孫欽帥
(北京北咨工程項(xiàng)目管理咨詢有限公司 北京 100025)
凍結(jié)法通過(guò)人工制冷技術(shù)將地層中的自由水結(jié)冰,從而形成抵抗地壓并隔絕地下水的封閉式凍土體[1-2]。我國(guó)首次成功應(yīng)用凍結(jié)法鑿井技術(shù)在1955年[3],此后凍結(jié)法在礦井建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用,隨著我國(guó)城市軌道交通和地下工程的蓬勃發(fā)展,凍結(jié)法被逐步引入市政工程領(lǐng)域。最初凍結(jié)法主要應(yīng)用于聯(lián)絡(luò)通道和端頭井的小型凍結(jié)工程中,用于封水和承載[4-7]。但隨著凍結(jié)法被業(yè)界的廣泛接受,越來(lái)越多的大型工程逐步開(kāi)始使用凍結(jié)法進(jìn)行加固[8-11]。但由于市政工程中的凍結(jié)法往往具有埋深淺、管線多、風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn),因此如何有效開(kāi)展大體量?jī)鼋Y(jié)工程一直是困擾施工者的重要問(wèn)題。有鑒于此,本文以廣州某大型地鐵隧道為工程背景,對(duì)其局部垂直凍結(jié)加固方案進(jìn)行介紹,探討了對(duì)大體量、長(zhǎng)距離、高風(fēng)險(xiǎn)地下工程進(jìn)行凍結(jié)施工的可行性。相關(guān)結(jié)論和數(shù)據(jù)對(duì)類似工程具有一定的參考意義。
廣州地鐵3 號(hào)線北延伸段某施工隧道設(shè)計(jì)全長(zhǎng)59.26 m,為單洞雙線曲線隧道。本段隧道拱頂覆土厚度約7.63~8.08 m,為超淺埋隧道。該段隧道為曲線段,曲率為R=400 m。由于隧道一側(cè)為運(yùn)行車站,不具備大型施工條件,且地面為機(jī)場(chǎng)空管中心,地面有通行需求,同時(shí)加固區(qū)上方有數(shù)根軍用通訊光纜等限制,因此不具備明挖條件。綜合考慮隧道斷面形式、埋深及所處地質(zhì)條件,最終決定采用地面垂直凍結(jié)法加固+礦山法暗挖施工的方法進(jìn)行施工,從而減少對(duì)地面交通的影響。
本項(xiàng)目暗挖隧道所處地層主要為〈4-1〉含砂粉質(zhì)粘土、〈3-3〉細(xì)砂礫砂、〈9C-2〉含砂粉質(zhì)粘土地層。暗挖隧道寬為12.6 m,高為8.82 m,底板埋深約為16 m。根據(jù)地勘資料顯示地下水水位平均埋深為2.59 m。隧道所處〈3-3〉細(xì)砂礫砂層滲透系數(shù)為5~15 m/d,為高滲透性地層,施工中需嚴(yán)格注意防水。
參照以往淺埋凍結(jié)工程施工經(jīng)驗(yàn),初步選定兩側(cè)及頂部?jī)鼋Y(jié)壁厚度為3.0 m,其中底部?jī)鼋Y(jié)壁厚度為4.0 m,凍結(jié)壁平均溫度為-10 ℃。通過(guò)有限差分法對(duì)埋深最深截面的凍土帷幕受力與變形進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型及相關(guān)結(jié)果如圖1和表1所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,采用許用應(yīng)力法對(duì)凍結(jié)壁應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析,其中安全系數(shù)采用凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程規(guī)定的Ⅲ類凍結(jié)壁相關(guān)數(shù)據(jù)選?。?2]。
表1 凍結(jié)壁結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.1 Frozen Wall Results Statistics
從計(jì)算結(jié)果中可以看出,凍結(jié)壁平均溫度-10 ℃、厚度3.0 m(底部4.0 m)時(shí),凍土帷幕的總體承載能力足夠,凍土帷幕兩側(cè)及底部有應(yīng)力集中,但應(yīng)力值小于強(qiáng)度值,且各項(xiàng)安全系數(shù)滿足要求,因此認(rèn)為該設(shè)計(jì)參數(shù)合格。
根據(jù)隧道凍結(jié)壁設(shè)計(jì)的形式和特點(diǎn),決定采用局部垂直凍結(jié)方案。其中非凍結(jié)段的凍結(jié)器采用雙套管填充保溫材料的處理方案,從而減少該區(qū)域的冷量傳遞。為保證凍結(jié)壁的形成,將凍結(jié)孔的布置軸線與開(kāi)挖隧道中心線平行,并布置9 排凍結(jié)孔:A 排~I(xiàn) 排。排間距:外側(cè)兩排(A-B 排,H-I 排)排間距1 800 mm;其他排間距為2 150~2 225 mm。凍結(jié)孔布置形式如圖1?所示,具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。
由于本工程凍結(jié)體量較大,凍結(jié)管數(shù)目眾多,為了減少運(yùn)轉(zhuǎn)體量,將凍結(jié)加固區(qū)域劃分為兩個(gè)獨(dú)立的區(qū)域Ⅰ和Ⅱ。凍結(jié)施工中,首先將Ⅰ區(qū)接入鹽水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行積極凍結(jié),同時(shí)對(duì)Ⅱ區(qū)倒排工期,待Ⅰ區(qū)開(kāi)挖至距離Ⅱ區(qū)工作面50 d(積極凍結(jié)45 d,冗余考慮5 d),將Ⅱ納入凍結(jié)系統(tǒng),進(jìn)行正常凍結(jié)。
本工程于2017 年1 月24 日開(kāi)始積極凍結(jié),至2017 年4 月12 日,鹽水溫度降至-27.25 ℃(去路)、-25.43 ℃(回路),干管溫差為1.81 ℃,滿足設(shè)計(jì)要求,凍結(jié)過(guò)程中鹽水溫度變化如圖2 所示。由圖2 可知,積極凍結(jié)初期鹽水溫度迅速下降,后期在-20 ℃出現(xiàn)了一定的穩(wěn)定,隨后積極凍結(jié)30 d 左右進(jìn)一步下降至-28 ℃左右,其中第50~58 d左右出現(xiàn)的溫度上升是由于Ⅱ區(qū)凍結(jié)管開(kāi)機(jī)所造成,后續(xù)溫度迅速回降至-28 ℃左右。整個(gè)凍結(jié)過(guò)程基本滿足要求。
圖2 鹽水干管去回路溫度變化曲線Fig.2 The Temperature Variation Curve of the Salt Water Dry Pipe Return Loop
凍結(jié)段共設(shè)計(jì)5個(gè)測(cè)溫孔其中,2個(gè)位于A、Ⅰ排孔的外側(cè)界面,2個(gè)位于開(kāi)挖斷面內(nèi),1個(gè)位于凍結(jié)段端頭,深度與相鄰凍結(jié)孔相同。溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。
圖3 測(cè)溫孔布置示意圖Fig.3 Diagram Showing the Layout of Temperature Sensing Holes
部分典型測(cè)溫孔溫度隨時(shí)間變化曲線如圖4 所示。各測(cè)溫孔溫度隨時(shí)間逐漸降低,設(shè)計(jì)積極凍結(jié)末期凍結(jié)壁范圍內(nèi)的測(cè)溫孔溫度均已降為負(fù)溫。通過(guò)T3測(cè)溫曲線可以看出,在頂板段凍土內(nèi)發(fā)展速度慢于底板段凍土發(fā)展速度,中間保溫段凍土發(fā)展最慢,截止數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)間仍處于正溫,說(shuō)明通過(guò)凍結(jié)器的局部保溫布置在一定程度上節(jié)約了冷量,并有利于隧道的開(kāi)挖施工。
圖4 T3縱向溫度分布曲線(C11和D13之間)Fig.4 T3 Vertical Temperature Distribution Curve (between C11 and D13)
3.5.1 凍結(jié)壁發(fā)展分析
⑴隧道頂板:-8 m 處位于隧道頂板設(shè)計(jì)凍結(jié)壁內(nèi),A、I 排在此深度設(shè)有保溫層,無(wú)凍土;C~G 排群孔凍土發(fā)展速度以26 mm/d 計(jì)。測(cè)溫孔分布位置、孔間距和凍土發(fā)展速度如表3所示。
表3 凍土發(fā)展情況匯總Tab.3 Summary of Soil Development
⑵隧道側(cè)幫:-12 m 處位于隧道中部,A、B、H、I 排凍結(jié)管形成凍結(jié)壁側(cè)幫,C~G 排凍結(jié)管開(kāi)挖斷面保溫,理想狀況下無(wú)凍土。B、H 排孔凍土發(fā)展速度以32 mm/d 計(jì),測(cè)溫孔分布位置、孔間距和凍土發(fā)展速度如表3所示。
⑶隧道底板:-18 m 處位于隧道底板設(shè)計(jì)凍結(jié)壁內(nèi),A、I排凍結(jié)管深度<17 m,無(wú)凍土;B~H 排其余孔凍土發(fā)展速度以42 mm/d 計(jì),測(cè)溫孔分布位置、孔間距和凍土發(fā)展速度如表3所示。
從表3綜合來(lái)看,可以初步判定計(jì)算時(shí)刻隧道頂板、底板和側(cè)幫已交圈,封尾孔也已經(jīng)交圈達(dá)到封水效果。隧道頂板正常段凍土平均發(fā)展速度為26 mm/d,底板凍土正常段發(fā)展速度為42 mm/d,是頂板發(fā)展速度的1.6 倍,側(cè)墻正常段發(fā)展速度為32 mm/d,速度居中。
3.5.2 平均溫度計(jì)算
根據(jù)凍結(jié)設(shè)計(jì)頂板、側(cè)幫凍結(jié)壁厚度為3 m,底板厚度為4 m。根據(jù)測(cè)溫情況,頂板、底板的凍結(jié)壁厚度均大于設(shè)計(jì)要求,采用面域作圖法計(jì)算得凍結(jié)壁平均溫度均低于設(shè)計(jì)的-10 ℃要求;側(cè)幫凍結(jié)壁平均溫度采用雙圈孔成冰公式進(jìn)行計(jì)算,相關(guān)參數(shù)及結(jié)果如表4所示,按照B、H 排孔間距和A、I排孔間距計(jì)算,平均溫度均低于設(shè)計(jì)溫度,滿足設(shè)計(jì)要求。
表4 凍結(jié)壁厚度和平均溫度計(jì)算Tab.4 Calculated Frozen Wall Thickness and Average Temperatures
由表4 可知側(cè)墻和拱頂凍結(jié)壁厚度大于3 m,底板凍結(jié)壁厚度大于4 m;凍結(jié)壁的平均溫度低于-10 ℃,滿足設(shè)計(jì)要求。且環(huán)形凍結(jié)壁底板平均溫度比頂板平均溫度低4.78 ℃左右。底板凍結(jié)效果明顯優(yōu)于頂板凍結(jié)效果。側(cè)墻凍結(jié)壁平均溫度為-11.17 ℃,明顯高于頂板和側(cè)墻計(jì)算結(jié)果,從實(shí)測(cè)角度分析,側(cè)墻凍結(jié)器的流量和溫度和其他凍結(jié)器并無(wú)明顯差別,隧道開(kāi)挖后實(shí)測(cè)側(cè)幫溫度達(dá)到-8 ℃,經(jīng)修正后,側(cè)幫凍土平均溫度為-13.05 ℃??傮w結(jié)果及后續(xù)開(kāi)挖后測(cè)試表明成冰公式計(jì)算的平均溫度與面域作圖法比較還是偏向于保守。
⑴在不具備明挖和水平加固條件下,垂直凍結(jié)技術(shù)在大型地鐵隧道中得以成功應(yīng)用。得益于良好的局部保溫,節(jié)約了能量,有效降低了項(xiàng)目成本。
⑵本工程中凍結(jié)壁設(shè)計(jì)平均溫度-10 ℃、厚度3 m(底部平底4 m)時(shí),凍土帷幕的總體承載能力足夠滿足項(xiàng)目需求,凍土帷幕兩側(cè)及底部有應(yīng)力集中,但應(yīng)力值小于強(qiáng)度值,且各項(xiàng)安全系數(shù)滿足要求。但在實(shí)際施工中,部分區(qū)域凍結(jié)壁侵入開(kāi)挖區(qū)域較為嚴(yán)重,因此后續(xù)施工中應(yīng)根據(jù)實(shí)際鉆孔偏斜對(duì)靠近開(kāi)挖面一側(cè)凍結(jié)孔進(jìn)行適當(dāng)冷量調(diào)控。
⑶富水地層中凍土頂板平均發(fā)展速度為26 mm/d,凍土底板平均發(fā)展速度為42 mm/d。側(cè)墻平均發(fā)展速度為32 mm/d。環(huán)形凍結(jié)壁底板平均溫度比頂板平均溫度低4.78 ℃左右。底板凍結(jié)效果明顯優(yōu)于頂板凍結(jié)效果,后期可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),適當(dāng)增加頂板凍結(jié)厚度,減小底板凍結(jié)厚度。