應用凍結法加固地鐵工程的結構施工研究摘要:主要介紹了上海地鐵明珠線藍村路站-浦東南路站區間隧道聯絡通道、泵站采用水平凍結加固情況下,隧道支護及結構施工過程,分析了隧道內礦山法施工旁通道對地表及隧道結構產生的影響及解決措施,指出了礦山法施工技術在市政及地鐵工程施工中的技術可行性。關鍵詞:水平凍結;隧道支護;結構施工1 前言 由于受城市地面道路、建筑和地下管線的影響,在地鐵隧道施工中,傳統的明挖施工技術受到挑戰,而隧道暗挖施工技術,因其很少占用地面施工場地、無環境污染、施工安全性高等優勢,在北京、廣州、上海等城市地鐵施工中得到推廣應用。2002年6月至11月上海地鐵明珠線藍村路站-浦東南路站區間隧道聯絡通道、泵站工程采用全斷面水平凍結法加固、礦山法開挖支護施工順利完成。2概述2.1工程內容 上海地鐵明珠線二期藍村路站—浦東南路站區間隧道旁通道及泵站(以下簡稱旁通道)位于兩站區間隧道中部。旁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(圖1)。按設計,旁通道位置上、下行線隧道的中心標高分別為-15.007m和-15.806m,上、下行線隧道中心線間距13481.9mm。通道為直墻圓弧拱結構,集水井為矩形結構,通道和集水井均采用兩次襯砌,其中初襯厚度為200mm,通道墻、拱和集水井內襯厚度為400mm,通道底板和通道與隧道連接處(喇叭口)內襯厚度為1000mm。通道的開挖輪廓高約4.23m,寬3.2m,局部(喇叭口處)高4.83m,寬4.4m;泵站開挖輪廓長4.2m,寬3.2m,深2.2m。
2.2 工程地質條件 旁通道位置地面標高為4m左右,隧道上覆土層厚度按19m考慮。根據附近地層情況,旁通道施工范圍內土層主要按灰色淤泥質粘土、灰色粘土和灰色粉質粘土考慮,具有孔隙比大、含水豐富、承載力低、容易壓縮和在動力作用下易流變的特點,開挖后天然土體本身難以自穩。2.3 工程難點 ①地質條件差,淤泥質粘土承載力低,含水率高,易流變; ②在盾構區間隧道內施工,施工點距區間隧道兩端車站均有1km左右的距離,施工場地狹小; ③工程地處浦東新區東方路,通道上方地面為一棟二層樓的超市,通道開挖引起的地表沉降量必須嚴格控制,不能超過30mm。 因此,在該地層內開挖構筑旁通道,需要先對施工影響范圍內的土體進行穩妥、可靠的加固處理。經反復論證決定采用水平凍結法加固。該工法具有安全性好,不污染環境等優點。因此本工程設計包括旁通道周圍土層的凍結加固和開挖構筑施工兩部分內容。設計地層凍結加固體積約為2100m3,挖掘土方和澆注混凝土體積分別為220m3和120m3。采用這種加固方法就要求旁通道及泵站結構施工中的開挖工藝、支護參數等與之相適應。3 施工方法與施工工序 根據上述施工條件,并結合上海地鐵二號線旁通道施工經驗,擬采用“隧道內水平凍結加固土體,隧道內開挖構筑”的全隧道內施工方案。即:在隧道內采用凍結法加固地層,使旁通道外圍土體凍結,形成強度高、封閉性好的凍土帷幕,然后在凍土帷幕中采用礦山法進行通道及泵站的開挖構筑施工。 水平地層加固和開挖構筑的主要施工工序:施工準備→隧道管片開孔和安裝孔口管→凍結孔鉆進,安裝凍結器與冷板,同時安裝凍結制冷系統→安裝凍結鹽水系統和檢測系統→凍結運轉,同時進行隧道支撐→探孔試挖,拆鋼管片→通道掘進與初襯→通道防水層施工與內襯→泵站開挖與初襯→泵站防水層施工與內襯→停止凍結,封孔→壁后充填注漿。凍結孔施工和旁通道初襯施工為本工程的關鍵工序,防水層和旁通道內襯施工為特殊工序。4 聯絡通道臨時支護參數 由于凍土具有明顯的蠕變特性,特別是粘性土層,這種特征更加明顯,隨著旁通道的掘進施工,凍結壁被暴露在空氣中,凍土的蠕變隨時間的延長而增加。為控制凍結壁的變形,要對凍結壁采取有效的臨時支護,以免凍結壁變形破壞。 將旁通道的支護結構簡化成由三段簡支梁組成的一個半封閉結構。由于拱頂部分的凍結壁較厚,凍結壁變形較小,作用在支架上的荷載主要作用在支架兩側的柱腿上。假設作用在支架腿上的載荷為均布荷載,最大彎距發生在柱腿中部,根據變形協調條件,柱腿中部的撓度f同凍結井壁的允許變形相等,即: ua=f=5qL4/381EI （1） 式中:ua為凍結壁的變形量;E為支架的材料彈性模量;I為支架慣性矩;L為支架柱腿的長度;q為作用在支架腿上的均布荷載,q值可根據式 ua=(1+u)(p-pi)a/A(t×τ)確定。 式中:τ為凍土的側壓力系數;A為凍土的彈性模量;p為作用在凍土外側的壓力;pi為支架對凍土壁的反力;a為旁通道寬度的一半;t為凍結壁的溫度系數;u為支架的間距。 已知ua=2cm=0.02m,u=1/2=0.5,A=40MPa,p=20×1.8×104=3.6×105Pa;a=1.7m Pi=P-A·Ua(t×τ)/α(1+u)=4.6×104Pa設支架的排間距為0.5m,則每個支架上的荷載為q=pi/2=2.3×104Pa 由式(1)得I=5qL4/381UaE L=3.8m,q=2.3×104Pa,E=2.1×105MPa,Ua=0.02m代入上式得:I=1498cm4 根據工字鋼的轉動慣量可知I16=1130cm4I18=1660cm4>1498cm4 故選用18號工字鋼作為支架的支護材料,考慮到支架的剛度及穩定性,每個支架加有中梁及底梁。5旁通道開挖構筑工藝 旁通道的開挖從占用隧道一側向另外一側隧道進行水平暗挖,根據凍土的發展規律,同時考慮工期、隧道占用時間等因素,旁通道的開挖構筑施工應盡量同凍結孔施工占用同側隧道。旁通道的開挖構筑在一個完全封閉的凍土帷幕內進行,凍土帷幕為一個底部較厚的直墻圓拱形,凍土墻設計厚度1.2m,凍土強度4～6MPa,旁通道及泵站的施工采取全斷面開挖。 在打開鋼管片前應對各種量測資料及測溫孔中測得的凍結壁發展情況、凍結時間等進行綜合分析,當分析結果同設計基本相符時,即可進行試開挖。由于凍土強度較高,凍結壁本身起著臨時支承作用,開挖過程中為避免凍結壁暴露后產生蠕變,造成凍結管斷裂,在掘進過程中要及時對凍結壁進行臨時支護,并對凍結壁及時封閉,減少冷量損失。旁通道的開挖構筑要充分利用凍土的強度特點,經過科學施工,嚴格管理,將加固地層自身的穩定性與合理的臨時支護有機的結合起來,控制開挖步距,加強工程監測, 將整個通道的開挖及臨時支護完成之后,一次進行防水層和結構混凝土澆筑施工。這樣不僅簡化了旁通道及泵站開挖構筑施工工藝,縮短了工期,加快了施工速度,而且提高了工程質量。6 上海軌道交通明珠線二期藍村路站-浦東南路站區間隧道旁通道及泵站施工情況 上海軌道交通明珠線二期藍村路站-浦東南路站區間隧道旁通道及泵站開挖構筑工作自2002年10月6日開始施工,10月11日旁通道部分采用礦山法開挖挖通,11月17日整個旁通道及泵房結構施工完畢。監測結果顯示地表最大沉降量為16mm,隧道內管片最大沉降量為6mm。這說明采用凍結法加固的情況下,用礦山法開挖地鐵旁通道對周邊環境的影響完全處在安全范圍內。該旁通道工程的成功實施,為上海市區建筑物下地鐵隧道施工及過江隧道施工積累了有益的經驗,是凍結法加固地層礦山法開挖在市政工程中的一次成功實踐。參考文獻:[1]陶龍光,巴肇倫.城市地下工程[M].北京:科學技術出版社,1999.[2]孫鈞.地下工程設計理論與實踐[M].上海:上海科學技術出版社,1996.[3]陳仲頤,周景星,王洪瑾.土力學[M].北京:清華大學出版社,1997.
2.2 工程地質條件 旁通道位置地面標高為4m左右,隧道上覆土層厚度按19m考慮。根據附近地層情況,旁通道施工范圍內土層主要按灰色淤泥質粘土、灰色粘土和灰色粉質粘土考慮,具有孔隙比大、含水豐富、承載力低、容易壓縮和在動力作用下易流變的特點,開挖后天然土體本身難以自穩。2.3 工程難點 ①地質條件差,淤泥質粘土承載力低,含水率高,易流變; ②在盾構區間隧道內施工,施工點距區間隧道兩端車站均有1km左右的距離,施工場地狹小; ③工程地處浦東新區東方路,通道上方地面為一棟二層樓的超市,通道開挖引起的地表沉降量必須嚴格控制,不能超過30mm。 因此,在該地層內開挖構筑旁通道,需要先對施工影響范圍內的土體進行穩妥、可靠的加固處理。經反復論證決定采用水平凍結法加固。該工法具有安全性好,不污染環境等優點。因此本工程設計包括旁通道周圍土層的凍結加固和開挖構筑施工兩部分內容。設計地層凍結加固體積約為2100m3,挖掘土方和澆注混凝土體積分別為220m3和120m3。采用這種加固方法就要求旁通道及泵站結構施工中的開挖工藝、支護參數等與之相適應。3 施工方法與施工工序 根據上述施工條件,并結合上海地鐵二號線旁通道施工經驗,擬采用“隧道內水平凍結加固土體,隧道內開挖構筑”的全隧道內施工方案。即:在隧道內采用凍結法加固地層,使旁通道外圍土體凍結,形成強度高、封閉性好的凍土帷幕,然后在凍土帷幕中采用礦山法進行通道及泵站的開挖構筑施工。 水平地層加固和開挖構筑的主要施工工序:施工準備→隧道管片開孔和安裝孔口管→凍結孔鉆進,安裝凍結器與冷板,同時安裝凍結制冷系統→安裝凍結鹽水系統和檢測系統→凍結運轉,同時進行隧道支撐→探孔試挖,拆鋼管片→通道掘進與初襯→通道防水層施工與內襯→泵站開挖與初襯→泵站防水層施工與內襯→停止凍結,封孔→壁后充填注漿。凍結孔施工和旁通道初襯施工為本工程的關鍵工序,防水層和旁通道內襯施工為特殊工序。4 聯絡通道臨時支護參數 由于凍土具有明顯的蠕變特性,特別是粘性土層,這種特征更加明顯,隨著旁通道的掘進施工,凍結壁被暴露在空氣中,凍土的蠕變隨時間的延長而增加。為控制凍結壁的變形,要對凍結壁采取有效的臨時支護,以免凍結壁變形破壞。 將旁通道的支護結構簡化成由三段簡支梁組成的一個半封閉結構。由于拱頂部分的凍結壁較厚,凍結壁變形較小,作用在支架上的荷載主要作用在支架兩側的柱腿上。假設作用在支架腿上的載荷為均布荷載,最大彎距發生在柱腿中部,根據變形協調條件,柱腿中部的撓度f同凍結井壁的允許變形相等,即: ua=f=5qL4/381EI （1） 式中:ua為凍結壁的變形量;E為支架的材料彈性模量;I為支架慣性矩;L為支架柱腿的長度;q為作用在支架腿上的均布荷載,q值可根據式 ua=(1+u)(p-pi)a/A(t×τ)確定。 式中:τ為凍土的側壓力系數;A為凍土的彈性模量;p為作用在凍土外側的壓力;pi為支架對凍土壁的反力;a為旁通道寬度的一半;t為凍結壁的溫度系數;u為支架的間距。 已知ua=2cm=0.02m,u=1/2=0.5,A=40MPa,p=20×1.8×104=3.6×105Pa;a=1.7m Pi=P-A·Ua(t×τ)/α(1+u)=4.6×104Pa設支架的排間距為0.5m,則每個支架上的荷載為q=pi/2=2.3×104Pa 由式(1)得I=5qL4/381UaE L=3.8m,q=2.3×104Pa,E=2.1×105MPa,Ua=0.02m代入上式得:I=1498cm4 根據工字鋼的轉動慣量可知I16=1130cm4I18=1660cm4>1498cm4 故選用18號工字鋼作為支架的支護材料,考慮到支架的剛度及穩定性,每個支架加有中梁及底梁。5旁通道開挖構筑工藝 旁通道的開挖從占用隧道一側向另外一側隧道進行水平暗挖,根據凍土的發展規律,同時考慮工期、隧道占用時間等因素,旁通道的開挖構筑施工應盡量同凍結孔施工占用同側隧道。旁通道的開挖構筑在一個完全封閉的凍土帷幕內進行,凍土帷幕為一個底部較厚的直墻圓拱形,凍土墻設計厚度1.2m,凍土強度4～6MPa,旁通道及泵站的施工采取全斷面開挖。 在打開鋼管片前應對各種量測資料及測溫孔中測得的凍結壁發展情況、凍結時間等進行綜合分析,當分析結果同設計基本相符時,即可進行試開挖。由于凍土強度較高,凍結壁本身起著臨時支承作用,開挖過程中為避免凍結壁暴露后產生蠕變,造成凍結管斷裂,在掘進過程中要及時對凍結壁進行臨時支護,并對凍結壁及時封閉,減少冷量損失。旁通道的開挖構筑要充分利用凍土的強度特點,經過科學施工,嚴格管理,將加固地層自身的穩定性與合理的臨時支護有機的結合起來,控制開挖步距,加強工程監測, 將整個通道的開挖及臨時支護完成之后,一次進行防水層和結構混凝土澆筑施工。這樣不僅簡化了旁通道及泵站開挖構筑施工工藝,縮短了工期,加快了施工速度,而且提高了工程質量。6 上海軌道交通明珠線二期藍村路站-浦東南路站區間隧道旁通道及泵站施工情況 上海軌道交通明珠線二期藍村路站-浦東南路站區間隧道旁通道及泵站開挖構筑工作自2002年10月6日開始施工,10月11日旁通道部分采用礦山法開挖挖通,11月17日整個旁通道及泵房結構施工完畢。監測結果顯示地表最大沉降量為16mm,隧道內管片最大沉降量為6mm。這說明采用凍結法加固的情況下,用礦山法開挖地鐵旁通道對周邊環境的影響完全處在安全范圍內。該旁通道工程的成功實施,為上海市區建筑物下地鐵隧道施工及過江隧道施工積累了有益的經驗,是凍結法加固地層礦山法開挖在市政工程中的一次成功實踐。參考文獻:[1]陶龍光,巴肇倫.城市地下工程[M].北京:科學技術出版社,1999.[2]孫鈞.地下工程設計理論與實踐[M].上海:上海科學技術出版社,1996.[3]陳仲頤,周景星,王洪瑾.土力學[M].北京:清華大學出版社,1997.