廣州市軌道交通三號線天河客運站折返線冷凍法施工摘要:簡要介紹廣州地鐵天河客運站折返線采用冷凍法的具體施工技術方案,為特殊地質條件下冷凍法的應用提供了一些成功的經驗。關鍵詞:花崗巖殘積土;冷凍;凍脹;融沉;施工監測1工程概況 廣州市軌道交通三號線天河客運站折返線位于廣州市天河廣汕公路地面以下,雙線隧道凈斷面呈馬蹄形,隧道凈高9.15m,凈寬11.4m。初期支護采用350mm厚的C20網噴混凝土,內襯采用450mm厚的C20、S8模筑鋼筋混凝土。 該折返線所處巖土層自上而下分別為:①人工填土層;②粗砂層;③粉質粘土層;④淤泥質土層;⑤花崗巖殘積土層:天然狀態下具有良好的力學性質,壓縮性中等偏高,遇水易軟化和強度降低,泡水后甚至出現塌方和流砂;⑥全風化花崗巖:呈中密～密實,透水性較強,遇水易軟化崩解,局部夾強風化花崗巖碎塊,平均厚度7.89m,最大厚度19.7m。 折返線隧道在天然狀態下的涌水量為1801m3/d,穩定水位埋深1.25～3.1m,平均1.76m。2 暗挖凍結法施工方案的確定2.1 該折返線斜穿廣汕公路和沙河立交橋,該區段道路兩側地下管線縱橫交錯且數量較多,路面交通繁忙,無法封路施工。
2.2不良地質 隧道主要穿越的地層是花崗巖殘積土,裂隙發育,遇水后易崩解,在地下水作用下強度大幅降低,甚至易發生坍塌現象,遇水軟化崩解是花崗巖風化殘積土和全風化帶的典型特點。鑒于此,隧道經多方案比選,決定采用水平凍結法加固地層,淺埋暗挖法開挖主襯砌。折返線雙線隧道地層凍結長度約為138.8m,采用全斷面帷幕凍結施工方案。3隧道暗挖凍結法施工工藝3.1隧道暗挖凍結法施工方法 先在隧道周圍布置水平凍結孔,并在孔中循環低溫鹽水,使凍結孔附近的含水地層結冰,形成強度高、封閉性好的凍結壁即凍土帷幕,然后在凍結壁的保護下運用礦山法進行隧道開挖與構筑施工。 隧道開挖開挖采用CRD法,采用復合式襯砌,初期支護由噴射混凝土、鋼筋網和格柵鋼架組成,二襯采用模筑鋼筋混凝土。3.2凍結施工工藝 施工準備→凍結孔施工,同時安裝凍結制冷系統→安裝凍結鹽水系統和檢測系統→積極凍結→試挖→隧道掘進與初襯施工,維護凍結→停止凍結。折返線隧道全長138.8m,均分為南、北兩段,每段長71.9m,保證末端搭接凍結范圍在5m以上。4凍結施工4.1主要施工技術參數 凍結壁厚度為2.0m,凍土帷幕平均溫度為-8℃,凍土抗折強度和抗剪強度分別取1.6MPa和1.8MPa,單軸抗壓強度為5.0MPa。4.2水平凍結孔的布置凍結孔的開孔布置 如圖1,單斷面孔數為46個,選用f108×8低碳鋼無縫鋼管,采用絲扣連接,凍結孔開孔布置軸線距隧道開挖邊緣設計為1.0m,南、北端面凍結孔位為錯位布置。4.3測溫孔、水文孔和卸壓孔的布置 隧道每斷面設長測溫孔2個,L=75m;短測溫孔2個,L=20～30m,分別布置在隧道凍結壁的內外側; 隧道兩端設水文孔和卸壓孔各4個,深約2～8m,孔口安裝泄壓閥和壓力表,均選用f108×8低碳鋼無縫鋼管,水文孔主要報導凍結帷幕是否交圈,卸壓孔的目的是消除凍結過程中的凍脹水壓力。4.4凍結制冷施工 ⑴凍結最大需冷量及凍結設備選擇 考慮廣州地區平均氣溫較高,施工中冷量損耗較大,故采用1.3倍的制冷系數,確保凍結過程足夠的需冷量和降溫速度。 Qmax=1.3pLq=43.8×104kcal/h(凍結管最大散熱系數q=300kcalh-1m-2)(單站凍結制冷量)。 制冷設備選擇氟利昂螺桿式冷凍機組,南段和北段冷凍站選擇標準制冷量分別為50×104kcal/h和25×104kcal/h的冷凍機組各2臺,以確保凍結連續運轉和快速降溫。 ⑵鹽水系統 鹽水選用CaCl2鹽水溶液為冷媒劑,溶液比重控制在1260kg/m3范圍,凝固點為-38.6℃,循環量為220m3/h。 ⑶冷卻水循環系統 每端安裝6臺LBN-100型玻璃鋼冷卻塔,單臺循環水量為100m3/h,冷卻水總循環量W=W1+W2=448m3/h(W1、W2分別為冷凍機的冷卻水需用量和冷凝器的實際需水量)。5 凍結施工與隧道掘砌施工的配合 5.1為了避免凍結時間過長,凍土進入開挖端面過多,一方面要避免凍結孔距開挖區太近,另一方面又可考慮開挖過程中調整鹽水循環量或采用間歇式凍結,控制凍土發展速度,提高挖土速度。 5.2嚴格控制開挖進度和凍結壁暴露時間,采用小斷面和小步距及時跟進鋼格柵支護和噴射混凝土,噴射混凝土中適量摻入早強和抗凍添加劑,控制混凝土入模溫度,確保凍結壁和初襯的穩定。 5.3高溫混凝土噴射到凍結壁上,會使凍結壁表面出現一定厚度的融凍層,再次回凍后會產生一定的凍脹力,初支強度應考慮凍脹力的影響,確保凍結壁和初支噴射混凝土的安全,并鋪設保溫層。6 施工監測 在隧道開挖過程中,對隧道及其周邊設施采取了全方位的監測,主要項目包括:凍結壁斷面內水文卸壓孔壓力變化;開挖后凍結壁表面溫度,地面的沉降位移;隧道的水平及垂直方向的收斂變形;凍結器的去、回路鹽水溫度、卻循環水進、出水溫度等。 監測結果顯示,隧道經5個月的積極凍結后,冷凍壁實現交圈,交圈厚度最小為4.0m,滿足設計要求。隧道開挖過程中隧頂沉降最大值小于2cm,路面及其周邊設施處于完全狀態,確保了隧道開挖及襯砌的順利施工。7結語 7.1在隧道開挖過程中,根據凍結及地層情況,合理控制掘砌步長,步長距離宜控制在0.5～1.0m,以免步距過大引起凍結壁變形造成地表沉降。 7.2根據測溫孔溫度、水文泄壓孔水位及溫度等多項指數的綜合分析,判定凍結壁確已交圈,且已達到設計要求的強度和厚度,才可進行隧道試挖。 7.3為防止土層中的水結冰膨脹而引起凍脹,可采取以下措施:加強凍結壁溫度、厚度監測,及時調節凍結鹽水溫度和凍結時間,采用間隔制冷凍結措施;在開挖斷面內施工泄壓孔,減少凍脹壓力;加強內襯結構強度,防止凍脹對結構產生破壞影響。 7.4為防止凍土融化后土中的水分因自重作用漸小,融土在圍巖壓力及土顆粒自重作用下體積壓縮而引起融沉,可在隧道開挖過程中,在軟土、粘土中預埋注漿孔,在凍結壁融化時,視融沉的發展情況及時跟蹤壓密注漿來加以控制。
2.2不良地質 隧道主要穿越的地層是花崗巖殘積土,裂隙發育,遇水后易崩解,在地下水作用下強度大幅降低,甚至易發生坍塌現象,遇水軟化崩解是花崗巖風化殘積土和全風化帶的典型特點。鑒于此,隧道經多方案比選,決定采用水平凍結法加固地層,淺埋暗挖法開挖主襯砌。折返線雙線隧道地層凍結長度約為138.8m,采用全斷面帷幕凍結施工方案。3隧道暗挖凍結法施工工藝3.1隧道暗挖凍結法施工方法 先在隧道周圍布置水平凍結孔,并在孔中循環低溫鹽水,使凍結孔附近的含水地層結冰,形成強度高、封閉性好的凍結壁即凍土帷幕,然后在凍結壁的保護下運用礦山法進行隧道開挖與構筑施工。 隧道開挖開挖采用CRD法,采用復合式襯砌,初期支護由噴射混凝土、鋼筋網和格柵鋼架組成,二襯采用模筑鋼筋混凝土。3.2凍結施工工藝 施工準備→凍結孔施工,同時安裝凍結制冷系統→安裝凍結鹽水系統和檢測系統→積極凍結→試挖→隧道掘進與初襯施工,維護凍結→停止凍結。折返線隧道全長138.8m,均分為南、北兩段,每段長71.9m,保證末端搭接凍結范圍在5m以上。4凍結施工4.1主要施工技術參數 凍結壁厚度為2.0m,凍土帷幕平均溫度為-8℃,凍土抗折強度和抗剪強度分別取1.6MPa和1.8MPa,單軸抗壓強度為5.0MPa。4.2水平凍結孔的布置凍結孔的開孔布置 如圖1,單斷面孔數為46個,選用f108×8低碳鋼無縫鋼管,采用絲扣連接,凍結孔開孔布置軸線距隧道開挖邊緣設計為1.0m,南、北端面凍結孔位為錯位布置。4.3測溫孔、水文孔和卸壓孔的布置 隧道每斷面設長測溫孔2個,L=75m;短測溫孔2個,L=20～30m,分別布置在隧道凍結壁的內外側; 隧道兩端設水文孔和卸壓孔各4個,深約2～8m,孔口安裝泄壓閥和壓力表,均選用f108×8低碳鋼無縫鋼管,水文孔主要報導凍結帷幕是否交圈,卸壓孔的目的是消除凍結過程中的凍脹水壓力。4.4凍結制冷施工 ⑴凍結最大需冷量及凍結設備選擇 考慮廣州地區平均氣溫較高,施工中冷量損耗較大,故采用1.3倍的制冷系數,確保凍結過程足夠的需冷量和降溫速度。 Qmax=1.3pLq=43.8×104kcal/h(凍結管最大散熱系數q=300kcalh-1m-2)(單站凍結制冷量)。 制冷設備選擇氟利昂螺桿式冷凍機組,南段和北段冷凍站選擇標準制冷量分別為50×104kcal/h和25×104kcal/h的冷凍機組各2臺,以確保凍結連續運轉和快速降溫。 ⑵鹽水系統 鹽水選用CaCl2鹽水溶液為冷媒劑,溶液比重控制在1260kg/m3范圍,凝固點為-38.6℃,循環量為220m3/h。 ⑶冷卻水循環系統 每端安裝6臺LBN-100型玻璃鋼冷卻塔,單臺循環水量為100m3/h,冷卻水總循環量W=W1+W2=448m3/h(W1、W2分別為冷凍機的冷卻水需用量和冷凝器的實際需水量)。5 凍結施工與隧道掘砌施工的配合 5.1為了避免凍結時間過長,凍土進入開挖端面過多,一方面要避免凍結孔距開挖區太近,另一方面又可考慮開挖過程中調整鹽水循環量或采用間歇式凍結,控制凍土發展速度,提高挖土速度。 5.2嚴格控制開挖進度和凍結壁暴露時間,采用小斷面和小步距及時跟進鋼格柵支護和噴射混凝土,噴射混凝土中適量摻入早強和抗凍添加劑,控制混凝土入模溫度,確保凍結壁和初襯的穩定。 5.3高溫混凝土噴射到凍結壁上,會使凍結壁表面出現一定厚度的融凍層,再次回凍后會產生一定的凍脹力,初支強度應考慮凍脹力的影響,確保凍結壁和初支噴射混凝土的安全,并鋪設保溫層。6 施工監測 在隧道開挖過程中,對隧道及其周邊設施采取了全方位的監測,主要項目包括:凍結壁斷面內水文卸壓孔壓力變化;開挖后凍結壁表面溫度,地面的沉降位移;隧道的水平及垂直方向的收斂變形;凍結器的去、回路鹽水溫度、卻循環水進、出水溫度等。 監測結果顯示,隧道經5個月的積極凍結后,冷凍壁實現交圈,交圈厚度最小為4.0m,滿足設計要求。隧道開挖過程中隧頂沉降最大值小于2cm,路面及其周邊設施處于完全狀態,確保了隧道開挖及襯砌的順利施工。7結語 7.1在隧道開挖過程中,根據凍結及地層情況,合理控制掘砌步長,步長距離宜控制在0.5～1.0m,以免步距過大引起凍結壁變形造成地表沉降。 7.2根據測溫孔溫度、水文泄壓孔水位及溫度等多項指數的綜合分析,判定凍結壁確已交圈,且已達到設計要求的強度和厚度,才可進行隧道試挖。 7.3為防止土層中的水結冰膨脹而引起凍脹,可采取以下措施:加強凍結壁溫度、厚度監測,及時調節凍結鹽水溫度和凍結時間,采用間隔制冷凍結措施;在開挖斷面內施工泄壓孔,減少凍脹壓力;加強內襯結構強度,防止凍脹對結構產生破壞影響。 7.4為防止凍土融化后土中的水分因自重作用漸小,融土在圍巖壓力及土顆粒自重作用下體積壓縮而引起融沉,可在隧道開挖過程中,在軟土、粘土中預埋注漿孔,在凍結壁融化時,視融沉的發展情況及時跟蹤壓密注漿來加以控制。
