某隧道管幕凍結(jié)止水帷幕施工技術(shù)

周先平

(廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司，廣東廣州 510101)

某隧道暗挖區(qū)長約255 m。暗挖區(qū)地表環(huán)境復(fù)雜，有某大樓、審查所等重點(diǎn)建筑物、構(gòu)筑物及附屬設(shè)施。暗挖段為該隧道重難點(diǎn)施工段，結(jié)構(gòu)采用頂管及凍結(jié)帷幕的超前支護(hù)形式。頂管采用直徑1 620 mm(壁厚不小于20 mm)管幕36根，由東側(cè)暗挖區(qū)始發(fā)，西側(cè)暗挖區(qū)接收，待頂管作業(yè)完成后進(jìn)行分區(qū)域凍結(jié)形成止水帷幕，然后進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)的支護(hù)開挖及襯砌。目前理論研究與數(shù)值模擬研究尚無法準(zhǔn)確考慮實(shí)際條件的各種因素，有必要通過現(xiàn)場試驗(yàn)管試驗(yàn)核實(shí)、驗(yàn)證、深化理論研究與數(shù)值模擬研究的結(jié)果。現(xiàn)場試驗(yàn)管試驗(yàn)研究旨在驗(yàn)證實(shí)際條件下各種凍結(jié)方案的可靠性與合理性，細(xì)化并初步確定凍結(jié)效果控制指標(biāo)、凍結(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)，并檢驗(yàn)監(jiān)測方法與監(jiān)測系統(tǒng)合理性，同時(shí)檢驗(yàn)凍結(jié)系統(tǒng)的合理性與可靠性，通過現(xiàn)場試驗(yàn)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并提出解決方法。該施工方案主要研究多種凍結(jié)模式下的凍結(jié)方案、研究“管幕—凍土帷幕”復(fù)合結(jié)構(gòu)抵御水土壓力的能力、頂管之間凍土的封水能力等，確保凍結(jié)止水帷幕的安全可靠性。管幕凍結(jié)法動(dòng)態(tài)控制技術(shù)與系統(tǒng)研究，此研究是應(yīng)對(duì)凍土帷幕弱化，凍脹控制提出的具有靈活調(diào)節(jié)能力的凍結(jié)系統(tǒng)及工藝參數(shù)，以及相關(guān)控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)［1-5］。

1 試驗(yàn)管及凍結(jié)管布置

試驗(yàn)管的數(shù)量為2根，一根為5號(hào)原位管，一根為異位試驗(yàn)管。5號(hào)原位管為填充混凝土的實(shí)管，異位試驗(yàn)管為空管，具體布置見圖1。試驗(yàn)管直徑:1 620 mm;試驗(yàn)管壁厚:20 mm;試驗(yàn)管長度:4 m/節(jié);試驗(yàn)管材料:采用Q235BZ鋼。

圖1 試驗(yàn)管橫斷面布置圖

根據(jù)凍結(jié)模式種類設(shè)計(jì)，試驗(yàn)分為15組。凍結(jié)區(qū)域需用15個(gè)頂管管節(jié)，每管節(jié)進(jìn)行一組實(shí)驗(yàn)。15個(gè)管節(jié)共計(jì)60 m，可根據(jù)現(xiàn)場情況布置在緩和曲線段或圓曲線段(見圖2)。

圖2 試驗(yàn)區(qū)段劃分圖

凍結(jié)管是內(nèi)設(shè)套管形式，外套管采用DN125鋼管(125凍結(jié)管，下同)，內(nèi)管采用DN40鋼管(40凍結(jié)管，下同)。凍結(jié)分“始終開啟”和“起初開啟，適時(shí)間歇”兩種模式，區(qū)分處位于管節(jié)15和管節(jié)16處。異位管、加強(qiáng)管及限位管的內(nèi)部構(gòu)造及開啟方法限于篇幅不再一一闡述。頂管管節(jié)的凍結(jié)管構(gòu)造及運(yùn)行方式如表1所示。

表1 頂管管節(jié)的凍結(jié)管構(gòu)造及運(yùn)行方式

2 監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 監(jiān)測內(nèi)容

試驗(yàn)管試驗(yàn)凍結(jié)監(jiān)測包括如下內(nèi)容(見表2):

1)鹽水溫度:實(shí)管內(nèi)圓形凍結(jié)管鹽水去回路溫度;限位管鹽水去回路溫度;加強(qiáng)管各獨(dú)立回路的去回路溫度。

2)鹽水流量和壓力:實(shí)管內(nèi)圓形凍結(jié)管鹽水回路、限位管鹽水回路、加強(qiáng)管鹽水回路的鹽水流量和凍結(jié)干管的鹽水壓力。

3)管幕溫度場:實(shí)管、空管的內(nèi)管壁溫度;實(shí)管內(nèi)混凝土和空管內(nèi)空氣溫度分布。

4)土體溫度場:重點(diǎn)反映實(shí)管、空管中線、管間中線及連線方向的溫度分布。

5)空頂管管節(jié)接頭處凍土溫度:考察管節(jié)鏈接處的封水效果。

6)地層不均勻沉降:重點(diǎn)監(jiān)測反映凍脹效應(yīng)的地層變形、解凍引起的地層沉降、注漿對(duì)地層沉降的控制效果。

7)地層孔隙水壓力:凍結(jié)施工過程中由于凍脹，將引起土體中孔隙水壓力急劇變化，需要及時(shí)觀測。

表2 凍結(jié)監(jiān)測項(xiàng)目、儀器和目的

2.2 溫度監(jiān)測系統(tǒng)

溫度監(jiān)測采用數(shù)字溫度傳感器、“一線總線”溫度自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。

此系統(tǒng)為某大學(xué)凍結(jié)監(jiān)測室研發(fā)的凍結(jié)法遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，試驗(yàn)中用于監(jiān)測凍土溫度以及水在液氮凍結(jié)過程中的溫度，該系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。其中系統(tǒng)硬件包括傳感器、一次儀表、數(shù)據(jù)采集模塊、遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸模塊、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等。此監(jiān)測系統(tǒng)采用RS485總線外置分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用LTM-8520隔離型RS232/485轉(zhuǎn)換器，將RS485網(wǎng)絡(luò)接口轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的RS232接口，采用LTM-8303智能型溫度采集模塊，并且數(shù)據(jù)采集模塊與計(jì)算機(jī)通過RS485通訊，數(shù)據(jù)傳輸速率最大可達(dá)10 Mbps，傳輸距離最大可達(dá)1 200 m。

采用美國DALLAS公司出品的“1-wire Bus”(“一線總線”)數(shù)字溫度傳感器，用于凍土溫度的測量。按照測點(diǎn)位置的需要，把若干個(gè)傳感器裝封在耐低溫套裝內(nèi)特制成凍土測溫電纜。根據(jù)測點(diǎn)的設(shè)計(jì)，把測溫電纜置入測溫孔中，測溫電纜通過專用接口接入“一線總線”構(gòu)成凍土測溫網(wǎng)絡(luò)。

本監(jiān)測系統(tǒng)可在計(jì)算機(jī)界面上設(shè)置溫度監(jiān)測頻率，還能觀測不同測點(diǎn)的溫度在時(shí)間和空間上的變化曲線、測點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)變化值。此外，監(jiān)測系統(tǒng)也具備數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、各測點(diǎn)傳感器的信息維護(hù)等功能。

2.3 力與變形監(jiān)測系統(tǒng)

地層孔隙水壓力、地層分層沉降等監(jiān)測內(nèi)容采用半自動(dòng)或人工測讀的監(jiān)測系統(tǒng)。

3 施工方法和工藝流程

管幕間封水采用控制性凍結(jié)并結(jié)合局部注漿改良的施工方法。

主要施工順序?yàn)?異型凍結(jié)管預(yù)制，試驗(yàn)管段測溫孔預(yù)留→5號(hào)原位頂管和異位試驗(yàn)頂管頂進(jìn)→測溫管及注漿管鉆孔施工，同時(shí)安裝凍結(jié)制冷系統(tǒng)→安裝凍結(jié)鹽水系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)→局部注漿改良→積極凍結(jié)→控制凍結(jié)，分段停凍→完全停止凍結(jié)、強(qiáng)制解凍與融沉注漿。

4 結(jié)語

本試驗(yàn)完成之后取得的各種參數(shù)，在該隧道管幕凍結(jié)止水帷幕施工中起到了重要的作用，施工過程顯示，凍結(jié)參數(shù)合理，施工質(zhì)量與進(jìn)度得到了保證，保障了施工的順利進(jìn)行。

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