地層凍結法在地鐵旁通道施工中的研究與應用

谷明瑞

煤炭科學研究總院成功開發一整套水平凍結施工技術后,凍結法才開始廣泛引入市政及隧道工程領域,并相繼在北京、上海、廣州、南京、天津等地鐵得到廣泛應用。由于地層凍結工法形成的凍土墻封水性好、強度高等優點,國內外較多地應用地層凍結工法加固旁通道周圍軟弱土體。本文重點以天津地鐵隧道某旁通道為主介紹凍結加固的施工技術。

1 工程概況

1.1 工程結構

天津地鐵隧道采用盾構法施工,設左、右兩條隧道,隧道外徑6 200 mm,凈徑5 500 mm。區間旁通道由與左、右線隧道正交的水平通道及通道中部的集水井組成(見圖1)。按設計,旁通道位置底板標高為-21.082 m,左、右行線隧道中心線間距約11.022 m。

通道為直墻圓弧拱結構,集水井為矩形結構,通道和集水井均采用二次襯砌。通道的開挖輪廓高約4.583 m,寬3.3 m,局部(喇叭口處)高 5.05 m,寬 4.5 m;集水井開挖輪廓長 5.3 m,寬3.3 m,深 3.32 m。開挖區標高范圍約為-13.704 m～-21.607 m。

為了避免在旁通道開挖構筑時泥砂和地下水涌入,需要對旁通道附近的地層進行凍結加固。

1.2 地質條件

該項工程位于天津市河西區,聯絡通道位置地面標高+3.30 m,地下水位1.90 m。

凍結施工區域標高范圍約為-12.0 m～-24.0 m。根據附近地層情況,旁通道施工范圍內土層主要為⑤粉質黏土和⑥1粉土及以下⑥2粉砂層和⑥3粉土層。由于工程所處地層主要為第四系河漫灘相沉積層,其孔隙比大、含水豐富、承載力低、容易壓縮、在動力作用下易流變,開挖后天然土體本身難以自穩,特別是集水井位置土層含水豐富、滲透性好,容易引起水砂凸出。因此,在施工旁通道時必須對施工影響范圍內的土體進行穩妥、可靠的加固處理。

2 地層凍結加固施工方案

2.1 凍土帷幕形式

2.2 凍結設計參數

施工采用“隧道內水平凍結加固土體,隧道內開挖構筑”的全隧道內施工方案,即:在隧道內采用凍結法加固地層,使旁通道外圍土體凍結,形成強度高、封閉性好的凍土帷幕,然后在凍土帷幕中采用礦山法進行通道及集水井的開挖構筑施工。施工在旁通道周圍土層中布置水平凍結孔(或小角度傾斜凍結孔)凍結的方法,在旁通道外側形成一周與隧道管片緊貼的凍土墻,用以抵抗土層壓力,保護開挖構筑面,確保泥砂和地下水不會進入開挖工作面。

旁通道地層凍結加固設計需滿足以下基本要求:首先是圍護開挖區,確保開挖和支護施工能安全順利地進行,主要是要保證凍土帷幕有足夠的強度;其次,要便于隧道開挖和支護,降低施工費用,縮短施工工期。凍結施工參數見表1。

表1 主要凍結施工參數一覽表

3 旁通道地層凍結加固施工流程

在旁通道軸線方向,沿通道及集水井外側布置凍結孔,并在凍結孔中循環低溫鹽水,使凍結孔附近的含水地層結冰,形成強度高、封閉性好的凍土墻,然后在凍土墻的保護下打開拼裝鋼管片,進行通道及集水井的開挖構筑工作。凍結法加固旁通道地層的施工流程如圖2所示。主要工序為凍結孔施工,凍結站安裝運轉,旁通道開挖構筑。

3.1 凍結孔施工

由于旁通道所處地層穩定性差,遇擾動易流變、涌水涌砂,為減小鉆孔對地層的影響,凍結孔施工首次在天津地區采用水平鉆進法與夯管法聯合施工凍結孔。

凍結管選用φ 89×8 mm低碳無縫鋼管,單根管材長度1 m～2 m。測溫管和泄壓管材質同凍結管,供液管采用1.5″鋼管。地層凍結的凍結孔設計原則是保證凍土帷幕的封閉性、凍土帷幕的厚度及強度。根據施工基準點,按凍結孔施工圖布置凍結孔,孔位偏差不應大于100 mm。凍結孔鉆進深度根據圖紙尺寸應不小于設計值且不大于0.5 m,或者以碰到對側隧道管片為準。凍結孔偏斜值宜不大于200 mm,并采用經緯儀燈光測斜,保證內圈成孔最大間距小于1.6 m,外圈成孔最大間距小于1.4 m。由于在凍結造孔施工過程中可能會出現涌砂、涌水事故,因此施工時采用二次開孔工藝開孔,并安裝孔口密封裝置,防止凍結孔穿透隧道管片時和鉆進時孔口涌水噴砂。

3.2 凍結站安裝

冷凍機采用一套YSLGF-300型冷凍機組,配備一臺200S42A鹽水泵,一臺 IS125-100/250型清水泵,兩臺DBNL3-50型冷卻塔,設備裝機容量171 kW。凍結站的制冷、鹽水及清水循環系統形成后,調試運轉正常,即可轉入積極凍結。

3.3 旁通道開挖構筑

經過對凍結狀態的監控和檢測,旁通道周圍土體加固厚度及強度達到設計要求后,即可打開鋼管片,進行凍土開挖和結構施工。開挖采用“新奧法”暗挖施工,短段掘砌,隨掘隨支,循環步距0.5 m～0.8 m;初次支護為型鋼加木背板,再掛網噴射混凝土,永久支護為現澆鋼筋混凝土,中間設防水層。旁通道總體開挖順序為先通道部分后集水井施工。

4 地層凍結加固效果

開機積極凍結,凍結系統運轉正常,凍結鹽水降溫速度較快,凍結5 d時間即達到-20℃,至3月5日,鹽水溫度降至-30℃,此后基本在此溫度狀態下運行。凍結過程中由卸壓孔的觀測數據顯示,3月9日兩個卸壓孔壓力由最初的0.12 MPa開始明顯上升,至3月14日上升到最高壓力達到 0.35 MPa,表明凍土墻已成功交圈,比設計交圈時間提前6 d,表明小孔間距的設置以及凍結系統的正常運轉、低鹽水溫度的凍結,加快了凍土墻的交圈時間。由測溫孔數據分析得出,凍土墻的凍土擴展較快,凍土平均擴展速度達35 mm,表2為旁通道凍土墻厚度,表3為旁通道各點凍土墻平均溫度,表明凍土墻的厚度及平均溫度均超過設計要求。

表2 旁通道凍土墻厚度

表3 旁通道凍土墻平均溫度

從開挖后凍土墻的凍土情況來看,凍結效果很好,暴露土體穩定,無坍塌片幫現象,凍土強度較高,施工時須用風鎬開鑿,為旁通道的開挖與支護施工創造了良好的施工條件。根據開挖后對凍土墻的量測,凍土墻厚度均在1.9 m～2.4 m之間(遠大于1.6 m的設計凍土墻厚度)。

5 結語

1)凍結工法加固旁通道地層是一項臨時加固措施,施工前應與業主、設計、監理等單位密切溝通,做好工序轉換準備,以及必要的管片孔位預留,在滿足凍土墻設計情況下,應避免管片過多開孔,影響結構穩定。2)地層凍結工法施工對環境污染少,占用施工場地小,隧道內可設工作平臺且布置靈活,市區內施工優勢明顯。3)地層凍結工法作為含水軟土地層加固的特殊解決方案,實踐證明地層凍結是目前最為可靠的施工方法之一。在我國,大部分經濟發達城市所處地層松軟含水,隨著地鐵等地下工程的迅猛發展,地層凍結暗挖法施工技術的應用也將越來越廣泛。

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