(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063； 2.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430077)

王金龍1 倪正茂2

越江隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法信息化施工技術(shù)

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063； 2.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430077)

著重介紹了凍結(jié)法信息化施工的三大組成模塊，以武漢市軌道交通江漢路站至積玉橋站區(qū)江底3號(hào)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程為背景，利用量測(cè)系統(tǒng)和儀器實(shí)時(shí)收集現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)并加以分析處理，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)積極凍結(jié)階段與開挖構(gòu)筑施工階段凍土帷幕的安全狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)判，及時(shí)有效反饋到施工中，以確保施工過程安全、經(jīng)濟(jì)、高效。

隧道，高水壓，凍結(jié)法，信息化施工

隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的加速，為滿足交通需求，許多城市都興起了軌道交通建設(shè)的熱潮。越來越多的越江及越海隧道將會(huì)修建，凍結(jié)法作為地層加固的一種方法在止水效果上有著明顯的優(yōu)勢(shì)，因此凍結(jié)法廣泛應(yīng)用于修建區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道、盾構(gòu)進(jìn)出洞止水加固地層、隧道修復(fù)等工程。然而，凍結(jié)法在發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)越性的同時(shí)，由于其施工工藝的特殊性，施工中如果不能及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)的量測(cè)信息，不僅對(duì)凍結(jié)施工起不到指導(dǎo)作用，很有可能導(dǎo)致工程的失敗，甚至造成災(zāi)難性的后果。

1 信息化監(jiān)測(cè)

人工地層凍結(jié)信息化施工就是在施工過程中，通過設(shè)置各種測(cè)量元件和儀器，實(shí)時(shí)收集現(xiàn)場(chǎng)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)等實(shí)際數(shù)據(jù)并加以分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)原設(shè)計(jì)和施工方案進(jìn)行必要的調(diào)整，并反饋到下一施工過程，對(duì)下一階段的施工過程進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，從而保證工程施工安全、經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行。因此，要進(jìn)行信息化施工，應(yīng)當(dāng)具備一些條件：1)有滿足檢測(cè)需要的測(cè)量元件及儀器；2)可實(shí)時(shí)檢測(cè)；3)有相應(yīng)的分析預(yù)測(cè)模型和方法；4)應(yīng)用計(jì)算機(jī)。具體主要包括三個(gè)方面：信息采集、信息處理和信息反饋。

1.1 信息采集

人工地層凍結(jié)工程信息可分為施工前地質(zhì)勘測(cè)信息和相應(yīng)土層凍融狀態(tài)下土工參數(shù)及熱物理參數(shù)信息的采集、施工過程中的信息采集以及施工過程中地質(zhì)信息的采集。施工前地質(zhì)勘測(cè)信息的采集包括工程地質(zhì)、水文地質(zhì)信息等，土層凍融狀態(tài)下土工參數(shù)及熱物理參數(shù)信息的采集包括土層含水量、結(jié)冰溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、熱容量等。凍結(jié)階段的信息采集主要包括凍結(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)、凍土帷幕的溫度場(chǎng)及由凍結(jié)引起的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)變化情況等；開挖階段的信息采集除包含凍結(jié)階段的信息外，還包括開挖面溫度、凍結(jié)壁變形情況等。

1.2 信息處理

信息處理是將施工監(jiān)測(cè)中采集到的信息按照相關(guān)理論進(jìn)行分析處理，其目的是把分析處理的結(jié)果反饋到施工、設(shè)計(jì)中去，對(duì)施工、設(shè)計(jì)提出改進(jìn)性意見或修改方案，從而達(dá)到指導(dǎo)施工和完善設(shè)計(jì)的目的。對(duì)于凍結(jié)施工，現(xiàn)階段一般采用“多點(diǎn)多線式”或基于離散點(diǎn)的“一線總線式”量測(cè)技術(shù)，這些方法獲得的都是離散點(diǎn)的溫度信息，不能測(cè)量整個(gè)待測(cè)區(qū)域的溫度，供推斷凍結(jié)壁發(fā)展情況的信息量相對(duì)較少。因此，在溫度信息的處理分析時(shí)，需要由局部信息及時(shí)推斷整個(gè)待測(cè)區(qū)域的溫度情況，確保工程施工安全。隨著數(shù)值模擬技術(shù)及反分析技術(shù)研究的不斷深入，依據(jù)離散點(diǎn)的溫度信息采用有限元分析軟件反推凍土的熱物理指標(biāo)，再根據(jù)反分析獲得的凍土的熱物理指標(biāo)，采用有限元計(jì)算方法，推求整個(gè)待測(cè)區(qū)域的溫度信息并確定凍土帷幕的性狀(有效厚度和平均溫度)，同時(shí)預(yù)測(cè)下一階段凍土帷幕的性狀。

1.3 信息反饋

信息反饋是將采集到的信息經(jīng)處理后及時(shí)有效的反饋到設(shè)計(jì)、施工中去，一方面，做到完善設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工，確保工程安全、經(jīng)濟(jì)的進(jìn)行；另一方面，可以為類似地質(zhì)條件的工程提供第一手可靠的經(jīng)驗(yàn)資料。凍結(jié)孔施工階段，主要反饋凍結(jié)孔的成孔信息，根據(jù)這些信息為凍結(jié)孔的成孔質(zhì)量做出評(píng)價(jià)；凍結(jié)施工階段，主要反饋溫度信息及因凍脹引起的應(yīng)力、變形信息，通過這些信息指導(dǎo)工程施工；開挖構(gòu)筑施工階段，主要反饋凍土帷幕的溫度信息、開挖面的溫度信息及凍土帷幕變形信息，通過這些信息及時(shí)調(diào)整開挖的施工工藝。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

武漢市軌道交通2號(hào)線一期工程江漢路站—積玉橋站越江區(qū)間隧道，區(qū)間長(zhǎng)3 092.543 m(右線)，采用盾構(gòu)法施工。為了滿足區(qū)間防災(zāi)和排水要求，區(qū)間內(nèi)共設(shè)置5條聯(lián)絡(luò)通道。其中1號(hào)、4號(hào)聯(lián)絡(luò)通道分別設(shè)于漢口、武昌風(fēng)井內(nèi)。2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道里程右DK12+800(左DK12+800)，3號(hào)聯(lián)絡(luò)通道與泵房合建，里程右DK13+382.849(左DK13+382.849)，均位于長(zhǎng)江下。5號(hào)聯(lián)絡(luò)通道里程右DK14+340(左DK14+363.867)，位于武昌風(fēng)井與積玉橋站之間。2號(hào)、3號(hào)和5號(hào)聯(lián)絡(luò)通道均采用洞內(nèi)凍結(jié)法加固地層，采用礦山法施工。其中，3號(hào)聯(lián)絡(luò)通道施工難度大，危險(xiǎn)系數(shù)高，因此本文以3號(hào)聯(lián)絡(luò)通道為例，介紹凍結(jié)法信息化施工技術(shù)。

2.2 水文地質(zhì)條件

長(zhǎng)江河床地層巖性自上而下為：粉細(xì)砂(②-1)，厚約6.2 m～7.3 m；中砂(②-2)，分布不連續(xù)，厚度變化較大，一般2.9 m～13.2 m，下伏基巖為志留系中統(tǒng)墳頭群泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。擬建場(chǎng)地的地下水類型為孔隙潛水，賦存于長(zhǎng)江河床部位第四系全新統(tǒng)粉細(xì)砂、中粗砂層中，孔隙水壓力大，與長(zhǎng)江水有直接水力聯(lián)系。

3 信息處理與反饋

3.1 凍結(jié)孔成孔

凍結(jié)孔成孔是凍結(jié)工程成敗的關(guān)鍵因素之一，有效控制凍結(jié)孔成孔質(zhì)量對(duì)于施工工期和工程節(jié)能效果明顯。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記錄和測(cè)量監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，部分凍結(jié)孔未達(dá)到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，鑒于均打入注漿層，且偏差值不大，經(jīng)分析演算可不進(jìn)行補(bǔ)救措施。其中D25號(hào)凍結(jié)孔距離設(shè)計(jì)值偏差3 907 mm，且D25孔比較重要，所以在左線增設(shè)補(bǔ)孔補(bǔ)1、補(bǔ)2。經(jīng)過打壓測(cè)試所有凍結(jié)孔密閉性均滿足凍結(jié)要求。

3.2 凍結(jié)帷幕

1)凍結(jié)孔溫度。3號(hào)聯(lián)絡(luò)通道測(cè)溫孔右行線4個(gè)，左線8個(gè)，共計(jì)12個(gè)，孔深為2.0 m。在凍結(jié)帷幕易出現(xiàn)薄弱的地方附近的測(cè)溫孔C1和C8埋設(shè)10個(gè)溫度熱電偶，測(cè)溫深度為0.45 m，0.6 m，0.7 m，0.8 m，之后每隔0.2 m設(shè)置一個(gè)。其他測(cè)溫孔內(nèi)設(shè)3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)深度分別為0.45 m，0.8 m，2.0 m不等。從測(cè)溫孔各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的曲線看出各測(cè)溫孔溫度逐漸下降，積極凍結(jié)初期下降較快，積極凍結(jié)后期下降較慢，維護(hù)時(shí)期降溫很慢，凍結(jié)效果良好。凍結(jié)過程中鹽水流量均衡，離凍結(jié)孔越近降溫越快。

2)凍脹壓力。為了了解凍結(jié)過程中，凍結(jié)帷幕對(duì)隧道管片產(chǎn)生凍脹壓力的變化情況，掌握凍結(jié)帷幕發(fā)展?fàn)顩r，在開挖范圍內(nèi)靠近凍結(jié)帷幕邊緣的位置布置土壓力計(jì)，監(jiān)測(cè)凍脹壓力。壓力盒的位置見表1。

表1 壓力盒的位置

初始低壓為0.5 MPa左右，凍結(jié)第16天，壓力表顯示開始漲壓。凍結(jié)18 d，壓力開始劇烈上漲，說明凍結(jié)帷幕已經(jīng)交圈。凍結(jié)21 d，將泄壓孔泄壓后，壓力盒降到0.5 MPa后壓力繼續(xù)劇烈增長(zhǎng)，凍結(jié)32 d，將各卸壓孔半打開，壓力盒讀數(shù)維持在0.5 MPa，與泄壓的變化基本相同。土壓力盒隨時(shí)間的變化曲線見圖1。

3.3 泄壓孔壓力

泄壓孔的作用主要有兩個(gè)：1)通過和原始地壓的比較，可以作為判斷凍結(jié)壁是否交圈的依據(jù)；2)通過及時(shí)泄壓，可以減少土體凍脹對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響。3號(hào)通道共布置了2個(gè)泄壓孔，右線泄壓孔為X1，左線泄壓孔為X2，泄壓孔深度均為2 m，均布置在開挖斷面內(nèi)。X1和X2泄壓孔壓力隨時(shí)間變化曲線見圖2。由圖2可知，泄壓孔的初始?jí)毫?.4 MPa，凍結(jié)16 d壓力表開始發(fā)生變化，壓力開始劇烈上漲，在凍結(jié)18 d達(dá)到0.7 MPa以上，為了凍結(jié)壁安全進(jìn)行開閘泄壓，壓力下降到0.2 MPa上下，泄壓后壓力繼續(xù)上升。凍結(jié)32 d，為了降低凍脹，將泄壓孔打開，泄壓孔一直處于半泄壓的狀態(tài)。凍結(jié)41 d，在聯(lián)絡(luò)通道左右行線開挖斷面未凍區(qū)內(nèi)各施工一個(gè)探孔，沒有發(fā)現(xiàn)涌砂、涌水現(xiàn)象，說明凍結(jié)效果良好。

3.4 預(yù)應(yīng)力支架軸力

通過安裝在隧道預(yù)應(yīng)力支架千斤頂上的軸力計(jì)，來監(jiān)測(cè)千斤頂對(duì)隧道施加的預(yù)應(yīng)力是否滿足設(shè)計(jì)值要求，保證不對(duì)隧道的管片造成破壞。在凍結(jié)過程中，通過監(jiān)測(cè)預(yù)應(yīng)力支架的軸力變化來監(jiān)測(cè)凍脹力的作用，預(yù)測(cè)隧道的變形趨勢(shì)。同時(shí)，必要時(shí)根據(jù)預(yù)應(yīng)力軸力的變化來調(diào)整凍結(jié)施工，保證隧道在整個(gè)凍結(jié)期間的安全。在3號(hào)聯(lián)絡(luò)通道的兩端選擇1榀預(yù)應(yīng)力支架上各布置3個(gè)軸力計(jì)，每個(gè)聯(lián)絡(luò)通道布置6個(gè)軸力計(jì)。通過監(jiān)測(cè)軸力計(jì)的讀數(shù)可知千斤頂對(duì)隧道施加的預(yù)應(yīng)力滿足要求，開挖期間軸力計(jì)的讀數(shù)整體變化幅度很小，可知千斤頂對(duì)隧道的壓力基本保持恒定，隧道變形較小。

4 結(jié)語

通過對(duì)凍結(jié)孔成孔情況的監(jiān)測(cè)，及時(shí)找出薄弱區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)孔，消除了凍結(jié)過程中的隱患，在開挖范圍內(nèi)靠近凍結(jié)帷幕邊緣的位置布置土壓力盒，及時(shí)了解凍脹壓力，掌握凍結(jié)過程中凍結(jié)帷幕的交圈情況，合理安排開挖時(shí)間。由安裝在隧道預(yù)應(yīng)力支架千斤頂上的軸力計(jì)，來監(jiān)測(cè)千斤頂對(duì)隧道施加的預(yù)應(yīng)力是否滿足設(shè)計(jì)值要求，保證了隧道管片變形在允許范圍內(nèi)。通過對(duì)凍結(jié)過程中的信息化監(jiān)測(cè)，及時(shí)獲得凍結(jié)過程中的有效數(shù)據(jù)，為科學(xué)決策、科學(xué)施工提供了有利保證，大大降低了凍結(jié)過程中的盲目性，同時(shí)降低了工程施工成本和安全隱患，保證了江底3號(hào)聯(lián)絡(luò)通道順利完成，為今后我國類似工程的凍結(jié)法施工提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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Research on freezing method information construction technology of connected aidle in Yangtze river tunnel

WANG Jin-long1NI Zheng-mao2

(1.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Wuhan 430063, China； 2.Wuhan Metro Group Co., Ltd, Wuhan 430077, China)

Introduction of the three major components of the information construction of the freezing method， baised on freezing engineering of No.3 connected aisle of Wuhan subway from Jianghanlu station to Jiyuqiao station. With the help of measure system, real-time collection and analysis software, the achieved information will be timely and effective feedback to the various stages of positive freezing stage and excavation building construction stage, ensuring that the construction process to be security, economy, high efficiency.

tunnel, high water pressure, freezing method, information construction

1009-6825(2014)36-0157-02

2014-10-16

王金龍1倪正茂2

U456.1

A