天津地鐵1號線下瓦房—白樓旁通道凍結帷幕的設計與施工重點分析摘 要:從煤礦建井施工法到公共建筑施工方法互相采用是目前各不同行業間施工技術相互滲透、相互影響的結果。文章針對地鐵工程中聯絡通道采用凍結施工法進行施工給予了從設計到施工重點的細致論述,探討了適合北方地鐵凍結施工的工法。 關鍵詞:凍結施工法;聯絡通道;隧道;帷幕 天津地鐵1號線工程下瓦房-小白樓聯絡通道施工,是天津市在地鐵盾構區間首次采用的凍結施工法,雖然該方法在煤礦中廣泛應用,但在北方地鐵,特別是天津地鐵還是首次。由于該方法施工成本較低,質量易于保證,因此,將其成熟的支護、開挖技術應用到北方地鐵是極其重要的。做為凍結法中關鍵工序及控制點:凍結帷幕的質量關系到整個工程的質量與安全,筆者將已完成的下瓦房-白樓聯絡通道有關凍結帷幕的設計和施工的重點進行分析,共同探討適合北方地鐵凍結施工的工法。1工程概況 該聯絡通道工程位于天津市河西區下瓦房-小白樓區間隧道的中部,即ＤＫ16+400.000ｍ處,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,結構襯為鋼筋混凝土,結構底部埋深約22ｍ,設計加固地層體積約為2100ｍ3,采用凍結法支護、開挖。 聯絡通道由與左、右線隧道正交的水平通道及通道中部的集水井組成(見圖1)。
工程地質條件:聯絡通道位置地面標高為+2.2ｍ左右,隧道上覆土層厚14.6ｍ。聯絡通道施工范圍內土層主要為第四系全新統中組相層粉土、淤泥質粉質粘土和第四系上更新統三組相層粉質粘土,其土層土質松軟、結構松散、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,開挖后天然土體本身難以自穩。因此,在該地層內開挖構筑聯絡通道前,凍結帷幕的質量尤為重要。2 凍結帷幕方案設計2.1 凍結帷幕方案設計 凍結帷幕方案設計的基本原則是:①凍結帷幕方案設計必須滿足聯絡通道施工的安全和質量要求,即保證凍土帷幕有足夠的強度,凍結帷幕水平孔(斜孔)布設合理,滿足施工及規范要求,在設計中應重點考慮聯絡通道頂部薄弱部位。②凍結帷幕水平孔(斜孔)凍結方案應結合現場實際情況,便于隧道開挖和支護,施工安全、可靠,施工費用低,施工工期短。③設計應考慮對凍脹、融沉的防范措施。2.2 凍結帷幕厚度設計 根據在部分地鐵工程聯絡通道凍結施工經驗計算式:ｔ=Ａｌｎ(ｒ/Ｅ)式中 ｒ———計算點到凍結管距離,ｍ; Ｅ———凍結帷幕外側厚度,ｍ; Ａ———經驗參數,取Ａ=19 69; Ｔ———計算點凍結帷幕溫度,℃。凍結帷幕內側厚度Ｅ′=1 .4Ｅ,凍結帷幕平均厚度1. 4ｍ。 由于聯絡通道結構復雜,土層條件差,考慮到工程的安全及質量等,對凍土帷幕采用有限元分析軟件ＡＮＳＹＳ進行了應力場分布和位移場分布情況的三維有限元數值分析,并根據計算結果進行了強度驗算,確定設計凍土帷幕厚度為:嗽叭口1.6ｍ,聯絡通道1.4ｍ,集水井1. 2ｍ。2.3凍結帷幕交圈計算 凍結前,同一深度的地層具有相同的原始溫度,凍結開始后,通過凍結管把冷量傳給地層,在凍結管周圍產生降溫區,形成以凍結管為中心的凍結圓柱,并逐漸到相鄰的凍結圓柱連接形成封閉的凍結圓筒,形成冷凍結層,即為凍結帷幕交圈。 凍結帷幕交圈時間主要與凍結孔間距、鹽水溫度、土層性質、凍結管直徑、地層原始溫度、以及凍結器環形空間內鹽水運動狀態等因素有關。凍結帷幕交圈時間計算公式為:2 .5 凍結孔布置及制冷設計2 .5 .1 凍結孔的布置 根據凍結帷幕設計及聯絡通道的結構,凍結孔沿通道四周布置,按上仰、近水平、下俯三種角度布置。凍結孔采用上下各三排,左右各一排布置,凍結孔共設77個,開孔間距為0 .5～1 .2ｍ,利用水平孔和部分傾斜孔凍結加固地層,使聯絡通道及集水井外圍土體凍結,形成強度高,封閉性好的凍土帷幕。 在現場實際操作中,可根據鉆機情況、管片配筋情況和聯絡通道擬開管片的實際位置等,對鉆孔孔位作少量調整,但最大間距不得大于1 .0ｍ。2 .5 .2 制冷設計2. 5. 2. 1 凍結參數確定 1)設計鹽水溫度為-28～-30℃。 2)積極凍結時間為30ｄ,維護凍結時間為35ｄ。 3)測溫孔和卸壓孔分別為8個和4個。 4)凍結管總長度為785ｍ。2 .5 .2. 2 需冷量和冷凍機選取型凍結需冷量:Ｑ=1 2·ｄ·Ｈ·Ｋ式中 Ｈ———凍結總長度,ｍ; ｄ———凍線管直徑,ｍ; Ｋ———凍結管散熱系數,ｋｃａｌ/ｍ2·ｈ。 將上述參數代入公式得Ｑ=65813ｋｃａｌ/ｈ,考慮到其它因素設計工況制冷量為87500ｋｃａｌ/ｈ。3方案設計、施工技術要點分析及措施 凍結帷幕設計及施工過程有方案設計、施工準備、冷凍系統安裝等工序組成,見圖2。 由于該聯絡通道位于鬧市區地下,地面有天津圖書大廈、建行大廈等重要建筑設施,且所處地層主要為粉質粘土,含水量高,因此,在地層凍結施工中必須采取切實可靠的技術措施,以確保聯絡通道施工和地面建、構筑物和交通安全。根據地鐵聯絡通道的施工經驗與教訓,我們在設計及凍結施工過程中對以下方面進行了分析和控制:3.1凍土帷幕強度問題 凍土帷幕的關鍵點在其拱部,在聯絡通道頂部設三排凍結孔,以加大凍土帷幕拱部厚度,并使聯絡通道頂部的一排凍結孔穿越對面隧道頂部管片,確保凍土帷幕拱部與隧道管片間的有足夠大的接觸面積;為了確保凍土帷幕強度和穩定性,在具體結構設計時,選擇比較安全的平面彈性計算模型,適當加大安全系數,并用三維有限單元計算進行校核,在工藝設計時,取較大的備用系數,即實際加固范圍要比結構設計大。3.2凍土帷幕與隧道管片間的密封 根據地鐵聯絡通道和隧道出洞地層凍結施工經驗,由于混凝土和鋼管片相對于土層要容易散熱得多,會嚴重影響隧道管片附近土層的凍結速度和凍結強度,從而影響凍土帷幕的整體穩定性和封水性。為此,設計及施工過程中,采用在對面隧道管片內側敷設冷管和保溫層等措施,以確保凍土帷幕不存在影響安全的薄弱環節。3.3凍結孔施工安全與孔口密封 用金剛石取芯鉆開孔,跟管鉆進法下凍結管。凍結孔開孔前,在布孔范圍內打若干小口徑鉆孔,探測地層穩定情況。如發現砂層,先進行水泥-水玻璃雙液壁后注漿,以提高孔口附近地層的穩定性,然后再鉆進凍結孔。凍結施工結束后,孔口管管口焊上鋼板,以免工程結束后鉆孔孔口漏水。3.4凍結過程檢測與控制 在凍土帷幕內布置測溫孔和壓力釋放與觀測孔,以便正確測定凍土帷幕厚度和判斷凍土帷幕是否交圈。對側隧道管片附近土層的凍結情況將成為控制整個凍土帷幕安全的關鍵,為此,在對側隧道管片上沿凍土帷幕四周安裝測溫孔,以全面監測凍土帷幕的形成過程,當泄壓孔波動較大,凍結溫度停止在某個區域范圍內,應加強檢測,以確定帷幕是否交圈。凍結孔施工質量的檢驗與控制方法見表1,凍結系統運轉與凍土墻壁形成質量檢驗方法見表2。3.5地層凍脹的控制和土層融沉補償控制 在凍結帷幕內設泄壓孔,凍結開始后根據檢測數據進行泄壓以減小土層凍脹及其對隧道的影響,保證聯絡通道結構施工質量,并在聯絡通道結構中預埋注漿管,利用隧道或聯絡通道內的注漿孔跟蹤注漿加以補強,以補償土層融沉,控制地表變形,防止凍脹和融沉對隧道及地面的影響。3.6通道開挖工程中的凍土帷幕安全監控 由于凍土的蠕變性很好,凍土帷幕在破壞前必然有一個較大的蠕變過程,可以通過檢查開挖過程中的凍土帷幕變形情況判斷其安全性。為此,在開挖過程中必須及時進行凍土帷幕變形和溫度觀測,如遇凍土帷幕有明顯變形,立即用鋼支架背板支撐,調整開挖構筑工藝,并同時加強凍結,或在薄弱處凍土帷幕表面,噴灑低溫氮氣。4 結 語 小白樓站～下瓦房站區間聯絡通道工程自2004年8月11日實施凍結,9月6日左右凍結帷幕交圈,形成凍結帷幕,9月20日達到凍結帷幕設計厚度,由于嚴格按照方案進行施工,并加強了以上各點的控制,從現場開挖看,凍結帷幕凍結均勻,凍結質地堅硬,各項指標與設計基本相符,達到設計等控制目標。
工程地質條件:聯絡通道位置地面標高為+2.2ｍ左右,隧道上覆土層厚14.6ｍ。聯絡通道施工范圍內土層主要為第四系全新統中組相層粉土、淤泥質粉質粘土和第四系上更新統三組相層粉質粘土,其土層土質松軟、結構松散、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,開挖后天然土體本身難以自穩。因此,在該地層內開挖構筑聯絡通道前,凍結帷幕的質量尤為重要。2 凍結帷幕方案設計2.1 凍結帷幕方案設計 凍結帷幕方案設計的基本原則是:①凍結帷幕方案設計必須滿足聯絡通道施工的安全和質量要求,即保證凍土帷幕有足夠的強度,凍結帷幕水平孔(斜孔)布設合理,滿足施工及規范要求,在設計中應重點考慮聯絡通道頂部薄弱部位。②凍結帷幕水平孔(斜孔)凍結方案應結合現場實際情況,便于隧道開挖和支護,施工安全、可靠,施工費用低,施工工期短。③設計應考慮對凍脹、融沉的防范措施。2.2 凍結帷幕厚度設計 根據在部分地鐵工程聯絡通道凍結施工經驗計算式:ｔ=Ａｌｎ(ｒ/Ｅ)式中 ｒ———計算點到凍結管距離,ｍ; Ｅ———凍結帷幕外側厚度,ｍ; Ａ———經驗參數,取Ａ=19 69; Ｔ———計算點凍結帷幕溫度,℃。凍結帷幕內側厚度Ｅ′=1 .4Ｅ,凍結帷幕平均厚度1. 4ｍ。 由于聯絡通道結構復雜,土層條件差,考慮到工程的安全及質量等,對凍土帷幕采用有限元分析軟件ＡＮＳＹＳ進行了應力場分布和位移場分布情況的三維有限元數值分析,并根據計算結果進行了強度驗算,確定設計凍土帷幕厚度為:嗽叭口1.6ｍ,聯絡通道1.4ｍ,集水井1. 2ｍ。2.3凍結帷幕交圈計算 凍結前,同一深度的地層具有相同的原始溫度,凍結開始后,通過凍結管把冷量傳給地層,在凍結管周圍產生降溫區,形成以凍結管為中心的凍結圓柱,并逐漸到相鄰的凍結圓柱連接形成封閉的凍結圓筒,形成冷凍結層,即為凍結帷幕交圈。 凍結帷幕交圈時間主要與凍結孔間距、鹽水溫度、土層性質、凍結管直徑、地層原始溫度、以及凍結器環形空間內鹽水運動狀態等因素有關。凍結帷幕交圈時間計算公式為:2 .5 凍結孔布置及制冷設計2 .5 .1 凍結孔的布置 根據凍結帷幕設計及聯絡通道的結構,凍結孔沿通道四周布置,按上仰、近水平、下俯三種角度布置。凍結孔采用上下各三排,左右各一排布置,凍結孔共設77個,開孔間距為0 .5～1 .2ｍ,利用水平孔和部分傾斜孔凍結加固地層,使聯絡通道及集水井外圍土體凍結,形成強度高,封閉性好的凍土帷幕。 在現場實際操作中,可根據鉆機情況、管片配筋情況和聯絡通道擬開管片的實際位置等,對鉆孔孔位作少量調整,但最大間距不得大于1 .0ｍ。2 .5 .2 制冷設計2. 5. 2. 1 凍結參數確定 1)設計鹽水溫度為-28～-30℃。 2)積極凍結時間為30ｄ,維護凍結時間為35ｄ。 3)測溫孔和卸壓孔分別為8個和4個。 4)凍結管總長度為785ｍ。2 .5 .2. 2 需冷量和冷凍機選取型凍結需冷量:Ｑ=1 2·ｄ·Ｈ·Ｋ式中 Ｈ———凍結總長度,ｍ; ｄ———凍線管直徑,ｍ; Ｋ———凍結管散熱系數,ｋｃａｌ/ｍ2·ｈ。 將上述參數代入公式得Ｑ=65813ｋｃａｌ/ｈ,考慮到其它因素設計工況制冷量為87500ｋｃａｌ/ｈ。3方案設計、施工技術要點分析及措施 凍結帷幕設計及施工過程有方案設計、施工準備、冷凍系統安裝等工序組成,見圖2。 由于該聯絡通道位于鬧市區地下,地面有天津圖書大廈、建行大廈等重要建筑設施,且所處地層主要為粉質粘土,含水量高,因此,在地層凍結施工中必須采取切實可靠的技術措施,以確保聯絡通道施工和地面建、構筑物和交通安全。根據地鐵聯絡通道的施工經驗與教訓,我們在設計及凍結施工過程中對以下方面進行了分析和控制:3.1凍土帷幕強度問題 凍土帷幕的關鍵點在其拱部,在聯絡通道頂部設三排凍結孔,以加大凍土帷幕拱部厚度,并使聯絡通道頂部的一排凍結孔穿越對面隧道頂部管片,確保凍土帷幕拱部與隧道管片間的有足夠大的接觸面積;為了確保凍土帷幕強度和穩定性,在具體結構設計時,選擇比較安全的平面彈性計算模型,適當加大安全系數,并用三維有限單元計算進行校核,在工藝設計時,取較大的備用系數,即實際加固范圍要比結構設計大。3.2凍土帷幕與隧道管片間的密封 根據地鐵聯絡通道和隧道出洞地層凍結施工經驗,由于混凝土和鋼管片相對于土層要容易散熱得多,會嚴重影響隧道管片附近土層的凍結速度和凍結強度,從而影響凍土帷幕的整體穩定性和封水性。為此,設計及施工過程中,采用在對面隧道管片內側敷設冷管和保溫層等措施,以確保凍土帷幕不存在影響安全的薄弱環節。3.3凍結孔施工安全與孔口密封 用金剛石取芯鉆開孔,跟管鉆進法下凍結管。凍結孔開孔前,在布孔范圍內打若干小口徑鉆孔,探測地層穩定情況。如發現砂層,先進行水泥-水玻璃雙液壁后注漿,以提高孔口附近地層的穩定性,然后再鉆進凍結孔。凍結施工結束后,孔口管管口焊上鋼板,以免工程結束后鉆孔孔口漏水。3.4凍結過程檢測與控制 在凍土帷幕內布置測溫孔和壓力釋放與觀測孔,以便正確測定凍土帷幕厚度和判斷凍土帷幕是否交圈。對側隧道管片附近土層的凍結情況將成為控制整個凍土帷幕安全的關鍵,為此,在對側隧道管片上沿凍土帷幕四周安裝測溫孔,以全面監測凍土帷幕的形成過程,當泄壓孔波動較大,凍結溫度停止在某個區域范圍內,應加強檢測,以確定帷幕是否交圈。凍結孔施工質量的檢驗與控制方法見表1,凍結系統運轉與凍土墻壁形成質量檢驗方法見表2。3.5地層凍脹的控制和土層融沉補償控制 在凍結帷幕內設泄壓孔,凍結開始后根據檢測數據進行泄壓以減小土層凍脹及其對隧道的影響,保證聯絡通道結構施工質量,并在聯絡通道結構中預埋注漿管,利用隧道或聯絡通道內的注漿孔跟蹤注漿加以補強,以補償土層融沉,控制地表變形,防止凍脹和融沉對隧道及地面的影響。3.6通道開挖工程中的凍土帷幕安全監控 由于凍土的蠕變性很好,凍土帷幕在破壞前必然有一個較大的蠕變過程,可以通過檢查開挖過程中的凍土帷幕變形情況判斷其安全性。為此,在開挖過程中必須及時進行凍土帷幕變形和溫度觀測,如遇凍土帷幕有明顯變形,立即用鋼支架背板支撐,調整開挖構筑工藝,并同時加強凍結,或在薄弱處凍土帷幕表面,噴灑低溫氮氣。4 結 語 小白樓站～下瓦房站區間聯絡通道工程自2004年8月11日實施凍結,9月6日左右凍結帷幕交圈,形成凍結帷幕,9月20日達到凍結帷幕設計厚度,由于嚴格按照方案進行施工,并加強了以上各點的控制,從現場開挖看,凍結帷幕凍結均勻,凍結質地堅硬,各項指標與設計基本相符,達到設計等控制目標。
