地鐵區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)法施工技術(shù)研究

蘭少波

(北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司,北京 100080)

0 引言

濟(jì)南城市軌道交通3號(hào)線二期工程川流站—向陽站區(qū)間,起始里程右CK24+250.000(川流站中心里程),終點(diǎn)里程右CK27+747.000(向陽站中心里程),全長(zhǎng)3 497 m。本區(qū)間采用盾構(gòu)法施工,設(shè)4個(gè)聯(lián)絡(luò)通道。隧道底埋深約14.98 m～24.91 m。于右CK24+976.250、右CK25+435.000、右CK26+550.000、右CK27+100.000分別設(shè)置1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)聯(lián)絡(luò)通道,其中1號(hào)及4號(hào)聯(lián)絡(luò)通道兼作泵房:于右CK25+977.000設(shè)置區(qū)間風(fēng)井。聯(lián)絡(luò)通道特征參數(shù)見表1。

表1 聯(lián)絡(luò)通道特征參數(shù)表

聯(lián)絡(luò)通道施工前需對(duì)周圍地層采取可靠的加固措施,為了確保施工的安全性,采取了凍結(jié)法和礦山暗挖法來加固土層[1],并且在施工過程中采取了必要的防護(hù)措施,加強(qiáng)了監(jiān)測(cè),以減少對(duì)周圍環(huán)境和地下管線的不利影響[2]。凍結(jié)法設(shè)計(jì)范圍包括地層凍結(jié)加固[3]、初期支護(hù)、隧道預(yù)應(yīng)力支撐和防護(hù)門設(shè)計(jì)。

區(qū)間隧道管片采用內(nèi)徑5 800 mm,外徑6 400 mm,厚300 mm,外部覆蓋了一個(gè)1 200 mm的混凝土管片。這種建筑物的連接處是由二次襯砌的,并在初期支撐層與永久性建筑物的連接處處于防水狀態(tài)。這種建筑物的連接處是由鋼筋混凝土組成的,它的外部覆蓋物厚度在450 mm～650 mm,拱頂厚度在500 mm～600 mm。初期的支撐是由20號(hào)的工字鋼支撐,再配上C25的噴射混凝土,初期的支撐層厚度在300 mm,其中包括50 mm的木背板,以及50 mm厚的鋼支撐和噴漿層。

1 擬建場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

1.1 地層巖性條件

根據(jù)區(qū)間詳勘云及線路地質(zhì)縱斷面圖,各聯(lián)絡(luò)通道所在地層詳見表2。

表2 聯(lián)絡(luò)通道地層參數(shù)表

1.2 水文地質(zhì)條件

在長(zhǎng)期浸水條件下擬建工程沿線地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性,在干濕交替作用下對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具弱腐蝕性。地表至地表下5.0 m范圍內(nèi)按照有干濕交替作用考慮,地表下5.0 m以下按長(zhǎng)期浸水考慮[4]。

1.3 管線情況調(diào)查

1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道上方無管線。2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道上方無管線。3號(hào)聯(lián)絡(luò)通道上方有一根通信管300 mm×100 mm銅,埋深1.44 m,1根配水管o820鑄鐵,埋深0.88 m,4號(hào)聯(lián)絡(luò)通道上方有一根通信管400 mm×200 mm銅,埋深1.07 m,1根配水管p400球墨鑄鐵,埋深0.56 m,1根配水管p820鑄鐵,埋深4.1 m。

1.4 施工重難點(diǎn)分析

先在連接隧道的襯墻上鉆出一個(gè)洞,然后等待凝固完成,再對(duì)隧道的墻體和地面進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),以彌補(bǔ)隧道和地面的縫隙。以提高聯(lián)絡(luò)通道的防水性能和防止凍結(jié)壁失去承載力后變形沉降。在凍結(jié)壁融凍過程中和凍結(jié)壁全部融化后進(jìn)行地層沉降跟蹤注漿,將聯(lián)絡(luò)通道沉降嚴(yán)格控制在允許范圍之內(nèi)[5]。

聯(lián)絡(luò)通道施工流程重點(diǎn)如圖1所示,聯(lián)絡(luò)通道周圍土體加固→隧道預(yù)應(yīng)力支架、安全應(yīng)急門安裝→切除開口處管片→施作聯(lián)絡(luò)通道初支、二襯及洞門→拆除隧道支撐[6]。

2 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工

2.1 凍結(jié)加固設(shè)計(jì)

2.1.1 凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)

1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕厚度不小于2.1 m;2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕厚度不小于2.0 m;3號(hào)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕厚度不小于1.8 m;4號(hào)聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)帷幕厚度必須達(dá)到2.0 m,而且凍結(jié)帷幕的平均溫度必須低于-10 ℃,同時(shí),凍結(jié)壁與管片之間的接觸處的平均溫度也必須低于-5 ℃。

在積極凍結(jié)的情況下,200 m以外的地方禁止采取任何形式的降水措施,同時(shí),凍結(jié)區(qū)域內(nèi)的土壤也不允許出現(xiàn)集中的水流。

2.1.2 凍結(jié)孔布置及制冷設(shè)計(jì)

在川—向區(qū)間,為了保證安全,我們?cè)谒淼赖淖蟆⒂疫叿謩e開鑿了1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道和泵站的凍結(jié)孔,這些凍結(jié)孔分別呈現(xiàn)出3種不同的形式:上仰、水平和下俯。其中1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道兼泵站共布置凍結(jié)孔67個(gè)(左線47個(gè),右線20個(gè),透孔4個(gè)),2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道共布置凍結(jié)孔74個(gè)(左線47個(gè),右線27個(gè),透孔4個(gè)),3號(hào)聯(lián)絡(luò)通道共布置凍結(jié)孔61個(gè)(左線45個(gè),右線16個(gè),透孔4個(gè)),4號(hào)聯(lián)絡(luò)通道兼泵站共布置凍結(jié)孔77個(gè)(左線52個(gè),右線25個(gè),透孔4個(gè))。凍結(jié)孔施工前,由測(cè)量技術(shù)人員結(jié)合成型隧道軸線參數(shù),從測(cè)量導(dǎo)線端重新復(fù)核聯(lián)絡(luò)通道中心標(biāo)高[7]。根據(jù)聯(lián)絡(luò)通道透孔的施工情況,通過經(jīng)緯儀測(cè)量,計(jì)算透孔的實(shí)際角度及深度與設(shè)計(jì)參數(shù)比較,如誤差大于設(shè)計(jì)值,對(duì)凍結(jié)孔角度及長(zhǎng)度予以調(diào)整。凍結(jié)孔的布置示意圖見圖2。

2.2 開挖與構(gòu)筑施工

2.2.1 開挖方式

為了提升土體的抗壓性,我們選擇了使用凍結(jié)方式進(jìn)行加固。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是抗壓性好,所以我們建議在喇叭口附近進(jìn)行單次開挖,并且保證連接通道的步伐與支撐柱的間隔相同。

由于土體采用凍結(jié)法加固,強(qiáng)度較高,凍結(jié)帷幕承載能力大,因而除喇叭口處側(cè)墻和拱頂外可以采用全斷面一次開挖,聯(lián)絡(luò)通道開挖步距與支架間距一致。開挖步距不超300 mm,開挖后應(yīng)及時(shí)施工初期支護(hù),初襯混凝土可在開挖完成后一次性噴射施工,在施工過程中,凍結(jié)墻的表層應(yīng)保持在20 mm以內(nèi),而且施工斷面的單邊超挖應(yīng)小于30 mm,同時(shí)施工中的中心線也應(yīng)保持在20 mm以內(nèi)[8]。

喇叭口開挖嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)尺寸挖掘,尤其鋼管片上土體清理干凈,在進(jìn)行喇叭口開挖作業(yè)之前,應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵守檢查規(guī)定,在鋼管片的反面安裝防止水分?jǐn)U散的防滲措施,同時(shí)在整個(gè)斷面上安裝完整的灌漿管。開挖過程中盡量避免破除凍結(jié)管,如破除應(yīng)立即補(bǔ)焊處理。待處理完成后立即恢復(fù)鹽水循環(huán)。當(dāng)架設(shè)臨時(shí)支撐位置與凍結(jié)管位置沖突時(shí),原則上割除臨時(shí)支撐再重新焊接,不得割除凍結(jié)管。

通過對(duì)挖掘過程中土體的加固情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),及時(shí)調(diào)整開挖步伐和支撐結(jié)構(gòu),以確保施工過程的安全性。我們采取短挖短支方式,并且現(xiàn)場(chǎng)配備了套管等相關(guān)應(yīng)急物資來應(yīng)對(duì)斷管及鹽水泄露等狀況的發(fā)生。還要及時(shí)對(duì)暴露的凍結(jié)帷幕進(jìn)行保溫。做好通道變形監(jiān)測(cè),增加鹽水溫度和土體溫度監(jiān)測(cè)頻率。

2.2.2 支護(hù)方式

為了確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,我們采取了兩種不同的支撐方法。第一種是預(yù)應(yīng)力鋼格柵,通過噴射混凝土來保持平整。第二種是現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

1)支護(hù)層:a.格柵加工:根據(jù)1∶1大樣,將格柵鋼架分割成若干個(gè)單元,并將每個(gè)單元的連接板精確焊接,以保證孔眼的對(duì)稱性。在使用之前,要給每個(gè)單元編號(hào),并確保它們沒有任何偏斜、扭曲、錯(cuò)臺(tái)或變形等缺陷[9]。b.格柵架立定位:在進(jìn)行格柵架的安裝之前,必須進(jìn)行精確的測(cè)量,并進(jìn)行必要的檢查。為了保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,應(yīng)該將鋼架盡可能地與地面接觸(空隙小于5 cm),并在其兩邊的地面上放置穩(wěn)固的墊腳。在施工過程中,應(yīng)該在基礎(chǔ)較為堅(jiān)硬的地方設(shè)置墊板,以避免因承重而下沉。c.連接:將連接板對(duì)準(zhǔn),用螺栓緊固,將鋼架與鋼架之間用Φ20螺紋鋼焊接,形成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu),以達(dá)到支撐的目的?？v向連接筋的環(huán)向間距為1 m,在背土面上分層布置,最后使用PZ-6型噴混凝土機(jī)進(jìn)行噴混凝土支撐,噴射混凝土的強(qiáng)度達(dá)到C25,噴混凝土的厚度達(dá)到300 mm。

2)結(jié)構(gòu)層:結(jié)構(gòu)層為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)層厚度按圖紙要求施工,先施工通道和反掏段底板,再施工其側(cè)墻,然后施工拱頂。上部結(jié)構(gòu)全部施工完成后,開挖集水井,最后施工集水井結(jié)構(gòu)層?；炷恋燃?jí)為C40,抗?jié)B等級(jí)為P10。

對(duì)于通道底板澆筑混凝土,為了確保通道底板的質(zhì)量,在設(shè)計(jì)底板厚度時(shí),應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況,采取合理的配合比,以確?；炷恋牧己霉ぷ餍?同時(shí)盡可能減少混凝土的單位用水量,以達(dá)到最佳的施工效果。嚴(yán)格控制混凝土原材料的質(zhì)量和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),選用低水化熱水泥,粗細(xì)骨料的含泥量應(yīng)盡量減少。在選擇大體積混凝土使用的水泥時(shí),在條件許可的情況下,應(yīng)優(yōu)先選用收縮性小的或具有微膨脹性的水泥,根據(jù)工程特點(diǎn),可以利用混凝土后期強(qiáng)度,這樣可以減少用水量,減少水化熱和收縮。加強(qiáng)混凝土的澆灌振搗,提高密實(shí)度,采用兩次振搗技術(shù),改善混凝土強(qiáng)度,提高抗裂性。

2.3 融沉與注漿控制

為了滿足對(duì)外界條件的需求,選擇自然冷卻的技術(shù)。我們使用了先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)來實(shí)時(shí)觀察土壤的溫度、沉淀情況,并使用了先進(jìn)的淺層和深層灌漿技術(shù)來保證灌漿的質(zhì)量,并對(duì)灌漿過程實(shí)時(shí)追蹤。

在注漿完成之后,如果發(fā)現(xiàn)連接處的沉降超過0.5 mm,或者連接處的沉降超過1.0 mm,就需要進(jìn)行凍結(jié)壁融沉補(bǔ)償注漿。如果發(fā)現(xiàn)連接處的沉降超過2.0 mm,就需要暫停注漿。融沉補(bǔ)償注漿的方法是:少量、分次、平穩(wěn)。

1)注漿壓力:融沉補(bǔ)償注漿漿料的組成由水泥-水玻璃雙液漿組成,而水玻璃溶液則是由1倍～2倍的水量組成,兩者的體積比分別是水泥漿、水玻璃、水灰、水等,這樣的混合物可有效地提高注漿的效果,從而達(dá)到融沉補(bǔ)償?shù)哪康?。?.5 MPa以下的壓力下,應(yīng)將注漿覆蓋到所有的凝固區(qū)域。

2)注漿量:將注漿流量調(diào)節(jié)至10 L/min～15 L/min,并將注漿壓力提高至0.5 MPa,使其達(dá)到最佳效果。融沉注漿的總量應(yīng)該約占凍結(jié)體積的20%,但是應(yīng)該考慮到隧道及其周圍環(huán)境的變形情況,因此,應(yīng)該適當(dāng)增加注漿的數(shù)量,使其達(dá)到最佳效果。

3 施工監(jiān)測(cè)

在進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道的注漿和支撐建設(shè)時(shí),我們需要特別關(guān)心地面沉陷和其他可能影響項(xiàng)目安全和環(huán)境的因素。通過對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析,我們應(yīng)該采取有效措施,不斷完善施工方法、工藝和參數(shù),以盡可能降低地層變形。

3.1 凍結(jié)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容及方法

3.1.1 凍結(jié)孔施工監(jiān)測(cè)內(nèi)容及方法

在進(jìn)行凍結(jié)孔施工時(shí),應(yīng)當(dāng)對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行監(jiān)控:1)鉆孔的深度;2)凍結(jié)管的直徑;3)凍結(jié)管的偏斜程度;4)凍結(jié)器的密實(shí)程度;5)輸送管的安裝距離。

凍結(jié)孔施工監(jiān)測(cè)方法:

1)鉆孔長(zhǎng)度、凍結(jié)管長(zhǎng)度和供液管長(zhǎng)度用鋼卷尺直接測(cè)量,所有孔全部測(cè)量。

2)水平凍結(jié)孔偏斜的監(jiān)測(cè)使用經(jīng)緯儀結(jié)合燈光進(jìn)行,所有孔全部測(cè)量。

3)凍結(jié)器密封性能的監(jiān)測(cè)采用管內(nèi)注水、試壓泵加壓的方法試漏,所有孔全部測(cè)量。

3.1.2 凍結(jié)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容及方法

凍結(jié)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容:1)凍結(jié)器去/回路鹽水溫度;2)冷卻循環(huán)水進(jìn)/出水溫度;3)冷凍機(jī)吸/排氣溫度;4)清水泵/鹽水泵工作壓力;5)冷凍機(jī)吸/排氣壓力。

凍結(jié)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法:

1)制冷系統(tǒng)和鹽水系統(tǒng)的工作壓力,直接通過系統(tǒng)上安裝的壓力表量測(cè),每2 h～3 h一次。

2)制冷系統(tǒng)和鹽水系統(tǒng)的溫度通過安裝的溫度計(jì)直接讀取,每2 h～3 h一次。凍土溫度用測(cè)溫儀通過測(cè)溫孔內(nèi)的測(cè)溫線量測(cè),每1 d一次,并上報(bào)監(jiān)理。

3)凍土壓力通過泄壓孔上的壓力表直接讀取,每1 d一次,并上報(bào)監(jiān)理。

3.1.3 凍結(jié)帷幕監(jiān)測(cè)內(nèi)容及方法

監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括:1)測(cè)量?jī)鼋Y(jié)物的溫度變化;2)檢查在開挖后的表面溫度;3)檢查暴露在冰層下的時(shí)間內(nèi)的表面位移。

凍結(jié)帷幕監(jiān)測(cè)方法:

1)凍結(jié)帷幕溫度監(jiān)測(cè),在測(cè)溫孔內(nèi)安裝康銅線熱電偶,使用測(cè)溫儀進(jìn)行量測(cè)。

2)凍結(jié)帷幕幫壁溫度使用高精度點(diǎn)溫計(jì)或用精密水銀溫度計(jì)測(cè)量,監(jiān)測(cè)頻率每天1次～3次,當(dāng)遇工作面溫度過高等不利情況時(shí),每2 h一次。

3)凍結(jié)帷幕表面位移監(jiān)測(cè),在開挖面安裝測(cè)點(diǎn),用收斂?jī)x測(cè)量。每天一次,當(dāng)遇工作面溫度過高等不利情況時(shí),每2 h一次[10]。

3.2 測(cè)點(diǎn)布設(shè)及監(jiān)測(cè)預(yù)警

聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況合理進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè),并滿足監(jiān)測(cè)要求。通道斷面測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖如圖3所示。

1)地面沉降量控制在15 mm內(nèi),地面隆起控制值在5 mm以內(nèi),最大位移速率控制在2 mm/d,路面差異沉降值不大于4.5 mm/3 m。

2)對(duì)于供電400 mm×100 mm銅管變形控制要求:沉降量不大于20 mm,斜率不大于0.005,最大沉降速率不大于2 mm/d。

3)對(duì)于污水HDPE600和1根雨水1 600 mm×1 200 mm混凝土管變形控制要求:沉降量不大于10 mm,斜率不大于0.002,最大沉降速率不大于2 mm/d。

4 結(jié)論與展望

本文針對(duì)濟(jì)南地鐵在濟(jì)南城市軌道交通3號(hào)線二期工程川流站—向陽站區(qū)間的聯(lián)接部分,針對(duì)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)通道及泵房外圍土體凍結(jié),形成強(qiáng)度高、封閉性好的凍結(jié)帷幕。具體提出了凍結(jié)加固和開挖施工以及注漿和施工過程中的融沉控制方案。并且提出了凍結(jié)孔、凍結(jié)系統(tǒng)和帷幕的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方案,同時(shí)在凍結(jié)法實(shí)施過程中,需注意以下幾點(diǎn):

1)施工時(shí)應(yīng)對(duì)影響工程的地下管線進(jìn)行避讓或遷移,對(duì)施工場(chǎng)地附近的地下障礙物及地下管線進(jìn)行仔細(xì)查驗(yàn),采取安全措施,做好相關(guān)管線保護(hù)工作。

2)凍結(jié)法施工是一個(gè)相對(duì)動(dòng)態(tài)的作業(yè)過程,對(duì)盾構(gòu)隧道和周圍環(huán)境的影響不可避免,全面、及時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè),對(duì)保障工程和環(huán)境的安全穩(wěn)定意義重大。