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(luò)通道中的應(yīng)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(jìn)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(luò)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(biāo)準(zhǔn)、凍結(jié)前準(zhǔn)備工作和控制標(biāo)準(zhǔn)、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(luò)通道

1 工程概況

1.1 工程概況

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(luò)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(fù)合式襯砌。

1.2 水文地質(zhì)概況

聯(lián)絡(luò)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(jì)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(luò)通道地質(zhì)剖面圖如下所示：

2 凍結(jié)法施工設(shè)計及應(yīng)用

2.1 凍結(jié)設(shè)計

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(xué)性質(zhì)試驗，凍土強度的設(shè)計指標(biāo)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(dá)到設(shè)計時計算值，凍結(jié)壁驗收時平均溫度應(yīng)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(luò)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 凍結(jié)孔施工

2.2.1凍結(jié)孔定位

依據(jù)施工基準(zhǔn)點，按施工圖進(jìn)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(dāng)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(dāng)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(jìn)

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(jìn)，鉆進(jìn)過程中嚴(yán)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(yīng)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(jìn)行凍結(jié)管長度的復(fù)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(jìn)行補孔或作延長凍結(jié)時間進(jìn)行處理。

2.3 積極凍結(jié)

凍結(jié)站安裝完畢后進(jìn)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(jìn)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(dá)不到設(shè)計要求，應(yīng)延長積極凍結(jié)時間。

2.4 開挖二襯

確定進(jìn)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(jìn)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(hù)強度，并還要及時對暴露的凍結(jié)帷幕進(jìn)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。

2.5 維護(hù)凍結(jié)

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(dá)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(dá)到設(shè)計厚度且與隧道完全膠結(jié)后，可進(jìn)入維護(hù)凍結(jié)階段。維護(hù)凍結(jié)期溫度為不大于-26℃，凍結(jié)時間貫穿聯(lián)絡(luò)通道泵房開挖和主體結(jié)構(gòu)施工始終。

2.6 凍結(jié)孔（測溫孔）處理

在二襯施工完成后，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，待達(dá)到設(shè)計要求，冷凍設(shè)備拆除完成后，將凍結(jié)孔進(jìn)行封孔處理。凍結(jié)孔（測溫孔）封孔如圖所示：

2.7 融沉注漿施工

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(jìn)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(luò)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)。

2.8 測量和監(jiān)測

根據(jù)施工經(jīng)驗，結(jié)合連絡(luò)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(luò)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

3 凍結(jié)法施工效果分析

3.1 凍結(jié)效果分析

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(luò)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(luò)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。

3.2 凍結(jié)效果評估

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。

4 結(jié)束語

該區(qū)間聯(lián)絡(luò)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(dá)到-18℃，10月23日鹽水去、回路溫度達(dá)到-24℃以下，到10月29日鹽水去路溫度達(dá)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(dá)到滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)，整個過程中凍結(jié)效果均達(dá)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(luò)通道及泵站盡快達(dá)到凍結(jié)開挖條件，及時進(jìn)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。