張永煥 譚 瑞
中國建筑第八工程局軌道交通分公司
凍結(jié)法在富水圓礫層地鐵聯(lián)絡通道中的應用
張永煥 譚 瑞
中國建筑第八工程局軌道交通分公司
人工凍結(jié)法是一種土層的臨時物理加固方法,在巖土工程開挖之前,利用人工制冷技術(shù),通過凍結(jié)孔對周圍地層進行制冷,使地層中的水結(jié)冰,將松散含水巖土變成凍土,形成強度高,封閉性好的凍結(jié)壁抵抗周圍巖土的壓力,確保工程開挖的安全。本文結(jié)合南寧地鐵工程富水圓礫層聯(lián)絡通道凍結(jié)設(shè)計和施工過程,總結(jié)了在富水地下工程中凍結(jié)法施工的凍結(jié)設(shè)計參數(shù)標準、凍結(jié)前準備工作和控制標準、后期融沉注漿的監(jiān)測要求等。
地鐵:凍結(jié)法;富水圓礫層;聯(lián)絡通道
南寧市軌道交通2號線秀廂站~三十三中站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工,長度為640米,于右線設(shè)置一處聯(lián)絡通道兼廢水泵房為直墻圓拱式結(jié)構(gòu),凈寬2.5m,凈高2.9m,采用淺埋暗挖法施工,結(jié)構(gòu)形式采用復合式襯砌。
聯(lián)絡通道及泵房處結(jié)構(gòu)覆土約13.8m,拱頂主要位于粉土③2,洞身主要位于粉土③2及圓礫層⑤1-1,場地地貌形態(tài)主要為侵蝕堆積河谷階地邕江高階地地貌,揭露地層為填土層,第四紀沖洪積層,基巖為古近系巖層;根據(jù)鉆探及附近工程資料,結(jié)合地下水賦存條件、含水介質(zhì)及水力特征的分析,地下水主要類型為基巖裂隙水。該含水層富水性較好、透水性較好,受大氣降水和地表水補給,水量中等,具承壓性。聯(lián)絡通道地質(zhì)剖面圖如下所示:
設(shè)計采用水平凍結(jié)法加固地層制冷方式為氟利昂-鹽水凍結(jié)系統(tǒng)。
2.1.1凍結(jié)壁設(shè)計
凍結(jié)壁設(shè)計為1.8m,參照類似工程凍土物理力學性質(zhì)試驗,凍土強度的設(shè)計指標取為:單軸抗壓不小于3.6MPa,彎折抗拉不小于2.0MPa,抗剪不小于1.5MPa(-10℃下)。為保證凍土平均溫度達到設(shè)計時計算值,凍結(jié)壁驗收時平均溫度應不高于-10℃,開挖區(qū)凍結(jié)孔布置圈上與隧道管片交界面平均溫度不高于-5℃。開挖時鹽水溫度在-28℃以下,去、回路鹽水溫差不大于2℃。
2.1.2凍結(jié)孔和測溫孔布置
聯(lián)絡通道泵房布置凍結(jié)孔總數(shù)50個,其中4個穿透孔,長度在5~10米,總長度約375m;布置9個測溫孔,測溫管選用Φ32鋼管,長度2.5~6m不等,管前端焊接密封,。目的主要是測量凍結(jié)壁范圍不同部位的溫度變化。
2.2.1凍結(jié)孔定位
依據(jù)施工基準點,按施工圖進行孔位放線,孔位布置要依據(jù)管片配筋圖,在避開主筋、螺栓和鋼管片肋板的前提下可適當調(diào)整。
2.2.2開孔及孔口密封
開孔深度控制不得鉆穿管片,取出后打入加工好的孔口管,至少有4個點固定在管片上,然后安裝孔口密封裝置。當每個鉆孔完成后,孔口法蘭與凍結(jié)管之間間隙用鋼板焊接密封。
2.2.3凍結(jié)孔鉆進
鉆孔設(shè)備在鉆頭部位安裝一個特制單向閥門,采用水循環(huán)鉆進,鉆進過程中嚴格監(jiān)測孔斜情況,發(fā)現(xiàn)偏斜要及時糾偏,鉆孔的偏斜應控制在150mm以內(nèi)。
2.2.4凍結(jié)管安裝
凍結(jié)管長度不得小于設(shè)計長度,凍結(jié)管之間采用絲扣連接,螺紋緊固后再用電弧焊焊接,確保其連接質(zhì)量。下好凍結(jié)管后,進行凍結(jié)管長度的復測,凍結(jié)孔終孔最大允許間距為130cm,集水井處凍結(jié)孔終孔最大允許間距為140cm,超出允許值的可進行補孔或作延長凍結(jié)時間進行處理。
凍結(jié)站安裝完畢后進行調(diào)試和試運轉(zhuǎn)。在試運轉(zhuǎn)時,要隨時調(diào)節(jié)壓力、溫度等參數(shù),使機組在工藝規(guī)程和設(shè)備要求的技術(shù)參數(shù)條件下運行。凍結(jié)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常后進入積極凍結(jié)。要求凍結(jié)孔單孔流量不小于5m3/h;7天后鹽水溫度降至-18℃以下,15天后鹽水溫度降至-24℃以下,去回路溫差不大于2℃;開挖前鹽水溫度降至-28℃以下。如鹽水溫度和鹽水流量達不到設(shè)計要求,應延長積極凍結(jié)時間。
確定進行開挖之前需結(jié)合測溫孔資料、探孔情況等方面的數(shù)據(jù),在滿足設(shè)計要求條件后進行開挖。由于土體凍土強度較高,凍結(jié)帷幕承載能力大,因而開挖時可以采用全斷面一次開挖,在開挖過程中根據(jù)揭露土體的加固效果,及監(jiān)控監(jiān)測信息,及時調(diào)整開挖步距和支護強度,并還要及時對暴露的凍結(jié)帷幕進行保溫。
結(jié)構(gòu)層混凝土選用商品防水混凝土,混凝土強度、抗?jié)B等級按設(shè)計要求。因結(jié)構(gòu)澆筑時間長,可在混凝土內(nèi)加入一定量的緩凝劑。
在積極凍結(jié)過程中,要根據(jù)實測溫度資料判斷凍結(jié)帷幕是否交圈和達到設(shè)計厚度,并且監(jiān)測凍結(jié)帷幕與隧道的膠結(jié)情況,測溫判斷凍結(jié)帷幕交圈并達到設(shè)計厚度且與隧道完全膠結(jié)后,可進入維護凍結(jié)階段。維護凍結(jié)期溫度為不大于-26℃,凍結(jié)時間貫穿聯(lián)絡通道泵房開挖和主體結(jié)構(gòu)施工始終。
在二襯施工完成后,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,待達到設(shè)計要求,冷凍設(shè)備拆除完成后,將凍結(jié)孔進行封孔處理。凍結(jié)孔(測溫孔)封孔如圖所示:
控制地面和隧道的沉降變形是融沉注漿的目的。因此在結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后因及時進行充填注漿。另外注漿施工過程中,漿液的壓力可以通過在相鄰注漿孔安裝壓力表來反映。監(jiān)測地表沉降、監(jiān)測管片隆沉和收斂變形和監(jiān)測聯(lián)絡通道結(jié)構(gòu)變形的綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)是注漿參數(shù)調(diào)整的依據(jù)。
根據(jù)施工經(jīng)驗,結(jié)合連絡通道和融沉注漿的特點、設(shè)計要求及有關(guān)規(guī)范規(guī)定,對本聯(lián)絡通道施工中檢測項目和監(jiān)測控制值要求如下表:
表1 各監(jiān)測項目控制值
凍結(jié)效果的分析可以從凍結(jié)帷幕厚度的確定、凍土平均溫度和探孔情況二個方面來分析。
3.1.1凍結(jié)帷幕厚度
綜合卸壓孔和測溫孔數(shù)據(jù)分析,聯(lián)絡通道凍土最慢發(fā)展速度為30.00 mm/d。以最慢發(fā)展速度(11月18日,凍結(jié)39天)計算凍土發(fā)展半徑r=30.00×39=1170mm,按凍結(jié)發(fā)展半徑1170mm作圖,從圖上測量出:通道部位凍結(jié)帷幕最薄有效厚度為2080mm,因此凍結(jié)帷幕厚度已滿足設(shè)計不小于1.8m要求。
3.1.2凍土平均溫度的確定
根據(jù)公式法計算(設(shè)計依據(jù)):
其中:
tb=鹽水溫度, -29.5℃
l=孔間距, 1.2m
E=凍土厚度, 2.08m
tB=開挖面溫度,-8℃
3.1.3探孔情況
11月10日,在聯(lián)絡通道的通道段內(nèi)堆積沙袋清理完后隨機向下部泵房位置打設(shè)5個探孔,探孔深度1.0米至2.0米不等,目的是探明底部泵房內(nèi)原含水層的地下水情況,經(jīng)探孔情況揭示底部泵房無明顯泥沙、水等流出,滿足開挖條件。
根據(jù)上述凍結(jié)分析及探孔情況表明,凍結(jié)效果良好,凍結(jié)帷幕厚度2.08米滿足設(shè)計要求不小于1.8米的要求,凍土帷幕平均溫度-10.31℃滿足設(shè)計要求不高于-10℃的要求,探孔無明顯出水情況,滿足凍結(jié)加固條件,故可以開挖施工。
該區(qū)間聯(lián)絡通道凍結(jié)法施工期間,冷凍機于10月11日正式運轉(zhuǎn),至10月15日鹽水去、回路溫度達到-18℃,10月23日鹽水去、回路溫度達到-24℃以下,到10月29日鹽水去路溫度達到-28℃以下,鹽水溫度一直保持在-28℃以下,溫差不大于2℃,滿足設(shè)計要求,。在積極凍結(jié)期,冷凍機組達到滿負荷運轉(zhuǎn),整個過程中凍結(jié)效果均達到設(shè)計要求(積極凍結(jié)期間鹽水溫度及溫差變化見下圖),確保聯(lián)絡通道及泵站盡快達到凍結(jié)開挖條件,及時進行結(jié)構(gòu)施工。為類似的工程提供了可借鑒的施工經(jīng)驗。