南京地鐵試驗(yàn)段旁通道水平凍結(jié)法施工技術(shù)

[ 摘要] 結(jié)合南京地鐵試驗(yàn)段旁通道凍結(jié)法施工,分析總結(jié)了凍結(jié)法在凍結(jié)管施工、凍結(jié)、開挖構(gòu)筑等階段的施工技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)策,可以為今后旁通道凍結(jié)法施工提供一定的參考。

[ 關(guān)鍵詞] 凍結(jié)法;溫度;凍脹;旁通道;地鐵;隧道
隨著我國地鐵建設(shè)的快速發(fā)展,越來越多的旁通的土層( 土層參數(shù)見表1) 。另外根據(jù)試驗(yàn)段三山街南道采用凍結(jié)法進(jìn)行施工。旁通道凍結(jié)法施工,包括凍端頭井進(jìn)、出洞土體的加固情況來看,在粉土、粉砂中結(jié)管施工、凍結(jié)及開挖構(gòu)筑等階段。在這個(gè)施工過程用注漿、旋噴等加固地層效果不太理想。因此,為了保中,凍土的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了劇烈變化,這種變化對(duì)施工證旁通道結(jié)構(gòu)施工安全,采用了水平凍結(jié)技術(shù)進(jìn)行地安全、周圍環(huán)境、主體隧道等都將產(chǎn)生一定的影響。本層加固,以阻止水土涌入隧道。2002211208～2002211228 文將探討旁通道凍結(jié)法施工技術(shù)措施、難點(diǎn)及對(duì)策,更期間為凍結(jié)孔施工及凍結(jié)準(zhǔn)備階段,歷時(shí)21d ;20022112 好地指導(dǎo)今后旁通道的施工,確保旁通道施工及周圍29～2003201207 期間為積極凍結(jié)階段, 歷時(shí)41d ; 20032 環(huán)境的安全。01208～2003201215 期間為凍土開挖階段,歷時(shí)8d ;20032 1 　工程及地質(zhì)概況01216～2003202218 期間為維護(hù)凍結(jié)及結(jié)構(gòu)構(gòu)筑階段, 南京地鐵試驗(yàn)段盾構(gòu)法隧道從釣魚臺(tái)工作井北側(cè)歷時(shí)32d 。到三山街車站南端頭井,包括左線和右線隧道各1 條,盾構(gòu)法隧道外徑612m , 內(nèi)徑515m 。為了實(shí)現(xiàn)左、右線隧道間必要時(shí)乘客安全疏散功能及地鐵運(yùn)營期間兩車站之間集排水作用,在2 條隧道之間合并建造一旁通道與泵站。旁通道處隧道中心標(biāo)高-21633m , 地面標(biāo)高+ 1015m , 隧道中心埋深131133m 。工程結(jié)構(gòu)由2 個(gè)圖1 　旁通道地質(zhì)剖面示意與隧道相交的喇叭口、通道及集水井等組成,旁通道全長7102m 。根據(jù)地質(zhì)勘察資料, 兩隧道間的聯(lián)絡(luò)通道通過的主要土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土22221b324 層,粉土

表1 　土層參數(shù)

2 　施工技術(shù)措施、難點(diǎn)及對(duì)策
水平凍結(jié)技術(shù)就是在隧道內(nèi)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(qiáng)度高、封閉性好的凍土帷幕,然后根據(jù)“新奧法”的基本原理,在凍土中采用礦山法進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道及泵站的開挖構(gòu)筑施工。其中水平凍結(jié)孔施工是人工地層凍結(jié)的關(guān)鍵,充分考慮凍結(jié)孔施工中可能存在的問題,并采取相應(yīng)的措施,保證凍結(jié)孔施工質(zhì)量就顯得特別重要。凍結(jié)效果的準(zhǔn)確判斷是能否開挖的前提。
2.1.1 　凍結(jié)孔施工難點(diǎn)及對(duì)策 2.1.1.1施工難點(diǎn)
由于本區(qū)間地層情況復(fù)雜,作業(yè)面狹窄,在凍結(jié)孔施工過程中可能存在諸多影響凍結(jié)孔施工質(zhì)量的因素:
(1) 鉆孔時(shí)孔口出現(xiàn)涌水涌砂。
(2) 凍結(jié)管接縫不太密實(shí),在凍結(jié)過程中可能使鹽水進(jìn)入地層影響凍結(jié)效果。
(3) 凍結(jié)孔可能出現(xiàn)偏移,影響凍結(jié)孔施工精度。
(4) 打凍結(jié)孔時(shí),出土過多, 可能導(dǎo)致鉆孔過程中地表沉降過大。
2.1.1.2 　施工措施
為了保證凍結(jié)孔施工質(zhì)量,在試驗(yàn)段凍結(jié)孔施工過程中針對(duì)上述可能出現(xiàn)的問題采取了以下一系列相應(yīng)的措施:
(1) 在正式開孔前,先行打了幾個(gè)試探孔檢查地層穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)存在一定的土層水壓。為了防止漏泥冒砂現(xiàn)象,在后繼的凍結(jié)孔施工前,安裝孔口裝置后再進(jìn)行鉆進(jìn)( 孔口裝置安裝程序:首先在隧道管片上按設(shè)計(jì)角度和位置開好<150mm 的孔, 孔深為300mm , 將孔口處鑿平,裝上4 條<16mm 膨脹螺絲,再將加工好的孔口管纏上密封材料用膨脹螺絲壓緊, 凍結(jié)孔開孔用<110mm 的金剛石取芯鉆頭鉆進(jìn)) 。
(2) 凍結(jié)管選用<95mm ×6mm , 20 號(hào)低碳無縫鋼管,絲扣連接,單根長度1m 或115m , 能防止管線在較高壓力作用下破裂。同時(shí),利用凍結(jié)管作鉆桿,凍結(jié)管采用絲扣加密封劑連接,接縫進(jìn)行補(bǔ)焊,確保其同心度和焊接強(qiáng)度,凍結(jié)管到達(dá)設(shè)計(jì)深度后密封頭部。凍結(jié)管長度和偏斜合格后再進(jìn)行打壓試漏, 壓力控制在110MPa , 穩(wěn)定30min 壓力無變化者為試壓合格。在凍結(jié)管內(nèi)下供液管, 然后焊接凍結(jié)管端蓋和去、回路羊角。凍結(jié)管安裝完畢后,用堵漏材料密封凍結(jié)管與管片之間的間隙。對(duì)于耐壓不合格的凍結(jié)孔要求往凍結(jié)管里套入直徑為68mm 的鋼管, 安裝好孔口裝置后重新進(jìn)行耐壓試驗(yàn),直至全部凍結(jié)管耐壓合格。
(3) 考慮到管片中鋼筋密集, 在使用開孔器開孔前,根據(jù)管片施工圖確定隧道管片內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼筋的位置,合理避開鋼筋,調(diào)整開孔位置。在凍結(jié)孔施工前, 根據(jù)施工基準(zhǔn)點(diǎn),按凍結(jié)孔施工圖布置凍結(jié)孔,孔位偏差控制在50mm 之內(nèi)。凍結(jié)孔實(shí)際鉆進(jìn)深度應(yīng)比設(shè)計(jì)深度大013m(鉆頭碰到隧道管片者除外) 。選用MD250 鉆機(jī),增加鉆機(jī)至孔口之間的距離,架設(shè)孔外導(dǎo)向裝置和開孔段導(dǎo)向管,減小開孔誤差。鉆進(jìn)過程中嚴(yán)格監(jiān)測孔斜情況,鉆孔的偏斜應(yīng)控制在1 % 以內(nèi),在確保凍土帷幕厚度的情況下, 終孔間距不得大于018m( 集水井為111m) ,發(fā)現(xiàn)偏斜要及時(shí)糾偏, 下好凍結(jié)管后, 進(jìn)行凍結(jié)管長度的復(fù)測,然后再用經(jīng)緯儀進(jìn)行測斜并繪制鉆孔偏斜圖。
(4) 在凍結(jié)孔施工好后,對(duì)凍結(jié)孔周圍地層進(jìn)行注漿加固,采用的是水泥漿液, 注漿量根據(jù)鉆孔長度確定,注漿壓力控制在012～013MPa 。
2.1.1.3　開挖條件判斷
準(zhǔn)確判斷旁通道是否具備開挖條件,是保證開挖構(gòu)筑施工安全的前提,同時(shí)也是節(jié)約成本的重要因素。旁通道是否具備開挖條件,可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況、鹽水降溫情況、溫度場和凍脹壓力變化等進(jìn)行判斷,具體分析如下:
(1) 系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況　從開機(jī)到冷凍系統(tǒng)工作正常, 除2002 年12 月6 日由于更換電表停機(jī)8h 外,中間沒有其它原因的停機(jī)。
(2) 降溫情況　鹽水溫度開機(jī)2d 下降到-20 ℃, 降溫比較快。至2003 年1 月7 日鹽水溫度-33 ℃,鹽水的降溫正常; 鹽水的去回路溫度差已經(jīng)從開始的平均2 ℃ 降到015 ℃, 說明地層的熱負(fù)荷減少, 凍土帷幕形成良好。
(3) 溫度場　在隧道的兩側(cè)共布置了10 個(gè)測溫孔,根據(jù)測孔10 的實(shí)測數(shù)據(jù), 測孔10 距凍結(jié)主面700mm ,12 月24 日該測溫孔測點(diǎn)1 、2 、3 溫度分別下降至-012 、-015 、-017 ℃,此時(shí)凍結(jié)27d , 凍土平均發(fā)展速度為2519mmΠd ; 根據(jù)測孔3 的實(shí)測數(shù)據(jù),測孔3 距凍結(jié)主面400mm ,12 月14 日該測溫孔測點(diǎn)1 、2 、3 溫度分別下降至-015 、-013 、-011 ℃,此時(shí)凍結(jié)16d , 凍土平均發(fā)展速度為2510mmΠd ; 根據(jù)測孔2 的實(shí)測數(shù)據(jù),測孔2 距凍結(jié)主面450mm ,12 月19 日該測溫孔測點(diǎn)1 、2 、3 溫度分別下降至0 、-011 、-012 ℃,此時(shí)凍結(jié)21d , 凍土平均發(fā)展速度為2114mmΠd 。以上3 孔的凍土平均發(fā)展速度為2411mmΠd , 按此推算凍結(jié)到1 月8 日,凍結(jié)時(shí)間40d , 凍土發(fā)展厚度1193m , 超過設(shè)計(jì)厚度0133m 。
(4) 在隧道一側(cè)( 左線) 共布置了4 個(gè)凍脹壓力測孔,根據(jù)凍脹壓力測孔1 的實(shí)測數(shù)據(jù),12 月18 日凍脹壓力達(dá)到最大值0173MPa , 此時(shí)凍結(jié)時(shí)間20d ; 測孔4 的實(shí)測數(shù)據(jù),12 月18 日達(dá)到最大值1181MPa , 此時(shí)凍結(jié)時(shí)間20d 。說明20d 左右凍土柱已經(jīng)交圈,凍結(jié)帷幕已基本形成。
(5) 在隧道一側(cè)( 左線) 旁通道開挖內(nèi)布置1 個(gè)泄壓孔,到12 月25 日, 壓力不再抬升, 說明凍結(jié)帷幕內(nèi)的自由水由于水分遷移的作用已經(jīng)基本補(bǔ)給到凍土中,2003 年1 月3 日打開該泄壓孔,有少量的水和水泥流出,幾分鐘后停止,該孔從1 月3 日一直處于敞開狀態(tài),沒有水流出。
(6) 根據(jù)地面變形的監(jiān)測資料,到12 月30 日,旁通道上方地面的最大變形15mm , 地面變形趨于穩(wěn)定, 說明凍土結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展速度變緩慢。
(7) 觀察隧道內(nèi)部管片上的結(jié)霜情況正常,結(jié)霜范圍和輪廓比較均勻,反映出凍結(jié)情況正常。
3 　施工情況分析
3.1.1 　水平凍結(jié)孔施工情況分析
2002 年11 月1 日試鉆了2 個(gè)水平凍結(jié)孔,發(fā)現(xiàn)有一定的夾砂水土流出,為了保證凍結(jié)孔施工安全,考慮鉆進(jìn)前安裝孔口裝置, 鉆進(jìn)過程中壓注水泥漿液。2002 年11 月8 日正式進(jìn)行水平凍結(jié)孔鉆進(jìn)。首先鉆進(jìn)的是底部的3 排凍結(jié)孔,由于底部凍結(jié)管　不到對(duì) 面隧道管片,加強(qiáng)了底部凍結(jié)孔鉆進(jìn)深度控制,從實(shí)測結(jié)果來看,全部凍結(jié)孔均達(dá)到設(shè)計(jì)深度,一般超過設(shè)計(jì)深度012～015m , 在底部凍結(jié)管施工中,發(fā)現(xiàn)流出一定量的夾砂土, 且水壓較大, 為了保證凍結(jié)孔施工的安全,在凍結(jié)孔施工過程中進(jìn)行了注漿( 水泥漿液),平均每孔使用普通硅酸鹽水泥015t 左右,起到了防水與加固地層的目的; 底部凍結(jié)孔施工完后進(jìn)行兩側(cè)2 排凍結(jié)孔施工,11 月9 日施工對(duì)穿孔,施工第1 個(gè)對(duì)穿孔時(shí)由于采用的是與主隧道垂直角度鉆進(jìn),最終發(fā)現(xiàn)在右線有30cm 左右的偏離,考慮到以后的凍結(jié)效果, 在打剩下的兩側(cè)凍結(jié)孔及對(duì)穿孔時(shí)調(diào)整了角度,對(duì)其偏離進(jìn)行了糾正。最后進(jìn)行頂部2 排凍結(jié)孔施工, 除最上部1 排加強(qiáng)孔外,這些孔在施工中均以　到對(duì)側(cè)管片 為準(zhǔn),深度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。正式鉆進(jìn)后,平均每天鉆進(jìn)3～4 孔,于2002 年11 月20 日完成全部58 個(gè)凍結(jié)孔施工,工期為15d 。從實(shí)測結(jié)果來看,除孔X24 垂直偏斜率為1137 % 及對(duì)穿孔Y5 水平偏斜率為4127 % 外,其余孔的垂直及水平偏斜率均控制在1 % 之內(nèi)。由于采取了安裝孔口裝置等措施,在施工期間,基本控制了漏水流砂現(xiàn)象的發(fā)生。在所有58 個(gè)凍結(jié)孔施工完成后, 采用了耐壓試驗(yàn)進(jìn)行凍結(jié)孔密封性試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)有6 個(gè)(S23 、X15 、X24 、X25 、X34 、X54) 凍結(jié)孔耐壓試驗(yàn)達(dá)不到壓力1MPa , 保壓015h 以上的耐壓要求,為了防止凍結(jié)過程中鹽水外漏而影響后繼凍結(jié),在達(dá)不到要求的凍結(jié)管里面套入直徑為68mm 的鋼管, 安裝好孔口裝置后重新進(jìn)行耐壓試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)這6 個(gè)孔經(jīng)過處理后均達(dá)到了設(shè)計(jì)耐壓要求。每個(gè)凍結(jié)孔均達(dá)到設(shè)計(jì)的密封性要求,為后繼凍結(jié)施工創(chuàng)造了條件。 3.1.2 　凍結(jié)效果分析
冷凍機(jī)等設(shè)備于2002 年11 月5 日開始進(jìn)行安裝, 11 月27 日冷凍機(jī)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)成功。11 月28 日,繼續(xù)試壓試漏,用清水試壓最大壓力達(dá)到014MPa , 確保無滲漏點(diǎn)后,將水排盡放入干凈的清水及氯化鈣。11 月29 日鹽水密度達(dá)到1126gΠcm3 后,冷凍機(jī)開始抽真空、充氟利昂,同日17 :00 開始冷凍機(jī)正式運(yùn)轉(zhuǎn);11 月30 日 17 :00 鹽水去路溫度為-1915 ℃, 回路溫度為-18 ℃; 12 月1 日鹽水去路溫度下降到-24 ℃;12 月2 日、3 日鹽水去路溫度一直維持在-24 ℃ 左右, 考慮到其溫度離設(shè)計(jì)鹽水溫度-28 ℃ 還差4 ℃,分析原因可能是氟利昂量不夠,因此增加了一定量氟利昂。至12 月11 日鹽水去路溫度下降到-28 ℃, 達(dá)到了設(shè)計(jì)鹽水溫度。為了控制凍結(jié)的發(fā)展過程及效果,在左線隧道內(nèi)布置了4 個(gè)測溫孔,右線布置了6 個(gè)測溫孔,凍結(jié)開始后對(duì)凍結(jié)孔溫度進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測工作,從測溫結(jié)果來看,29 日測溫孔6 中的測點(diǎn)2 原始溫度最大,為1912 ℃,相應(yīng)地5d 后該處地層溫度為1413 ℃,10d 后為-013 ℃, 表明交圈時(shí)間為10d 。29 日測溫孔10 中的測點(diǎn)3 原始溫度1815 ℃,相應(yīng)地5d 后為1211 ℃,10d 后為814 ℃,15d 后為313 ℃,20d 后達(dá)到217 ℃,27d 后達(dá)到-017 ℃, 表明交圈時(shí)間為27d 。為了保證開挖的安全, 延長了5d 的凍結(jié)時(shí)間,并于2003 年12 月29 日進(jìn)行了左、右探孔試探,從右線探孔情況來看,凍結(jié)土體的連續(xù)性、整體性較好,未出現(xiàn)涌水冒砂現(xiàn)象;左線探孔有一定量的泥水流出。為了保證旁通道施工的安全,于1 月3 日再次進(jìn)行了探孔試探。1 月5 日開始進(jìn)行試開挖,1 月10 日取出鋼管片進(jìn)行正式開挖,至1 月20 日開挖至對(duì)面隧道,從開挖過程來看,凍結(jié)土體的強(qiáng)度完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求,大部分地方開挖要用風(fēng)鎬進(jìn)行。整個(gè)開挖期間, 開挖面均能保持穩(wěn)定,未出現(xiàn)涌水涌砂現(xiàn)象。
4 　結(jié)語
旁通道的施工包括凍結(jié)孔施工、凍結(jié)施工、開挖構(gòu)筑等許多階段。只有針對(duì)各個(gè)階段的特點(diǎn)及可能出現(xiàn)的問題采取相應(yīng)的措施,才能保證旁通道凍結(jié)法施工的安全。