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        天津地鐵某區(qū)間聯(lián)絡通道凍結加固的風險管理

        2012-12-31 00:00:00艾建文
        科技創(chuàng)新導報 2012年27期

        摘要:本文分析了凍結法在聯(lián)絡通道施工過程中的風險要點,重點闡述了施工過程中風險管理的應急處理措施和對策,以規(guī)避施工風險,達到安全施工的目的。

        關鍵詞:隧道地鐵 聯(lián)絡通道 凍結加固 風險管理

        中圖分類號:TU7 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)09(c)-0140-02

        凍結法基本不受支護范圍和支護深度的限制,以及能有效防止涌水和城市挖掘、鉆鑿施工中相臨土體變形,是城市地鐵施工的重要方法之一。其具有安全可靠性好、適應性廣、靈活性好、可控制好、污染小、經(jīng)濟合理等優(yōu)點,在我國城市地鐵施工中得到越來廣泛的應用,并取得大量成熟經(jīng)驗和研究成果。由于地下工程的復雜性和凍結法施工的特殊性,在施工中常會遇到一些險情,除對凍結理論進行系統(tǒng)研究、嚴格各個環(huán)節(jié)的施工工藝外,還需對施工過程中進行風險分析,并采取相應的對策和處理措施,以將施工過程中的安全隱患消除在萌芽狀態(tài)。

        1 施工總體方案

        天津地鐵某區(qū)間聯(lián)絡通道所穿越土層孔隙較大、含水豐富、承載力低、容易壓縮、在動力作用下易流變,開挖后天然土體本身難易自穩(wěn),容易引起水、砂突涌。根據(jù)工程地質(zhì)條件及其它施工條件,確定采用“隧道內(nèi)鉆鑿,布設水平孔、近水平孔凍結臨時加固土體,礦山法暗挖構筑”的施工方案,即:在隧道內(nèi)利用水平孔和部分傾斜孔凍結加固地層,使聯(lián)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,然后根據(jù)“新奧法”的基本原理,在凍土中采用礦山法進行聯(lián)絡通道及泵站的開挖構筑施工。

        聯(lián)絡通道凍結加固施工主要技術指標:(1)凍結鹽水溫度:積極期:-30~-32℃,維護期:-22~-28℃。(2)凍土墻平均溫度:≤-10℃。(3)凍土強度:單軸抗壓3.6MPa,抗折2MPa,抗剪1.5MPa。(4)凍土墻厚度:1.6m。

        聯(lián)絡通道地層凍結的冷凍機組布置在地面,通過冷凍管輸送至隧道內(nèi)凍結加固,開挖構筑施工在區(qū)間隧道內(nèi)進行,施工總工期在90~110d。其主要施工順序為:

        施工準備→凍結孔施工(同時安裝凍結制冷系統(tǒng),鹽水系統(tǒng)和檢測系統(tǒng))→進行隧道支撐→積極凍結→探孔試挖→拆鋼管片→聯(lián)絡通道掘進與臨時支護→聯(lián)絡通道永久支護→泵站開挖與臨時支護→泵站永久支護→結構注漿→進行融沉注漿充填。

        2 工程風險分析

        基于隧道聯(lián)絡通道的地質(zhì)條件和結構特點,采用凍結法施工,施工過程中存在如下工程風險:

        2.1 凍結孔施工過程中的特殊風險點

        (1)由于聯(lián)絡通道所處位置的工程地質(zhì)狀況,若凍結孔施工不當,易造成孔口涌砂、冒水,進而引起地面的沉降。(2)凍結孔施工質(zhì)量直接影響到下一步的凍土帷幕質(zhì)量,給開挖和結構構筑帶來風險。(3)凍結管連接強度不夠,造成開挖過程中凍結管斷裂。

        2.2 凍結施工過程中的風險點

        (1)凍脹對隧道結構的影響:由于凍結工法特點,凍脹會對隧道結構造成一定的影響,使隧道產(chǎn)生凍脹變形,嚴重時可能造成管片的破壞及較大的凍脹變形,還可能會造成聯(lián)絡通道結構的滲漏,所以在運轉過程中,采取控制凍結技術,控制凍結產(chǎn)生的凍脹。(2)凍結設備損壞,維修不及時造成凍土融化風險。(3)凍土結構和隧道兩側管片膠結強度不夠造成接觸面漏水。

        2.3 開挖和結構施工過程中的風險點

        (1)凍結帷幕質(zhì)量不好。(2)凍結帷幕變形過大。(3)施工過程中的停電、機器發(fā)生故障使凍結機組停止運轉超過規(guī)定時限,凍結過程中斷。(4)開挖過程由于凍結帷幕局部薄弱漏水、漏砂。(5)排水管敷設中的突發(fā)涌砂涌水現(xiàn)象。

        3 凍結孔施工風險處理措施

        3.1 凍結孔施工中涌砂、冒水風險處理措施

        凍結孔在打設過程中,由于所處地質(zhì)富含豐富的地下水,有涌砂、冒水可能,相應的風險處理措施:

        (1)正式開孔前,施工現(xiàn)場要配備Φ125mm、Φ109mm等規(guī)格的木楔、2m3在砂袋和6T水泥(含1T速凝水泥)及注漿設備。(2)凍結孔開孔分一、二次控制泥漿涌出。首先孔位避開砼管片內(nèi)受力主筋,然后用開孔器(配金剛石鉆頭取芯)按設計角度開孔,開孔直徑130mm,預留不小于100mm的管片厚度時停止取芯鉆進,安裝帶填料密封盒的孔口管,通過管側的φ40mm旁路閥門,防止孔口噴砂;其次將孔口管固定、密封好,并裝上DN125閘閥;最后將閘閥打開,用開孔器從閘閥內(nèi)二次開孔,開孔直徑為108mm,一直將砼管片開穿,出現(xiàn)涌砂就及時關閉閘門。(3)在二次開孔后,若出現(xiàn)大量涌砂,通過孔口管的旁路閥門對地層注雙液漿封堵,必要時用木塞封堵鉆桿管口。(4)在孔口管裝置脫落時,立即在凍結管上加焊擋環(huán),用管錘或鉆機將孔口管頂住,然后通過孔口管側的旁路閥門注雙液漿封堵,再用膨脹螺栓將孔口管重新固定在隧道管片上。(5)在未進入承壓水層時,采用強力水平鉆機無泥漿鉆進。(6)對旁通道所在地面進行觀測,若鉆進時出現(xiàn)大量涌砂、涌水事件,須加大地面的監(jiān)測頻率,出現(xiàn)單次沉降3mm及以上,立即對地面的注雙液漿充填。(7)為防止開孔及鉆進期間涌水、涌砂現(xiàn)象的發(fā)生,還須采取以下措施:A、加大鉆具推力,強行頂入套管;B、利用原鉆具系統(tǒng)注入1:1的水泥-水玻璃雙液漿;C、必要時壓緊孔口管密封裝置,封閉該孔。

        3.2 凍結管滲漏或斷裂風險處理措施

        (1)發(fā)生凍結管滲漏或斷裂時,停止作業(yè)(必須正常運轉的設備和系統(tǒng)除外),立即逐級匯報,采取下放套管、關閉孔口閥、壓緊孔口裝置、實施注漿等措施。(2)現(xiàn)場采取妥善地保護措施,防止事態(tài)擴大。

        4 凍結施工風險處理措施

        (1)開機前對各系統(tǒng)進行嚴格調(diào)試,在開機前做到設備正常運轉。為保證凍結和開挖期間凍結運轉的連續(xù),凍結系統(tǒng)設備采用新型凍結設備,并準備一套備用設備,當一臺設備出現(xiàn)故障時,啟用另一臺設備運轉,保持凍結的連續(xù)進行。同時,對故障設備進行維修,確保始終有一套設備備用。(2)預備二路供電電源(備用發(fā)電機);預備備用冷凍機和相關備件;安裝各類計量和檢測儀表并預留備件;鹽水正常循環(huán)前進行管路施壓滲漏檢測,清洗后用橡塑材料保溫;做好凍結管的打壓試驗;在左線和右線隧道管片內(nèi)側鋪設冷凍板和保溫層,確保凍土帷幕不存在薄弱環(huán)節(jié)。(3)按照方案及時對冷凍各系統(tǒng)參數(shù)進行監(jiān)測,并保持記錄,做到每天一測,關鍵參數(shù)多次監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)問題立即處理。(4)每班測量凍結孔系統(tǒng)供液情況,確保每組凍結孔鹽水流量≥5m3/h,否則通過手動調(diào)節(jié);每天對鹽水去回路溫度進行監(jiān)測,去回路溫差在凍結壁交圈后小于1.5℃。(5)準備沖孔的必需設備,保持卸壓孔的暢通。(6)利用泄水壓孔每天放水泄壓,逐漸將聯(lián)絡通道開挖土體內(nèi)水放出,消除凍結對隧道管片和臨近建筑物的凍脹影響。

        5 聯(lián)絡通道開挖條件驗收

        5.1 聯(lián)絡通道地面環(huán)境驗收

        (1)聯(lián)絡通道所在地面的建筑物和管線是否穩(wěn)定。(2)聯(lián)絡通道所在的地質(zhì)及開挖地層中是否含承壓水。

        5.2 凍結效果驗收

        (1)設計積極凍結時間為45d。積極凍結7天鹽水溫度降至-18℃以下;積極凍結15d鹽水溫度降至-24℃以下;開挖時鹽水溫度降至-28℃以下。(2)各凍結孔組的去、回路鹽水溫差不大于1.5℃。(3)檢查凍結孔鹽水流量情況:要求凍結孔單孔流量不小于5m3/h,每米凍結管(包括冷凍排管)的設計散熱量不應小于100kcal/h,鹽水系統(tǒng)循環(huán)總流量在積極凍結期間達到設計值。如鹽水溫度和鹽水流量達不到設計要求,應延長積極凍結時間。(4)泄壓孔壓力上漲超過7d,或打開泄壓孔閥門確認無泥水流出。(5)聯(lián)絡通道凍土厚度大于1.6m的設計厚度,開挖區(qū)外圍凍結孔布置圈上凍結壁與隧道管片交接面處溫度不高于-5℃,凍結壁有效土平均溫度要達到-10℃以下;并進行探孔測溫檢測。根據(jù)測溫孔測溫結果計算,凍土帷幕的平均溫度和厚度達到設計值。(6)在鋼管片打開前,先在凍結可能存在有最薄弱部位打幾個探孔,以確定凍土強度是否達到設計值,并無水砂流出即可正式開挖。如果達不到開挖條件,應組織有關專家、技術人員等進行現(xiàn)場分析研究,找出原因合理延長凍結期,待凍結壁完全達到設計厚度方可正式開挖。

        5.3 開挖時其他條件驗收

        (1)通信系統(tǒng)安裝完畢。整個施工期間,在施工現(xiàn)場安裝直撥電話,并安排專人進行線路維護,便于對施工現(xiàn)場的監(jiān)督和管理。(2)防護門安裝完畢。防護門安裝在聯(lián)絡通道開挖側,門框直接焊接在預留洞口鋼管片上,在門框與門邊接觸處設置密封橡膠條。同時確認防護門啟閉功能正常,接好供氣管。(3)完成隧道支撐加固。(4)冷凍機等機電設備及電源等完好的檢查報告。(5)對開挖作業(yè)人員進行了安全教育培訓和安全技術交底工作。(6)搶險物資和施工材料準備就緒并運到現(xiàn)場,包括:砂袋、水泥、鋼支撐、支護木背板、木楔等。

        6 開挖施工處風險理措施

        6.1 應急液氮

        在聯(lián)絡通道附近儲備移動式液氮罐的連接管路和保溫材料,并與廠商簽訂協(xié)議,保證液氮在12h內(nèi)連續(xù)供應至工地。

        6.2 開挖面滲水風險處理措施

        開挖過程中,開挖面有水滲出時,立即停止施工。第一時間由當班工長通知值班管理人員,同時對滲水點進行處理。如果出水量小,只是滴漏,未形成線流,利用快干水泥或注入聚氨酯封堵。如果滲水量大,利用液氮進行快速凍結。

        冷凍站人員及時對滲水點觀察,立即查找原因,調(diào)整凍結參數(shù)。

        6.3 涌水、涌砂風險處理措施

        開挖時出現(xiàn)涌水、涌砂等情況時,用砂袋和粘土袋壓住出水點,封閉通道,上報項目總工和經(jīng)理。(2)當出現(xiàn)無法控制的突發(fā)局面時,重要電機設備立即進行轉移,同時迅速組織人員撤離現(xiàn)場,關閉防護門。同時,對地面沉降情況進行檢測。并分析原因,制訂措施報請業(yè)主、監(jiān)理和總包單位審批后實施。

        6.4 停水、停電風險處理措施

        (1)在積極凍結期間突然停電,凍結帷幕不會很快融化,對凍結效果影響也不大;如停電時間較長,應增加積極凍結時間,直到凍結帷幕完全交圈為止。(2)在開挖期間突然停電,立即停止掘進,把暴露的土體用保溫材料完全覆蓋,進行保溫?,F(xiàn)場人員及時通知供電部門,排查故障原因,在30min內(nèi)供電正常對旁通道的凍結及開挖沒有影響。如不能及時恢復供電,立即啟用備用發(fā)電機,保證冷凍站凍結系統(tǒng)正常工作。(3)凍結補充水每天補充一次,斷水24h一般不影響凍結;凍結時保證清水箱充滿水。另外在停水后,可以從別處運水補充至清水箱或在車站端頭井蓄水,緊急時抽水至清水箱,保證凍結系統(tǒng)的正常運轉。

        6.5 工作人員打破凍結管風險處理措施

        施工人員在開挖至凍結管附近時,由凍結值班人員向其標識凍結管的具體位置。如出現(xiàn)打破凍結管的情況,停止開挖,并通知凍結維護人員關閉鹽水閥門,防止鹽水外流融化凍土,由電焊工焊及時對凍結管補焊后繼續(xù)施工。

        6.6 凍結管去、回路鹽水溫差大于1.5℃風險處理措施

        在開挖和結構施工期間,保證每組鹽水的進、回路流量,一旦發(fā)現(xiàn)鹽水的去、回路溫差大于1.5℃,應及時調(diào)整該組鹽水管路的流量,保證各個凍結管鹽水流量均衡,使凍結管去、回路鹽水溫差滿足要求。

        6.7 開挖工作面化凍風險處理措施

        掘進施工人員如果發(fā)現(xiàn)已開挖的暴露面不斷有土塊掉下,且影響面積較大,而且周圍土體有松動現(xiàn)象,立即通知凍結施工人員,由凍結施工人員根據(jù)判斷情況,加強冷凍,同時做好開挖面的保溫工作。

        6.8 承壓水不良作用風險處理措施

        按不利原則分別考慮高、低水位,微承壓含水層呈帶狀不連續(xù)分布。因此制定本處理措施:

        (1)凍結過程中,針對不安全部位多布置測溫孔加強溫度監(jiān)測,及時對所測數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計,對凍結帷幕的發(fā)展狀況做出相應的預計。(2)開挖前對開挖條件嚴格把關,一旦發(fā)現(xiàn)有不合格條件,及時進行分析和排查,確實是凍結問題,采取加大局部凍結孔的流量,增加凍結時間,以提高局部凍結質(zhì)量,直至滿足所有開挖條件才可開挖。(3)開挖過程中,派專人對開挖工作面的凍土質(zhì)量及溫度進行監(jiān)測,一旦發(fā)現(xiàn)問題及時上報給項目經(jīng)理,經(jīng)核查后啟動涌水處理措施。

        6.9 排水管預留洞口處風險處理措施

        敷設排水管時,預留洞口處已失去通道防護門的保護,如出現(xiàn)突發(fā)的涌水、涌砂現(xiàn)象,除關閉通道防護門外,洞口處也要封閉。具體的操作方法如下:可采用與通道防護門相似的做法,即在穿過的鋼管片隔腔處設置一可關閉的小型防護門,以增加洞門的密閉性,如出現(xiàn)突發(fā)現(xiàn)象,立即關閉此門,并加以固定。

        6.10 其它處理措施

        (1)做好信息化處理,通過監(jiān)測指導施工。A、位移的監(jiān)測工作在凍結孔施工前,建立監(jiān)測原始基準數(shù)據(jù),凍結孔施工時,開始第一天監(jiān)測,直至凍結帷幕融化后。B、凍結系統(tǒng)及凍結壁的溫度等指數(shù)監(jiān)測,自凍結運轉開始,直至凍結停凍。C、(3)測溫孔溫度監(jiān)測,凍結開機后每天監(jiān)測一次。D、監(jiān)測的各種數(shù)據(jù)及時反饋分析處理,以便指導施工,采取措施。(2)為了控制支架間凍結帷幕的變形,減少凍結帷幕冷量損失,所有鋼支撐架后采用木背板密背,背板必須同凍結壁緊貼,盡量減少支護間隙,木背板不能松動,當支護間隙較大時,可增加背板厚度和木橛子,以提高支護效果。(3)開挖過程中,如發(fā)現(xiàn)土體加固強度不夠,影響正常掘進時,可以采取縮短進尺加強支護等措施處理。(4)成立搶險領導小組和救援隊伍,搶險領導小組輪流值班,當現(xiàn)場出現(xiàn)緊急情況時,能及時并有效不紊的實施工程搶險。

        7 配備應急材料及設備

        現(xiàn)場需配備的應急材料及設備包括:(1)水泥(包括速凝水泥)、水玻璃、粘土袋、砂袋、方木、木楔等常用材料;(2)凍結備用設備(包括冷凍機、鹽水泵和清水泵)、雙液注漿泵、空壓機、混凝土噴射機、千斤頂、電鋸、手拉葫蘆、電焊機等設備。

        8 結語

        凍土是對溫度十分敏感且性質(zhì)不穩(wěn)定的土體,施工過程中重點做好循環(huán)鹽水的溫度和流量、凍土墻的溫度、開挖期凍土墻體的變形量、地面凍脹和融沉量的監(jiān)測,及時掌握施工質(zhì)量。由于地下工程的復雜性,及時發(fā)現(xiàn)施工過程中存在的隱患,根據(jù)制定對策和措施采取正確的方法,才能堵絕事故苗頭,確保施工安全。

        參考文獻

        [1] 龔曉南,地基處理手冊[M].3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社.

        [2] 天津市地下鐵道暗挖法隧道工程施工技術規(guī)程(J10592-2010)[S].

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