蘇州地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

李曉超

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司 山西太原 030032)

1 概述

地鐵的上、下行兩幅隧道之間，出于消防、集排水以及連接兩隧道的需要，通常需要設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，一般在間隔一定的距離進(jìn)行橫向設(shè)置。位于地下水豐富土層的聯(lián)絡(luò)通道，需要加固其周圍的土體，一般在開挖施工前使用凍結(jié)法施工工藝，即通過人工制冷技術(shù)，使天然的土變?yōu)閮鐾?，以這種方法來使土層更加的穩(wěn)定，使得地下工程的施工安全得到保障。

凍結(jié)法施工地鐵聯(lián)絡(luò)通道，目前在許多大中城市城市已經(jīng)采用，已形成了一套完整、成熟的施工工藝。所使用的具體方案為:通過對水平和傾斜孔的利用，凍結(jié)隧道內(nèi)的地層，以增加泵房外圍和聯(lián)絡(luò)通道土體的封閉性，提升其強(qiáng)度，再通過對“新奧法”原理的有效利用，采用礦山法，在凍土中開挖構(gòu)筑泵站和聯(lián)絡(luò)通道。

本文以蘇州地鐵S1號線鹿城路站～白馬涇路站盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道工程為例，針對區(qū)間內(nèi)兩座聯(lián)絡(luò)通道施工的特點(diǎn)，詳細(xì)論述了從凍結(jié)設(shè)計(jì)到凍結(jié)、開挖、構(gòu)筑，再到后期融沉注漿整個(gè)施工過程的關(guān)鍵技術(shù)和控制要點(diǎn)，為今后聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工提供參考。

2 工程概況

2.1 地鐵區(qū)間簡介

蘇州地鐵S1號線鹿城路站～白馬涇路站區(qū)間隧道長約1 228 m(見圖1)，設(shè)置兩座聯(lián)絡(luò)通道。1＃聯(lián)絡(luò)通道與泵房合建，位置設(shè)在里程右DK15+092.230(左DK15+088.744)處，聯(lián)絡(luò)通道線間距為14.312 m，聯(lián)絡(luò)通道覆土厚度約為17.98 m；2＃聯(lián)絡(luò)通道，無泵房，位于里程右DK15+480.00(左DK15+477.369)處，聯(lián)絡(luò)通道線間距為11.722 m，聯(lián)絡(luò)通道覆土厚度約為15.58 m。

圖1 鹿城路站～白馬涇路站區(qū)間平面圖

從結(jié)構(gòu)上看，聯(lián)絡(luò)通道為復(fù)合式襯砌，斷面為直墻拱形，設(shè)計(jì)圖紙暗埋段凈寬、高分別為2.50 m和2.75 m，泵房集水池的有效深度為1.20 m。

初期支護(hù)所選擇的材料為鋼筋網(wǎng)、工字鋼鋼架以及厚度250 mm的C25噴射混凝土，二次襯砌設(shè)計(jì)為模筑防水鋼筋混凝土，厚度為400 mm的C35/P10。

將EVA防水層設(shè)置于兩層之間，對于帶泵房聯(lián)絡(luò)通道中泵房與左右線隧道的連接，使用型號為DN200 mm的不銹鋼管在結(jié)構(gòu)層底部進(jìn)行埋設(shè)。

2.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

該工程位于較為平坦的平原地區(qū)，該區(qū)域內(nèi)具有較為穩(wěn)定的地質(zhì)構(gòu)造。④2粉土夾粉砂層、④3粉土夾粉質(zhì)黏土層、⑤1粉質(zhì)黏土層及⑤2a粉砂層為泵房和聯(lián)絡(luò)通道所處的土層，具體見圖2。

圖2 聯(lián)絡(luò)通道兼泵房結(jié)構(gòu)及地質(zhì)剖面圖

孔隙承壓、微承壓水以及第四紀(jì)松散巖類孔隙潛水為工程沿線地下水的類型。①填土、②y淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑤1層粉質(zhì)黏土是潛水主要存在的區(qū)域，具有較大的含水量，④2粉土夾粉砂、④3粉砂夾粉土、⑤2粉砂、⑤2a粉土層為微承壓水主要存在的區(qū)域。

工程場區(qū)地下水環(huán)境類型為Ⅱ類，對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來說，地表水、地下潛水能夠輕微腐蝕。對于混凝土結(jié)構(gòu)來說，承壓、微承壓水能夠輕微腐蝕；對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來說，在較長的時(shí)間下，承壓水能夠輕微腐蝕鋼筋。

3 凍結(jié)設(shè)計(jì)

3.1 凍結(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)凍土帷幕厚度2.0 m；

(2)設(shè)計(jì)鹽水溫度為-28～-30℃；

(3)所允許的凍結(jié)孔單孔的最低流量為5～7 m3/h；

(4)凍結(jié)孔終孔最大間距為1 050 mm，其凍土發(fā)展速度和凍結(jié)帷幕交圈時(shí)間分別為26 mm/d和21 d左右，40 d為達(dá)到設(shè)計(jì)厚度的時(shí)間；

(5)使用凍結(jié)管規(guī)格為φ89×8 mm，型號為20＃低碳無縫鋼管，連接方式為使用絲扣進(jìn)行焊接。用φ42×4 mm的塑料管作為供液管，用φ159×6 mm的無縫鋼管作為鹽水干管和集配液圈[1]。

3.2 凍結(jié)孔布設(shè)

在聯(lián)絡(luò)通道的周圍進(jìn)行凍結(jié)孔的設(shè)置，以聯(lián)絡(luò)通道泵房結(jié)構(gòu)以及凍結(jié)帷幕厚度(2.0 m)為依據(jù)，進(jìn)行三個(gè)角度的設(shè)置，分別為下俯、近水平和上仰，共設(shè)置凍結(jié)孔74個(gè)，凍結(jié)站主側(cè)和對側(cè)隧道內(nèi)各為50個(gè)和24個(gè)[2]，具體見圖3。

圖3 聯(lián)絡(luò)通道兼泵房凍結(jié)孔布設(shè)

3.3 凍結(jié)需冷量計(jì)算

凍結(jié)體系總的需冷量由下式計(jì)算:

Q＝1.3×π×d×H×K

式中，H、d和K分別為凍結(jié)管總長、直徑以及散熱系數(shù)，d取0.089 mm，K取280 kcal/h˙m2。

計(jì)算出本區(qū)間1＃和2＃聯(lián)絡(luò)通道工程總需冷量分別為58 655 kcal/h和35 685 kcal/h。

4 凍結(jié)施工

4.1 凍結(jié)孔施工

具體工序:(1)定位開孔；(2)安裝孔口管；(3)安裝孔口裝置；(4)鉆孔；(5)測量；(6)對孔底部進(jìn)行封閉；(7)打壓試漏。

凍結(jié)孔部分，首先需要進(jìn)行穿透孔的施工，以此部分的偏差作為后續(xù)施工依據(jù)，來對鉆進(jìn)的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。之后展開施工，從上至下進(jìn)行，目的是為了使上部地層不受下層凍結(jié)孔施工影響，使鉆孔過程中盡可能減少事故出現(xiàn)[3]。

為了防止因水土流失所造成的隧道和地面沉降的情況，首先要保證做好孔口的密封，再進(jìn)行凍結(jié)孔鉆進(jìn)。凍結(jié)管打設(shè)完成后，對于管片和凍結(jié)管間出現(xiàn)的間隙問題，需要通過注漿來進(jìn)行封堵[4]。

4.2 凍結(jié)站施工

綜合考慮場地條件限制及打鉆、開挖構(gòu)筑交叉施工的影響，本區(qū)間共設(shè)置一個(gè)冷凍站，來供兩座聯(lián)絡(luò)通道使用，具體設(shè)置在距上行線隧道內(nèi)2＃聯(lián)絡(luò)通道不遠(yuǎn)處，并在1＃聯(lián)絡(luò)通道及泵房處搭設(shè)打鉆及開挖平臺(tái)，方便聯(lián)絡(luò)通道的出土及材料進(jìn)出。

兩座通道鉆孔施工及開挖構(gòu)筑方向均是由上行線隧道向下行線隧道進(jìn)行，出土方向經(jīng)由上行線隧道向白馬涇鹿城路方向，通過預(yù)留洞口出土。

2＃聯(lián)絡(luò)通道先進(jìn)行施工，為了機(jī)械設(shè)備的有效利用和人員的安排，1＃聯(lián)絡(luò)通道應(yīng)錯(cuò)開約20 d后開始施工，具體見圖4。

圖4 場地布設(shè)及工序籌劃

冷凍站內(nèi)的冷凍機(jī)組共有3臺(tái)，兩聯(lián)絡(luò)通道各1臺(tái)，剩下1臺(tái)為備用，單臺(tái)機(jī)組工況的制冷量需要達(dá)到8.75×104kcal/h，需要大于前述聯(lián)絡(luò)通道需量，可以滿足凍結(jié)施工要求[5]。

鹽水循環(huán)泵與冷卻水循環(huán)泵，同樣也各設(shè)置兩臺(tái)，分別用作工作1臺(tái)和備用1臺(tái)。

針對1＃聯(lián)絡(luò)通道遠(yuǎn)離冷凍站、鹽水輸送距離長的特點(diǎn)，為保證鹽水流量、流速及熱量損失滿足凍結(jié)設(shè)計(jì)需求，采取了3個(gè)措施:

(1)在鹽水去、回路主干管上設(shè)置一臺(tái)增壓泵，增大鹽水的流速及流量；

(2)鹽水輸送主干管采用的不是通常的低碳鋼管，而是耐壓、耐低溫PE管，相對減少了冷量損失；

(3)去回路鹽水主干管四周采用兩層保溫板全長度包裹，并在管道接頭部位加強(qiáng)包裹，盡量避免管內(nèi)鹽水與外界間進(jìn)行熱交換。

4.3 三維智能溫度監(jiān)測

4.3.1 三維智能溫度監(jiān)測原理及優(yōu)點(diǎn)

本工程采用三維智能溫度監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測溫度，屬于創(chuàng)新技術(shù)。其原理為:首先采用數(shù)字傳感器和主控板模塊，對聯(lián)絡(luò)通道周圍土體和循環(huán)系統(tǒng)鹽水的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過WIFI、4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至云端數(shù)據(jù)處理中心，進(jìn)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、分析及處理，最后實(shí)時(shí)將處理結(jié)果發(fā)送至項(xiàng)目現(xiàn)場的終端顯示設(shè)備上。

本溫度監(jiān)測系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)溫度測量范圍大(-50～+80℃)，測量精度高(誤差小于0.5℃)；

(2)溫度數(shù)據(jù)的采集、分析通過系統(tǒng)模塊全程自動(dòng)控制處理，保證了溫度數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性；

(3)溫度數(shù)據(jù)采集頻率高，每10 min對整個(gè)溫度場進(jìn)行一次整體數(shù)據(jù)采集分析，能快速、準(zhǔn)確地反映出溫度場的變化；

(4)可視化程度高，通過終端顯示設(shè)備可實(shí)時(shí)查看凍結(jié)管三維布設(shè)圖、各測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)表、溫度發(fā)展曲線圖、3D溫度熱效應(yīng)圖等，具體見圖5。

圖5 溫度主控模塊集成箱及3D熱效應(yīng)圖

4.3.2 鹽水及土體溫度變化

鹽水總?cè)ァ⒖偦芈窚囟茸兓€見圖6，從圖中可看出，在7 d時(shí)間左右，鹽水溫度達(dá)到了約-22℃，15 d時(shí)約為-29℃，同時(shí)與鹽水溫度下降梯度的要求相符[6]。

圖6 鹽水總?cè)タ偦芈窚囟茸兓€

土體溫度測點(diǎn)C6、C7深度約3.5 m，從隧道管片位置往里依次埋設(shè)4個(gè)測點(diǎn)。其各測點(diǎn)溫度下降曲線如圖7所示。從圖7中可以看出:

圖7 C6、C7測點(diǎn)土體溫度變化曲線

(1)前期土體溫度下降相對較快，后期土體溫度下降相對較平緩；

(2)靠近土體內(nèi)部的測點(diǎn)溫度，比外部(管片)的下降相對稍快，隨著時(shí)間發(fā)展兩者差距越明顯，這可能是由于外部測點(diǎn)受環(huán)境影響大，造成部分冷量損失，故其溫度下降相對較慢。

4.4 開挖與構(gòu)筑施工

4.4.1 開挖施工

先進(jìn)行試挖，在分析了卸壓孔和測溫孔所測數(shù)據(jù)之后，以設(shè)計(jì)的厚度和強(qiáng)度為依據(jù)，若凍結(jié)帷幕能夠達(dá)到，方可接著試挖，同時(shí)以開挖條件為依據(jù)，若試挖可達(dá)到，則即可正式大面積地開挖[7]。

將鋼管片打開之后，通過對礦山法的利用，展開暗挖施工。聯(lián)絡(luò)通道部分，可通過分區(qū)分層的方式來展開開挖掘進(jìn)。

具體順序:側(cè)喇叭口導(dǎo)洞和支護(hù)；然后是正常段施工；對側(cè)喇叭口；冷凍站側(cè)喇叭口；上述環(huán)節(jié)開挖同時(shí)要做好支護(hù)；最后上述結(jié)構(gòu)施工均達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度60%之后，方可進(jìn)行泵站開挖施工。

4.4.2 初期支護(hù)措施

凍土開挖的同時(shí)，必須做好凍結(jié)壁的支護(hù)工作，同時(shí)作為一項(xiàng)施工安全的重要技術(shù)措施，聯(lián)絡(luò)通道的初期支護(hù)能夠使得地層的穩(wěn)定性得到保證，以使施工安全得到保障，同時(shí)它又屬于永久支護(hù)，所以對于支護(hù)工藝來說，能夠起決定性作用。

初期支護(hù)采用型鋼支架+鋼筋網(wǎng)噴射混凝土。全部的鋼支撐架后，采用木工板作木背板密背，使支架間凍結(jié)壁變形的問題得到有效的控制。為了使支護(hù)間隙盡可能地縮小，背板與凍結(jié)壁之間一般不留縫隙，木背板不可避免地出現(xiàn)松動(dòng)情況，若存在具有較大支護(hù)間隙的情況，可使用木楔子或者增加背板厚度加以解決[8]。

4.4.3 二襯結(jié)構(gòu)施工

二襯結(jié)構(gòu)施工是在防水層施工完成以后進(jìn)行。對于有集水井的聯(lián)絡(luò)通道，要待上部通道部分結(jié)構(gòu)施工完成后，再進(jìn)行下部集水井開挖及結(jié)構(gòu)施工。對于上部通道結(jié)構(gòu)施工，先進(jìn)行結(jié)構(gòu)鋼筋安裝，再進(jìn)行混凝土澆筑。

混凝土應(yīng)選用商品混凝土。以結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為依據(jù)，混凝土澆筑需分部進(jìn)行。首先將止水鋼板安裝于施工縫處，安裝好之后澆筑通道底板。根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度，此部分強(qiáng)度達(dá)到后，立側(cè)墻及拱頂模板，接著澆筑混凝土。

這兩部分采用混凝土泵車輸送整體澆筑，同時(shí)輔以外部附著式振搗器，這樣做可以使工作更高效，同時(shí)混凝土的質(zhì)量也得到保證。

4.5 充填及融沉注漿

4.5.1 充填注漿

充填注漿也稱為內(nèi)層注漿，其主要是通過預(yù)埋的內(nèi)層注漿孔，壓入水泥漿，確?；炷翝仓r(shí)留有的空隙充填密實(shí)。一般情況下，以4 m的長度來進(jìn)行注漿斷面的布置，且各布置4個(gè)孔，分別布置于底板、兩幫以及頂板處各1個(gè)孔[9]。

4.5.2 融沉注漿

融沉注漿也稱外層注漿，是通過預(yù)埋的外層注漿孔(伸入到初期支護(hù)外)，壓入水泥漿，控制凍結(jié)壁融化時(shí)發(fā)生的土體沉降，同時(shí)保證也能充填土方開挖時(shí)留有的空隙。

一般情況下，以2 m的長度來進(jìn)行注漿斷面的布置，且各布置4個(gè)孔，分別布置于底板、兩幫以及頂板(2個(gè))處；集水井內(nèi)所布設(shè)的注漿孔通常為12個(gè)，底板和四周各6個(gè)孔[10]。

底板注漿從通道中部的注漿孔向兩端進(jìn)行。單孔依次注漿量為0.5 m3，允許最大值不超過1 m3，可允許的最大壓力不超過0.5 MPa。此部分注漿結(jié)束后，再進(jìn)行側(cè)墻注漿[11]。

結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，首先要在100 d左右的時(shí)間內(nèi)使凍土全部融化。其次，再實(shí)測地層沉降，可停止注漿的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為:持續(xù)一個(gè)月，每半月沉降值≤0.5 mm[12]。

充填注漿也稱為內(nèi)層注漿，其主要是通過預(yù)埋的內(nèi)層注漿孔，壓入水泥漿，確?；炷翝仓r(shí)留有的空隙充填密實(shí)。一般情況下，以4 m的長度來進(jìn)行注漿斷面的布置，且各布置4個(gè)孔，分別布置于底板、兩幫以及頂板處各1個(gè)孔。

5 結(jié)語

本文研究總結(jié)了同一個(gè)隧道區(qū)間內(nèi)兩座聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)加固設(shè)計(jì)以及同步施工的具體方案。綜合考慮場地條件、工期、安全、經(jīng)濟(jì)效益等因素，兩座通道共用一座冷凍站，對鹽水流量、溫度的控制提出了針對性的措施，創(chuàng)新采用了三維智能溫度監(jiān)測系統(tǒng)，較好地實(shí)現(xiàn)了對鹽水及土體溫度發(fā)展變化的全過程、智能監(jiān)測，為工程的順利實(shí)施提供了保障。