凍結(jié)法在天津地鐵聯(lián)絡(luò)通道應(yīng)用研究

□文/陳秋來

凍結(jié)法在天津地鐵聯(lián)絡(luò)通道應(yīng)用研究

□文/陳秋來

基于天津某地鐵區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道及泵房工程為背景，對聯(lián)絡(luò)通道的設(shè)計(jì)、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)、施工方案、凍結(jié)加固設(shè)計(jì)、凍結(jié)孔布置及制冷設(shè)計(jì)等情況進(jìn)行了研究并結(jié)合實(shí)際測溫結(jié)果，分析了凍結(jié)加固的實(shí)施效果。凍結(jié)法的設(shè)計(jì)和施工方案是安全可行的，但凍結(jié)參數(shù)的選取使計(jì)算結(jié)果所取得的安全系數(shù)較大，后續(xù)設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，測溫孔分析出凍結(jié)發(fā)展速度較快，施工工期據(jù)此可進(jìn)一步壓縮。

地鐵；聯(lián)絡(luò)通道；凍結(jié)；測溫

凍結(jié)法是巖土工程施工中的一種輔助手段，目前我國很多城市都在進(jìn)行大規(guī)模的地鐵建設(shè)，凍結(jié)法作為軟土地層加固的一種措施，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用并取得很好的效果［1～2］。

凍結(jié)法施工分步開挖對地面沉降影響較小，對凍土墻底板、凍土壁和拱頂變形影響較大，其中凍土墻底板為開挖施工中結(jié)構(gòu)的最不利部位，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)［3］。

對凍土溫度直接監(jiān)測可以獲得可靠的凍土溫度，合理的布點(diǎn)監(jiān)測也能獲得凍土溫度分布，由此進(jìn)行凍土墻厚度的判斷［4］。

本文以天津地鐵某區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道工程實(shí)例，研究設(shè)計(jì)與施工方案以及凍結(jié)實(shí)施效果，為后續(xù)工程提供參考。

1　工程概況

1.1設(shè)計(jì)概況

天津地鐵某盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道及泵房工程，設(shè)計(jì)采用水平凍結(jié)法加固地層，礦山暗挖法施工以確保施工安全，施工過程中做好必要的保護(hù)措施，加強(qiáng)監(jiān)測，以減輕對周圍地面環(huán)境的影響。聯(lián)絡(luò)通道確定采用凍結(jié)法加固地層，地層達(dá)到加固效果后，采用二次襯砌方式；臨時(shí)支護(hù)層和永久結(jié)構(gòu)層之間設(shè)防水層完成聯(lián)絡(luò)通道構(gòu)筑施工。聯(lián)絡(luò)通道處隧道中心線間距為11.5 m，隧道中心高程左右線均為-25.6 m，地面標(biāo)高約為1.8 m，見圖1和圖2。

圖1　聯(lián)絡(luò)通道平面

圖2　聯(lián)絡(luò)通道剖面

1.2工程地質(zhì)概況

根據(jù)區(qū)間勘察資料，該區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道及泵房范圍內(nèi)，主要地層為1層粉質(zhì)粘土2層粉土1層粉質(zhì)粘土，2層粉砂1層粉質(zhì)粘土1層粉質(zhì)粘土。

根據(jù)地基土的巖性分層，室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果，場地以下50 m以上可劃分為3個(gè)含水層，本區(qū)間隧道含2個(gè)含水層：潛水含水層1層粉質(zhì)粘土為潛水含水層與其下承壓含水層的相對隔水層；第一承壓含水層2層粉土2層粉土為承壓含水層，該承壓含水層水頭大沽標(biāo)高約為0.1 m。聯(lián)絡(luò)通道所處地層主要為1粉質(zhì)粘土2粉砂、1粉質(zhì)粘土1粉質(zhì)粘土層。其中2粉砂層透水性好，為承壓含水層。承壓水主要接受上層潛水的滲透補(bǔ)給，與上層潛水水力聯(lián)系緊密，以地下徑流方式排泄，同時(shí)以滲透方式補(bǔ)給深層地下水。

2　施工方案

根據(jù)上述聯(lián)絡(luò)通道施工條件并結(jié)合以往在上海、天津、南京和沈陽等地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工的經(jīng)驗(yàn)，確定采用“隧道內(nèi)水平凍結(jié)加固土體、隧道內(nèi)礦山法開挖構(gòu)筑”的全隧道內(nèi)施工方案。即在隧道內(nèi)利用水平孔和部分傾斜孔凍結(jié)加固地層，使聯(lián)絡(luò)通道外圍土體凍結(jié)，形成強(qiáng)度高，封閉性好的凍結(jié)帷幕。在凍土中采用礦山法進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道的開挖構(gòu)筑施工，地層凍結(jié)和開挖構(gòu)筑施工均在區(qū)間隧道內(nèi)進(jìn)行。

3　凍結(jié)加固設(shè)計(jì)

3.1凍結(jié)帷幕的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)凍結(jié)壁有效厚度≮2.2 m，喇叭口處凍結(jié)壁有效厚度≮1.7 m。聯(lián)絡(luò)通道凍土強(qiáng)度依據(jù)相關(guān)凍土試驗(yàn)，當(dāng)凍土平均溫度≮-10℃時(shí)取凍土試驗(yàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)為單軸抗壓≮3.5 MPa，彎折抗拉≮1.8 MPa，抗剪≮1.5 MPa。

3.2凍結(jié)壁承載力計(jì)算

凍結(jié)壁頂板反力主要受靜水壓力、開挖時(shí)因頂板向下變形和上部土體的作用力。

式中：Pt——凍土帷幕頂面土壓力；

γ——土的飽和重度；

H——土的計(jì)算深度；

Ps——凍土帷幕側(cè)面土壓力；

K0——靜止側(cè)壓力系數(shù)。

用有限元法進(jìn)行凍土帷幕的受力分析與變形計(jì)算，見表1。計(jì)算的應(yīng)力值遠(yuǎn)小于強(qiáng)度值，安全系數(shù)高于指標(biāo)要求，凍土帷幕的總體承載能力是足夠的。計(jì)算顯示在側(cè)墻與拱內(nèi)側(cè)交接處、凍結(jié)壁與隧道內(nèi)側(cè)交接處、凍結(jié)壁與隧道外側(cè)交接處局部存在應(yīng)力集中，但是范圍很小且凍土帷幕角部是圓弧過渡的并且凍土帷幕中間尚有土體或支撐，因此是安全的。

表1　通道凍土帷幕應(yīng)力與位移計(jì)算值

3.3集水井凍土帷幕的計(jì)算

凍土取設(shè)計(jì)厚度2.2 m，不考慮臨時(shí)支護(hù)作用，根據(jù)對稱性取集水井1/4作為計(jì)算模型，側(cè)向土壓力

底板開挖后向上變形，計(jì)算底板土反力采用被動(dòng)土壓力公式，則底板土反力

計(jì)算得q=322（kPa）

式中：λw——水的重度，取10 000 N/m3；

Hw——水的計(jì)算深度，取27.95 m；

φ——土的內(nèi)摩擦角；

H——土的計(jì)算深度，取27.95 m。

通過有限元進(jìn)行計(jì)算，得出集水井凍土帷幕的應(yīng)力與位置值，見表2。

表2　集水井應(yīng)力與位移計(jì)算值

通過以上計(jì)算，說明集水井凍土帷幕的強(qiáng)度、剛度、變形滿足設(shè)計(jì)要求，局部存在應(yīng)力集中。

4　凍結(jié)孔布置及制冷設(shè)計(jì)

4.1凍結(jié)孔布置

聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔的布置均采取從左右線隧道兩側(cè)打孔方式進(jìn)行。凍結(jié)孔按上仰、水平、下俯三種角度布置，其中區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道及泵房工程布置凍結(jié)孔總數(shù)68個(gè)，凍結(jié)孔總長度480.68 m，聯(lián)絡(luò)通道在中部設(shè)置4個(gè)穿透孔，供對側(cè)隧道凍結(jié)孔和冷凍排管需冷用。另在凍結(jié)站對側(cè)隧道上沿凍結(jié)壁敷設(shè)冷凍排管，以加強(qiáng)對管片處的保溫效果，見圖3。

圖3　聯(lián)絡(luò)通道及泵房凍結(jié)孔

同時(shí)，聯(lián)絡(luò)通道布置8個(gè)測溫孔，目的主要是測量凍結(jié)帷幕范圍不同部位的溫度發(fā)展?fàn)顩r，以便綜合采用相應(yīng)控制措施，確保施工的安全。在凍結(jié)帷幕封閉區(qū)域內(nèi)布置4個(gè)卸壓孔，左右線各2個(gè)，在卸壓孔上安裝壓力表，可以很直觀的監(jiān)測凍結(jié)帷幕內(nèi)的壓力變化情況，通過每日觀測，及時(shí)判斷凍結(jié)帷幕的形成狀況并可直接釋放凍脹壓力。

4.2制冷設(shè)計(jì)

積極凍結(jié)期鹽水溫度為-28℃以下，凍結(jié)時(shí)間約為50 d，達(dá)到設(shè)計(jì)加固效果后，方可進(jìn)行開挖工作。維護(hù)凍結(jié)期鹽水溫度不高于-28℃，維護(hù)凍結(jié)時(shí)間為達(dá)到設(shè)計(jì)加固效果后至主體結(jié)構(gòu)施工完成。

凍結(jié)需冷量［5］Q=1.2·π·d·h·q

式中：h——凍結(jié)總長度；

d——凍結(jié)管直徑；

q——凍結(jié)管散熱系數(shù)。

據(jù)此，計(jì)算得出聯(lián)絡(luò)通道需冷量為25.92×104kJ/h。按照設(shè)計(jì)要求，選用JYSLGF300III型螺桿機(jī)組一臺套，單臺機(jī)組設(shè)計(jì)工況制冷量為35.97×104kJ/h，電機(jī)功率110 kW，完全滿足聯(lián)絡(luò)通道的制冷需求。

5　凍結(jié)效果分析

5.1凍結(jié)施工

凍結(jié)第7 d鹽水去路溫度降至-18.1℃（設(shè)計(jì)要求-18℃），回路溫度-15.3℃；凍結(jié)第15 d鹽水溫度降至-24.2℃（設(shè)計(jì)要求-24℃），回路溫度-21.7℃。

5.2測溫孔溫度分析

測溫孔共設(shè)8個(gè)（左線6個(gè)、右線2個(gè)），見圖4和圖5。每個(gè)測溫孔內(nèi)設(shè)3個(gè)測溫點(diǎn)，測點(diǎn)深度0.45～3.5 m不等。

圖4　右線測溫孔分布

圖5　左線測溫孔分布

現(xiàn)取比較具有代表性的測溫孔進(jìn)行分析，見表3。

表3　凍結(jié)發(fā)展速度

通過表3分析，凍土最慢發(fā)展速度為27.19 mm/d。以最慢發(fā)展速度凍結(jié)50 d計(jì)算凍土發(fā)展半徑r=1 360 mm，按凍結(jié)發(fā)展半徑1 360 mm作圖，從圖上測量出通道部位凍結(jié)帷幕厚度最薄為2 504 mm，喇叭口部位凍結(jié)帷幕厚度最薄為2 508 mm，泵站部位凍結(jié)帷幕厚度最薄為2 494 mm。設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度為2 200 mm、喇叭口處為1 700 mm，因此凍結(jié)帷幕厚度已滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3平均溫度的確定

根據(jù)文獻(xiàn)［5］，凍結(jié)施工成冰公式計(jì)算凍結(jié)帷幕的平均溫度

式中：t——凍土平均溫度，℃；

tb——鹽水溫度，為-29.2℃；

l——孔間距，為1.2 m；

E——凍土厚度，為2.5 m；

tB——井幫溫度，為-5.8℃。

因此，凍結(jié)帷幕平均溫度均低于設(shè)計(jì)溫度-10℃，由此推斷目前實(shí)際凍結(jié)帷幕的強(qiáng)度均大于設(shè)計(jì)凍結(jié)帷幕的強(qiáng)度，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

6　結(jié)論

區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道整個(gè)施工過程中，未發(fā)生滲漏水情況，總體安全可控。

1）設(shè)計(jì)和施工方案是安全可行的，為聯(lián)絡(luò)通道的順利完成提供了可靠的技術(shù)保障。

2）從有限元計(jì)算結(jié)果可以看出，安全系數(shù)較大，后續(xù)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化。

3）從具有代表性的測溫孔分析凍結(jié)發(fā)展速度，實(shí)際工況下，溫度發(fā)展是較快的，后續(xù)應(yīng)針對凍結(jié)時(shí)間進(jìn)行進(jìn)一步研究，以便優(yōu)化施工工期。

［1］岳豐田，仇培云，楊國祥，等.復(fù)雜條件下隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工設(shè)計(jì)與實(shí)踐［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（5）：660-663.

［2］靳巍巍，陳有亮.隧道凍結(jié)法施工三維有限元溫度場及性狀分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2007，3（5）：918-922.

［3］趙捷，任云芬，鮑鵬.天津地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工的數(shù)值分析［J］.河南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，7（4）：434-437.

［4］李大勇，呂愛鐘，張慶賀，等.南京地鐵旁通道凍結(jié)實(shí)測分析研究［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（2）：334-338.

［5］崔云龍.簡明建井工程手冊［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

U231

C

1008-3197（2016）02-56-04

2015-12-08

陳秋來/男，1982年出生，工程師，中鐵十一局集團(tuán)有限公司，從事工程技術(shù)管理工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.02.019