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施工技术

地铁区间泵房下穿既有地铁结构冻结加固技术研究

日期：2016-7-22 14:46:52　来源：转载　浏览数：
　

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    地铁隧道施工风险主要存在于隧道掘进和联络通道施工两个阶段，其中联络通道事故更为常见。联络通道施工通常采用暗挖矿山法，常因土体加固质量存在问题，使联络通道开挖面土体失稳，不仅会造成已贯通隧道衬砌结构损坏，而且还会引起周边建筑物的破坏［1］。特别是在下穿既有地铁结构时，如果土体加固止水效果差，容易使既有结构破坏，甚至造成重大工程事故带来恶劣社会影响。
    地层冻结加固技术是一种封水性好、强度高、复原性好的环保型施工技术［2］，而且加固效果明显，还可避免大面积拆迁。随着冻结工艺的改进，加之冻结法低成本化趋势，其在城市地下工程中被广泛采用，特别是在类似联络通道这种复杂的隧道施工中，其作用无可替代。
    1 ·工程概况
    北京地铁六号线二期工程起点—物资学院站区间泵房位于左线最低点处，泵房处隧道中心轨面标高3. 827 m，地面标高26. 7 m，结构覆土19. 523 m，结构距上部既有六号线一期出入段线结构4. 978 m，泵房结构包括与隧道二衬相接的喇叭口、直墙圆弧拱结构的横通道和中部矩形集水井三个部分，见图1。

    横通道及泵房主要位于⑤2 粉细砂层、⑤1 中粗砂层、⑥黏土层中，地层透水性强、承载力低，极易在开挖中发生大的沉降造成既有结构破坏，因此，在该地层内开挖构筑泵房，必须先对施工影响范围内的土体进行加固处理。
    2· 工法选择
    本工程区域内水文地质情况复杂，地下水流速大，地层含水率高，易产生涌泥、涌水现象; 结构施工环境差，空间小; 泵房拱顶混凝土不易浇捣密实，不易保证结构的抗渗要求; 环境要求高、干扰多、工期紧; 地表交通繁忙; 既有地铁结构对沉降及变形要求高。
    在含水砂层中开挖地铁隧道，主要是固砂堵水，保证地层稳定，控制地表沉降［3］。根据该泵房埋深和土层特性，若采用普通单轴和双轴搅拌桩、旋喷桩等地面加固方法，很难保证加固质量。若选用大型三轴搅拌桩，占用地面场地过大［4］，很难进行交通疏解和管线迁移，同时会对既有地铁结构造成影响。
    综合地质情况和周边环境因素，并结合地铁联络通道施工经验，确定采用“隧道内钻孔，水平冻结临时加固土体，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倾斜孔冻结加固地层，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房的开挖构筑施工。地层冻结和开挖构筑施工均在区间隧道内进行。其施工顺序为: 施工准备→冻结孔施工( 同时安装冻结制冷系统、盐水系统和检测系统) →隧道支撑→积极冻结→探孔试挖→拆钢管片→联络通道掘进与临时支护→联络通道永久支护→泵房开挖与临时支护→泵房永久支护→土层注浆充填→自然解冻融沉注浆。冻结孔施工、临时支护施工和自然解冻融沉注浆为本工程的关键工序［5-8］。
    3 ·冻结加固设计
    3. 1 设计原则
    人工冻结法施工时，冻结壁起临时支护作用，必须具有足够的强度和稳定性，这就要求冻结壁有一定厚度。冻结壁厚度取决于结构所受的外荷载和材料的强度。外荷载主要包括温度荷载和土压力。温度荷载是因为地下水在0 ℃ 以下结成冰，体积会发生膨胀，由于冻结体受周围土体约束，就产生了冻胀力; 土压力是由土体自重产生的作用力，受土体本身特性、地下水位、埋深等因素影响［9］。
    冻结法可实际应用于各种形状、大小和深度的场地，连接通道的形状将决定冰冻管的现场布置以及是否需将冰冻管竖向或水平移动［10］。冰冻管布置的间距和位置取决于要求时间内开挖区冻土要达到的强度和冻结墙厚度。冻结管将与循环管路系统连接用以传递制冷介质，冰冻墙的形成速度直接由制冷介质的温度、热量转换区域的大小及冰冻管的间距决定。
    选择冻土层形状时应考虑尽可能减少连接通道开挖过程中土压力变化在冻土中产生的弯矩，确定冻土厚度时应考虑冻土厚度和冻土强度参数的组合，以达到经济和安全的目的。基本设计原则为冻土中不容许出现拉应力以及屈服点。同时还应考虑冷冻管的合理布置及冷冻管对主隧道的影响等因素。
    遵照以上原则，结合现场实际情况，进行如下设计。

    1) 冻土强度的设计指标为单轴抗压不小于6 MPa，弯折抗拉不小于2. 0 MPa，抗剪不小于1. 5 MPa( － 10 ℃) 。
    2) 积极冻结时，在冻结区附近200 m 范围内不得采取降水措施。在冻结区内土层中不得有集中水流。
    3) 在冻结壁附近隧道管片内侧敷设保温层，敷设范围至设计冻结壁边界外2 m。保温层采用阻燃( 或难燃) 的软质塑料泡沫软板，厚度20 mm，导热系数不大于0. 04 W/( m·K) ; 塑料软板外喷30 mm 厚的发泡聚氨脂保温层。
    4) 设计积极冻结时间为42 d。要求冻结孔单孔流量不小于5 m/h; 积极冻结7 d 盐水温度降至－ 18 ℃ 以下; 积极冻结15 d 盐水温度降至－ 24 ℃ 以下，去路和回路盐水温差不大于2 ℃; 开挖时盐水温度降至－ 28 ℃ 以下。如盐水温度和盐水流量达不到设计要求，应延长积极冻结时间。每米冻结管的设计散热量不应小于100 kcal /h。
    5) 开挖区外围冻结孔布置圈上冻结壁与隧道二衬交界面处平均温度不高于－ 5 ℃。其它部位冻结壁平均温度≤ － 10 ℃。
    3. 3 冻结孔设计
    冻结孔布置见图3。

    1) 冻结孔开孔位置误差不大于100 mm，应避开管片接缝、螺栓、主筋和钢管片肋板。
    2) 冻结孔最大允许偏斜200 mm( 冻结孔成孔轨迹与设计轨迹之间的距离) 。
    3) 冻结孔最大允许间距为1 800 mm。
    4) 冻结管用89 × 8 mm 低碳钢无缝钢管。冻结管耐压不低于0. 8 MPa，并且不低于冻结工作面盐水压力的1. 5 倍。
    5) 冻结管接头抗拉强度不低于母管的80%。
    6) 施工冻结孔时土体流失量不得大于冻结孔体积，否则应及时进行注浆控制地层沉降。
    3. 4 冻胀融沉控制
    冻结过程中主要采取冻结释压的方法控制冻胀。为减小冻结施工对主隧道和周围环境的影响，隧道壁上布置2 个泄压孔。冻结过程中要加强对泄压孔压力的监测，当压力上涨超过初始压力0. 2 MPa 时，需及时打开泄压孔，释放因地层冻胀引起的冻胀力。同时在冻结壁交圈之前，安装好预应力支架，进一步控制隧道壁的变形。整个冻结过程引起的冻胀量小于允许值( 6 mm) ，说明冻结施工过程中的各种控制冻胀措施可行。
    融沉主要是冻土融化时排水固结引起的，滞后于冻土融化［11］。为加速冻土融化，工程中对冻结土体采取自然解冻的方式解冻，并根据地层监测情况进行冻结壁融沉补偿注浆。融沉补偿注浆通过预埋的注浆管和隧道内的注浆孔进行，补偿注浆加速了融土固结，减少了后期因融土压密固结产生的沉降。至施工结束，沉降量小于允许值( 6 mm) ，完全控制在设计范围内。
    4 ·施工监测
    4. 1 温度监测
    为了准确掌握冻结温度场变化情况，掌握冻结壁厚度和平均温度、冻结壁与隧道壁界面温度、开挖区附近地层冻结情况以及确定开挖施工时间，对温度进行了同步监测。设置6 个测温孔用于测量冻结和解冻时期的温度场。典型测温孔T1 的监测结果见图4。

    由图4 可见，在冻结初期，冻结土体的温度呈线性下降。当土体的温度降到－ 15 ℃ 后，温度下降梯度变小，这是由于测点处土体中的液态水发生相变，热交换比较剧烈。在冻结45 d 前后冻结壁开始交圈。此后土体进入平缓负降温期，土中仍含有一部分未冻水，随着冻结的继续进行，温度继续下降，土中未冻水含量减少，温度下降梯度趋于平缓。
    4. 2 地表变形监测
    在施工期间应监测隧道结构变形、地面及周围管线、建( 构) 筑物变形。监测范围: 泵房及通道结构外侧各20 m 以内。监测结果见图5。由图5( a) 可见，积极冻结初期由于冻结孔施工地表发生沉降，约10 d 后土体发生冻胀，最终冻胀量为5 mm。由图5( b) 可见，融沉注浆初期沉降较大，但随着注浆量的增加，地表上抬，沉降逐步得到控制。整个注浆过程中地表沉降量＜ 6 mm，满足结构沉降控制要求。

    5 ·结语
    1) 实践证明冻土帷幕和冻结工艺设计合理，利用地表、地铁隧道的跟踪变形监测数据及其它信息指导、调整各环节的施工工艺，是保证施工安全的重要措施。
    2) 积极冻结期间冻土的冻胀量＜ 6 mm，对既有结构不致造成危害，表明土体冻结时引起的过量冻胀通过设置压力释放孔、局部冻结等措施得到了有效控制。
    3) 融沉注浆期间冻土的融沉＜ 6 mm，表明土体融沉通过自然解冻和融沉注浆得到了有效控制。
    4) 该实例为北京地区首次采用冷冻法下穿既有地铁区间结构的工程，即保证了地铁通道施工的安全，又保证了工程质量和进度。施工监测和质量跟踪观测结果表明该冷冻法施工是成功的，可供同类工程施工参考。