地鐵區間聯絡通道的凍結法施工技術研究

蘭少波

(北京鐵城建設監理有限責任公司,北京 100080)

0 引言

濟南城市軌道交通3號線二期工程川流站—向陽站區間,起始里程右CK24+250.000(川流站中心里程),終點里程右CK27+747.000(向陽站中心里程),全長3 497 m。本區間采用盾構法施工,設4個聯絡通道。隧道底埋深約14.98 m～24.91 m。于右CK24+976.250、右CK25+435.000、右CK26+550.000、右CK27+100.000分別設置1號、2號、3號、4號聯絡通道,其中1號及4號聯絡通道兼作泵房:于右CK25+977.000設置區間風井。聯絡通道特征參數見表1。

表1 聯絡通道特征參數表

聯絡通道施工前需對周圍地層采取可靠的加固措施,為了確保施工的安全性,采取了凍結法和礦山暗挖法來加固土層[1],并且在施工過程中采取了必要的防護措施,加強了監測,以減少對周圍環境和地下管線的不利影響[2]。凍結法設計范圍包括地層凍結加固[3]、初期支護、隧道預應力支撐和防護門設計。

區間隧道管片采用內徑5 800 mm,外徑6 400 mm,厚300 mm,外部覆蓋了一個1 200 mm的混凝土管片。這種建筑物的連接處是由二次襯砌的,并在初期支撐層與永久性建筑物的連接處處于防水狀態。這種建筑物的連接處是由鋼筋混凝土組成的,它的外部覆蓋物厚度在450 mm～650 mm,拱頂厚度在500 mm～600 mm。初期的支撐是由20號的工字鋼支撐,再配上C25的噴射混凝土,初期的支撐層厚度在300 mm,其中包括50 mm的木背板,以及50 mm厚的鋼支撐和噴漿層。

1 擬建場地工程地質條件

1.1 地層巖性條件

根據區間詳勘云及線路地質縱斷面圖,各聯絡通道所在地層詳見表2。

表2 聯絡通道地層參數表

1.2 水文地質條件

在長期浸水條件下擬建工程沿線地下水對混凝土結構具微腐蝕性,在干濕交替作用下對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具弱腐蝕性。地表至地表下5.0 m范圍內按照有干濕交替作用考慮,地表下5.0 m以下按長期浸水考慮[4]。

1.3 管線情況調查

1號聯絡通道上方無管線。2號聯絡通道上方無管線。3號聯絡通道上方有一根通信管300 mm×100 mm銅,埋深1.44 m,1根配水管o820鑄鐵,埋深0.88 m,4號聯絡通道上方有一根通信管400 mm×200 mm銅,埋深1.07 m,1根配水管p400球墨鑄鐵,埋深0.56 m,1根配水管p820鑄鐵,埋深4.1 m。

1.4 施工重難點分析

先在連接隧道的襯墻上鉆出一個洞,然后等待凝固完成,再對隧道的墻體和地面進行補強,以彌補隧道和地面的縫隙。以提高聯絡通道的防水性能和防止凍結壁失去承載力后變形沉降。在凍結壁融凍過程中和凍結壁全部融化后進行地層沉降跟蹤注漿,將聯絡通道沉降嚴格控制在允許范圍之內[5]。

聯絡通道施工流程重點如圖1所示,聯絡通道周圍土體加固→隧道預應力支架、安全應急門安裝→切除開口處管片→施作聯絡通道初支、二襯及洞門→拆除隧道支撐[6]。

2 聯絡通道凍結法施工

2.1 凍結加固設計

2.1.1 凍結帷幕設計

1號聯絡通道凍結帷幕厚度不小于2.1 m;2號聯絡通道凍結帷幕厚度不小于2.0 m;3號聯絡通道凍結帷幕厚度不小于1.8 m;4號聯絡通道的凍結帷幕厚度必須達到2.0 m,而且凍結帷幕的平均溫度必須低于-10 ℃,同時,凍結壁與管片之間的接觸處的平均溫度也必須低于-5 ℃。

在積極凍結的情況下,200 m以外的地方禁止采取任何形式的降水措施,同時,凍結區域內的土壤也不允許出現集中的水流。

2.1.2 凍結孔布置及制冷設計

在川—向區間,為了保證安全,我們在隧道的左、右邊分別開鑿了1號聯絡通道和泵站的凍結孔,這些凍結孔分別呈現出3種不同的形式:上仰、水平和下俯。其中1號聯絡通道兼泵站共布置凍結孔67個(左線47個,右線20個,透孔4個),2號聯絡通道共布置凍結孔74個(左線47個,右線27個,透孔4個),3號聯絡通道共布置凍結孔61個(左線45個,右線16個,透孔4個),4號聯絡通道兼泵站共布置凍結孔77個(左線52個,右線25個,透孔4個)。凍結孔施工前,由測量技術人員結合成型隧道軸線參數,從測量導線端重新復核聯絡通道中心標高[7]。根據聯絡通道透孔的施工情況,通過經緯儀測量,計算透孔的實際角度及深度與設計參數比較,如誤差大于設計值,對凍結孔角度及長度予以調整。凍結孔的布置示意圖見圖2。

2.2 開挖與構筑施工

2.2.1 開挖方式

為了提升土體的抗壓性,我們選擇了使用凍結方式進行加固。這種方式的優點是抗壓性好,所以我們建議在喇叭口附近進行單次開挖,并且保證連接通道的步伐與支撐柱的間隔相同。

由于土體采用凍結法加固,強度較高,凍結帷幕承載能力大,因而除喇叭口處側墻和拱頂外可以采用全斷面一次開挖,聯絡通道開挖步距與支架間距一致。開挖步距不超300 mm,開挖后應及時施工初期支護,初襯混凝土可在開挖完成后一次性噴射施工,在施工過程中,凍結墻的表層應保持在20 mm以內,而且施工斷面的單邊超挖應小于30 mm,同時施工中的中心線也應保持在20 mm以內[8]。

喇叭口開挖嚴格按照設計尺寸挖掘,尤其鋼管片上土體清理干凈,在進行喇叭口開挖作業之前,應當嚴格遵守檢查規定,在鋼管片的反面安裝防止水分擴散的防滲措施,同時在整個斷面上安裝完整的灌漿管。開挖過程中盡量避免破除凍結管,如破除應立即補焊處理。待處理完成后立即恢復鹽水循環。當架設臨時支撐位置與凍結管位置沖突時,原則上割除臨時支撐再重新焊接,不得割除凍結管。

通過對挖掘過程中土體的加固情況實時監測,及時調整開挖步伐和支撐結構,以確保施工過程的安全性。我們采取短挖短支方式,并且現場配備了套管等相關應急物資來應對斷管及鹽水泄露等狀況的發生。還要及時對暴露的凍結帷幕進行保溫。做好通道變形監測,增加鹽水溫度和土體溫度監測頻率。

2.2.2 支護方式

為了確保結構的穩定性,我們采取了兩種不同的支撐方法。第一種是預應力鋼格柵,通過噴射混凝土來保持平整。第二種是現澆鋼筋混凝土結構。

1)支護層:a.格柵加工:根據1∶1大樣,將格柵鋼架分割成若干個單元,并將每個單元的連接板精確焊接,以保證孔眼的對稱性。在使用之前,要給每個單元編號,并確保它們沒有任何偏斜、扭曲、錯臺或變形等缺陷[9]。b.格柵架立定位:在進行格柵架的安裝之前,必須進行精確的測量,并進行必要的檢查。為了保證結構的穩定性,應該將鋼架盡可能地與地面接觸(空隙小于5 cm),并在其兩邊的地面上放置穩固的墊腳。在施工過程中,應該在基礎較為堅硬的地方設置墊板,以避免因承重而下沉。c.連接:將連接板對準,用螺栓緊固,將鋼架與鋼架之間用Φ20螺紋鋼焊接,形成一個完整的結構,以達到支撐的目的。縱向連接筋的環向間距為1 m,在背土面上分層布置,最后使用PZ-6型噴混凝土機進行噴混凝土支撐,噴射混凝土的強度達到C25,噴混凝土的厚度達到300 mm。

2)結構層:結構層為鋼筋混凝土結構。結構層厚度按圖紙要求施工,先施工通道和反掏段底板,再施工其側墻,然后施工拱頂。上部結構全部施工完成后,開挖集水井,最后施工集水井結構層。混凝土等級為C40,抗滲等級為P10。

對于通道底板澆筑混凝土,為了確保通道底板的質量,在設計底板厚度時,應該根據實際情況,采取合理的配合比,以確保混凝土的良好工作性,同時盡可能減少混凝土的單位用水量,以達到最佳的施工效果。嚴格控制混凝土原材料的質量和技術標準,選用低水化熱水泥,粗細骨料的含泥量應盡量減少。在選擇大體積混凝土使用的水泥時,在條件許可的情況下,應優先選用收縮性小的或具有微膨脹性的水泥,根據工程特點,可以利用混凝土后期強度,這樣可以減少用水量,減少水化熱和收縮。加強混凝土的澆灌振搗,提高密實度,采用兩次振搗技術,改善混凝土強度,提高抗裂性。

2.3 融沉與注漿控制

為了滿足對外界條件的需求,選擇自然冷卻的技術。我們使用了先進的監控技術來實時觀察土壤的溫度、沉淀情況,并使用了先進的淺層和深層灌漿技術來保證灌漿的質量,并對灌漿過程實時追蹤。

在注漿完成之后,如果發現連接處的沉降超過0.5 mm,或者連接處的沉降超過1.0 mm,就需要進行凍結壁融沉補償注漿。如果發現連接處的沉降超過2.0 mm,就需要暫停注漿。融沉補償注漿的方法是:少量、分次、平穩。

1)注漿壓力:融沉補償注漿漿料的組成由水泥-水玻璃雙液漿組成,而水玻璃溶液則是由1倍～2倍的水量組成,兩者的體積比分別是水泥漿、水玻璃、水灰、水等,這樣的混合物可有效地提高注漿的效果,從而達到融沉補償的目的。在0.5 MPa以下的壓力下,應將注漿覆蓋到所有的凝固區域。

2)注漿量:將注漿流量調節至10 L/min～15 L/min,并將注漿壓力提高至0.5 MPa,使其達到最佳效果。融沉注漿的總量應該約占凍結體積的20%,但是應該考慮到隧道及其周圍環境的變形情況,因此,應該適當增加注漿的數量,使其達到最佳效果。

3 施工監測

在進行聯絡通道的注漿和支撐建設時,我們需要特別關心地面沉陷和其他可能影響項目安全和環境的因素。通過對監測結果的分析,我們應該采取有效措施,不斷完善施工方法、工藝和參數,以盡可能降低地層變形。

3.1 凍結系統監測內容及方法

3.1.1 凍結孔施工監測內容及方法

在進行凍結孔施工時,應當對以下幾個方面進行監控:1)鉆孔的深度;2)凍結管的直徑;3)凍結管的偏斜程度;4)凍結器的密實程度;5)輸送管的安裝距離。

凍結孔施工監測方法:

1)鉆孔長度、凍結管長度和供液管長度用鋼卷尺直接測量,所有孔全部測量。

2)水平凍結孔偏斜的監測使用經緯儀結合燈光進行,所有孔全部測量。

3)凍結器密封性能的監測采用管內注水、試壓泵加壓的方法試漏,所有孔全部測量。

3.1.2 凍結系統監測內容及方法

凍結系統監測的內容:1)凍結器去/回路鹽水溫度;2)冷卻循環水進/出水溫度;3)冷凍機吸/排氣溫度;4)清水泵/鹽水泵工作壓力;5)冷凍機吸/排氣壓力。

凍結系統監測方法:

1)制冷系統和鹽水系統的工作壓力,直接通過系統上安裝的壓力表量測,每2 h～3 h一次。

2)制冷系統和鹽水系統的溫度通過安裝的溫度計直接讀取,每2 h～3 h一次。凍土溫度用測溫儀通過測溫孔內的測溫線量測,每1 d一次,并上報監理。

3)凍土壓力通過泄壓孔上的壓力表直接讀取,每1 d一次,并上報監理。

3.1.3 凍結帷幕監測內容及方法

監測的內容包括:1)測量凍結物的溫度變化;2)檢查在開挖后的表面溫度;3)檢查暴露在冰層下的時間內的表面位移。

凍結帷幕監測方法:

1)凍結帷幕溫度監測,在測溫孔內安裝康銅線熱電偶,使用測溫儀進行量測。

2)凍結帷幕幫壁溫度使用高精度點溫計或用精密水銀溫度計測量,監測頻率每天1次～3次,當遇工作面溫度過高等不利情況時,每2 h一次。

3)凍結帷幕表面位移監測,在開挖面安裝測點,用收斂儀測量。每天一次,當遇工作面溫度過高等不利情況時,每2 h一次[10]。

3.2 測點布設及監測預警

聯絡通道施工時根據現場實際情況合理進行監測點布設,并滿足監測要求。通道斷面測點布設示意圖如圖3所示。

1)地面沉降量控制在15 mm內,地面隆起控制值在5 mm以內,最大位移速率控制在2 mm/d,路面差異沉降值不大于4.5 mm/3 m。

2)對于供電400 mm×100 mm銅管變形控制要求:沉降量不大于20 mm,斜率不大于0.005,最大沉降速率不大于2 mm/d。

3)對于污水HDPE600和1根雨水1 600 mm×1 200 mm混凝土管變形控制要求:沉降量不大于10 mm,斜率不大于0.002,最大沉降速率不大于2 mm/d。

4 結論與展望

本文針對濟南地鐵在濟南城市軌道交通3號線二期工程川流站—向陽站區間的聯接部分,針對隧道內利用水平孔和部分傾斜孔凍結加固地層,使聯絡通道及泵房外圍土體凍結,形成強度高、封閉性好的凍結帷幕。具體提出了凍結加固和開挖施工以及注漿和施工過程中的融沉控制方案。并且提出了凍結孔、凍結系統和帷幕的系統監測方案,同時在凍結法實施過程中,需注意以下幾點:

1)施工時應對影響工程的地下管線進行避讓或遷移,對施工場地附近的地下障礙物及地下管線進行仔細查驗,采取安全措施,做好相關管線保護工作。

2)凍結法施工是一個相對動態的作業過程,對盾構隧道和周圍環境的影響不可避免,全面、及時、準確的監測,對保障工程和環境的安全穩定意義重大。