飽和粉砂地層中地鐵車站交叉穿越凍結(jié)法施工技術(shù)摘　要:簡要介紹了上海地鐵明珠線上體場車站穿越原地鐵一號線上體館站段(簡稱穿越段)凍結(jié)施工情況。在穿越段施工中,根據(jù)工程特點,采用了水平凍結(jié)孔施工技術(shù)和地層凍脹融沉控制技術(shù),并采取了在凍結(jié)壁易散熱界面上現(xiàn)場噴涂聚胺脂泡沫層和敷設冷凍排管等保溫與加強凍結(jié)措施來保證凍結(jié)壁質(zhì)量,取得了良好效果,保證了安全順利施工,同時確保了穿越段上方地鐵一號線車站結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及地鐵運營安全?！　￡P(guān)鍵詞:飽和粉砂;地鐵車站;凍結(jié)法;水平凍結(jié)孔;凍脹變形1穿越段工程概況 上海地鐵明珠線上體場車站穿越原地鐵一號線上體館站段(以下簡稱穿越段)由上行線隧道和下行線隧道組成,隧道斷面尺寸6.16ｍ×6.38ｍ(高×寬),長22.6ｍ。穿越段與地鐵一號線斜交成79°,方向為由東向西。穿越段東端與明珠線上體場站相連,西端為明珠線區(qū)間隧道盾構(gòu)工作井。 穿越段附近地面絕對標高+4.19ｍ。穿越段結(jié)構(gòu)頂面標高為-10.08ｍ,緊貼地鐵一號線車站底板。穿越段結(jié)構(gòu)底面標高為-15.82ｍ。穿越段所處地層主要為飽和灰色淤泥質(zhì)粘土和砂質(zhì)粉土,地下水位與地面接近。穿越段施工采用凍結(jié)法加固地層,礦山法開挖的方案。 穿越段工程施工難度及風險均較大,主要原因一是穿越段上方為地鐵車站和城市干道立交橋,周邊有多幢住宅和重要公共建筑;二是穿越段結(jié)構(gòu)緊貼地鐵一號線車站底板,同時開挖范圍內(nèi)有近4ｍ厚的超細粉砂地層,且地下水水壓較高;三是穿越段需穿透兩道厚0.8ｍ的原地鐵一號線車站結(jié)構(gòu)圍護地下連續(xù)墻,開挖跨度較大。2凍結(jié)施工方案設計 由于穿越段開挖范圍內(nèi)有近4ｍ厚的超細粉砂層,且地下水水壓較高,施工時很容易發(fā)生水砂突出災難性事故。尤其是穿越段上方緊挨原地鐵車站,要求施工引起的原地鐵車站結(jié)構(gòu)沉降要控制在毫米級以內(nèi),對施工方案選擇提出了很高的要求。根據(jù)以往施工經(jīng)驗,目前在隧道工程施工中經(jīng)常采用的降水、注漿、管棚以及頂管等工法在該工程中都難以實施,或存在極大的風險,因而必須尋找一種新的施工方法,以徹底解決堵水、加固和有效控制周圍地層及建筑物變形的難題。 地層凍結(jié)法是用人工制冷的方法使含水地層凍結(jié),形成凍土,從而提高地層穩(wěn)定性和止水性的地層加固方法,適用于飽和砂土、淤泥等各種復雜地層加固。地層凍結(jié)法技術(shù)可靠,對施工條件要求寬,國際工程界認為它是在其他地層加固方法難以應用時的最終解決方案。 盡管地層凍結(jié)法有很多優(yōu)點,但根據(jù)分析,在穿越段工程中應用該項技術(shù)還存在一些技術(shù)難題。首先是地層凍結(jié)時會產(chǎn)生凍脹變形,最大凍脹量可以達到凍土體積的7%以上,而凍土解凍時又會發(fā)生收縮融沉,且收縮量可以超過凍脹量,從而使周圍地層出現(xiàn)明顯隆起和沉降現(xiàn)象,引起周圍建筑物移位或產(chǎn)生變形破壞。其次是穿越段工程凍結(jié)邊界條件極為復雜,凍結(jié)區(qū)與地鐵一號線車站底板、圍護地下連續(xù)墻等易散熱物體直接接觸,使得接觸面處特別容易出現(xiàn)凍結(jié)薄弱區(qū),從而影響凍結(jié)維護結(jié)構(gòu)的強度與封水性。第三是在擬開挖隧道周圍施工凍結(jié)鉆孔和安裝凍結(jié)管難度較大,鉆孔時容易發(fā)生水砂突出事故。 下行線隧道與上行線隧道均采用“田”字形斷面的凍結(jié)壁形式,凍結(jié)設計參數(shù)見附表。凍結(jié)系統(tǒng)設計最低鹽水溫度為-28～-30℃,維護凍結(jié)鹽水溫度為-20℃,單孔鹽水流量為5～7ｍ3/ｈ。每條隧道計算需冷量為470ＭＪ/ｈ,實際裝機制冷量為700ＭＪ/ｈ。3 凍結(jié)施工關(guān)鍵技術(shù)3.1 水平凍結(jié)孔施工技術(shù) (1)采用二次開孔工藝,以防鉆透地下連續(xù)墻時大量出泥出水。一次開孔采用金剛石取心鉆在地下連續(xù)墻上鉆進300ｍｍ深左右,不鉆透連續(xù)墻。一次開孔鉆進完畢,下入孔口管并安裝閥門,接著進行二次開孔鉆進,直至鉆透連續(xù)墻。連續(xù)墻鉆透后,立即退出開孔鉆頭,關(guān)閉閥門。 (2)用夯管法下凍結(jié)管,夯管和鉆進時安裝類似軸封的孔口止水裝置。對于需要穿透對側(cè)地下連續(xù)墻的凍結(jié)孔,則先用夯管法下套管(套管下至對側(cè)連續(xù)墻墻面),然后用鉆機在套管中鉆透對側(cè)連續(xù)墻,再用夯管法下入凍結(jié)管。鉆進對側(cè)地下連續(xù)墻時,鉆頭部位安裝逆止閥和巖心管。 (3)下完凍結(jié)管后,對凍結(jié)管與孔口管及套管間的間隙和孔口附近地層進行注漿充填。 (4)下泄壓管(濾水管)時,在泄壓管內(nèi)裝滿三合土,以防夯進泄壓管時出水,影響施工。 (5)確保凍結(jié)孔定位準確。凍結(jié)管夯進時,預設朝隧道外結(jié)構(gòu)面法向的外偏角為0 .5～1°,以防凍結(jié)孔太靠近開挖面,影響凍結(jié)壁有效厚度。3.2 地層凍脹和融沉控制技術(shù) (1)在凍結(jié)壁內(nèi)未凍土中設泄壓孔,通過放水、排泥來減小凍結(jié)壁內(nèi)的水土壓力和消散作用在地鐵一號線上體館站底板上的凍結(jié)附加力。泄壓孔采用Φ140ｍｍ以上的鉆孔。泄壓孔濾管不包紗網(wǎng),以便在凍脹引起地層壓縮時,可從泄壓孔泄水或排除部分土體。施工中可根據(jù)車站結(jié)構(gòu)及地層變形監(jiān)測結(jié)果和泄壓孔中的水壓變化情況進行泄壓。 (2)在地鐵一號線上體館站底板附近增設凍結(jié)孔和加熱孔各1個,加熱孔兼作測溫孔。根據(jù)工程監(jiān)測結(jié)果,合理調(diào)整凍結(jié)孔的供冷量。在特殊情況下,還可通過在加熱孔中循環(huán)熱水來迅速提高凍結(jié)壁溫度,使凍結(jié)壁軟化,從而減小凍脹力。在采取上述措施的同時,還注意控制好上體館站底板附近凍結(jié)孔的鹽水流量,使車站底板下邊的溫度處在-5～-10℃之間,實現(xiàn)了在保證凍土強度的情況下,盡量減小車站底板溫度應力的目的。 (3)合理安排凍結(jié)順序,減小凍脹引起的地層變形。根據(jù)不同位置凍結(jié)壁受力分布情況以及不同位置地層的凍脹和強度特性變化,分5步進行凍結(jié)。其中一號線上體館站底板下第2、第3個凍結(jié)孔晚開凍7ｄ,以便形成緩凍層,減小凍脹力。 (4)在積極凍結(jié)過程中,待地鐵一號線車站底板隆起接近警戒值時,立即減少車站底板下1～2ｍ范圍內(nèi)凍結(jié)孔的供冷量,使凍土溫度升高,利用高溫凍土在荷載作用下容易蠕變和應力松弛顯著的特點,迅速減小凍結(jié)壁作用在車站底板上的凍脹力,從而達到減小車站底板隆起量的目的。 (5)在靠近上體館車站底板附近凍結(jié)壁墻界面上水平布置凍脹變形釋放孔。根據(jù)車站底板變形監(jiān)測情況,必要時可拔出凍脹釋放孔內(nèi)的鋼管,使土體內(nèi)的凍脹力得到釋放。 (6)對凍結(jié)過程中車站結(jié)構(gòu)的變形或受力變化情況進行監(jiān)測,分析凍結(jié)施工對車站結(jié)構(gòu)的最終影響,為調(diào)整凍結(jié)施工參數(shù)提供依據(jù)。通過調(diào)整鹽水流量和鹽水溫度來控制凍結(jié)壁厚度,使其保持在設計值左右。 (7)由于凍結(jié)壁解凍時有少量收縮,從而使地層產(chǎn)生融沉,可能給上部一號線上體館站帶來不良影響。為此,施工時在隧道襯砌上預留注漿管,在凍結(jié)壁化凍過程中進行注漿,以補償?shù)貙尤诔痢?(8)停凍后采取強制化凍措施,以盡快化凍,恢復穿越段附近地層的水土壓力,減小地鐵一號線車站底板沉降,縮短融沉補償注漿工期。4 凍結(jié)壁質(zhì)量保證措施 (1)凍結(jié)壁邊界保溫。穿越段頂部和東西兩側(cè)均為原地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu),屬易散熱體。為了保證凍結(jié)壁質(zhì)量,施工中對這3側(cè)混凝土結(jié)構(gòu)暴露面采用現(xiàn)場噴涂聚胺脂泡沫層的方法保溫, 收到了較好效果。 (2)在凍結(jié)壁兩端處的地鐵一號線車站地下連續(xù)墻表面敷設冷凍排管,以加強凍結(jié)壁與連續(xù)墻交界面處的凍結(jié)。 (3)控制凍結(jié)孔與地鐵一號線車站底板間的距離。由于混凝土散熱比土層要容易得多,會嚴重影響車站底板和地下連續(xù)墻附近土層的凍結(jié)速度和凍土強度,進而影響凍結(jié)壁的整體穩(wěn)定性和封水性。為此,設計要求位于地鐵一號線車站底板下的凍結(jié)孔要盡量靠近底板布置,并在車站底板下挨近底板布置兩個凍結(jié)孔,確保車站底板下的凍結(jié)壁厚度與溫度達到設計要求。 (4)為了確保凍結(jié)壁與對側(cè)地下連續(xù)墻之間沒有影響安全的薄弱環(huán)節(jié),穿越段外圍凍結(jié)壁側(cè)墻和底板的主凍結(jié)孔必須穿透對側(cè)地下連續(xù)墻,同時凍結(jié)管進入對側(cè)地下連續(xù)墻內(nèi)不得小于400ｍｍ。 (5)加強凍結(jié)過程中的檢測和控制。通過檢測和控制各凍結(jié)孔的鹽水流量和鹽水溫度,使凍結(jié)壁快速均勻發(fā)展。在穿越段開挖過程中,通過對凍結(jié)壁暴露面和支護層的溫度、變形以及地鐵一號線上體館站結(jié)構(gòu)變形等的監(jiān)測,判斷凍結(jié)壁質(zhì)量是否滿足設計要求,凍結(jié)施工是否會對地鐵一號線上體館站的正常運行和穿越段開挖造成不良影響,并根據(jù)具體情況,及時調(diào)整凍結(jié)時間、凍結(jié)鹽水溫度和鹽水流量,確保開挖施工安全順利。5結(jié) 語 (1)穿越段凍結(jié)施工中提出的“田”字形凍結(jié)壁設計,夯管法與鉆進法相結(jié)合的凍結(jié)孔施工技術(shù),控溫凍結(jié)與間歇凍結(jié)相結(jié)合的凍脹控制技術(shù), 以及凍結(jié)壁界面處加強凍結(jié)措施,符合工程特點,地層加固效果好,為穿越段安全順利施工創(chuàng)造了良好條件,同時確保了穿越段上方地鐵一號線車站結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及地鐵運營安全。 (2)采用夯管法結(jié)合鉆進法的凍結(jié)孔施工技術(shù),解決了在流砂地層中施工凍結(jié)孔時(尤其是穿透對側(cè)地下連續(xù)墻時)容易發(fā)生水砂突出的問題;并且施工工藝簡單,效率較高,施工質(zhì)量完全能滿足凍結(jié)施工安全的需要。 (3)實測顯示,凍脹引起的地鐵一號線車站底板隆起主要發(fā)生在凍結(jié)壁交圈期間;車站底板凍脹隆起總量在3ｍｍ以內(nèi),與預計值接近,未超過規(guī)定值。這表明控溫凍結(jié)和間歇凍結(jié)等抑制凍脹的措施對控制地層凍脹隆起具有明顯的作用。 (4)施工中合理布置凍結(jié)孔,同時采取在凍結(jié)壁易散熱界面上噴涂聚胺脂泡沫層和敷設冷凍排管等保溫與加強凍結(jié)措施,使凍結(jié)壁與老結(jié)構(gòu)之間基本不存在凍結(jié)薄弱區(qū),對保證施工安全具有重要意義。 (5)隧道開挖時,開挖區(qū)地層已基本凍實,開挖面穩(wěn)定,凍結(jié)壁具有足夠的承載力,可保證施工安全。開挖時實測的凍結(jié)壁變形量不超過2ｍｍ,初期支護承受的壓力也不大。 (6)下行線隧道停凍后的監(jiān)測表明,由于凍結(jié)壁解凍時采取盡快化凍,恢復水土壓力和融沉補償注漿等措施,地層凍融引起的地鐵一號線車站底板基本上未發(fā)生沉降。