張一寧
(上海斯美科匯建設(shè)工程咨詢有限公司,上海市200092)
2003年7月1日上午7時,上海地鐵4號線位于黃浦江邊的董家渡地面以下約30 m的,正在凍結(jié)法施工的地鐵旁通道發(fā)生流砂事故,工程搶險和恢復耗費了大量的人力、財力和時間,由此造成了十分重大的經(jīng)濟損失。
正在運營中的地鐵1號線寧海西路旁通道和地鐵2號線河南路站—陸家嘴站的旁通道等,都因結(jié)構(gòu)滲漏嚴重并引起隧道變形,嚴重危及地鐵運營安全。
其中地鐵1號線寧海西路旁通道,雖然經(jīng)過多次注漿處理,仍無法堵漏,隧道日益嚴重變形,且難以控制,最后采用了碳纖維加高強度樹脂加固。但近來地鐵陜西南路堵漏加固后的碳纖維剝落至地鐵接觸網(wǎng),造成機車供電線路短路的重大地鐵運營事故。
作為地鐵建設(shè)重大風險源之一的地鐵旁通道和泵站的建設(shè)和維護,一直是困擾建設(shè)者和運營商的難題。本文對地鐵旁通道和泵站的設(shè)計,凍結(jié)法施工的主要風險進行分析探討,試圖提出一些對策,供建設(shè)各方在地鐵區(qū)間優(yōu)化、創(chuàng)新時參考。
旁通道又稱聯(lián)絡通道,是指隧道或地鐵上行、下行線的兩條大致平行隧道之間的連接通道,目前在上海的設(shè)計中,一般設(shè)置在兩條隧道區(qū)間的最低部位處,其主要有兩個功能:(1)消防疏散。當列車在隧道中間發(fā)生火情,需要疏散乘客時,乘客可以通過旁通道緊急疏散至相鄰隧道。它是各種隧道和地鐵區(qū)間等地下工程的一個必不可少的重要組成部分,是關(guān)系到發(fā)生突發(fā)事件時人身安全的重大措施。(2)區(qū)間排水。由于旁通道一般處于隧道內(nèi)坡道最低處,結(jié)合旁通道設(shè)置水泵,可以排除隧道內(nèi)的積水,且在發(fā)生火警并用水滅火時也可迅速用來排除消防用水。
按目前旁通道設(shè)置的有關(guān)規(guī)定,要求地鐵區(qū)間隧道超過600 m就應設(shè)置,一般是旁通道和泵站的集水井在一起。另外為保證地鐵的空氣環(huán)境的質(zhì)量,世界各國在有關(guān)設(shè)計規(guī)范中規(guī)定,地鐵區(qū)間超過1 200 m必須設(shè)置中間風井(現(xiàn)上海規(guī)定最長為1 600 m)。因此旁通道、區(qū)間泵站和中間風井往往還因為施工場地等原因在結(jié)構(gòu)上結(jié)合在一起,如軌道交通4號線董家渡的中間風井和旁通道。
目前上海地鐵旁通道的設(shè)計已基本達到標準化,一般帶有防火門、泵站等。其中泵站的集水井有效蓄水容積為12 m3。但也有資料認為:為滿足地鐵區(qū)間消防滅火30 min的排水需要,集水井蓄水容積至少應為30 m3以上,如按這種觀點,則泵站的排水量至少應達到1 m3/min以上,才不會造成積水。集水井的蓄水容積,因本文篇幅有限在此不作討論。
地鐵4號線董家渡重大事故后,“為何設(shè)旁通道?如何設(shè)?”至今似乎仍有一定的討論必要。
很明顯,董家渡的中間風井本身就是出事故時人員疏散的大通道,人員可直接從中間風井疏散到地面,何須再建造旁通道?難道僅僅是為了在兩條隧道區(qū)間的最低部位處的排水所需建造集水井,從而又不得不設(shè)置了旁通道嗎?從這種意義上說,上海地鐵4號線董家渡重大事故是完全可以避免的。
再如,有些上海地鐵區(qū)間為排水需要建造集水井,進而變成為了建造集水井而設(shè)置旁通道。在建的地鐵11號線某區(qū)間方案,確實值得引起地鐵建設(shè)各方的重視,進行深入地探討研究。該地鐵區(qū)間隧道僅長460 m,按國家和上?,F(xiàn)行規(guī)范都是不必設(shè)置旁通道的,很明顯,因區(qū)間隧道排水的需要而必須設(shè)置集水井,從而又不得不設(shè)置了旁通道,不得不采取凍結(jié)法施工,既增加了不必要的投資,又延長了工期,還增加了施工和運營風險。從優(yōu)化設(shè)計角度出發(fā),這兩種類型的地鐵區(qū)間旁通道是不必設(shè)置的。
在此有必要研究一下黃浦江越江隧道(大隧道)旁通道和區(qū)間泵站設(shè)置:同地鐵區(qū)間隧道一樣,原來黃浦江越江隧道,江底的旁通道也和區(qū)間泵站設(shè)置在一起,也采用凍結(jié)法施工。在上海地鐵4號線董家渡重大事故后,上海復興東路越江隧道的旁通道也還是這樣設(shè)計的。在凍結(jié)法施工中,打集水井凍結(jié)管時發(fā)生了重大險情,以致?lián)岆U成功后不敢再打集水井了,只得重新調(diào)整設(shè)計,利用了大隧道下部空間建造集水井獲得了成功。從那以后,所有上海黃浦江越江隧道均利用大隧道下部空間建造集水井,在結(jié)構(gòu)上實際形成了旁通道和集水井的分離,取得了很好的效果。在結(jié)構(gòu)上旁通道和集水井的分離,可利用大隧道下部空間建造集水井,旁通道、區(qū)間泵站(集水井)和風井的位置就不必在一起了,再不必僅為了在兩條隧道區(qū)間的最低部位處的排水需要來建造集水井,為建造集水井而采用凍結(jié)法施工來建造旁通道了。
最重要的是:這樣的設(shè)計使得旁通道凍結(jié)法施工中的凍結(jié)土體體積大大減少,從而旁通道凍結(jié)土體的凍脹量和凍融沉降量大大減少,由此產(chǎn)生的滲漏水和結(jié)構(gòu)破壞的可能性大大減少,明顯地提高了隧道結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。黃浦江越江隧道(大隧道)的成功經(jīng)驗,值得地鐵建設(shè)者學習和借鑒。
綜上所述,地鐵區(qū)間旁通道的設(shè)計優(yōu)化是十分必要的,建議相關(guān)部門認真予以考慮。
上海所處地區(qū)的多數(shù)軟土層含砂、含水量高。上海地面的建筑物密集,地下管線設(shè)施稠密。由于旁通道(泵站)設(shè)置要求的特殊性,且所處位置較深(不少在黃浦江底)等的復雜性和不可確定性,造成旁通道(泵站)的施工難度和風險大大增加。故上海地鐵旁通道(泵站)施工一般不宜采用大開挖法,實施中大多只能采用凍結(jié)法施工。
凍結(jié)法(人工凍結(jié)法)施工是指:在復雜水文地質(zhì)條件下,掘進各類地下工程時,在其周圍建造起臨時凍結(jié)壁,以保證不穩(wěn)定的飽水土體在掘進施工中穩(wěn)定的方法。
世界上人工凍結(jié)法運用于采礦、土木工程已達100 a,但在上海運用于地鐵建設(shè)才不到20 a,上海地鐵的建設(shè)者一直在努力不斷地改進和完善之中。
凍結(jié)法施工具有以下3個特點:
(1)適應復雜的地質(zhì)條件,凍土強度高,阻水效果好。
(2)施工方法靈活,可形成圓柱形或棚拱形加固體。
(3)凍結(jié)法加固均勻、完整。加固體均勻、整體性好,可形成工程帷幕。
但凍結(jié)法施工的周期較長。凍結(jié)、開挖、結(jié)構(gòu)澆筑加上凍融后的注漿處理,其正常工期約需5個月左右,工程費用高,施工風險大。
其中旁通道(泵站)凍結(jié)法施工主要的風險是:
(1)施工風險:從打凍結(jié)管(夯管或鉆管)開始到混凝土澆筑和養(yǎng)護等結(jié)束。重點要保證人工凍結(jié)帷幕有足夠的凍結(jié)強度,能維持整個開挖、防水、鋼筋綁扎、混凝土澆筑和養(yǎng)護等期間的施工安全。如上海復興東路越江隧道的旁通道(泵站)打凍結(jié)管(夯管)時發(fā)生涌水、涌砂達100 m3,隧道失穩(wěn)變形;地鐵4號線董家渡旁通道(泵站)開挖過程中,因其中一臺冷凍機故障,導致人工凍結(jié)失效,在黃浦江邊,地下水夾帶泥沙大量涌入。
(2)運營安全和環(huán)境保護:要盡可能減少凍脹和凍融沉降對工程附近建構(gòu)筑物、地下管線的影響和破壞,尤其是防止對地鐵隧道區(qū)間本身的破壞,確保地鐵長期穩(wěn)定地運行。如地鐵1號線寧海西路旁通道和近來發(fā)現(xiàn)地鐵2號線河南路站—陸家嘴站的旁通道,由于施工中未控制好凍脹和凍融沉降,造成結(jié)構(gòu)開裂,嚴重滲漏水、漏砂土,隧道日益變形嚴重。
其中人工凍結(jié)失效導致重大施工事故和凍融沉降引起永久結(jié)構(gòu)破壞,這兩類風險,造成的破壞性大,后果嚴重,值得進一步深入研究。
引起人工凍結(jié)失效(原理上的和人為的)的原因很多:
(1)土質(zhì)
人工凍結(jié)法主要是凍結(jié)自由水,其含量多少直接影響著冷量的消耗量、凍結(jié)速度和凍土強度。凍土中未凍水含量與土層溫度有關(guān),圖表顯示(見參考文獻[2]),在-10℃時,粘土的未凍水含量非常高,甚至有的文獻認為人工凍結(jié)法施工不適宜于粘土層。
(2)地下水水質(zhì)對巖土凍結(jié)的影響
式中:T0′——溶液冰點的降低度數(shù);
k——冰點的降低常數(shù),大小取決于溶劑,不是物資,取 1.86(水);
g——在1 kg溶劑內(nèi)所溶解物資的克數(shù);
M——被溶解物資的分子量;
α——修正系數(shù):一階金屬一元酸鹽類稀溶液α=2~2.3,二階金屬二元酸鹽類稀溶液α=3。
含鹽量高的土質(zhì)不適宜人工凍結(jié)法施工。在人工凍結(jié)法施工中,由于利用了冷凍液不凍結(jié)的性質(zhì),故需特別注意凍結(jié)管凍裂后,冷凍水的滲漏會造成局部凍結(jié)土的失效。
(3)地下水的動態(tài)影響
自然條件引起地下水的流動,如礫石層,人為原因引起的地下水流動,如排水設(shè)備或自然鉆孔,會引起地下水的流動,造成局部凍結(jié)土的失效。
(4)實施人工凍結(jié)法施工時,一些人為的因素,如凍結(jié)管未按設(shè)計要求打偏了,會產(chǎn)生局部凍結(jié)土的失效。凍結(jié)管冷凍液的連接一般都是串聯(lián),若串聯(lián)凍結(jié)管太多或太長,會造成端點的冷量不夠而形成局部凍結(jié)土的失效。
(5)土層雜質(zhì)多而不均。如4號線出入場左線旁通道(泵站)施工時,挖出淤積粘土中沉積大量河蚌殼,凍結(jié)土的強度很低,施工過程中產(chǎn)生了滲漏水現(xiàn)象,幸而準備了液氮搶險,才得以完成了結(jié)構(gòu)。
(6)地層中有空洞,沼氣等不良地質(zhì),而勘探不夠全面或未能探出。
(7)凍結(jié)法旁通道施工監(jiān)測不科學或不準確,造成施工指導錯誤。
(8)急于搶進度,施工中未能發(fā)現(xiàn)險情或發(fā)現(xiàn)了險情未引起重視。
另外,一般情況下,凍土的持久抗壓強度約為瞬間抗壓強度的1/2~1/2.5,凍土抗拉強度試驗都是脆性破壞。破壞時間短,無預兆,無法設(shè)防。
綜上所敘,凍結(jié)法旁通道施工,從勘探、設(shè)計、監(jiān)測、施工都存在多變的不確定的眾多不利因素,并且因現(xiàn)設(shè)計旁通道和泵站連在一起,所處位置深,極易離第⑤2層、第⑦層承壓水含水層近,故極有可能發(fā)生重大事故,必須引起建設(shè)者們高度重視。
必須指出,自從上海軌道交通4號線董家渡的旁通道重大事故以來,國家和各級政府有關(guān)部門相當重視,上海就先后頒布了《旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程》(DG/TJ 08-902-2006)等文件和規(guī)范。上海地鐵建設(shè)的各大設(shè)計院聯(lián)合凍結(jié)法專業(yè)設(shè)計院,在設(shè)計圖紙和文件上都作了全面考慮,選用了美國ANSYS公司開發(fā)的大型數(shù)值計算運用有限元分析軟件,對凍結(jié)壁進行了三維有限元分析,按偏于安全的凍結(jié)帷幕受力和變形計算。同時為了確保施工過程安全,適當?shù)財U大了凍結(jié)范圍和延長了凍結(jié)時間。按相關(guān)設(shè)計圖紙,凍結(jié)加固范圍要求為900 m3,實際考慮到水分遷移等情況,實際凍結(jié)加固范圍一般要超過1 000 m3。應該說凍結(jié)法施工過程中的事故和風險得到了很好的控制。但從近來的有關(guān)通報中表明凍融沉降和融沉注漿加固仍存在一定問題,有待進一步解決。
值得注意的是:過去已有不少因凍脹和凍融沉降引起的區(qū)間隧道嚴重滲漏,造成鋼管片嚴重變形和排水管(鑄鐵)拉裂等產(chǎn)生滲漏事例,如地鐵1號線寧海西路旁通道和近來地鐵2號線河南路站—陸家嘴站的旁通道。
為此,2008年上海申通集團頒布了《旁通道凍結(jié)法融沉注漿加固建設(shè)指導意見》(STB-DQ-010004),建設(shè)各方加強了程序和現(xiàn)場管理,按理不應該出問題了,但實際上卻并不盡人意,如近來通報的上海地鐵10號線好幾個標段的總包項目經(jīng)理、技術(shù)負責人未做好旁通道融沉注漿的總包管理工作,監(jiān)理總監(jiān)未做好旁通道融沉注漿的監(jiān)理工作,導致旁通道發(fā)生較大沉降,影響隧道結(jié)構(gòu)安全和耐久性。這些事例的后果,將嚴重影響地鐵建設(shè)的施工進度、安全和質(zhì)量,危及了地鐵的運營安全和大大增加了百年運營維護的難度和費用。
似乎存在一個怪圈或一個悖論:從施工過程來看,要保證人工凍結(jié)帷幕有足夠的凍結(jié)強度,能維持整個開挖、防水、鋼筋綁扎、混凝土澆筑和養(yǎng)護等施工期間的安全。從這一點出發(fā),凍結(jié)時間越長,凍結(jié)管越密,凍結(jié)溫度越低,凍結(jié)壁越厚,凍結(jié)的強度則越高(必然造成凍脹和凍融沉降越大),則施工過程越安全。
另一方面,從運營安全和環(huán)境保護來看,凍結(jié)時間越短,凍結(jié)管越少,凍結(jié)溫度越高,凍結(jié)壁越薄,凍結(jié)的強度越低,則凍脹和凍融的時間越短,凍融的范圍及影響越小,則運營和環(huán)境保護就能做到越安全。
為此,有必要用人工凍土的凍脹、融沉理論和現(xiàn)行設(shè)計的旁通道(泵站)結(jié)構(gòu)受力變形分析深入探討:
(1)水結(jié)冰后體積增大9%,凍結(jié)土體產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象,對周圍土體產(chǎn)生壓力,也稱凍脹力。
(2)土層凍結(jié)時會發(fā)生水分向凍結(jié)面遷移,隨著水分遷移的不斷增加,冰的體積會不斷增加,凍脹量也會不斷增加,當然凍脹力也會不斷增加。
(3)凍脹率和土體粉粘粒含量相關(guān),當粉粘粒含量大于12%時,凍脹率明顯增大。
(4)在粉質(zhì)粘土中(粒徑從0.05~0.002 mm的顆粒大于60%)可發(fā)生最強烈的遷移和凍脹。
(5)人工凍土的融沉量要顯著大于凍脹量,凍脹和融沉的規(guī)律存在很大差別。
(6)土體不均勻凍脹是人工凍結(jié)工程大量破壞的重要因素之一。有專家提出,各工程開工前,必須對工程所在土體作出凍脹敏感性評價,以便采取相應措施,確保工程構(gòu)筑物的安全可靠。
(7)凍脹力與凍結(jié)速度有關(guān),凍結(jié)時間延續(xù)越長,則水分可克服遷移過程的摩擦阻力,向冷凍鋒面轉(zhuǎn)移的量越大,凍脹力也越大。
(8)有專家建議,工程施工中可采取其他加固方法切斷水源,有助于克服凍脹,減少融沉。
(9)為減少凍脹,保護環(huán)境周圍管線和地下結(jié)構(gòu)物的安全穩(wěn)定,溫度梯度較大對低溫快速凍結(jié)是有利的。縮短凍結(jié)工期不僅是費用問題,還是減少凍脹的有力措施。
(10)工程中采用安置卸壓孔,預留凍脹空間,邊界凍結(jié)孔熱循環(huán)等措施,減少凍脹力是有效的。
(11)融沉發(fā)生時,凍結(jié)土體溫度升高,凍土融化,冰融化成水,體積縮小,構(gòu)成了融化沉降,同時土體在重力和上復荷載壓力的作用下要發(fā)生排水固結(jié)沉降,融沉由這兩部分的沉降量構(gòu)成。
(12)由于人工凍結(jié)作用,土體經(jīng)過凍融過程后,因形成冰以及水分的遷移,土體結(jié)構(gòu)已被破壞,承載力由于結(jié)構(gòu)的破壞而降低。
(13)由于凍土中產(chǎn)生冰晶時的劈裂作用以及凍結(jié)過程中發(fā)生的復雜的物理化學過程,使土體的滲透性顯著增加,因而在融解過程中水分容易流失,產(chǎn)生固結(jié)沉降作用。
(14)上海所處地區(qū)的多數(shù)軟土層,土體承載力低,盡管按設(shè)計要求旁通道的土體在凍結(jié)法施工前已作注漿加固處理,但從區(qū)間隧道的縱向看,環(huán)與環(huán)間是柔性連接,整個區(qū)間隧道就是個柔性體,難以抵御凍脹和凍融沉降。
(15)從區(qū)間隧道的橫向看,旁通道的結(jié)構(gòu)重心偏下,受力上下不均勻,環(huán)與環(huán)間的柔性連接,螺栓連接僅起到定位作用,從上下行線圓環(huán)截面分析,先受到凍脹向上,后受到凍融沉降向下扭轉(zhuǎn)影響而增加沉降量。
(16)從旁通道(泵站)截面破壞來看,旁通道(泵站)與上、下行線隧道連接處,受扭矩影響,上部受壓,下部受拉,混凝土結(jié)構(gòu)不能承受因凍融沉降產(chǎn)生的拉應力,造成下部結(jié)構(gòu)開裂。
綜上所述,現(xiàn)有的文獻和資料表明,到目前為止人們對人工凍土凍脹以及凍脹力對結(jié)構(gòu)和環(huán)境造成的破壞研究較多,而對于遠大于凍脹的凍融沉降規(guī)律及其危害和預防則研究得甚少,建議相關(guān)部門加強針對凍融沉降規(guī)律的試驗和研究,提高人工凍結(jié)施工的可靠性和耐久性。
(1)旁通道凍結(jié)法的施工,建設(shè)部已定為市政建設(shè)的重大風險源之一,建設(shè)各方都要提高思想認識,認真學習理解凍結(jié)法施工原理,辯證地分析凍結(jié)法施工過程安全、凍結(jié)法凍融沉降和注漿加固之間的對立統(tǒng)一的關(guān)系,深入了解現(xiàn)有工況條件、設(shè)計圖紙和文件,總結(jié)凍結(jié)法融沉注漿的成功經(jīng)驗和失敗的經(jīng)驗教訓,做好在建各線的旁通道凍結(jié)法施工,確保旁通道結(jié)構(gòu)的安全和耐久性。
(2)建議相關(guān)部門加強針對凍融沉降規(guī)律的試驗和研究,加強旁通道的結(jié)構(gòu)受力分析和受載變形的分析研究,加強凍結(jié)法凍融沉降和注漿加固之間關(guān)系的研究,進一步提高人工凍結(jié)施工的可靠性和耐久性。
(3)充分發(fā)揮專家智囊團的作用,除繼續(xù)按建設(shè)部市政建設(shè)的重大風險源管理控制的要求,對設(shè)計和施工組織設(shè)計方案進行專家評審論證。建議專家智囊團還可適當提前介入,在設(shè)計方案和初步設(shè)計階段提前介入,結(jié)合水文地質(zhì)、地面建筑物、管線、道路和場地施工條件等,結(jié)合總體線路參與旁通道的前期方案評審論證。
(4)旁通道的鋼管片是在隧道區(qū)間推進時就安裝的,由于管片拼裝累計誤差,旁通道(泵站)前后位置是可以有一定的調(diào)節(jié)距離的。在施工現(xiàn)場要根據(jù)實際地面建筑物和管線適當調(diào)整:如地鐵4號線出入場左線適當提前了旁通道位置,避開了凱旋公寓;再如地鐵8號線曲陽路—四平路區(qū)間適當調(diào)整,避開了重要管線的閥門井。
(5)相關(guān)部門采納《利用鋼管片容積建造隧道區(qū)間泵站》的方案,優(yōu)化設(shè)計地鐵旁通道,提高地鐵區(qū)間隧道的建設(shè)質(zhì)量,加快進度,進一步降低建設(shè)和維護成本,確保地鐵百年運營安全。
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