天津地鐵1號線下瓦房—白樓旁通道凍結(jié)帷幕的設(shè)計與施工重點分析摘 要:從煤礦建井施工法到公共建筑施工方法互相采用是目前各不同行業(yè)間施工技術(shù)相互滲透、相互影響的結(jié)果。文章針對地鐵工程中聯(lián)絡(luò)通道采用凍結(jié)施工法進行施工給予了從設(shè)計到施工重點的細致論述,探討了適合北方地鐵凍結(jié)施工的工法?！￡P(guān)鍵詞:凍結(jié)施工法;聯(lián)絡(luò)通道;隧道;帷幕 天津地鐵1號線工程下瓦房-小白樓聯(lián)絡(luò)通道施工,是天津市在地鐵盾構(gòu)區(qū)間首次采用的凍結(jié)施工法,雖然該方法在煤礦中廣泛應用,但在北方地鐵,特別是天津地鐵還是首次。由于該方法施工成本較低,質(zhì)量易于保證,因此,將其成熟的支護、開挖技術(shù)應用到北方地鐵是極其重要的。做為凍結(jié)法中關(guān)鍵工序及控制點:凍結(jié)帷幕的質(zhì)量關(guān)系到整個工程的質(zhì)量與安全,筆者將已完成的下瓦房-白樓聯(lián)絡(luò)通道有關(guān)凍結(jié)帷幕的設(shè)計和施工的重點進行分析,共同探討適合北方地鐵凍結(jié)施工的工法。1工程概況 該聯(lián)絡(luò)通道工程位于天津市河西區(qū)下瓦房-小白樓區(qū)間隧道的中部,即ＤＫ16+400.000ｍ處,通道為直墻圓弧拱結(jié)構(gòu),集水井為矩形結(jié)構(gòu),通道和集水井均采用兩次襯砌,結(jié)構(gòu)襯為鋼筋混凝土,結(jié)構(gòu)底部埋深約22ｍ,設(shè)計加固地層體積約為2100ｍ3,采用凍結(jié)法支護、開挖。 聯(lián)絡(luò)通道由與左、右線隧道正交的水平通道及通道中部的集水井組成(見圖1)。
工程地質(zhì)條件:聯(lián)絡(luò)通道位置地面標高為+2.2ｍ左右,隧道上覆土層厚14.6ｍ。聯(lián)絡(luò)通道施工范圍內(nèi)土層主要為第四系全新統(tǒng)中組相層粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和第四系上更新統(tǒng)三組相層粉質(zhì)粘土,其土層土質(zhì)松軟、結(jié)構(gòu)松散、孔隙比大、含水豐富、承載力低、容易壓縮和在動力作用下易流變,開挖后天然土體本身難以自穩(wěn)。因此,在該地層內(nèi)開挖構(gòu)筑聯(lián)絡(luò)通道前,凍結(jié)帷幕的質(zhì)量尤為重要。2 凍結(jié)帷幕方案設(shè)計2.1 凍結(jié)帷幕方案設(shè)計 凍結(jié)帷幕方案設(shè)計的基本原則是:①凍結(jié)帷幕方案設(shè)計必須滿足聯(lián)絡(luò)通道施工的安全和質(zhì)量要求,即保證凍土帷幕有足夠的強度,凍結(jié)帷幕水平孔(斜孔)布設(shè)合理,滿足施工及規(guī)范要求,在設(shè)計中應重點考慮聯(lián)絡(luò)通道頂部薄弱部位。②凍結(jié)帷幕水平孔(斜孔)凍結(jié)方案應結(jié)合現(xiàn)場實際情況,便于隧道開挖和支護,施工安全、可靠,施工費用低,施工工期短。③設(shè)計應考慮對凍脹、融沉的防范措施。2.2 凍結(jié)帷幕厚度設(shè)計 根據(jù)在部分地鐵工程聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工經(jīng)驗計算式:ｔ=Ａｌｎ(ｒ/Ｅ)式中?。颉嬎泓c到凍結(jié)管距離,ｍ; Ｅ———凍結(jié)帷幕外側(cè)厚度,ｍ; Ａ———經(jīng)驗參數(shù),?。?19 69; Ｔ———計算點凍結(jié)帷幕溫度,℃。凍結(jié)帷幕內(nèi)側(cè)厚度Ｅ′=1 .4Ｅ,凍結(jié)帷幕平均厚度1. 4ｍ。 由于聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)復雜,土層條件差,考慮到工程的安全及質(zhì)量等,對凍土帷幕采用有限元分析軟件ＡＮＳＹＳ進行了應力場分布和位移場分布情況的三維有限元數(shù)值分析,并根據(jù)計算結(jié)果進行了強度驗算,確定設(shè)計凍土帷幕厚度為:嗽叭口1.6ｍ,聯(lián)絡(luò)通道1.4ｍ,集水井1. 2ｍ。2.3凍結(jié)帷幕交圈計算 凍結(jié)前,同一深度的地層具有相同的原始溫度,凍結(jié)開始后,通過凍結(jié)管把冷量傳給地層,在凍結(jié)管周圍產(chǎn)生降溫區(qū),形成以凍結(jié)管為中心的凍結(jié)圓柱,并逐漸到相鄰的凍結(jié)圓柱連接形成封閉的凍結(jié)圓筒,形成冷凍結(jié)層,即為凍結(jié)帷幕交圈。 凍結(jié)帷幕交圈時間主要與凍結(jié)孔間距、鹽水溫度、土層性質(zhì)、凍結(jié)管直徑、地層原始溫度、以及凍結(jié)器環(huán)形空間內(nèi)鹽水運動狀態(tài)等因素有關(guān)。凍結(jié)帷幕交圈時間計算公式為:2 .5 凍結(jié)孔布置及制冷設(shè)計2 .5 .1 凍結(jié)孔的布置 根據(jù)凍結(jié)帷幕設(shè)計及聯(lián)絡(luò)通道的結(jié)構(gòu),凍結(jié)孔沿通道四周布置,按上仰、近水平、下俯三種角度布置。凍結(jié)孔采用上下各三排,左右各一排布置,凍結(jié)孔共設(shè)77個,開孔間距為0 .5～1 .2ｍ,利用水平孔和部分傾斜孔凍結(jié)加固地層,使聯(lián)絡(luò)通道及集水井外圍土體凍結(jié),形成強度高,封閉性好的凍土帷幕。 在現(xiàn)場實際操作中,可根據(jù)鉆機情況、管片配筋情況和聯(lián)絡(luò)通道擬開管片的實際位置等,對鉆孔孔位作少量調(diào)整,但最大間距不得大于1 .0ｍ。2 .5 .2 制冷設(shè)計2. 5. 2. 1 凍結(jié)參數(shù)確定 1)設(shè)計鹽水溫度為-28～-30℃。 2)積極凍結(jié)時間為30ｄ,維護凍結(jié)時間為35ｄ。 3)測溫孔和卸壓孔分別為8個和4個。 4)凍結(jié)管總長度為785ｍ。2 .5 .2. 2 需冷量和冷凍機選取型凍結(jié)需冷量:Ｑ=1 2·ｄ·Ｈ·Ｋ式中?。取獌鼋Y(jié)總長度,ｍ; ｄ———凍線管直徑,ｍ;?。恕獌鼋Y(jié)管散熱系數(shù),ｋｃａｌ/ｍ2·ｈ。 將上述參數(shù)代入公式得Ｑ=65813ｋｃａｌ/ｈ,考慮到其它因素設(shè)計工況制冷量為87500ｋｃａｌ/ｈ。3方案設(shè)計、施工技術(shù)要點分析及措施 凍結(jié)帷幕設(shè)計及施工過程有方案設(shè)計、施工準備、冷凍系統(tǒng)安裝等工序組成,見圖2。 由于該聯(lián)絡(luò)通道位于鬧市區(qū)地下,地面有天津圖書大廈、建行大廈等重要建筑設(shè)施,且所處地層主要為粉質(zhì)粘土,含水量高,因此,在地層凍結(jié)施工中必須采取切實可靠的技術(shù)措施,以確保聯(lián)絡(luò)通道施工和地面建、構(gòu)筑物和交通安全。根據(jù)地鐵聯(lián)絡(luò)通道的施工經(jīng)驗與教訓,我們在設(shè)計及凍結(jié)施工過程中對以下方面進行了分析和控制:3.1凍土帷幕強度問題 凍土帷幕的關(guān)鍵點在其拱部,在聯(lián)絡(luò)通道頂部設(shè)三排凍結(jié)孔,以加大凍土帷幕拱部厚度,并使聯(lián)絡(luò)通道頂部的一排凍結(jié)孔穿越對面隧道頂部管片,確保凍土帷幕拱部與隧道管片間的有足夠大的接觸面積;為了確保凍土帷幕強度和穩(wěn)定性,在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計時,選擇比較安全的平面彈性計算模型,適當加大安全系數(shù),并用三維有限單元計算進行校核,在工藝設(shè)計時,取較大的備用系數(shù),即實際加固范圍要比結(jié)構(gòu)設(shè)計大。3.2凍土帷幕與隧道管片間的密封 根據(jù)地鐵聯(lián)絡(luò)通道和隧道出洞地層凍結(jié)施工經(jīng)驗,由于混凝土和鋼管片相對于土層要容易散熱得多,會嚴重影響隧道管片附近土層的凍結(jié)速度和凍結(jié)強度,從而影響凍土帷幕的整體穩(wěn)定性和封水性。為此,設(shè)計及施工過程中,采用在對面隧道管片內(nèi)側(cè)敷設(shè)冷管和保溫層等措施,以確保凍土帷幕不存在影響安全的薄弱環(huán)節(jié)。3.3凍結(jié)孔施工安全與孔口密封 用金剛石取芯鉆開孔,跟管鉆進法下凍結(jié)管。凍結(jié)孔開孔前,在布孔范圍內(nèi)打若干小口徑鉆孔,探測地層穩(wěn)定情況。如發(fā)現(xiàn)砂層,先進行水泥-水玻璃雙液壁后注漿,以提高孔口附近地層的穩(wěn)定性,然后再鉆進凍結(jié)孔。凍結(jié)施工結(jié)束后,孔口管管口焊上鋼板,以免工程結(jié)束后鉆孔孔口漏水。3.4凍結(jié)過程檢測與控制 在凍土帷幕內(nèi)布置測溫孔和壓力釋放與觀測孔,以便正確測定凍土帷幕厚度和判斷凍土帷幕是否交圈。對側(cè)隧道管片附近土層的凍結(jié)情況將成為控制整個凍土帷幕安全的關(guān)鍵,為此,在對側(cè)隧道管片上沿凍土帷幕四周安裝測溫孔,以全面監(jiān)測凍土帷幕的形成過程,當泄壓孔波動較大,凍結(jié)溫度停止在某個區(qū)域范圍內(nèi),應加強檢測,以確定帷幕是否交圈。凍結(jié)孔施工質(zhì)量的檢驗與控制方法見表1,凍結(jié)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)與凍土墻壁形成質(zhì)量檢驗方法見表2。3.5地層凍脹的控制和土層融沉補償控制 在凍結(jié)帷幕內(nèi)設(shè)泄壓孔,凍結(jié)開始后根據(jù)檢測數(shù)據(jù)進行泄壓以減小土層凍脹及其對隧道的影響,保證聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量,并在聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)中預埋注漿管,利用隧道或聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)的注漿孔跟蹤注漿加以補強,以補償土層融沉,控制地表變形,防止凍脹和融沉對隧道及地面的影響。3.6通道開挖工程中的凍土帷幕安全監(jiān)控 由于凍土的蠕變性很好,凍土帷幕在破壞前必然有一個較大的蠕變過程,可以通過檢查開挖過程中的凍土帷幕變形情況判斷其安全性。為此,在開挖過程中必須及時進行凍土帷幕變形和溫度觀測,如遇凍土帷幕有明顯變形,立即用鋼支架背板支撐,調(diào)整開挖構(gòu)筑工藝,并同時加強凍結(jié),或在薄弱處凍土帷幕表面,噴灑低溫氮氣。4 結(jié) 語 小白樓站～下瓦房站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道工程自2004年8月11日實施凍結(jié),9月6日左右凍結(jié)帷幕交圈,形成凍結(jié)帷幕,9月20日達到凍結(jié)帷幕設(shè)計厚度,由于嚴格按照方案進行施工,并加強了以上各點的控制,從現(xiàn)場開挖看,凍結(jié)帷幕凍結(jié)均勻,凍結(jié)質(zhì)地堅硬,各項指標與設(shè)計基本相符,達到設(shè)計等控制目標。
工程地質(zhì)條件:聯(lián)絡(luò)通道位置地面標高為+2.2ｍ左右,隧道上覆土層厚14.6ｍ。聯(lián)絡(luò)通道施工范圍內(nèi)土層主要為第四系全新統(tǒng)中組相層粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和第四系上更新統(tǒng)三組相層粉質(zhì)粘土,其土層土質(zhì)松軟、結(jié)構(gòu)松散、孔隙比大、含水豐富、承載力低、容易壓縮和在動力作用下易流變,開挖后天然土體本身難以自穩(wěn)。因此,在該地層內(nèi)開挖構(gòu)筑聯(lián)絡(luò)通道前,凍結(jié)帷幕的質(zhì)量尤為重要。2 凍結(jié)帷幕方案設(shè)計2.1 凍結(jié)帷幕方案設(shè)計 凍結(jié)帷幕方案設(shè)計的基本原則是:①凍結(jié)帷幕方案設(shè)計必須滿足聯(lián)絡(luò)通道施工的安全和質(zhì)量要求,即保證凍土帷幕有足夠的強度,凍結(jié)帷幕水平孔(斜孔)布設(shè)合理,滿足施工及規(guī)范要求,在設(shè)計中應重點考慮聯(lián)絡(luò)通道頂部薄弱部位。②凍結(jié)帷幕水平孔(斜孔)凍結(jié)方案應結(jié)合現(xiàn)場實際情況,便于隧道開挖和支護,施工安全、可靠,施工費用低,施工工期短。③設(shè)計應考慮對凍脹、融沉的防范措施。2.2 凍結(jié)帷幕厚度設(shè)計 根據(jù)在部分地鐵工程聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工經(jīng)驗計算式:ｔ=Ａｌｎ(ｒ/Ｅ)式中?。颉嬎泓c到凍結(jié)管距離,ｍ; Ｅ———凍結(jié)帷幕外側(cè)厚度,ｍ; Ａ———經(jīng)驗參數(shù),?。?19 69; Ｔ———計算點凍結(jié)帷幕溫度,℃。凍結(jié)帷幕內(nèi)側(cè)厚度Ｅ′=1 .4Ｅ,凍結(jié)帷幕平均厚度1. 4ｍ。 由于聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)復雜,土層條件差,考慮到工程的安全及質(zhì)量等,對凍土帷幕采用有限元分析軟件ＡＮＳＹＳ進行了應力場分布和位移場分布情況的三維有限元數(shù)值分析,并根據(jù)計算結(jié)果進行了強度驗算,確定設(shè)計凍土帷幕厚度為:嗽叭口1.6ｍ,聯(lián)絡(luò)通道1.4ｍ,集水井1. 2ｍ。2.3凍結(jié)帷幕交圈計算 凍結(jié)前,同一深度的地層具有相同的原始溫度,凍結(jié)開始后,通過凍結(jié)管把冷量傳給地層,在凍結(jié)管周圍產(chǎn)生降溫區(qū),形成以凍結(jié)管為中心的凍結(jié)圓柱,并逐漸到相鄰的凍結(jié)圓柱連接形成封閉的凍結(jié)圓筒,形成冷凍結(jié)層,即為凍結(jié)帷幕交圈。 凍結(jié)帷幕交圈時間主要與凍結(jié)孔間距、鹽水溫度、土層性質(zhì)、凍結(jié)管直徑、地層原始溫度、以及凍結(jié)器環(huán)形空間內(nèi)鹽水運動狀態(tài)等因素有關(guān)。凍結(jié)帷幕交圈時間計算公式為:2 .5 凍結(jié)孔布置及制冷設(shè)計2 .5 .1 凍結(jié)孔的布置 根據(jù)凍結(jié)帷幕設(shè)計及聯(lián)絡(luò)通道的結(jié)構(gòu),凍結(jié)孔沿通道四周布置,按上仰、近水平、下俯三種角度布置。凍結(jié)孔采用上下各三排,左右各一排布置,凍結(jié)孔共設(shè)77個,開孔間距為0 .5～1 .2ｍ,利用水平孔和部分傾斜孔凍結(jié)加固地層,使聯(lián)絡(luò)通道及集水井外圍土體凍結(jié),形成強度高,封閉性好的凍土帷幕。 在現(xiàn)場實際操作中,可根據(jù)鉆機情況、管片配筋情況和聯(lián)絡(luò)通道擬開管片的實際位置等,對鉆孔孔位作少量調(diào)整,但最大間距不得大于1 .0ｍ。2 .5 .2 制冷設(shè)計2. 5. 2. 1 凍結(jié)參數(shù)確定 1)設(shè)計鹽水溫度為-28～-30℃。 2)積極凍結(jié)時間為30ｄ,維護凍結(jié)時間為35ｄ。 3)測溫孔和卸壓孔分別為8個和4個。 4)凍結(jié)管總長度為785ｍ。2 .5 .2. 2 需冷量和冷凍機選取型凍結(jié)需冷量:Ｑ=1 2·ｄ·Ｈ·Ｋ式中?。取獌鼋Y(jié)總長度,ｍ; ｄ———凍線管直徑,ｍ;?。恕獌鼋Y(jié)管散熱系數(shù),ｋｃａｌ/ｍ2·ｈ。 將上述參數(shù)代入公式得Ｑ=65813ｋｃａｌ/ｈ,考慮到其它因素設(shè)計工況制冷量為87500ｋｃａｌ/ｈ。3方案設(shè)計、施工技術(shù)要點分析及措施 凍結(jié)帷幕設(shè)計及施工過程有方案設(shè)計、施工準備、冷凍系統(tǒng)安裝等工序組成,見圖2。 由于該聯(lián)絡(luò)通道位于鬧市區(qū)地下,地面有天津圖書大廈、建行大廈等重要建筑設(shè)施,且所處地層主要為粉質(zhì)粘土,含水量高,因此,在地層凍結(jié)施工中必須采取切實可靠的技術(shù)措施,以確保聯(lián)絡(luò)通道施工和地面建、構(gòu)筑物和交通安全。根據(jù)地鐵聯(lián)絡(luò)通道的施工經(jīng)驗與教訓,我們在設(shè)計及凍結(jié)施工過程中對以下方面進行了分析和控制:3.1凍土帷幕強度問題 凍土帷幕的關(guān)鍵點在其拱部,在聯(lián)絡(luò)通道頂部設(shè)三排凍結(jié)孔,以加大凍土帷幕拱部厚度,并使聯(lián)絡(luò)通道頂部的一排凍結(jié)孔穿越對面隧道頂部管片,確保凍土帷幕拱部與隧道管片間的有足夠大的接觸面積;為了確保凍土帷幕強度和穩(wěn)定性,在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計時,選擇比較安全的平面彈性計算模型,適當加大安全系數(shù),并用三維有限單元計算進行校核,在工藝設(shè)計時,取較大的備用系數(shù),即實際加固范圍要比結(jié)構(gòu)設(shè)計大。3.2凍土帷幕與隧道管片間的密封 根據(jù)地鐵聯(lián)絡(luò)通道和隧道出洞地層凍結(jié)施工經(jīng)驗,由于混凝土和鋼管片相對于土層要容易散熱得多,會嚴重影響隧道管片附近土層的凍結(jié)速度和凍結(jié)強度,從而影響凍土帷幕的整體穩(wěn)定性和封水性。為此,設(shè)計及施工過程中,采用在對面隧道管片內(nèi)側(cè)敷設(shè)冷管和保溫層等措施,以確保凍土帷幕不存在影響安全的薄弱環(huán)節(jié)。3.3凍結(jié)孔施工安全與孔口密封 用金剛石取芯鉆開孔,跟管鉆進法下凍結(jié)管。凍結(jié)孔開孔前,在布孔范圍內(nèi)打若干小口徑鉆孔,探測地層穩(wěn)定情況。如發(fā)現(xiàn)砂層,先進行水泥-水玻璃雙液壁后注漿,以提高孔口附近地層的穩(wěn)定性,然后再鉆進凍結(jié)孔。凍結(jié)施工結(jié)束后,孔口管管口焊上鋼板,以免工程結(jié)束后鉆孔孔口漏水。3.4凍結(jié)過程檢測與控制 在凍土帷幕內(nèi)布置測溫孔和壓力釋放與觀測孔,以便正確測定凍土帷幕厚度和判斷凍土帷幕是否交圈。對側(cè)隧道管片附近土層的凍結(jié)情況將成為控制整個凍土帷幕安全的關(guān)鍵,為此,在對側(cè)隧道管片上沿凍土帷幕四周安裝測溫孔,以全面監(jiān)測凍土帷幕的形成過程,當泄壓孔波動較大,凍結(jié)溫度停止在某個區(qū)域范圍內(nèi),應加強檢測,以確定帷幕是否交圈。凍結(jié)孔施工質(zhì)量的檢驗與控制方法見表1,凍結(jié)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)與凍土墻壁形成質(zhì)量檢驗方法見表2。3.5地層凍脹的控制和土層融沉補償控制 在凍結(jié)帷幕內(nèi)設(shè)泄壓孔,凍結(jié)開始后根據(jù)檢測數(shù)據(jù)進行泄壓以減小土層凍脹及其對隧道的影響,保證聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量,并在聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)中預埋注漿管,利用隧道或聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)的注漿孔跟蹤注漿加以補強,以補償土層融沉,控制地表變形,防止凍脹和融沉對隧道及地面的影響。3.6通道開挖工程中的凍土帷幕安全監(jiān)控 由于凍土的蠕變性很好,凍土帷幕在破壞前必然有一個較大的蠕變過程,可以通過檢查開挖過程中的凍土帷幕變形情況判斷其安全性。為此,在開挖過程中必須及時進行凍土帷幕變形和溫度觀測,如遇凍土帷幕有明顯變形,立即用鋼支架背板支撐,調(diào)整開挖構(gòu)筑工藝,并同時加強凍結(jié),或在薄弱處凍土帷幕表面,噴灑低溫氮氣。4 結(jié) 語 小白樓站～下瓦房站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道工程自2004年8月11日實施凍結(jié),9月6日左右凍結(jié)帷幕交圈,形成凍結(jié)帷幕,9月20日達到凍結(jié)帷幕設(shè)計厚度,由于嚴格按照方案進行施工,并加強了以上各點的控制,從現(xiàn)場開挖看,凍結(jié)帷幕凍結(jié)均勻,凍結(jié)質(zhì)地堅硬,各項指標與設(shè)計基本相符,達到設(shè)計等控制目標。
