè)置在凍結(jié)孔間距較大處或凍結(jié)有異常處。開挖前應(yīng)完成隧道支撐加固工作,準備好水泥、水玻璃等應(yīng)急材料與對應(yīng)設(shè)備。做好開挖準備以及其他各項工作,做好設(shè)備維護和養(yǎng)護工作,確保設(shè)備正常運行。

2.4.3維護凍結(jié)

在開挖到施工結(jié)構(gòu)層之前的時間段,鹽水溫度應(yīng)低于-28℃。維護凍結(jié)時也需要進行施工監(jiān)測,維持凍結(jié)系統(tǒng)運轉(zhuǎn),實時監(jiān)控凍結(jié)壁溫度。在聯(lián)絡(luò)通道開挖過程中,需及時監(jiān)測凍結(jié)壁表面溫度以及凍結(jié)壁位移量,若凍結(jié)壁溫度過高、變形過大,應(yīng)加大對應(yīng)位置的凍結(jié)孔內(nèi)鹽水流量。

3 地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道開挖

3.1 聯(lián)絡(luò)通道開挖

根據(jù)南昌地鐵4號線聯(lián)絡(luò)通道工程結(jié)構(gòu)特點,開挖采取分區(qū)施工方案,開挖順序如圖3所示。聯(lián)絡(luò)通道僅有通道部分為一次土方開挖完成后進行初期支護和二次襯砌。

圖3 開挖順序Fig.3 Excavation sequence

開挖過程中可采取分區(qū)開挖,同時需要實時監(jiān)測凍結(jié)壁表面溫度以及隧道收斂值,并基于測量結(jié)果實時調(diào)整開挖量及支護強度。凍結(jié)壁暴露面長度應(yīng)<1.2m,暴露時間≤10h,暴露面位移2cm。在聯(lián)絡(luò)通道施工過程中,應(yīng)同時做好地表建筑以及隧道變形監(jiān)控,保證地表建筑以及兩側(cè)隧道穩(wěn)定。

3.2 聯(lián)絡(luò)通道支護

支護層采用型鋼支架,為保證支護層的穩(wěn)定性,相鄰兩排支架之間須焊接縱向鋼筋。聯(lián)絡(luò)通道的支護層結(jié)構(gòu)中所用通道支撐采用直腿圓拱形封閉框架,均采用I20。支撐框架內(nèi)可通過設(shè)置橫向支撐桿件提升支架穩(wěn)定性。兩層支架間距一般為50cm,在初期支護階段,需要預埋注漿管。

4 填充注漿及融沉注漿

聯(lián)絡(luò)通道的注漿加固應(yīng)遵循“多點、少量、多次、均勻”循序漸進的原則。同時根據(jù)地鐵隧道的管片沉降以及凍結(jié)區(qū)域的溫度適時調(diào)整注漿量。

精確液體管理組1周內(nèi)停用呼吸機的比率明顯高于對照組，分析主要是因為通過PiCCO監(jiān)測能更合理制定液體治療方案，及時糾正休克和心衰，縮短液體正平衡時間，減輕因組織器官水腫、微循環(huán)障礙等繼發(fā)的MODS[16]，實現(xiàn)早脫機的目標。

4.1 注漿材料

聯(lián)絡(luò)通道在漿過程中常用的注漿材料主要包括單液水泥漿以及C-S雙液漿,單液漿和雙液漿的水泥等級均為42.5級,水玻璃為42°Bé。膠凝材料的強度可根據(jù)圍巖情況進行調(diào)整,雙液漿可在注漿時將配好的水泥漿液和水玻璃漿液按照等比例混合后再注入。漿液配合比如表2所示,充填注漿采用水泥單液,融沉注漿以單液漿為主,雙液漿為輔。

表2 主要注漿參數(shù)Table 2 Grouting parameters kg

4.2 填充注漿

隧道初期支護與凍結(jié)后圍巖之間的間隙往往通過注漿填充。填充注漿的時間往往在停止凍結(jié)后3～7d,當襯砌強度達到設(shè)計強度60%以上時結(jié)束注漿。

充填注漿一般采用單液水泥漿,聯(lián)絡(luò)通道處的注漿壓力應(yīng)小于靜水壓強。注漿流量可控制在15L/min。一般聯(lián)絡(luò)通道充填注漿量為25m3/m,通過預留注漿孔均勻注入。填充注漿一般自下而上注入,底部注漿時打開所有注漿孔閥門,每到上一層注漿孔開始冒漿后再進行注漿。

4.3 融沉注漿

停止冷凍后根據(jù)測溫結(jié)果以及沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)確定融沉注漿的時機。融沉注漿持續(xù)時間為2～3個月(停凍后第2～4個月),其中側(cè)墻持續(xù)時間為2個月,拱頂部位為3個月。融沉注漿開始后,根據(jù)變形及溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)確定注漿時間,融沉注漿以單液漿為主,雙液漿為輔。融沉注漿壓力一般選擇300～500kPa,低于聯(lián)絡(luò)通道及隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計要求容許值。融沉注漿時的流量一般選擇15～20L/min,單孔單次注漿量可根據(jù)注漿壓力控制。注漿總量一般設(shè)置為凍土融化體積的20%,單孔單次注漿量≤1m3。

5 凍結(jié)加固控制效果

制冷設(shè)備設(shè)置在一側(cè)隧道靠近聯(lián)絡(luò)通道處。聯(lián)絡(luò)通道施工期間在注漿加固的基礎(chǔ)上,配合凍結(jié)加固保障工作面以及聯(lián)絡(luò)通道周圍土體穩(wěn)定。

1號聯(lián)絡(luò)通道從2021年9月2日開始進行積極凍結(jié),至2021年9月9日凍結(jié)7d時,凍結(jié)溫度降至-20℃,凍結(jié)12d時鹽水管溫度降至-27℃。此后溫度穩(wěn)定在-30℃左右,降溫過程符合現(xiàn)行規(guī)范要求。至2021年11月4日,聯(lián)絡(luò)通道的積極凍結(jié)總時長為45d,干管去回路溫差控制在1.0℃以下,凍結(jié)過程中的鹽水溫度變化如圖4所示。根據(jù)測溫孔溫度監(jiān)測情況,結(jié)合凍結(jié)孔實際成孔情況,聯(lián)絡(luò)通道位置的最小凍結(jié)壁厚度為3.29m,喇叭口處的最小凍結(jié)壁厚度為3.0m,均滿足設(shè)計要求。

圖4 鹽水溫度變化情況Fig.4 Changes of brine temperature

6 施工風險處置措施及環(huán)境評價

6.1 地層凍脹和融沉防治措施

設(shè)計中可在聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁附近未凍土中兩側(cè)各布設(shè)2個卸壓孔,采用φ89×8低碳無縫鋼管制作成花管形式。根據(jù)地面沉降監(jiān)測,加強凍結(jié)過程中監(jiān)測并及時卸壓,凍脹力可通過釋放泥水泄壓。此外,采用快速凍結(jié)也能夠減小凍脹量,避免土體收縮。凍結(jié)壁解凍時后方土體可能會發(fā)生少量收縮,并引發(fā)地層融沉。因此為了減小地層的融沉量,同時減緩地面沉降,可采用跟蹤注漿對地層融沉進行補償。

6.2 涌砂、涌水、冒泥防治措施

一般地層開孔時可能出現(xiàn)涌水、涌砂、冒泥現(xiàn)象,鉆進時若大量涌水、涌砂可能出現(xiàn)失控的情況。因此若出現(xiàn)涌砂、涌水、冒泥現(xiàn)象,可采取壓緊孔口密封裝置,減小聯(lián)絡(luò)通道閥的流量;采用水泥-水玻璃或丙烯酸鹽類漿液注漿充填和封孔;減緩鉆進速度,并采取跳孔鉆進等手段進行控制。此外,為了避免隧道不產(chǎn)生漏水漏砂而導致管片變形,可在聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)的隧道內(nèi)準備一部分圓木,在管片產(chǎn)生變形超限之后作為聯(lián)絡(luò)通道以及附近管片的內(nèi)部支撐。

6.3 聯(lián)絡(luò)通道開挖過程中其他風險處置措施

若聯(lián)絡(luò)通道開挖工程中有水滲出,立即停止施工,并及時處理滲漏水點。若滲漏量較小,并沒有形成成股的線流,可采用水泥封堵。若聯(lián)絡(luò)通道工作面不斷掉落土塊,且呈現(xiàn)坍塌趨勢,應(yīng)立即加強冷凍,同時用棉胎做好開挖面的保溫措施。在開挖至鹽水管附近時,應(yīng)及時確認凍結(jié)管的具體位置,如出現(xiàn)打破凍結(jié)管,立即停止開挖,并及時關(guān)閉鹽水閥門,防止鹽水外流融化凍土,并及時對鹽水管進行補焊后方可繼續(xù)施工。

6.4 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固施工環(huán)境評價

南昌市軌道交通4號線七里站—民園路西站區(qū)間2號聯(lián)絡(luò)通道位于青山湖北側(cè),聯(lián)絡(luò)通道在施工過程中嚴格監(jiān)控青山湖水位及水質(zhì)。監(jiān)測結(jié)果顯示青山湖2號聯(lián)絡(luò)通道附近水質(zhì)未產(chǎn)生任何明顯變化,表明不存在凍結(jié)劑泄露等問題。類似工程在進行聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固過程中,可開展土質(zhì)及鄰近水質(zhì)監(jiān)測,防止對周邊環(huán)境產(chǎn)生不良影響。

7 結(jié)語

1) 本文針對地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道施工技術(shù)進行分析,結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗,總結(jié)了聯(lián)絡(luò)通道開挖前的地層凍結(jié)加固技術(shù)措施,明確了凍結(jié)施工參數(shù),為類似工程提供了一種土層加固方案設(shè)計依據(jù)。

2) 文章針對地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道施工過程中的填充注漿及融沉注漿加固技術(shù)進行了總結(jié),提出了兩種注漿材料的參數(shù)以及填充注漿和融沉注漿的施工技術(shù)措施建議。

3) 本文針對地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道開挖施工過程進行總結(jié)分析,基于實際施工經(jīng)驗,分析了聯(lián)絡(luò)通道開挖過程中可能產(chǎn)生的風險,并提出了對應(yīng)的預防處置措施。