劉曉波，凌立靜，王秋生

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司,北京 100080; 2.北京住總集團(tuán)有限責(zé)任公司軌道交通市政工程總承包部,北京 100029)

凍結(jié)法[1-6]是利用人工制冷技術(shù),將鹽水介質(zhì)的溫度降至0 ℃以下,此時(shí)負(fù)溫的鹽水會(huì)使土層中的水凍結(jié)結(jié)冰,將松散含水土層變?yōu)閮鐾?進(jìn)而增加了土層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,隔絕了地下水,使得可以在該凍結(jié)壁的保護(hù)下,進(jìn)行地下工程開挖施工。目前,凍結(jié)法由于其自身安全性高、封水性強(qiáng)等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于地鐵工程建設(shè)中。

地鐵聯(lián)絡(luò)通道[7-9]是位于兩條地鐵隧道間的一條橫向連接通道,主要起到隧道內(nèi)排水、防火及人員緊急避險(xiǎn)疏散作用。地鐵聯(lián)絡(luò)通道位置兩隧道中心距一般為12 m～15 m,對(duì)于兩隧道中心距20 m一般稱為超長聯(lián)絡(luò)通道[10]。當(dāng)?shù)罔F聯(lián)絡(luò)通道位于富水軟土地層時(shí),通常采用凍結(jié)法加固地層[11-12],暗挖法進(jìn)行施工。

目前聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工存在的問題主要集中在以下幾點(diǎn):1)大埋深、富水層、超長聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)法施工工藝應(yīng)用案例較少;2)施工周期較長、用電成本高、工程造價(jià)較高等經(jīng)濟(jì)效益不理想。如何在確保現(xiàn)場(chǎng)施工安全、質(zhì)量的前提下,提高聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工的經(jīng)濟(jì)效益,是需要我們共同探討解決的問題。筆者擬以北京地鐵12號(hào)線三元橋站—西壩河站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道工程(以下簡(jiǎn)稱“本工程”)為例進(jìn)行討論。

1 工程概況

北京地鐵12號(hào)線三元橋站—西壩河站盾構(gòu)區(qū)間總長1 481 m,區(qū)間線路線間距為19.2 m～35 m～17.2 m,區(qū)間設(shè)置2座聯(lián)絡(luò)通道,均采用凍結(jié)法加固地層,暗挖法進(jìn)行施工,平面位置如圖1所示。

1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道所在位置兩隧道中心距35 m,上覆土層厚度約28 m,上覆土層主要為粉土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂,開挖初支外輪廓尺寸為3.27 m×4.27 m(寬×高),開挖地層主要為粉質(zhì)黏土,開挖斷面位于承壓水(四)之下。

2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道所在位置兩隧道中心距34.309 m,上覆土層厚度約31 m,上覆土層主要為粉土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂,開挖初支外輪廓尺寸為4 m×4.27 m(寬×高),泵房處開挖初支外輪廓尺寸為5.9 m×7.656 m(寬×高),開挖地層主要為粉質(zhì)黏土,開挖斷面位于承壓水(四)之下。

2 工程重難點(diǎn)

本工程受施工地域條件及周邊環(huán)境等因素制約,凍結(jié)施工存在以下幾項(xiàng)施工難點(diǎn):

1)超長聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工應(yīng)用較少,鉆孔、凍結(jié)管安裝等難度加大,凍結(jié)實(shí)施效果難以把控,工程造價(jià)高。

2)常規(guī)雙線盾構(gòu)隧道貫通后再行施工聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程,而本工程雙線盾構(gòu)隧道均未貫通,為保證凍結(jié)工作環(huán)境溫度凍結(jié)站須設(shè)置在隧道外,長距離凍結(jié)鹽水運(yùn)輸及其保溫措施具有一定難度。

3)工期要求緊,較低鹽水溫度會(huì)導(dǎo)致掌子面結(jié)冰強(qiáng)度大不僅影響暗挖施工進(jìn)度,而且增加能耗成本,較高鹽水溫度可以降低能耗成本,但不利于凍結(jié)壁的穩(wěn)定,如何權(quán)衡二者間的關(guān)系面臨一定困難。

4)超長聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)體量大,如何有效降低凍脹融沉的影響,減少凍結(jié)施工的后續(xù)影響、降低造價(jià)存在一定困難。

3 造價(jià)控制分析

本工程凍結(jié)工藝流程如圖2所示,結(jié)合凍結(jié)施工流程及本工程重難點(diǎn),以下對(duì)凍結(jié)造價(jià)控制的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析研究。

3.1 優(yōu)化凍結(jié)孔布設(shè)

常規(guī)聯(lián)絡(luò)通道中心線間距一般為12 m～15 m,通常采用單側(cè)打孔凍結(jié)孔的方式進(jìn)行凍結(jié)施工。對(duì)于超長聯(lián)絡(luò)通道,當(dāng)繼續(xù)采用單側(cè)打設(shè)凍結(jié)孔的方式時(shí),不僅過長的凍結(jié)管易發(fā)生偏斜,使得凍結(jié)帷幕不交圈,不夠安全,而且凍結(jié)帷幕過大,會(huì)使造價(jià)偏高,經(jīng)濟(jì)性較差。

本工程通過對(duì)凍結(jié)方案進(jìn)行優(yōu)化,采用從兩側(cè)盾構(gòu)隧道各打設(shè)凍結(jié)孔,減少了單個(gè)凍結(jié)管長度,凍結(jié)管的打設(shè)精度易于控制。凍結(jié)管在聯(lián)絡(luò)通道中部形成交叉,通過設(shè)置1.5 m的搭接區(qū)域的方式確保了凍結(jié)帷幕薄弱處的強(qiáng)度,凍結(jié)過程中從兩側(cè)凍結(jié)管進(jìn)行鹽水供冷,從而使隧道在兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行凍結(jié)形成凍結(jié)壁。同時(shí),通過優(yōu)化凍結(jié)孔的布設(shè),將凍結(jié)孔按上仰、水平、下俯三種角度布置,將開挖斷面外殼土體進(jìn)行凍結(jié),減少開挖斷面的凍結(jié),達(dá)到類“糖心”凍結(jié)效果,如圖3所示,在保障安全的同時(shí),提高土體開挖效率,降低了造價(jià)。

本工程兩座聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔布設(shè)如圖4,圖5所示,該種凍結(jié)方案,不僅增加了安全性,而且減少了造價(jià)。凍結(jié)管采用φ89 mm×8 mm低碳鋼無縫鋼管,供液管采用φ48 mm×8 mm低碳鋼無縫鋼管,單側(cè)打設(shè)凍結(jié)管與雙側(cè)打設(shè)凍結(jié)管造價(jià)對(duì)比,如表1所示。

表1 單側(cè)打設(shè)凍結(jié)管與雙側(cè)打設(shè)凍結(jié)管造價(jià)對(duì)比

3.2 加強(qiáng)管路連接保溫

常規(guī)雙線盾構(gòu)隧道貫通后再行施工聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程,凍結(jié)站一般布置在聯(lián)絡(luò)通道旁,鹽水循環(huán)管路相對(duì)較短。本工程雙線盾構(gòu)隧道均未貫通,為保證凍結(jié)工作環(huán)境溫度,凍結(jié)站須設(shè)置在隧道外。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境,凍結(jié)站最終布置在了車站內(nèi),凍結(jié)站布設(shè)情況見圖5,距離1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道960 m,距離2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道580 m,造成了鹽水循環(huán)管路增加及管路保溫費(fèi)用增加。

施工中,鹽水管路采用φ159 mm×30 mm PE管外包雙層保溫棉的方法,如圖6所示,有效地阻止了低溫鹽水溫度的回升,監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)鹽水管自凍結(jié)站至集配液圈過程中=冷量的損失僅為2%,不僅保證了現(xiàn)場(chǎng)的凍結(jié)效果,也節(jié)約了施工成本。由于管片相較于土層更易散熱,為加強(qiáng)凍結(jié)帷幕與管片膠結(jié),對(duì)凍結(jié)孔外側(cè)1 m范圍內(nèi)的聯(lián)絡(luò)通道處管片鋪設(shè)保溫板,保溫板采用40 mm厚的PEF板(聚乙烯保溫板),以減少冷量損失,見圖7,圖8。兩座聯(lián)絡(luò)通道鹽水循環(huán)管路及保溫造價(jià)情況如表2所示。

表2 鹽水循環(huán)管路及保溫造價(jià)統(tǒng)計(jì)

3.3 動(dòng)態(tài)控溫制冷

凍結(jié)制冷是凍結(jié)帷幕的形成階段,根據(jù)計(jì)算的供冷量對(duì)實(shí)際供冷量進(jìn)行調(diào)整,保證鹽水溫度符合計(jì)算結(jié)果的條件下,進(jìn)行凍結(jié)作業(yè)。

凍結(jié)制冷是凍結(jié)施工中能耗較大的環(huán)節(jié),為降低造價(jià),本工程凍結(jié)制冷采用動(dòng)態(tài)控溫技術(shù)。動(dòng)態(tài)監(jiān)控鹽水溫度、隧道表面溫度從而計(jì)算當(dāng)前凍結(jié)壁厚度,并根據(jù)結(jié)果反饋適度調(diào)控鹽水溫度以改變供冷量,從而達(dá)到控制凍結(jié)效果避免掌子面過度凍結(jié),冷量反饋調(diào)節(jié)如圖9所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖狀態(tài)及實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù),動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)供冷量,避免了掌子面結(jié)冰造成的圍巖強(qiáng)度過度提升,在凍結(jié)施工中不僅具有安全、穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),而且可有效降低開挖的難度,主動(dòng)縮短工期,降低了水電能耗等。傳統(tǒng)恒溫凍結(jié)與本工程動(dòng)態(tài)控溫凍結(jié)制冷耗電量對(duì)比及造價(jià)對(duì)比情況,如表3所示。

表3 恒溫凍結(jié)與動(dòng)態(tài)控溫凍結(jié)制冷耗電量及造價(jià)對(duì)比

3.4 減少凍脹融沉

凍脹融沉是凍結(jié)施工面臨的不可避免的問題,為消除地層凍脹、融沉對(duì)聯(lián)絡(luò)通道產(chǎn)生的不良影響,在凍土帷幕內(nèi)每個(gè)斷面設(shè)置2個(gè)卸壓孔,用于卸除消散凍結(jié)附加力,并在結(jié)構(gòu)襯砌上預(yù)留注漿管,在凍土帷幕自解凍過程中通過預(yù)埋注漿管進(jìn)行土體注漿[13-15]。

本工程卸壓孔采用φ89 mm×8 mm低碳鋼無縫鋼管,在凍結(jié)過程中,當(dāng)凍脹引起地層壓縮時(shí),由卸壓孔內(nèi)排除部分土體,消散凍脹壓力。

融沉注漿量按不低于凍結(jié)帷幕體積的30%估算,當(dāng)凍結(jié)壁全部融化,且實(shí)測(cè)地表沉降速率連續(xù)2次小于0.5 mm/15 d時(shí),可停止融沉注漿。本工程兩座聯(lián)絡(luò)通道融沉注漿造價(jià)統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 融沉注漿造價(jià)對(duì)比

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 工期分析

本工程通過雙向凍結(jié)技術(shù),大幅縮短了積極凍結(jié)所需時(shí)間,降低了成孔難度,后續(xù)開挖過程中采用控制供冷量與雙向開挖的技術(shù)措施,使掌子面處于未結(jié)冰的狀態(tài),降低了隧道開挖的難度,相比于傳統(tǒng)單向1 d 1榀鋼格柵的掘進(jìn)速度,提高到雙向2 d 3榀鋼格柵,施工效率提升了約50%,有效的節(jié)約了工期,工期對(duì)比見表5。

表5 工期對(duì)比 d

4.2 造價(jià)分析

本工程凍結(jié)施工造價(jià)控制關(guān)鍵點(diǎn)的造價(jià)統(tǒng)計(jì)分析如表6所示,可見凍結(jié)制冷是凍結(jié)造價(jià)控制的重中之重。

表6 凍結(jié)施工關(guān)鍵點(diǎn)造價(jià)統(tǒng)計(jì)

相較于傳統(tǒng)的恒溫凍結(jié)工法,本工程根據(jù)所需冷量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控,減少了不必要的冷量損失,減少了持續(xù)供冷的能源損耗,達(dá)到了節(jié)能的目的,降低了造價(jià),本工程與傳統(tǒng)工程造價(jià)對(duì)比情況見表7。

表7 造價(jià)對(duì)比

5 結(jié)論

1)本工程提供了一種適用于超長聯(lián)絡(luò)通道開挖過程中,采用雙向凍結(jié)對(duì)地層進(jìn)行加固的方法,提高了施工效率,縮短了施工工期,確保了施工的安全及質(zhì)量,降低了造價(jià),為進(jìn)一步推廣提供了依據(jù)。

2)本工程通過優(yōu)化凍結(jié)孔布設(shè),達(dá)到類“糖心”凍結(jié)效果,在提升后續(xù)開挖施工效率的同時(shí),降低了工程造價(jià)。

3)通過對(duì)本工程凍結(jié)施工的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行造價(jià)對(duì)比分析,凍結(jié)制冷占凍結(jié)總造價(jià)的36%～40%,是凍結(jié)施工造價(jià)控制的重中之重。

4)本工程凍結(jié)制冷階段通過動(dòng)態(tài)控溫技術(shù),使鹽水溫度始終維持在適當(dāng)所需的范圍內(nèi),降低了隧道開挖的難度,縮短了工期,降低了造價(jià),為今后類似工程提供了參考。

5)本工程雙線盾構(gòu)隧道均未貫通,凍結(jié)站設(shè)置在車站內(nèi),長距離鹽水管路采用φ159 mm×30 mm PE管外包雙層保溫棉的方法,有效地阻止了低溫鹽水溫度的回升,不僅保證了現(xiàn)場(chǎng)的凍結(jié)效果,也節(jié)約了施工成本,為長距離凍結(jié)鹽水運(yùn)輸?shù)谋靥峁┝顺晒?jīng)驗(yàn)。