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地铁隧道联络通道及排水泵房冻结加固 2009-3-16 11:29:33  seven 转载 《中国市政》原作者：高波            地铁隧道联络通道及排水泵房冻结加固技术   摘要:介绍了南京地铁试验段联络通道冻结法施工过程。对冻结管施工、冻结、开挖构筑各阶段的施工技术难点及对策作了;同时,对施工监测数据进行总结,找到了冻结过程中温度、地面变形、冻胀压力等的变化规律。 关键词:地铁隧道;联络通道;冻结法施工;监测         双线地铁隧道长度>1 km时,一般需要在上、下行隧道之间设置联络通道和泵站,用于意外事故时人员疏散和渗漏水排放。 1工程概况       南京地铁试验段(中华门站—三山街站区间隧道)在里程K5+438处上下行线间设置联络通道及排水泵房,隧道中心埋深13.133 m。 1.1工程地质       南京地铁试验段地貌隶属于岗前洪积层—古秦淮河冲积漫滩平原。经人类长期堆填,除秦淮河岸边场地外,现地势较为平坦。根据地质勘察报告,联络通道及泵房所处位置的土层为粉土②1-1c3层、粉质黏土②1-2b2层,淤泥质粉质黏土②2-1b3-4层,粉砂②2-2d3层,粉土②2-3c2-3层。土层透水性差,是旁通道冻结施工较为有利的土层。各土层的物理力学性质见表1。 1.2施工       由于隧道处于人行道、机动车道下,为了减少对交通的影响,结合工程地质条件及其他施工条件,确定采用“隧道内钻孔冻结加固,矿山法暗挖构筑”的施工方案,即在隧道内利用水平孔和部分傾斜孔冻结加固地层,使联络通道及集水井外围土体冻结,形成强度高、封闭性好的冻土帷幕,然后根据“新奥法”的基本原理,在冻土中采用矿山法进行联络通道及泵站的开挖构筑施工。地层冻结和开挖构筑施工均在区间隧道内进行。 2联络通道及泵房施工       联络通道及排水泵房工程结构由2个与隧道(钢管片)相交的喇叭口、通道及集水井等组成。联络通道结构由20 cm厚的喷锚混凝土保护层、EVA防水层、40 cm厚的钢筋混凝土层组成。 2.1冻结施工       1)计算联络通道、喇叭口、泵房冻结帷幕厚度。       (1)根据地质资料,地面标高为+10.5 m,隧道中心埋深13.133 m,按p=13H(式中:p为土的荷载,kPa;H为土的埋深,m)计算联络通道的上部荷载和侧向荷载。计算模型采用矩形刚架(冻结孔布置按矩形布置),设冻土帷幕厚度为1.6 m,通道开挖轮廓高为4.24 m,宽3.20 m,计算该结构内部的弯矩和轴力,进而求得截面内的压应力、拉应力的剪应力。       (2)联络通道两端的喇叭口冻结帷幕断面形状与联络通道类似,经同样设计步骤,得到冻土结构的断面应力状况,在底部的截面处要求冻土厚度为2.0 m。       (3)泵房集水井为矩形断面,深约3.4 m。经计算,需要的冻结帷幕厚1.8 m。       2)根据冻结帷幕设计及联络通道的结构,冻结孔按上仰、近水平、下俯3种角度布置。开孔间距为0.6～0.7 m,冻结孔数58个。冻结管是在下行线隧道中钻进施工的。       3)确定的冻结参数见表2。       4)冷冻机及冻结系统辅助设备见表3。       5)冻结管、测温孔管选用Φ95 mm×6 mm 20号低碳无缝钢管;供液管选用Φ50.8 mm钢管,采用焊接连接;盐水干管和集配液圈选用Φ159 mm×6 mm无缝钢管;冷却水管选用Φ133 mm×4.5 mm无缝钢管。       6)用电负荷约200 kW/h;选用N40冷冻机油;选用氟立昂R-22作制冷剂;选用氯化钙溶液作冷媒剂。 2.2冻结施工技术要点       根据国内外最新研究成果和施工,提出以下冻结施工技术措施。       1)在已贯通的隧道钻冻结孔,根据联络通道的结构,采用上仰、近水平和下俯3种角度成孔。       2)由于冻土抗拉强度低,因此要做好冻结和开挖的配合工作,及时封闭薄弱的冻结壁。根据开挖后冻结帷幕变形情况,调整开挖构筑工艺。       3)为减小土层冻胀,隧道上下对称布置冻结孔,在适当部位设卸压孔,并采用小开孔距,以较低盐水温度和较大盐水流量,加快冻结速度。       4)为了加强上行线一侧冻结帷幕的交圈效果,2根冻结孔水平穿透2条隧道,并在上行线一侧围绕联络通道口设置冻结管路,使之冷冻时形成一个冻结饼,从而加强了上行线一侧冻结效果。       5)在冻土帷幕关键部位,多布置测温孔,监测冻土帷幕的形成过程和形成状况。       6)进行冻结地层温度、地层沉降的量测,以指导联络通道的施工。 2.3冻结施工       从冷冻机启动开始冻结至联络通道结构施工完成,可以非常明显地将土体在冻结过程中的温度变化区分为2个阶段:温度剧烈变化期(在土体温度下降至0℃前,土体的温度下降较快,最大下降幅度达到2 K/d)和温度下降缓和期(随着土体温度继续下降到0℃左右,土体开始冻结,直至交圈,形成冻土墙,在此阶段冻土的温度下降逐渐趋缓,平均下降约为0.5 K/d)。进入维护冻结期后,为了保证开挖构筑施工安全,冷冻机一直维持运行,冻土温度持续下降,最低处土体温度下降至约-30℃。 2.4冻结效果分析       1)冷冻机开机2 d后,盐水温度降到-20℃(降温较快),到第39 d盐水温度已降到-33℃(降温正常),盐水的去、回路温度差从开始的平均2 K降到0.5 K,说明地层的热负荷减少,冻土帷幕形成良好。       2)隧道两侧有10个测温孔。实测资料:测孔5距冻结主面750 mm,冻土平均发展速度为27.8 mm/d;测孔3距冻结主面400 mm,冻土平均发展速度为26.7 mm/d;测孔2距冻结主面500 mm,冻土平均发展速度为25.0 mm/d。以上3孔的冻土平均发展速度为26.5 mm/d。按此推算,冻结时间39 d,冻土发展厚度可达2.06 m,超过设计厚度0.46 m。       3)下行隧道一侧布置4个冻胀压力测孔,根据实测冻胀压力数据,测孔1冻结时间19 d,最大冻胀压力达到0.73 MPa;测孔4冻结时间20 d,最大冻胀压力达到1.81 MPa。说明冻结20 d左右,冻土柱已经交圈,冻结帷幕已基本形成,此后,冻胀压力趋于稳定并逐步减少,冻土帷幕厚度增加,符合冻土冻结规律。       4)下行隧道一侧旁通道开挖断面内布置1个泄压孔,到第26 d,压力不再升高,说明冻结帷幕内的自由水已经基本补给到冻土中(由于水分迁移的作用),到35 d打开该泄压孔,曾有少量水和泥浆流出,且即停止;敞开该孔,并没有水再流出。       5)根据地面变形的监测资料,到31 d,地面变形趋于稳定(联络通道上方地面的最大变形量为15 mm),说明冻土结构的扩展速度变缓慢。       6)观察隧道内管片上的结霜情况,结霜的范围和轮廓比较均匀,属正常,反映出冻结过程是正常的。 2.5结构施工       1)在1条隧道内的联络通道开口处搭设工作平台,并将该隧道作为排渣及材料运输通道。       2)经探挖、试挖、确认可以进行正式开挖后,打开钢管片,根据“新奥法”的基本原理,进行暗挖法施工。       3)采取分区、分层方式进行开挖,采用短段、短砌技术,开挖步距控制在0.3～0.5 m;开挖顺序为通道→喇叭口→泵房。       4)因两端喇叭口处断面较大,为减轻开挖对隧道变形的影响,开挖步距控制在0.3 m。       5)由于冻土强度高、韧性好,普通手镐无法施工,需采用风镐进行掘进。       6)结构施工顺序:支护混凝土喷锚(保护层)→防水层EVA板施工→永久结构混凝土浇筑。 3施工监测 3.1监测点布置       1)在下行线隧道中布置4个测温孔(其中3个兼作测压孔),上行线隧道中布置6个测温孔。每个测温孔中布置3个测点(从隧道管片往里依次为测点1、2、3),各测点间距为1 m,测点1离管片外壁1 m。       2)在联络通道上部布置了8个变形测点。 3.2施工监测分析       1)在整个施工过程中,地面变形可明显地分为4个阶段。       (1)冻结孔施工阶段(共21 d)。主要表现为地面发生沉降,但沉降量不大(最大值为5 mm),这是因为在冻结孔施工过程中,有部分水土流出冻结孔,地层发生了一定的损失;为减少地面变形,故在每个冻结孔施工完成后进行注浆(每孔注0.5 t水泥浆,注浆压力控制在0.2～0.3 MPa),有效地控制了地面沉降。       (2)冻结管施工完成后的积极冻结阶段(共41d)。在开始的10 d时间里,因土体温度处于下降阶段,但还未冻结,故地层变形平缓;随着土体温度下降至0℃以下时,土体发生冻结;伴随着土中水分及迁移过来的水分的冻结,土体的体积发生膨胀,引起了地面的迅速隆起。       (3)积极冻结完成后的开挖阶段(共8 d)。由于在开挖过程中采取了及时支护措施,地面隆起速率变小,几乎为0。       (4)开挖完成后的结构构筑阶段(共32 d)。由于开挖完成后进行了及时支护,虽冻结继续进行,但土体发生融变变形不大,地面变形继续表现为缓慢地隆起。       结构施工完成后,进入了解冻阶段。为了防止解冻造成地面的较大沉降,利用预埋注浆管进行了注浆处理,故地面未发生大的沉降。       2)冻胀力在土体温度>0℃时几乎为0;在冻结初期几乎不发生变化,随着土体温度的下降,土体进入冻结,冻胀力开始迅速增大;随着温度的进一步下降,增长率减小;冻胀力的发展大部分发生在积极冻结期间。 在开挖、构筑阶段,冻胀力有一定的发展,但发展的趋势趋缓;在构筑完成后,冻胀力发展到最大值。 4结语       联络通道的施工包括冻结孔施工、冻结施工、开挖构筑等多个阶段,必须针对各个阶段的特点及可能出现的问题,采取相应的措施。以监测到的温度、地面变形、冻胀压力等数据来指导施工,才能保证施工安全。