徐州地鐵2號(hào)線冷凍法施工應(yīng)用及研究

張紅艷

摘 要：徐州市地鐵2號(hào)線沿線地質(zhì)條件較為復(fù)雜，其中區(qū)間泵房及聯(lián)絡(luò)通道多數(shù)處于輕微～中等液化的粉土、砂土中。本文通過(guò)對(duì)采用冷凍法施工的漢源大道站～新元大道站區(qū)間的泵房及聯(lián)絡(luò)通道的主要施工工藝及技術(shù)措施的說(shuō)明，提煉歸納出此類不良地質(zhì)條件下冷凍法施工的關(guān)鍵點(diǎn)及注意事項(xiàng)，確保了泵房及聯(lián)絡(luò)通道的安全成型。

關(guān)鍵詞：冷凍;施工工藝;注意事項(xiàng);液化

中圖分類號(hào)：U455.49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）02-0107-02

1 工程概況

1.1 基本情況

徐州市地鐵2號(hào)線是徐州市主城區(qū)南北向的骨干線路，全長(zhǎng)24.29km，共設(shè)車(chē)站20座。根據(jù)地質(zhì)情況，有部分區(qū)間的泵房及聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)采用冷凍法施工，漢源大道站～新元大道站區(qū)間的泵房及聯(lián)絡(luò)通道便是其中之一，本文以此為例進(jìn)行應(yīng)用和研究說(shuō)明。

1.2 工程地質(zhì)

漢源大道～新元大道站區(qū)間泵房及聯(lián)絡(luò)通道處地層從地面表層至下層的地質(zhì)情況依次為②5-3砂質(zhì)粉土、②4-3粉質(zhì)黏土、⑤3-4黏土、⑤3-4B砂質(zhì)粉土、⑤3-4A含砂姜黏土、⑤3-4黏土。

1.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

漢源大道站～新元大道站區(qū)間泵房及聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁的最小厚度為1.8m，凍結(jié)孔的布設(shè)需要按照上仰孔、近水平孔、下俯孔三種角度方式，布置在聯(lián)絡(luò)通道的四周，凍結(jié)孔的數(shù)量為73個(gè)，其中凍結(jié)孔數(shù)凍結(jié)站一側(cè)隧道內(nèi)53個(gè)，對(duì)側(cè)隧道內(nèi)20個(gè)。

2 須冷量計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)備選擇

2.1 凍結(jié)需冷量的計(jì)算

凍結(jié)管的散熱系數(shù)取250kcal/m2·h，冷量損失系數(shù)取1.3，采用Q=πdHKmc，得凍結(jié)需冷量式中：

H-凍結(jié)管的總長(zhǎng)度，d-凍結(jié)管的直徑，Km-凍結(jié)管的散熱系數(shù)。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出：漢源大道～新元大道區(qū)間泵房及聯(lián)絡(luò)通道制冷量需要：

Q=π1.3*0.089*547.464*250+π1.3*0.045*88.5 *250+0.25*π*115*250*0.159=5.74萬(wàn)Kcal/h

根據(jù)計(jì)算選用單臺(tái)制冷量為8.5萬(wàn)Kcal/h JYSLGF300型螺桿機(jī)組兩臺(tái)，其中預(yù)留1臺(tái)備用。

2.2 單個(gè)凍結(jié)系統(tǒng)的輔助設(shè)備

（1）8SH-13A型鹽水泵兩臺(tái)，流量為270m3/h，電機(jī)功率為37kw，其中預(yù)留一臺(tái)備用。（2）冷卻水循環(huán)設(shè)備選用IS150-125-250型清水泵兩臺(tái)，流量200m3/h，電機(jī)功率18.5kw，其中預(yù)留一臺(tái)備用。（3）凍結(jié)管為Φ89×8mm，采用絲扣連接。冷凍排管為Φ45×4mm，六排布置，排管間距為40cm。（4）測(cè)溫管為Φ45×4mm無(wú)縫鋼管、泄壓管選用Φ89×8mm20#低碳無(wú)縫鋼管。（5）供液管選用Φ48×4mm PE管。（6）鹽水干管和集配液管選用Φ159×5.5mm無(wú)縫鋼管+Φ160×7mmPE管。

3 冷凍法施工工藝及技術(shù)措施

3.1 凍結(jié)孔施工

根據(jù)地勘報(bào)告，在凍結(jié)孔施工過(guò)程中，要高度重視并做好各種防止泥水流失防患措施。在凍結(jié)孔施工之前，對(duì)施工人員進(jìn)行安全技術(shù)交底，開(kāi)孔時(shí)要采取二次開(kāi)孔施工方法，第一次不開(kāi)穿管片，第二次開(kāi)穿管片時(shí)要在裝好球閥后在球閥內(nèi)開(kāi)孔，凍結(jié)孔鉆進(jìn)時(shí)一定要裝好孔口密封裝置，防止水土流失導(dǎo)致地面及隧道沉降。

凍結(jié)孔施工工序如下：定位開(kāi)孔→孔口管安裝→孔口裝置安裝→鉆孔→測(cè)量→封閉孔底→打壓測(cè)漏。如圖1所示：

3.2 冷凍站布置與設(shè)備安裝

在隧道內(nèi)聯(lián)絡(luò)通道附近設(shè)置一個(gè)凍結(jié)站（近漢源大道側(cè)），向聯(lián)絡(luò)通道供冷。凍結(jié)站占地面積約220m2，站內(nèi)主要設(shè)備包括清水泵、鹽水泵、變壓器、冷凍機(jī)、冷卻塔、鹽水箱及配電控制柜等。設(shè)備安裝必須嚴(yán)格按設(shè)備對(duì)應(yīng)配套說(shuō)明書(shū)中的要求執(zhí)行。考慮冷凍機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必須要連續(xù)，無(wú)法停機(jī)檢修，在運(yùn)轉(zhuǎn)前必須聯(lián)系專業(yè)人員對(duì)冷凍機(jī)進(jìn)行檢修，以保證冷凍機(jī)可靠連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。如圖2所示。

3.3 凍結(jié)系統(tǒng)試運(yùn)轉(zhuǎn)、積極凍結(jié)與試開(kāi)挖

設(shè)備安裝完畢后必須要進(jìn)行調(diào)試和試運(yùn)轉(zhuǎn)。在進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要隨時(shí)根據(jù)要求調(diào)節(jié)壓力、溫度等各種狀態(tài)參數(shù)，使機(jī)組在符合相關(guān)工藝規(guī)程和設(shè)備要求的技術(shù)參數(shù)條件下正常運(yùn)行。在凍結(jié)過(guò)程中，要定時(shí)檢測(cè)鹽水的溫度、鹽水的流量和凍土帷幕的擴(kuò)展情況。必要時(shí)調(diào)整凍結(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，待凍結(jié)系統(tǒng)全部運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，方可進(jìn)入積極凍結(jié)。

在積極凍結(jié)的過(guò)程中，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)來(lái)判斷凍土帷幕是否交圈，以及是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的凍結(jié)厚度。同時(shí)要監(jiān)測(cè)凍土帷幕與隧道的膠結(jié)情況。通過(guò)測(cè)量溫度來(lái)判斷凍土帷幕交圈，并達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，而且與隧道完全膠結(jié)后，再挖掘探孔，確認(rèn)凍土帷幕內(nèi)土層基本無(wú)壓力，方可正式開(kāi)始掘進(jìn)。如圖3所示：

3.4 開(kāi)挖與構(gòu)筑

由于聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)空間相對(duì)較小，開(kāi)挖時(shí)采用人工利用風(fēng)鎬進(jìn)行開(kāi)挖。漢源大道站至新元大道站區(qū)間的泵房及聯(lián)絡(luò)通道首先開(kāi)挖通道部分，待通道開(kāi)挖完成、二襯混凝土澆筑完成強(qiáng)度達(dá)到70%后，再進(jìn)行泵站開(kāi)挖及結(jié)構(gòu)施工，聯(lián)絡(luò)通道兼泵房結(jié)構(gòu)完成以后進(jìn)行充填及融沉注漿。如圖4所示。

3.5 地層跟蹤注漿及其它

在開(kāi)挖初期支護(hù)時(shí)，預(yù)埋注漿管深度至初期襯砌后，漢源大道～新元大道站區(qū)間泵房及聯(lián)絡(luò)通道共有注漿孔41個(gè)，融沉補(bǔ)償注漿漿液以單液水泥漿為輔，水泥-水玻璃雙液漿為主。

注漿范圍為全部?jī)鼋Y(jié)土體。融沉補(bǔ)償注漿必須要遵循少量、多次、多點(diǎn)、均勻的原則。單孔每次注漿量為100～300L，注漿壓力不得大于0.5MPa。

融沉注漿一方面要保證凍土全部融化，融化時(shí)間一般為3～4個(gè)月，另一方面以沉降控制，當(dāng)24h內(nèi)聯(lián)絡(luò)通道頂部地面沉降觀測(cè)值大于0.5mm，或累計(jì)沉降觀測(cè)值大于3mm時(shí)，需立即進(jìn)行融沉補(bǔ)償注漿;當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道頂部地面累計(jì)隆起3mm，應(yīng)立即停止注漿。具體施工參數(shù)要根據(jù)地面變形監(jiān)測(cè)情況隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

3.6 工程監(jiān)測(cè)

冷凍法的全部施工過(guò)程，包括凍結(jié)開(kāi)始到掘進(jìn)，以及永久支護(hù)結(jié)構(gòu)成型的整個(gè)時(shí)間段，被凍結(jié)的土體熱力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了劇烈的變化，并對(duì)施工環(huán)境產(chǎn)生了一定的影響。施工監(jiān)控量測(cè)為隨時(shí)掌握和控制施工過(guò)程中的參數(shù)調(diào)整提供了主要依據(jù)，是工程安全的重要保障。

主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容有：凍結(jié)孔偏斜凍結(jié)器密封性能監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、壓力監(jiān)測(cè)、鹽水流量與鹽水溫度監(jiān)測(cè)、凍土帷幕監(jiān)測(cè)等。

4 冷凍法施工注意事項(xiàng)及關(guān)鍵點(diǎn)總結(jié)

（1）采用金剛石材質(zhì)的取芯鉆在管片點(diǎn)位上開(kāi)孔，孔口密封裝置安裝完成后，用凍結(jié)管替代鉆桿直接鉆進(jìn)，以減少地層中水土流失。（2）為減少凍結(jié)孔施工時(shí)地層中泥水流失，需使用功率大的鉆機(jī)進(jìn)行施工，盡量使用無(wú)泥漿鉆進(jìn)。如在鉆孔過(guò)程中發(fā)生泥水流失，成孔后應(yīng)立即進(jìn)行補(bǔ)漿充填。（3）由于管片的導(dǎo)熱系數(shù)比較大，會(huì)直接影響隧道管片與冷凍土體的膠接效果，進(jìn)而影響凍結(jié)帷幕的整體穩(wěn)定性和閉水性。因此，在管片外部增加隔熱保溫措施，以減緩冷量損失，另可在對(duì)側(cè)隧道布置六排冷凍排管。（4）加強(qiáng)凍結(jié)過(guò)程中的監(jiān)測(cè)。在凍結(jié)影響區(qū)內(nèi)布置測(cè)溫孔，用以正確判斷凍結(jié)孔是否交圈，同時(shí)確定凍結(jié)帷幕厚度。對(duì)側(cè)隧道管片與附近土體的膠接情況會(huì)影響到整個(gè)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工的安全。因此，必須在對(duì)側(cè)隧道管片后增設(shè)測(cè)溫點(diǎn)，全面監(jiān)測(cè)管片后凍結(jié)帷幕的形成過(guò)程。（5）在聯(lián)絡(luò)通道的兩端設(shè)置泄壓孔，以削弱土體凍脹對(duì)隧道的影響。（6）各凍結(jié)孔交圈前，在隧道內(nèi)設(shè)置預(yù)應(yīng)力支架，盡量減少凍脹對(duì)現(xiàn)有隧道的影響。（7）開(kāi)挖前，在聯(lián)絡(luò)通道的開(kāi)挖側(cè)安裝安全防護(hù)門(mén);聯(lián)絡(luò)通道的初期支護(hù)完成后，可拆除防護(hù)門(mén)，并打開(kāi)對(duì)側(cè)隧道的鋼管片。（8）在開(kāi)挖冷凍后的土體時(shí)，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)開(kāi)挖面的溫度及凍結(jié)壁收斂值，如遇開(kāi)挖面溫度驟升或凍結(jié)壁收斂值增大，需立即加強(qiáng)開(kāi)挖面暴露凍土的保溫措施，同時(shí)安裝型鋼拱架，調(diào)整開(kāi)挖工法，同時(shí)加強(qiáng)凍結(jié)效果。（9）由于凍脹和凍土融沉效果強(qiáng)烈，會(huì)影響到凍土周邊土層受力體系的平衡，進(jìn)而隧道容易發(fā)生水平位移、沉降和收斂，因此在整個(gè)施工過(guò)程中，隧道的監(jiān)控量測(cè)是確保隧道安全的重要措施。（10）應(yīng)提前在隧道襯砌層中預(yù)埋注漿管，以便后期對(duì)土層融沉注漿補(bǔ)償，注漿應(yīng)與凍結(jié)帷幕融化的過(guò)程協(xié)調(diào)同步進(jìn)行。（11）加強(qiáng)在冷凍法施工區(qū)域內(nèi)的既有地面建筑和管線的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

徐州軌道交通2號(hào)線一期工程沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，主要分布有全新統(tǒng)沖積粉砂、粉土，多為輕微液化～中等液化土層，且厚度變化較大，總體上工程性質(zhì)較差。區(qū)間泵房及聯(lián)絡(luò)通道多數(shù)設(shè)計(jì)為盾構(gòu)隧道貫通后的暗挖施工，在徐州市同類工程施工中，當(dāng)采用三軸攪拌樁地面加固或洞內(nèi)超前小導(dǎo)管洞內(nèi)注漿加固并輔以降水施工等施工方案時(shí)，暗挖施工極易引發(fā)涌水、涌砂、塌方等工程災(zāi)害，嚴(yán)重時(shí)后果不可估量。

在具有輕微～中等液化的粉土、砂土中，采用冷凍法進(jìn)行泵房及聯(lián)絡(luò)通道暗挖施工，成功避免了此類地層不易加固的缺陷。漢源大道站～新元大道站區(qū)間泵房及聯(lián)絡(luò)通道采用冷凍法施工，歷時(shí)120天，完成從冷凍站設(shè)置到襯砌澆筑等主要施工工序，是此類不良地質(zhì)條件下暗挖施工的成功范例之一，可為類似施工提供借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司.聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)設(shè)計(jì)圖[Z].2019.

[2] 王勝利，李寧，趙王明.復(fù)雜地層地鐵旁通道凍結(jié)孔施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009（04）：89-93.

[3] 李榮智，陳饋，史基盛.南京地鐵聯(lián)絡(luò)通道冷凍法施工技術(shù)[J].建筑機(jī)械化，2004，25（2）：33-35.