昆明富水地層凍結(jié)法接收井施工技術(shù)研究

蔣應(yīng)省

(中鐵十九局集團(tuán)有限公司 北京 100176)

1 引言

昆明地鐵5號線采用盾構(gòu)法施工，穿越范圍內(nèi)土層賦存水量高，含承壓水，土質(zhì)軟弱，圍巖穩(wěn)定性差，在盾構(gòu)接收破除門洞階段，極易引起洞門土體坍塌，涌水、涌砂等工程問題，影響后續(xù)盾構(gòu)正常推進(jìn)，危及地表周邊建(構(gòu))筑物的安全。

凍結(jié)法作為一種環(huán)境適用性好、止水強(qiáng)、強(qiáng)度高、綠色無污染的地層加固方法[1-4]，近20年來發(fā)展迅速。而鋼套筒接收技術(shù)一直是盾構(gòu)掘進(jìn)結(jié)束時的關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)。吉武軍[5]依托蘇州地鐵5號線，通過工程實(shí)例證實(shí)了盾構(gòu)的冷凍法聯(lián)合鋼套筒接收技術(shù)的可行性；岳紅波等[6]詳細(xì)分析了凍結(jié)法與鋼套筒結(jié)合技術(shù)對盾構(gòu)隧道的影響，以及施工過程中的重難點(diǎn)；丁國勝[7]根據(jù)福州地鐵1號線現(xiàn)場情況，研究了水平凍結(jié)法搭配鋼套筒的輔助盾構(gòu)進(jìn)洞技術(shù)；趙亮等[8]總結(jié)了在軟弱富水地層中鋼套筒盾構(gòu)接收井施工技術(shù)的特點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，關(guān)于人工凍結(jié)法的研究已基本形成體系[9-10]，但各方面的優(yōu)化改進(jìn)仍在進(jìn)行。豎向凍結(jié)、水平凍結(jié)、管幕凍結(jié)、半封閉凍結(jié)等多種凍結(jié)方式都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[11-14]，其中多圈水平型凍結(jié)以其施工作業(yè)簡單、監(jiān)測檢測方便、凍結(jié)效果優(yōu)良、施工場地要求小等特點(diǎn)[15]，越來越廣泛地應(yīng)用于具有富水、承壓水等軟弱地層加固措施中。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，利用多圈水平型凍結(jié)法結(jié)合鋼套筒盾構(gòu)接收技術(shù)來解決實(shí)際工程富水地層盾構(gòu)接收問題，達(dá)到了保護(hù)地下水資源、加固地層、避免管線移改并順利完成五彌區(qū)間盾構(gòu)接收等目標(biāo)。對凍結(jié)法進(jìn)行優(yōu)化，使地層加固效果更加優(yōu)良，對地表變形控制效果更好，并將盾構(gòu)接收涌水涌砂的風(fēng)險降至最低。

2 工程概況

地鐵線路穿越五一路道路，區(qū)間平面如圖1所示。區(qū)間隧道埋深為19.7～28.8 m。盾構(gòu)端頭位于十字路口，地面加固方案受限于場地交通條件過于復(fù)雜而無法實(shí)施，且地下管線錯綜復(fù)雜，諸多因素導(dǎo)致無法采用常規(guī)加固方案，同時控制性建(構(gòu))筑物較多，接收端側(cè)穿省美術(shù)館，下穿地鐵3號線；地下管線主要為電信、給水、排水、燃?xì)狻⒂芯€電視、交通信號、供電等，埋深均在5 m以內(nèi)。設(shè)計(jì)采用多圈水平凍結(jié)法加固，確保盾構(gòu)機(jī)順利出洞。接收端地下水位埋深3 m左右，工程影響范圍內(nèi)場地地下水主要有上層滯水、孔隙潛水和微承壓水三類。盾構(gòu)區(qū)間接收端頭地層主要為圓礫土、粉質(zhì)黏土、粉砂層。

圖1 區(qū)間平面

3 凍結(jié)法與鋼套筒結(jié)合技術(shù)

3.1 冷凍孔施工

本工程采用水平長臂杯型凍結(jié)方案，區(qū)別于鄭州地鐵、蘇州地鐵等盾構(gòu)工程，工法進(jìn)行如下改進(jìn):調(diào)整鹽水凍結(jié)降溫計(jì)劃、優(yōu)化孔位布置和鋼套筒設(shè)計(jì)以提高效率，縮短凍結(jié)工期，節(jié)約凍量、確保施工安全，改進(jìn)參數(shù)見表1，凍結(jié)孔位布置見表2、圖2。

表1 鹽水降溫計(jì)劃改進(jìn)前后施工參數(shù)對照

表2 凍結(jié)孔布置參數(shù)(單洞)

圖2 洞門凍結(jié)孔立面

3.2 鋼套筒施工

(1)鋼套筒主體結(jié)構(gòu)

鋼套筒鋼板材質(zhì)為Q235B，內(nèi)腔板厚16 mm，筋板板厚20 mm，連接法蘭板厚60 mm，連接螺栓為M24(8.8級)。鋼套筒拼裝完成后筒體長度為10 900 mm，標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)徑為6 900 mm。鋼套筒筒體由A、B、C、D 四種模塊組成，A 塊為下部塊共34塊，單塊長度3 300 mm，三塊拼裝總長9 900 mm；B塊為上部塊共3塊；C塊為加強(qiáng)環(huán)(兩個半圓)，單塊長度500 mm；D塊為過渡環(huán)(兩個半圓)，長度500 mm。后端蓋選用平面蓋，用30 mm厚Q235A鋼板作為材料，分成上下兩個半圓部分，把上下兩部分用兩塊30 mm厚鋼板做連接板拼成一個整圓。平面環(huán)板采用“井”字型工字鋼焊接在后端蓋上。

(2)鋼套筒后支撐體系

后支撐體系由6根φ530鋼筒斜撐與4根φ530鋼筒組成，鋼套筒兩側(cè)各采用3根雙拼 20a加固工字鋼從基座抵撐至結(jié)構(gòu)墻及底板上，雙拼加固工字鋼、530鋼筒斜撐及直撐長度和角度如圖3所示。鋼筒支撐一端滿焊至后蓋端表面，另一端滿焊至底板結(jié)構(gòu)主筋并利用鋼棒固定；工字鋼一端滿焊至鋼套筒基座表面，另一端滿焊底板結(jié)構(gòu)主筋或抵撐至側(cè)墻。

圖3 后支撐體系加固(單位:mm)

(3)鋼套筒填料

根據(jù)盾構(gòu)出洞姿態(tài)，鋼套筒內(nèi)先回填C20素砼至刀盤底標(biāo)高，作為盾構(gòu)接收基座，再充分填充同步砂漿。同時在地面設(shè)置一個漏斗，并引一條輸送管道至鋼套筒預(yù)留灌料口處，將填充材料從漏斗輸送至鋼套筒內(nèi)。為了保證填料分配均勻，填料過程中要在每個填料孔交替進(jìn)行，使鋼套筒內(nèi)填料飽滿、密實(shí)、均勻。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 有限元模型的建立

利用有限元軟件FLAC3D對水平長臂杯型凍結(jié)法施工進(jìn)行模擬。FLAC3D可進(jìn)行非線性分析，能夠很好仿真模擬實(shí)際復(fù)雜工程問題，并且前處理與后處理功能較為完善。在進(jìn)行熱力耦合分析時，F(xiàn)LAC3D具備熱力學(xué)場賦予功能，結(jié)構(gòu)受力通過編寫軟件內(nèi)部fish語言進(jìn)行施加，模型通過Rhino進(jìn)行建立嵌入。經(jīng)過預(yù)設(shè)時間步計(jì)算，通過FLAC3D自帶的后處理功能輸出觀測點(diǎn)的位移響應(yīng)數(shù)據(jù)。數(shù)值模型如圖4、圖5所示。

圖4 凍結(jié)法模型

圖5 整體模型

4.2 分析對比

4.2.1 溫度場變化規(guī)律

提取凍結(jié)法施工時土體的溫度場云圖數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):凍結(jié)管在初期溫度基本為-25℃，認(rèn)為土體凍結(jié)所需的溫度閾值為-20℃，在此溫度下土體的力學(xué)強(qiáng)度符合要求。所有工況均為溫度逐漸向中心過渡，直至產(chǎn)生凍結(jié)壁，也說明此時土體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值。

通過比對發(fā)現(xiàn)，垂直凍結(jié)法一般設(shè)置凍結(jié)持續(xù)時間為10 d，此工況特征為初步交圈相對較薄，約為0.6～0.8 m；將凍結(jié)時間增加至20 d時，方可形成符合設(shè)計(jì)要求的凍結(jié)壁，厚度約1 m。當(dāng)采用水平長臂杯型凍結(jié)法時，5 d左右凍結(jié)帷幕即可交圈，15 d左右凍結(jié)帷幕可達(dá)到預(yù)設(shè)要求。當(dāng)采用全斷面凍結(jié)法時，凍結(jié)壁厚度約為0.4 m，交圈雖為10 d，但遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求；凍結(jié)時間設(shè)置為20 d，厚度約0.9 m。研究表明凍結(jié)時間為30 d時凍結(jié)壁厚度方可基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。三種凍結(jié)法溫度的傳遞擴(kuò)散趨勢均一致，而達(dá)到符合設(shè)計(jì)要求的凍結(jié)壁厚度所需時間存有顯著差異。

通過對比，發(fā)現(xiàn)水平凍結(jié)法在凍結(jié)時間為3 d時凍結(jié)壁厚度可達(dá)0.3 m，8 d左右厚度達(dá)0.6 m，30 d厚度達(dá)0.9 m。當(dāng)采用垂直凍結(jié)法時，一般需要5 d方可形成0.4 m的凍結(jié)壁，僅略高于水平凍結(jié)法3 d所形成的凍結(jié)壁，將凍結(jié)時間設(shè)置為15 d方可形成具有一定規(guī)模的凍結(jié)壁，50 d達(dá)1.6 m。采用全斷面凍結(jié)法時，凍結(jié)壁的變化趨勢與垂直凍結(jié)法類似。綜合判斷，水平凍結(jié)法的制冷效率更高。

4.2.2 位移場分析

圖6為采用水平凍結(jié)法時，洞門附近豎向位移及地表水平方向的豎向位移曲線。從圖6 a可以看出，隨著與地表距離增大，土體豎向位移呈明顯減小趨勢，位移值最大約為5.126 mm。當(dāng)與地表距離40 m時，位移變化逐漸趨于平穩(wěn)，達(dá)到位移最小值-0.050 m。凍結(jié)法有明顯改善土體變形的作用，曲線斜率在凍結(jié)區(qū)域有變緩趨勢，說明凍結(jié)力引起的土體膨脹力可對原本不穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行有效補(bǔ)償，使得土體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值，確保圍巖的應(yīng)力平衡，避免了結(jié)構(gòu)損傷或破壞。

圖6 水平凍結(jié)法地表位移曲線

由圖6b可以發(fā)現(xiàn)，在距離洞門中心較遠(yuǎn)位置，水平走向位移值較小，最大位移點(diǎn)在洞門附近。距離凍結(jié)壁越近，凍結(jié)壁對土體強(qiáng)度的提高效應(yīng)越顯著，表現(xiàn)為水平走向位移值更小。洞門附近為位移峰值出現(xiàn)的區(qū)域范圍，最大值可達(dá)4.736 mm。

圖7與圖6對比可發(fā)現(xiàn)，兩種方法凍結(jié)規(guī)律基本一致。其中位移最大值與最小的位置分別在地表位置與距離地表位置的最遠(yuǎn)端，位移最大值為5.102 mm，最小值為-0.700 mm。垂直凍結(jié)法土體變形比水平凍結(jié)法大，最大值比水平凍結(jié)法大2.9%左右，表明變形效應(yīng)對周圍環(huán)境的影響更大，地面將出現(xiàn)隆起變形，威脅到既有建筑物的安全。垂直凍結(jié)法土體水平走向位移變化規(guī)律也與水平凍結(jié)法保持一致，距離洞門中心水平距離越遠(yuǎn)，則位移值越小，最小值出現(xiàn)在遠(yuǎn)端，為4.860 mm，最大值為4.876 mm。

圖7 垂直凍結(jié)法位移曲線

從圖8可以看出，全斷面凍結(jié)法凍結(jié)規(guī)律與其他兩種凍結(jié)法類似，隧道中線處的豎向位移最大為4.735 mm，最小位移出現(xiàn)在距離洞門的最遠(yuǎn)端。對比水平凍結(jié)法數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，全斷面凍結(jié)法的最大凍脹位移略大，表明其凍脹效果要大于水平凍結(jié)法。

圖8 全斷面凍結(jié)法位移曲線

5 實(shí)際工程效果對比

以昆明地鐵5號線彌勒寺-五一路區(qū)間工程為依托，配合水平多圈杯型凍結(jié)接收作業(yè)，設(shè)計(jì)專項(xiàng)監(jiān)測方案，分析現(xiàn)場實(shí)測溫度數(shù)據(jù)，明確反映凍結(jié)過程，監(jiān)測管路鹽水溫度及循環(huán)鹽水溫差來綜合反映冷媒吸熱量及凍結(jié)效果，以此論證本凍結(jié)技術(shù)的有效性與實(shí)用性。現(xiàn)場測溫孔布置如圖9所示，凍結(jié)發(fā)展指標(biāo)見表3。

圖9 現(xiàn)場測溫孔

表3 凍結(jié)發(fā)展指標(biāo)改進(jìn)前后對照

由表3可知，改進(jìn)后凍結(jié)發(fā)展速度均快于改進(jìn)前的預(yù)測速度，交圈時間在改進(jìn)后也全面優(yōu)于改進(jìn)前的預(yù)測時間。凍結(jié)發(fā)展速度加快、交圈時間減少，為工期縮減提供了有利條件。改進(jìn)后實(shí)測凍結(jié)壁厚度在1.6～5 m之間，大于改進(jìn)前凍結(jié)壁厚度的1～3 m，說明改進(jìn)后的工藝措施對富水地層加固效果更加明顯，進(jìn)而加強(qiáng)了對地表沉降變形的控制效果，同時也避免了管線移改作業(yè)。總體上，改進(jìn)后的凍結(jié)法施工效果完全滿足昆明軌道交通5號線五一路站-彌勒寺站盾構(gòu)工程要求。

6 結(jié)論

(1)本文提出鋼套筒+水平多圈杯型凍結(jié)加固相結(jié)合的盾構(gòu)機(jī)接收技術(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的盾構(gòu)端頭土體加固技術(shù)，并成功應(yīng)用于昆明軌道交通5號線五一路站至彌勒寺站盾構(gòu)區(qū)間富水地層，提高了工程質(zhì)量，大幅度降低了涌水涌砂施工風(fēng)險。

(2)鋼套筒+水平多圈杯型凍結(jié)加固相結(jié)合的盾構(gòu)機(jī)接收技術(shù)包括鋼套筒主體結(jié)構(gòu)和鋼套筒后支撐體系設(shè)計(jì)、鋼套筒填料施工優(yōu)化參數(shù)，及冷凍孔施工、鋼套管施工、盾構(gòu)接收施工及洞門密封施工工藝。該技術(shù)具有場地要求低、止水效果好、鉆孔難度低、能量利用率高、適用性廣、綠色環(huán)保、利于控制土體變形的優(yōu)點(diǎn)。

(3)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，水平凍結(jié)法、垂直凍結(jié)法和全斷面凍結(jié)法三種凍結(jié)法溫度發(fā)展規(guī)律類似，只是形成凍結(jié)壁的時間不同。水平凍結(jié)法比垂直凍結(jié)法制冷效果好，凍結(jié)壁形成時間相對較短。在沉降方面，靠近地表范圍的土體在凍結(jié)作用影響下變形響應(yīng)明顯，當(dāng)土體處于凍結(jié)區(qū)域時，其位移不受埋深影響，凍結(jié)效應(yīng)為主導(dǎo)因素；沿水平走向位移變化規(guī)律表明，距離洞門越遠(yuǎn)，土體膨脹所產(chǎn)生的地表變形越小，洞門中心處地表豎向變形最大。

(4)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取凍結(jié)指標(biāo)，明確了凍結(jié)過程，直觀展現(xiàn)了改進(jìn)后凍結(jié)法吸熱效應(yīng)及凍結(jié)效果，為類似工程積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。