拱北隧道水平控制性凍結(jié)止水帷幕施工方案

劉應(yīng)亮

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津　300222)

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拱北隧道水平控制性凍結(jié)止水帷幕施工方案

劉應(yīng)亮

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津300222)

摘要:港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道工程口岸暗挖段預(yù)支護(hù)體系采用“超前曲線大管幕+水平控制性凍結(jié)止水”相結(jié)合的全新管幕凍結(jié)法施工。水平控制性凍結(jié)止水帷幕施工總體方案是全長(zhǎng)整環(huán)積極凍結(jié)，分段分區(qū)維護(hù)凍結(jié)。在介紹水平凍結(jié)止水帷幕施工方案的凍結(jié)設(shè)計(jì)、凍結(jié)管布置和凍結(jié)施工步序之后，重點(diǎn)分析了該方案難點(diǎn)和施工注意事項(xiàng)，為工程順利實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:港珠澳大橋拱北隧道管幕凍結(jié)法凍結(jié)方案施工分析

淺埋暗挖大斷面隧道超前預(yù)支護(hù)體系備受各方關(guān)注，它能有效地維持掌子面穩(wěn)定、控制地層變形、預(yù)防坍塌等事故，它直接關(guān)系到隧道安全和經(jīng)濟(jì)效益［1-3］。港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道工程口岸暗挖段預(yù)支護(hù)體系采用“超前曲線大管幕+水平控制性凍結(jié)止水”相結(jié)合的全新管幕凍結(jié)法，該體系為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。長(zhǎng)距離超大斷面環(huán)形管幕凍結(jié)控制技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用為國(guó)內(nèi)首次［4-5］，目前管幕施工技術(shù)日漸成熟，實(shí)現(xiàn)突破。本文就水平控制性凍結(jié)止水帷幕施工方案進(jìn)行介紹，結(jié)合工程的特點(diǎn)分析施工難點(diǎn)及注意事項(xiàng)，為下一步人工凍結(jié)施工提供方向和指導(dǎo)。

1　工程概況

港珠澳大橋是中國(guó)首個(gè)涉及“一國(guó)兩制”的三地世界級(jí)跨海工程，港珠澳大橋珠海連接線工程是其八個(gè)重要組成部分之一。拱北隧道是港珠澳大橋珠海連接線的控制性工程，全長(zhǎng)2 740 m，分三段，中間口岸暗挖段長(zhǎng)255 m，采用雙層暗挖方案，兩端采用明挖施工［6-7］。

拱北隧道暗挖段下穿拱北口岸限定區(qū)域，條件復(fù)雜，位于曲率半徑885. 852～906. 298 m的緩和曲線和圓曲線上，如圖1所示。該段地層軟弱松散，水位埋藏淺(約地下1 m)，水量豐富。隧道埋深4～5 m，開(kāi)挖面積為336. 8 m2。

管幕由36根φ1 620 mm鋼管組成，其中壁厚24 mm的管幕19根(下半斷面)，壁厚20 mm的管幕17根(上半斷面)，平均長(zhǎng)度257. 927 m/根，管間距35. 5～35. 8 cm，如圖2所示。隧道縱向軸線有較大曲率，難以保證兩頂管間的止水鎖扣成功連接，進(jìn)而難以保證管幕的封水效果，故采用管幕法與人工地層凍結(jié)法相結(jié)合的工法。

圖1拱北口岸暗挖段的位置

圖2管幕剖面(單位: cm)

2水平凍結(jié)止水帷幕施工方案

2. 1凍結(jié)設(shè)計(jì)

凍結(jié)施工就是使用冷凍加固的方法將頂管間的土體變?yōu)閮鐾粒晚敼芤黄鹦纬擅荛]的帷幕，凍土帷幕的最主要作用是管間止水。因環(huán)境保護(hù)要求高，必須嚴(yán)格控制凍土體積以限定凍脹融沉量。為此，提出了控制性凍結(jié)設(shè)計(jì)。奇數(shù)管填充微膨脹混凝土為積極凍結(jié)主力凍結(jié)管，偶數(shù)管為維護(hù)凍結(jié)加強(qiáng)凍結(jié)管。主力凍結(jié)管全長(zhǎng)整環(huán)積極凍結(jié)，加強(qiáng)凍結(jié)管分段分區(qū)維護(hù)凍結(jié)。凍土帷幕最小厚度不得小于2 m，以滿足頂管間封水要求。A，B1區(qū)凍土帷幕厚度不得大于2. 3 m，B2，C區(qū)凍土帷幕厚度不得大于2. 6 m，以滿足控制地表變形對(duì)土體凍脹的要求，如圖3所示。暗挖段主體施工完成后采用偶數(shù)管進(jìn)行回填融沉注漿，已達(dá)到控制地表沉降目的。

圖3凍結(jié)分區(qū)示意

2. 2凍結(jié)管布置

根據(jù)凍結(jié)設(shè)計(jì)，確立“凍起來(lái)、抗弱化、控凍脹”的理念，提出“圓形主力凍結(jié)管+異形加強(qiáng)凍結(jié)管+加熱限位管”的凍結(jié)管布置方式:為“凍起來(lái)”在奇數(shù)管內(nèi)布置安裝圓形主力凍結(jié)管并填充混泥土;為“抗弱化”在偶數(shù)管內(nèi)布置安裝異形加強(qiáng)凍結(jié)管，以達(dá)到加強(qiáng)凍結(jié)抵御開(kāi)挖階段凍土弱化目的;為“控凍脹”在奇數(shù)管內(nèi)布置安裝加熱限位管，以達(dá)到控制凍土厚度目的。如圖4所示。

圖4管幕冷凍管布置示意

2. 3凍結(jié)施工步序

凍結(jié)施工主要有以下六個(gè)步序:

1)凍結(jié)準(zhǔn)備工作完成后，開(kāi)啟圓形主力凍結(jié)管進(jìn)行全長(zhǎng)整環(huán)積極凍結(jié)。

2)當(dāng)凍土帷幕發(fā)展厚度超出設(shè)計(jì)值時(shí)，開(kāi)啟加熱限位管，控制凍土厚度。

3)凍結(jié)區(qū)域準(zhǔn)備開(kāi)挖45 d前開(kāi)啟異形加強(qiáng)凍結(jié)管，對(duì)開(kāi)挖區(qū)域加強(qiáng)凍結(jié)。

4)隧道進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)時(shí)，圓形主力凍結(jié)管和異形加強(qiáng)凍結(jié)管共同維持凍土厚度，加熱限位管控制凍土厚度過(guò)大。

5)隧道二襯、三襯完成，達(dá)到保證一定的封水搭接長(zhǎng)度要求后，開(kāi)始停凍凍結(jié)管。

6)通過(guò)凍結(jié)管采用熱鹽水循環(huán)進(jìn)行強(qiáng)制解凍，利用偶數(shù)空管對(duì)土體進(jìn)行跟蹤式融沉注漿，注漿完成后對(duì)空管充填混凝土。

3　施工難點(diǎn)

1)施工地點(diǎn)臨近海邊，地下水受海水潮汐影響產(chǎn)生流動(dòng)而影響凍結(jié)效果，頂部?jī)鼋Y(jié)區(qū)受地下水流動(dòng)影響，不容易凍結(jié)，凍結(jié)體發(fā)展緩慢。

2)隧道埋深淺，位于珠海，長(zhǎng)年氣溫較高，對(duì)制冷效能有直接的影響。

3)施工過(guò)程不能影響拱北口岸正常通關(guān)功能，施工地表建筑物眾多，對(duì)施工控制變形條件要求高。由于地層含水量大，凍結(jié)時(shí)外圍水補(bǔ)給充分，凍脹量將會(huì)很大，會(huì)很直接、快速地向地表釋放，從而產(chǎn)生較大的地層位移，影響地面、建筑物使用安全。

4)適應(yīng)縱向分段、橫向分區(qū)的積極凍結(jié)和維護(hù)凍結(jié)階段的凍結(jié)狀態(tài)綜合控制方法，通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)控制凍土厚度。

5)暗挖斷面尺寸大，凍結(jié)施工時(shí)間長(zhǎng)，凍結(jié)各工序轉(zhuǎn)換頻繁，與開(kāi)挖工序配合度較高，確立隧道施工期凍結(jié)止水帷幕抗弱化和安全控制方法。

6)凍土融沉量與凍脹量成正比，為了避免地面沉降過(guò)大，后期對(duì)融沉處理要求同樣很高，確立凍脹融沉綜合控制方法。

4　施工注意事項(xiàng)

長(zhǎng)距離超大斷面環(huán)形管幕控制性凍結(jié)是一項(xiàng)極其新穎的施工模式，其施工難度不言而喻，為保證施工安全及進(jìn)度，應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題:

1)管幕長(zhǎng)，內(nèi)部空間狹小，布置的管路眾多，材料運(yùn)輸和管路焊接數(shù)量大，應(yīng)設(shè)計(jì)利于人工作業(yè)的平行滑動(dòng)的運(yùn)輸工具，并加強(qiáng)管幕內(nèi)通風(fēng)。

2)凍結(jié)施工時(shí)間長(zhǎng)，做好施工組織設(shè)計(jì)和工期預(yù)判，加強(qiáng)冷凍站安裝質(zhì)量，提高自動(dòng)化程度。

3)隧道頂部受潮汐影響和地層含水量大的凍結(jié)敏感區(qū)域，要先注水泥水玻璃雙液漿改良土體，提高地層力學(xué)性能、降低滲透性，有效控制凍脹和融沉。注漿固結(jié)和凍結(jié)互補(bǔ)，以降低凍結(jié)帷幕施工的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4)全方位凍土帷幕溫度監(jiān)測(cè)。在凍土范圍內(nèi)布置有效的測(cè)溫孔，采用全自動(dòng)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可視化，能及時(shí)反映凍土范圍。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試運(yùn)行合格后再填充奇數(shù)號(hào)管幕，施工中注意監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管線的保護(hù)，若有損壞及時(shí)在偶數(shù)空管補(bǔ)設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

5)偶數(shù)空管兩端應(yīng)設(shè)置臨時(shí)封堵隔熱門(mén)，要達(dá)到既能隔熱較少空氣流通又能讓施工人員進(jìn)入調(diào)整凍結(jié)回路。隧道開(kāi)挖過(guò)程中要減少開(kāi)挖區(qū)域的空氣對(duì)流，以減少對(duì)凍土帷幕的熱擾動(dòng)。

6)隧道開(kāi)挖、周邊構(gòu)筑物、凍土帷幕溫度要全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)調(diào)控凍結(jié)方案和控制參數(shù)。

7)要達(dá)到跟蹤式融沉注漿要求，融沉注漿管路要設(shè)總管和支管，總管為鍍鋅鋼管，支管為抗凍裂橡膠管，融沉注漿孔和管路要在冷凍施工前完成安裝。

5　結(jié)語(yǔ)

目前大規(guī)模管幕凍結(jié)法施工的工程在國(guó)內(nèi)外極為罕見(jiàn)，可供借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)少，但經(jīng)過(guò)業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工等單位幾年的努力，充分調(diào)查、研究及精心組織，管幕工程已經(jīng)順利完成，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)均在可控范圍內(nèi)。水平控制性凍結(jié)止水帷幕施工即將開(kāi)始，要面對(duì)的困難還很多。以上分析對(duì)人工凍結(jié)有一定的指導(dǎo)作用，相信施工中會(huì)不斷優(yōu)化調(diào)整凍結(jié)參數(shù)，確保隧道安全，降低施工成本，控制性凍結(jié)技術(shù)必將會(huì)取得豐碩成果。

參考文獻(xiàn)

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(責(zé)任審編趙其文)

Construction scheme on horizontal controllable freezing waterstop curtain used in Gongbei tunnel

LIU Yingliang

( China Railway 18th Bureau Group Co．，Ltd．，Tianjin 300222，China)

Abstract:T he Gongbei Port T unnel excavation section of Hong Kong-Zhuhai-M acao Bridge and Zhuhai Link applied the advanced large curved pipe curtain and horizontal controllable freezing waterproof method，which was a new pipe curtain freezing method．T he key of this method is a positive freeze of the full-length ring together with segmented partition maintenance freeze．T his paper introduced the freeze design of the horizontal freezing waterproof curtain construction，the layout of freeze pipes and the freeze construction steps．T he potential difficulties and attentions of the construction scheme were given，facilitating the completion of the project．

Key words:Hong Kong-Zhuhai-M acao Bridge; Gongbei tunnel; Pipe curtain freezing method; Freezing scheme; Construction analysis

文章編號(hào):1003-1995( 2016) 02-0056-03

作者簡(jiǎn)介:劉應(yīng)亮( 1980—)，男，高級(jí)工程師。

收稿日期:2015-08-25;修回日期: 2015-11-06

中圖分類號(hào):U455．49

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．13