沿江隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工技術(shù)

付財

摘要：以上海黃浦江底某地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工為背景，本文詳細(xì)介紹了該聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)設(shè)計，鉆孔施工方法及過程控制要點(diǎn)，積極凍結(jié)過程中防凍脹措施，開挖構(gòu)筑施工，并介紹了凍結(jié)孔割管封堵方法，為以后類似工程提供了借鑒。

Abstract： Based on freezing construction of subway cross passage in the condition of under river in Shanghai， this paper introduces whole process of design， drilling method and the main control key points， the measures to prevent frost heave in the period of frozen wall formation， excavation and construction， the method to cut off the freezing hole. This paper provides reference for similar proiects in the future.

關(guān)鍵詞：地鐵;聯(lián)絡(luò)通道;凍結(jié)法;江底

Key words： subways;cross passage;freezing method;under river

中圖分類號：U231+.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）24-0167-03

0 ?引言

在城市地鐵區(qū)間隧道規(guī)劃設(shè)計中，上下行隧道之間通常需要設(shè)計聯(lián)絡(luò)通道。聯(lián)絡(luò)通道因其緊急疏散和匯集、排放區(qū)間積水的雙重功能而被相輔應(yīng)用。地層凍結(jié)法由于其具有止水性、較高凍土強(qiáng)度和對復(fù)雜地層適應(yīng)性等特點(diǎn)，已成為地鐵聯(lián)絡(luò)通道的主要施工方法。常規(guī)聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)法設(shè)計與施工技術(shù)已較為成熟，但在超埋深、承壓含水層、特殊周圍環(huán)境等復(fù)雜條件下聯(lián)絡(luò)通道工程，仍面臨著亟待解決的技術(shù)難題[1-4]。

本文通過工程實(shí)例，詳細(xì)介紹了在上海黃浦江江底采用凍結(jié)法施工的某地鐵聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計、施工的全過程，以期為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)。

1 ?工程概況及施工難點(diǎn)

1.1 工程概況

上海軌道交通某聯(lián)絡(luò)通道及泵站位于黃浦江河道，其中心里程為SK33+341.250（XK33+342.779），隧道中心標(biāo)高-26.023m（-26.022m），聯(lián)絡(luò)通道線及泵站線間距12m。聯(lián)絡(luò)通道喇叭口頂部上覆土厚度27.239m。采用水平凍結(jié)法加固地層，礦山暗挖法施工。通道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)與二次襯砌之間設(shè)置防水層。聯(lián)絡(luò)通道處于黃浦江河道并且位于⑥粉質(zhì)粘土層、⑦1-1砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土層、⑧1-1粉質(zhì)粘土層中。聯(lián)絡(luò)通道及泵站初期支護(hù)厚度200mm，二襯厚度側(cè)墻為500mm，拱頂為400mm。

1.2 工程施工難點(diǎn)

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，該處土層土質(zhì)條件差，具有高含水量、高靈敏度、高壓縮性、低強(qiáng)度等特點(diǎn)。其中⑦1-1承壓水層的承壓水位一般均低于潛水位，承壓水頭一般呈周期性變化，隨季節(jié)、氣候、湖汐等因素而有所變化。其主要施工難點(diǎn)有：

①周邊環(huán)境復(fù)雜：聯(lián)絡(luò)通道及泵站位于黃浦江河道，結(jié)構(gòu)頂部覆土8m左右，江水水深14.2m，結(jié)構(gòu)承受的水壓大，抗?jié)B要求高。

②結(jié)構(gòu)施工困難：結(jié)構(gòu)施工環(huán)境差，空間狹小，通道拱頂混凝土不易澆搗密實(shí)，要保證結(jié)構(gòu)不滲漏水難度較大。

③凍結(jié)孔封堵強(qiáng)度要求高：聯(lián)絡(luò)通道及泵站位于黃浦江河道，且聯(lián)絡(luò)通道所處土層為⑦1-1承壓水層，水土壓力大。若凍結(jié)孔封堵強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計要求，在凍土解凍后封堵部位很有可能出現(xiàn)滲漏滴水現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)堵漏體整體脫落情況，對后期隧道運(yùn)營造成重大安全隱患。

如何進(jìn)行凍結(jié)法的設(shè)計和施工，確保鉆孔施工的安全，并保證凍結(jié)壁厚度能滿足開挖施工的安全，控制凍脹和融沉，以及如何進(jìn)行凍結(jié)孔的封堵，避免土體化凍后凍結(jié)孔滲漏出水情況，確保后期地鐵運(yùn)營的安全是本工程的重點(diǎn)。

2 ?凍結(jié)設(shè)計

2.1 設(shè)計計算參數(shù)的選取

參考國內(nèi)類似工程經(jīng)驗(yàn)，采用有限元法方法經(jīng)驗(yàn)算，確定凍土壁有效厚度為2.5m，凍土壁平均溫度為小于等于-13℃。設(shè)計取-13℃凍土的彈性模量和泊松比分別為250MPa和0.25，凍土強(qiáng)度指標(biāo)為：抗壓4.9MPa，抗折2.3MPa，抗剪1.8MPa。

2.2 凍土帷幕承載力驗(yàn)算

水平通道凍土帷幕力學(xué)分析采用均質(zhì)線彈性模型，經(jīng)計算，上部凍結(jié)壁受壓為0.478MPa;側(cè)墻上部、下步承受水平地壓為0.393MPa、0.424MPa。用有限元法進(jìn)行凍土帷幕的受力分析與變形計算，計算結(jié)果如圖1所示。

從計算結(jié)果可以看出，壓應(yīng)力為1.39MPa，許用應(yīng)力為4.9MPa，安全系數(shù)為3.53;拉應(yīng)力為0.59MPa。許用應(yīng)力為2.3MPa，安全系數(shù)為3.9;計算的應(yīng)力值遠(yuǎn)小于強(qiáng)度值，凍土帷幕的總體承載能力是足夠的。凍土帷幕內(nèi)側(cè)局部存在應(yīng)力集中，但是范圍很小且凍土帷幕角部是圓弧過渡的，并且凍土帷幕中間尚有土體或支撐，因此是安全的。同理可對集水井凍結(jié)壁進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)算結(jié)果滿足需求。

通過有限元計算，凍結(jié)壁強(qiáng)度和位移均滿足強(qiáng)度要求，設(shè)計采用凍結(jié)帷幕厚度2.5m，平均溫度-13℃能夠滿足施工要求。

2.3 凍結(jié)設(shè)計

針對本工程的工程特點(diǎn)及施工控制要求，積極凍結(jié)期為55d，主面凍結(jié)孔個數(shù)59個，共布置18個測溫孔，4個泄壓孔，凍結(jié)壁設(shè)計有效厚度為2.5m，平均溫度小于等于-13℃。凍結(jié)孔布置如圖2所示。

3 ?凍結(jié)法施工

3.1 施工流程

施工準(zhǔn)備→凍結(jié)孔鉆進(jìn)→凍結(jié)管路連接→積極凍結(jié)→凍結(jié)效果分析→探孔檢驗(yàn)→開挖施工→構(gòu)筑施工→融沉注漿。

3.2 凍結(jié)孔施工

①聯(lián)絡(luò)通道透孔施工是鉆孔階段的關(guān)鍵風(fēng)險環(huán)節(jié)，本聯(lián)絡(luò)通道處于黃浦江河道并且⑦1-1承壓水層中，為確保鉆孔施工的安全，鉆孔施工前首先對聯(lián)絡(luò)通道中心兩側(cè)各20環(huán)范圍的管片進(jìn)行二次補(bǔ)償注漿，注漿材料采用單液水泥漿。②其次根據(jù)盾構(gòu)推進(jìn)數(shù)據(jù)及第三方軸線復(fù)測數(shù)據(jù)，對聯(lián)絡(luò)通道位置的隧道里程、高程和軸線偏差量進(jìn)行復(fù)測，確保凍結(jié)孔開孔位置的準(zhǔn)確。③孔位確認(rèn)無誤后進(jìn)行孔口管的安裝。本工程凍結(jié)孔基本都處于鋼管片上，孔口管采用Φ121mm低碳鋼無縫鋼管，長度450mm?？卓诠馨惭b至鋼管片底部后，孔口管與鋼管片間采用4根直徑為12mm鋼筋進(jìn)行焊接固定。固定完畢后采用微膨脹水泥對鋼格倉進(jìn)行充填，充填厚度250mm。鉆孔格倉內(nèi)側(cè)焊接6mm厚環(huán)形鋼板，鋼板焊接完成后與格倉表面齊平。④對于水泥管片上安裝的孔口管，孔口管外圍均勻布置4根M12的膨脹螺栓，并于孔口管進(jìn)行點(diǎn)焊連接。⑤孔口管安裝完成后，為了確保開孔及鉆孔過程的安全，需要在孔口管上安裝球閥和孔口防噴裝置[5]。⑥管片開透后，利用H190型夯管錘進(jìn)行夯管成孔，利用經(jīng)緯儀燈光測斜法進(jìn)行凍結(jié)孔測斜工作。⑦為保證凍結(jié)站對側(cè)凍結(jié)管路的流量，設(shè)置4個Φ108×8mm透孔，材質(zhì)為低碳鋼無縫鋼管，采用絲扣對焊連接。其余凍結(jié)管選用Φ89×8mm低碳鋼無縫鋼管，采用內(nèi)節(jié)箍對焊連接。供液管采用Φ48×4.5mm焊接鋼管。卸壓孔選用Φ89×8mm低碳無縫鋼管，采取內(nèi)接箍對焊連接，管壁采用花管形式，管端部安裝單向閥。測溫管選用Φ89*8mm的低碳鋼無縫鋼管。⑧每個凍結(jié)孔施工完畢后，利用孔口管預(yù)留旁通閥對孔口管與凍結(jié)管間的環(huán)形空間進(jìn)行注漿，注漿先采用水灰比0.8：1的水泥單液漿，再采用水泥-水玻璃雙液漿進(jìn)行封孔，水泥漿與水玻璃漿體積比為1：1，水泥漿水灰比為1：1。注漿過程中注漿壓力不要超過水土壓力的2倍。⑨所有凍結(jié)孔施工完成后進(jìn)行管路打壓試漏，試壓合格后進(jìn)行安裝工作。

3.3 積極凍結(jié)

為了減少鋼格倉與外界的熱對流傳導(dǎo)，凍結(jié)管路安裝完畢后，對所有非鉆孔格倉進(jìn)行掛網(wǎng)噴漿充填，然后利用保溫板對凍結(jié)壁邊界外1m范圍內(nèi)的所有隧道管片進(jìn)行保溫，保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.04W/m·h，吸水率不大于2%，厚度50mm。保溫板材采用專用膠水密貼在隧道管片上，粘結(jié)牢固，板材之間不得有縫隙。所有安裝完成后進(jìn)行設(shè)備調(diào)試及試運(yùn)轉(zhuǎn)，試運(yùn)轉(zhuǎn)正常后轉(zhuǎn)入正式凍結(jié)。

為了減小凍脹對隧道管片的影響，采取了一系列的措施：①采用低溫快速凍結(jié)的方式。積極凍結(jié)5天，鹽水溫度降至-18℃。積極凍結(jié)13天，鹽水溫度降至-24℃。②凍結(jié)15天時，將上下行線的隧道預(yù)應(yīng)力支撐安裝完成。③根據(jù)泄壓孔壓力變化情況，及時進(jìn)行泄壓作業(yè)。

凍結(jié)過程中，為了防止鹽水漏失，在鹽水箱安裝了液位報警器，實(shí)時監(jiān)測鹽水液位的變化情況;并引入自動監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時對測溫孔數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，還可對去回路鹽水溫度、去回路清水溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時記錄。

3.4 開挖構(gòu)筑施工

積極凍結(jié)55天，通過測溫孔溫度數(shù)據(jù)計算，并結(jié)合泄壓孔壓力變化情況、探孔檢測情況分析，凍結(jié)效果達(dá)到設(shè)計要求。其他開挖準(zhǔn)備工作就緒后，進(jìn)行試挖。試挖窗口尺寸為400mm*400mm，挖深500mm后，開挖區(qū)域內(nèi)土體干燥、自立，可見零星霜跡，經(jīng)分析具備正式開挖條件。

正式開挖采取分區(qū)方式進(jìn)行施工。將聯(lián)絡(luò)通道分為通道內(nèi)和集水井兩區(qū)進(jìn)行開挖，即完成通道的開挖及初期支護(hù)和二次襯砌，且通道襯砌混凝土澆筑完畢2天后，再進(jìn)行集水井開挖及初期支護(hù)和二次襯砌施工。

開挖采用短段掘砌技術(shù)，嚴(yán)格控制開挖步距，并及時安裝臨時鋼支架、鋪設(shè)木背板及掛網(wǎng)噴漿。開挖施工完成后，進(jìn)行防水施工。防水采用塑料防水板進(jìn)行全包防水處理，緩沖層采用土工布。

防水施工完成后進(jìn)行鋼筋綁扎，鋼筋綁扎完成后進(jìn)行鋼模板的安裝，最后利用混凝土輸送泵進(jìn)行混凝土的澆筑。

上部通道混凝土澆筑完成后養(yǎng)護(hù)48小時后進(jìn)行集水井的開挖及構(gòu)筑施工。

根據(jù)本工程的風(fēng)險等級，隧道防護(hù)門在通道結(jié)構(gòu)完成后仍予以保留。集水井結(jié)構(gòu)完成后，才進(jìn)行的防護(hù)門和對側(cè)鋼管片的拆除。

3.5 凍結(jié)孔割除封孔及充填注漿

結(jié)構(gòu)全部澆筑完成即可進(jìn)行停凍及凍結(jié)孔割除工作。由于本工程風(fēng)險等級為一級，各組凍結(jié)孔停凍與凍結(jié)孔割除相配合，按凍結(jié)孔分組，逐個停凍。

觀察凍結(jié)孔無滲漏后割除鋼管片格倉頂部6mm厚的鋼板，破除充填層，割除格倉內(nèi)孔口管及凍結(jié)管。

對遺棄在地層中的凍結(jié)管應(yīng)進(jìn)行充填，充填前利用壓縮空氣排除凍結(jié)管內(nèi)鹽水。充填凍結(jié)管材料采用強(qiáng)度等級為M10的水泥砂漿，對上仰角的凍結(jié)管充填長度不小于管口以內(nèi)1.5m，對下俯角的凍結(jié)管全段充填。

鉆孔鋼格倉內(nèi)孔口管割除部位采用10mm厚鋼板進(jìn)行焊接封堵，焊縫及鋼格倉一周涂抹遇水膨脹止水膠，然后用圓鋼對格倉進(jìn)行掛網(wǎng)，最后采用C30硫鋁酸鹽微膨脹水泥對格倉進(jìn)行充填并找平。

充填注漿采用1：1單液水泥漿，按由下而上的順序進(jìn)行，當(dāng)上一層注漿孔連續(xù)返漿后可停止下一層注漿，直至注到拱頂結(jié)束。

3.6 地層融沉注漿

結(jié)構(gòu)施工完成后進(jìn)行了4個月的融沉補(bǔ)償注漿工作，注漿漿液以水泥-水玻璃雙液漿為主，遵循多點(diǎn)、少量、多次、均勻的原則，注漿范圍為整個凍結(jié)區(qū)域。

4 ?結(jié)語

本工程目前已全部結(jié)束，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析，整個凍結(jié)及開挖構(gòu)筑期間隧道收斂變形均控制在設(shè)計允許范圍內(nèi)，所有割除的凍結(jié)孔表觀質(zhì)量較好，無明顯滲漏水或開裂現(xiàn)象。對以后類似工程，有以下幾點(diǎn)建議：①復(fù)雜地層的聯(lián)絡(luò)通道工程，進(jìn)行凍結(jié)法設(shè)計時，需充分考慮地層條件的影響，并進(jìn)行合理的驗(yàn)算。②在富水承壓土層中進(jìn)行鉆孔施工時，有必要對聯(lián)絡(luò)通道區(qū)域管片進(jìn)行二次補(bǔ)償注漿，同時為確保鉆孔施工的安全，應(yīng)采用二次開孔的方式，并安裝孔口密封裝置。要特別重視孔口管的安裝及固定工作，防止凍結(jié)過程中受外力影響導(dǎo)致孔口管脫落。③在積極凍結(jié)過程中，要采取有效的措施對凍脹進(jìn)行控制，尤其涉及到近接凍結(jié)、大體量凍結(jié)等特殊工程。凍結(jié)完成后，要及時進(jìn)行凍結(jié)孔的割除及封堵工作。

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