富水砂層交疊聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)設(shè)計(jì)方案研究

石立民, 葉玉西, 杜有超, 董世卓

(1. 中交第一航務(wù)工程局有限公司, 天津 300450; 2. 北京中煤礦山工程有限公司, 北京 100013; 3. 礦山深井建設(shè)技術(shù)國家工程研究中心, 北京 100013)

0 引言

由于人工凍結(jié)法具有加固土體強(qiáng)度高、封水效果好、結(jié)構(gòu)形式靈活等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為富水軟土地層地鐵聯(lián)絡(luò)通道[1-2]、端頭井[3-4]加固施工的主要工法之一。隨著城市地下空間的拓展,較大體量、大斷面、非常規(guī)的通道、隧道、換乘通道,甚至地下車站等地下工程開始采用凍結(jié)法施工[5-6]。聯(lián)絡(luò)通道是2條地鐵區(qū)間隧道之間按照一定距離設(shè)置的緊急疏散通道,通常還具有匯集排水、防火功能。常規(guī)地鐵聯(lián)絡(luò)通道、端頭井凍結(jié)工程,凍結(jié)體量通常較小,凍結(jié)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。王書磊等[7]從設(shè)計(jì)角度,對(duì)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固專項(xiàng)設(shè)計(jì)中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析并提出管控措施。楊超等[8]對(duì)上海長(zhǎng)江隧道常規(guī)聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),分析凍結(jié)溫度場(chǎng)演化規(guī)律,并以凍結(jié)效率為考察指標(biāo),對(duì)凍結(jié)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。

對(duì)于非常規(guī)聯(lián)絡(luò)通道的研究,目前主要集中在距離長(zhǎng)、地層條件差及位置特殊等方面。王書磊等[9]系統(tǒng)介紹了復(fù)雜工況條件下超長(zhǎng)聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)與施工中的關(guān)鍵技術(shù);朱澤萱等[10]對(duì)66 m 超長(zhǎng)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)設(shè)計(jì)和施工遇到的系列技術(shù)難題進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)采用雙集水井結(jié)構(gòu)、減小聯(lián)絡(luò)通道尺寸等優(yōu)化措施;宋杰[11]介紹了停機(jī)坪下富水卵礫石地層聯(lián)絡(luò)通道施工技術(shù)措施;張明等[12]基于富水卵石地層聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法設(shè)計(jì)和施工的工程實(shí)踐,提出了大流速、強(qiáng)透水砂卵石地層凍結(jié)施工保障措施;胡雙平等[13]對(duì)富水卵礫石地層凍結(jié)壁的受力狀態(tài)進(jìn)行研究,得到以強(qiáng)度控制標(biāo)準(zhǔn)為前提條件的地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁厚度設(shè)計(jì)計(jì)算公式。

對(duì)異型聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)的相關(guān)研究中,黃浩斌[14]、王超[15]以武漢市軌道交通7號(hào)線香港路站—三陽路站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道為例,基于單一凍結(jié)方案,研究了錯(cuò)落區(qū)間通過上下疏散平臺(tái)與斜向通道連接的結(jié)構(gòu)形式下,異型聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場(chǎng)分布規(guī)律及施工過程中隧道、聯(lián)絡(luò)通道、凍結(jié)壁的受力變形規(guī)律。馬俊[16]以常州地鐵1號(hào)線翠竹站—常州火車站區(qū)間平面斜交聯(lián)絡(luò)通道為例,研究了在水平面內(nèi)傾斜31.2°的聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律及凍脹引起的地表位移變化規(guī)律,并采用數(shù)值模擬方法對(duì)該工程凍結(jié)溫度分布規(guī)律、開挖應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究。

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展,大量的地鐵區(qū)間隧道在城市核心區(qū)域建設(shè)。軌道交通線路選擇過程,不可避免地與既有建構(gòu)筑物基礎(chǔ)發(fā)生沖突,使得平行的雙線隧道變成上下疊落區(qū)間。疊落區(qū)間交疊聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)形式與水平區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)形式差異較大,采用凍結(jié)法施工時(shí),其凍結(jié)孔布置、凍結(jié)壁形式、凍結(jié)工序銜接均與常規(guī)不同。

本文依托哈爾濱地鐵3號(hào)線2期工程河山街站—河松街站疊落區(qū)間交疊聯(lián)絡(luò)通道工程,結(jié)合地勘資料、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件,依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣土體的低溫物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)凍結(jié)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)研究,得到滿足施工安全高效且經(jīng)濟(jì)合理的交疊聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)設(shè)計(jì)方案。

1 依托工程背景

哈爾濱市軌道交通3號(hào)線2期工程河山街站—河松街站區(qū)間(河河區(qū)間),部分隧道沿高架橋走向布置,自河山街站的雙線平行區(qū)間,至河松街站變?yōu)橥耆B落區(qū)間,疊落長(zhǎng)度為405.256 m,豎向距離為2.1～6.1 m。在區(qū)間內(nèi)設(shè)置1處外掛聯(lián)絡(luò)通道兼泵房,由2條水平交疊通道及垂直豎井聯(lián)絡(luò)通道組成(以下簡(jiǎn)稱交疊聯(lián)絡(luò)通道)。水平通道長(zhǎng)度為13.53 m,上層水平通道頂覆土厚度約為16.3 m,下層水平通道頂覆土厚度約為27 m,結(jié)構(gòu)底板埋深34.256 m;通道寬度為4.2 m,豎井段寬度為6.7 m,高度為18.68 m。豎井段設(shè)置外徑900 mm、壁厚20 mm出地面的新風(fēng)井。經(jīng)多次論證,交疊聯(lián)絡(luò)通道采用凍結(jié)法加固、暗挖構(gòu)筑施工。交疊聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 交疊聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)形式(單位: m)

交疊聯(lián)絡(luò)通道距離松花江僅1.5 km,所處地層地下水位受季節(jié)影響,最淺水位約為2 m,聯(lián)絡(luò)通道主要處于飽和砂層中,聯(lián)絡(luò)通道地層情況見圖1。

交疊聯(lián)絡(luò)通道位于前進(jìn)路與鋼鐵街交叉口的三角空地內(nèi),正上方有φ200 mm鑄鐵給水管、φ150 mm銅供電管和300 mm×150 mm銅供電管、φ800 mm混凝土污水管;通道距離錦江綠色家園15#樓約8.79 m,該建筑為框架剪力墻結(jié)構(gòu),1層地下室深3.8 m,振動(dòng)灌注樁基礎(chǔ),樁長(zhǎng)11.5～18.6 m。周邊環(huán)境與工程相互影響大,破壞后果嚴(yán)重。

2 設(shè)計(jì)方案研究

2.1 凍結(jié)壁厚度設(shè)計(jì)

在沒有進(jìn)行凍土物理力學(xué)試驗(yàn)情況下,凍結(jié)設(shè)計(jì)通常取-10 ℃條件下凍土單軸抗壓強(qiáng)度不小于4.0 MPa,彎折強(qiáng)度不小于1.8 MPa,抗剪強(qiáng)度不小于1.5 MPa。本次凍結(jié)設(shè)計(jì)之前,自施工現(xiàn)場(chǎng)取土,送至礦山深井建設(shè)技術(shù)國家工程研究中心凍土實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土體低溫物理力學(xué)試驗(yàn),得到-10 ℃情況下各土層低溫狀況下的力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果,見表1。根據(jù)凍土低溫力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合類似設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),凍結(jié)設(shè)計(jì)取凍土力學(xué)試驗(yàn)偏于安全的-10 ℃凍土強(qiáng)度指標(biāo),具體為: 單軸抗壓強(qiáng)度3.53 MPa,抗折強(qiáng)度2.03 MPa,三軸抗剪強(qiáng)度1.51 MPa。

表1 交疊聯(lián)絡(luò)通道層位凍土低溫力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

凍土壁承載力驗(yàn)算采用許用應(yīng)力法,通道頂部及側(cè)墻凍結(jié)帷幕厚度為3.0 m,集水井底部?jī)鼋Y(jié)壁厚度為4.0 m,平均溫度為-10 ℃,強(qiáng)度檢驗(yàn)安全系數(shù)取:抗壓強(qiáng)度2.0,抗折強(qiáng)度3.0,抗剪強(qiáng)度2.0。采用有限元軟件計(jì)算,計(jì)算模型見圖2。按照最不利工況進(jìn)行計(jì)算,凍土帷幕頂部荷載按靜止土壓力計(jì)算,靜止側(cè)壓力系數(shù)取0.49,平均重度取20.0 kN/m3,考慮聯(lián)絡(luò)通道上方地面環(huán)境,頂部超載取為 20 kPa。計(jì)算結(jié)果顯示,凍結(jié)壁強(qiáng)度和位移均符合規(guī)范,能夠滿足施工要求,計(jì)算結(jié)果見圖3和表2。

圖2 聯(lián)絡(luò)通道三維計(jì)算模型

(a) 最大主應(yīng)力

(b) 剪應(yīng)力

表2 凍土帷幕應(yīng)力、位移計(jì)算值及安全系數(shù)

2.2 凍結(jié)孔設(shè)計(jì)

根據(jù)交疊聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)形式,采用“地面垂直+洞內(nèi)水平凍結(jié)”加固方式設(shè)計(jì)。交疊聯(lián)絡(luò)通道頂部、底板及兩側(cè)采用洞內(nèi)水平孔形成凍結(jié)帷幕包裹,頂部風(fēng)井管后端及豎井封端采用垂直孔凍結(jié),凍結(jié)孔布置見圖4和圖5。圖中D1—D38為側(cè)墻凍結(jié)孔,ZA1—ZA3、ZB1—ZB22為地面垂直凍結(jié)孔。

2.3 泄壓孔及測(cè)溫孔設(shè)計(jì)

由于凍結(jié)壁距離最近的建筑物僅有4.56 m,為避免施工過程中的凍脹對(duì)建筑物造成過大影響,在上下通道鋼管片開口環(huán)各布置泄壓孔4個(gè),分別為SX1—SX4,見圖4;在地面布置垂直泄壓孔6個(gè),分別為X1—X6,見圖5。施工過程中確認(rèn)凍結(jié)壁交圈之后洞內(nèi)泄壓孔應(yīng)及時(shí)進(jìn)行泄壓,避免凍脹力影響隧道安全。

(a) 凍結(jié)孔布置剖面

(b) 凍結(jié)孔開孔位置

圖5 上通道凍結(jié)孔布置平面圖

為了判斷凍結(jié)壁發(fā)展?fàn)顟B(tài),在地面布置2個(gè)測(cè)溫孔、上下通道各布置8個(gè)測(cè)溫孔,孔內(nèi)根據(jù)需要每1.5～2 m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)。為了確保風(fēng)井位置凍結(jié)帷幕完整,在風(fēng)井后側(cè)布置3個(gè)加強(qiáng)孔,深度與風(fēng)井管等長(zhǎng)。

2.4 主要凍結(jié)參數(shù)要求

地層主要凍結(jié)參數(shù)和指標(biāo)有:

1)垂直凍結(jié)管采用φ108 mm×5 mm、水平凍結(jié)管采用φ89 mm×8 mm的20#低碳無縫鋼管;共設(shè)計(jì)垂直凍結(jié)孔25個(gè),總長(zhǎng)度為920.75 m;水平凍結(jié)孔229個(gè),總長(zhǎng)度為2 895.96 m。

2)垂直凍結(jié)孔主要采用雙供液管方式,聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)上部3 m以上范圍采用局部?jī)鼋Y(jié)方法。

3)設(shè)計(jì)積極凍結(jié)時(shí)間為50 d左右,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況確定。

4)凍結(jié)7 d鹽水溫度達(dá)-18 ℃以下,凍結(jié)15 d鹽水溫度降至-24 ℃以下,最低鹽水溫度為-28～-30 ℃。

5)凍結(jié)孔單孔流量不小于5 m3/h。

6)增加隧道支撐數(shù)量,數(shù)量由普通聯(lián)絡(luò)通道的總計(jì)4榀增加至12榀,在洞門開口環(huán)兩側(cè)各安裝隧道支撐3榀。

7)在上下通道與隧道連接處均設(shè)置變形縫,減少聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的差異沉降對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響。

8)鄰近建筑物位置設(shè)計(jì)6個(gè)地面垂直泄壓孔,用以釋放凍脹力,減少對(duì)相鄰建筑物的影響。

9)為了避免大體量?jī)鼋Y(jié)同時(shí)開機(jī)制冷產(chǎn)生較大凍脹,上下通道分期分區(qū)凍結(jié),下通道首先開機(jī)凍結(jié),上通道滯后25 d開機(jī)。

3 凍結(jié)施工情況

交疊聯(lián)絡(luò)通道下通道自2022年11月19日開機(jī)凍結(jié),下通道泄壓孔初始?jí)毫?.25～0.26 MPa,至2022年12月12日泄壓孔開始漲壓,3#泄壓孔最高漲至0.438 MPa后開始泄壓,見圖6;上通道泄壓孔初始?jí)毫?.14～0.16 MPa,2023年1月1日泄壓孔開始漲壓,壓力最高漲至0.455 MPa后開始泄壓,泄壓后泄壓孔壓力快速上漲,說明凍結(jié)壁交圈良好。

圖6 下通道泄壓孔壓力變化曲線

下通道開挖條件驗(yàn)收后開始拉管片,開挖過程中開挖面凍結(jié)效果良好。至2023年6月6日,交疊聯(lián)絡(luò)通道主體結(jié)構(gòu)施工完成,開挖構(gòu)筑施工期間凍結(jié)壁土體穩(wěn)定,凍結(jié)效果滿足設(shè)計(jì)要求。

項(xiàng)目?jī)鼋Y(jié)施工期間持續(xù)對(duì)地表、周邊建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖7。圖中,圓點(diǎn)為建筑物變形監(jiān)測(cè)點(diǎn),三角形點(diǎn)為地表變形測(cè)點(diǎn),部分地表測(cè)點(diǎn)垂直位移變化見圖8。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,凍結(jié)期間地表最大凍脹量為8.59 mm,凍脹量可控。

圖7 地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖(單位: m)

圖8 部分地表測(cè)點(diǎn)垂直位移變化曲線

4 結(jié)論與建議

以哈爾濱地鐵3號(hào)線2期河山街站—河松街站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道為例,研究得到了適用于交疊聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)設(shè)計(jì)方案。依據(jù)該設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了交疊聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)安全、施工高效的目的,確保了開挖構(gòu)筑安全。

4.1 結(jié)論

1)根據(jù)對(duì)應(yīng)土樣低溫物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算,通道頂部及側(cè)墻凍結(jié)帷幕厚度為3.0 m,集水井底部?jī)鼋Y(jié)壁厚度為4.0 m,平均溫度為-10 ℃,能夠滿足施工要求。

2)采用“地面垂直+洞內(nèi)水平凍結(jié)”方式,即洞內(nèi)水平凍結(jié)包裹交疊聯(lián)絡(luò)通道上下及左右,垂直孔進(jìn)行豎井段凍結(jié)壁封底,凍土進(jìn)開挖荒徑少,凍土鑿除工作量小,開挖效率高,工期進(jìn)度可控,經(jīng)濟(jì)性好。

3)方案實(shí)施結(jié)果顯示,通過分區(qū)分期凍結(jié)、垂直凍結(jié)孔局部?jī)鼋Y(jié),地面設(shè)置垂直泄壓孔并配合洞內(nèi)水平泄壓孔及時(shí)泄壓,施工期間地表最大凍脹量為8.59 mm,有效控制了凍脹對(duì)地面建筑物的影響。

4)通過增加隧道支撐數(shù)量,結(jié)合洞內(nèi)及時(shí)泄壓,凍結(jié)及開挖構(gòu)筑期間隧道結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定安全狀態(tài)。

5)由于交疊聯(lián)絡(luò)通道項(xiàng)目開挖體量大、工期長(zhǎng),采用分期分區(qū)凍結(jié)方式有利于控制凍結(jié)壁發(fā)展過大。河河區(qū)間交疊聯(lián)絡(luò)通道上通道滯后下通道25 d開機(jī),下通道施工完成后,上通道凍結(jié)效果滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 建議

1)交疊聯(lián)絡(luò)通道上下通道通過豎井連通,對(duì)于首例全暗挖垂直聯(lián)絡(luò)通道,偏于安全考慮,凍結(jié)壁設(shè)計(jì)中未考慮上下通道凍結(jié)壁厚度差異,下一步可在監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行上通道凍結(jié)壁厚度優(yōu)化。

2)疊落區(qū)間交疊聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)體量大,上通道凍結(jié)延后下通道一段時(shí)間凍結(jié),延長(zhǎng)時(shí)間可根據(jù)下通道開挖構(gòu)筑時(shí)間、上通道凍結(jié)孔成孔間距等綜合確定。本文未對(duì)上下通道開機(jī)間歇時(shí)間進(jìn)行研究,下一步可進(jìn)行深入研究,以指導(dǎo)類似工程施工。同時(shí),凍結(jié)帷幕壁融沉效應(yīng)亦是大體量?jī)鼋Y(jié)項(xiàng)目的控制重點(diǎn),后期可對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)融化規(guī)律,融沉對(duì)周邊環(huán)境、隧道結(jié)構(gòu)的影響及控制措施進(jìn)行進(jìn)一步研究。