4 软土地层地铁盾构隧道联络通道冻结法施工控制技术研究

软土地层地铁盾构隧道联络通道冻结法

施工控制技术研究

王　晖　　　　　　　　　　　　　竺维彬　

(广州市地下铁道设计研究院,广州510010)　(广州市地下铁道总公司建设总部,广州510010)

摘　要　文章对南京地铁南北线一期工程某标段盾构区间联络通道冻结加固工法进行了分析,指出地铁联络通道冻结法施工中应采取的必要施工技术措施,并提出施工过程值得改进的方面,以确保施工质量和安全,可供其他类似工程参考。

关键词　盾构隧道　联络通道　冻结法　控制技术中图分类号:U457+.5　　　文献标识码:A

1　前　言

地铁联络通道施工一般采用竖井开挖或隧道内开孔暗挖的方法,在软土地层施工中,无论采用哪种

方法,开挖前都必须对开挖面土体进行加固。洞内冻结法加固,即沿开挖断面周边布置与联络通道方向基本平行的近水平或倾斜冻结孔,然后在冻结孔中循环低温盐水,使冻结孔附近的含水地层结冰,形成强度高、封水性好的水平冻土帷幕,在冻土帷幕的保护下进行隧道暗挖施工。合理选用冻结法施工工艺,可以确保土体加固质量和联络通道开挖安全。

本文根据南京地铁某标段盾构区间隧道联络通道施工的成功经验,对联络通道冻结法施工技术措施进行了分析研究,同时结合其他联络通道冻结法施工中存在问题的共性,提出今后联络通道施工中仍有待进一步优化和解决的问题,希望能对以后的联络通道土体冻结法施工提供借鉴和指导。

2　方案的选定

该联络通道位于交通繁忙的路下,上方是

公交总公司站台,地表下有多根给排水管线、电力管线、通讯电缆。联络通道与泵房合并建造,联络通道顶部埋深17.8m ,

泵房底部埋深25.7m 。

地质情况如图1和表1所示,地下水位在地下2m 。联络通道主要处在②-2b 4淤泥质粉质粘土(上

部)、③-2-1b 2粉质粘土(中部)和③-3-1(a +b )1-2粉质粘土(下部)地层中,土层平均渗透系数小,透水性差,是冻结施工较为有利的土层。根据该联络通道埋深和土层特性,若采用普通单轴、双轴搅拌桩、旋喷桩等地面加固方法,很难保

图1　地质柱状图(单位:m )

Fig.1　S tratum histogram

修改稿返回日期:2004-04-15作者简介:王晖,男,工程师.

第41卷第3期2004年6月　　　　　　　　　　　现代隧道技术M odern Tunnelling T echnology 　　　　　　　　　

Vol.41　No.3

Jun.2004

表1　土层物理参数

T able 1　Physical p arameters of the stratum

土层名称

土层厚/m

含水量W /%

天然重度γ/(kN/m 3)

压缩模量

E s /MPa

粘聚力C /kPa

内摩擦角

)渗透系数

k v /(10-7

cm/s )

杂填土①-2b 3-1

1.827.019.6 6.1550.5 5.

8粉土②-1c 2-3 1.327.219.7 5.5529.315.9496粉细砂②-1d 3-

4

4.026.719.510.9612.929.351淤泥质粉质粘土②-2b 410.839.517.9 3.2810.37.2 3.56粉质粘土③-2-1b 2

3.825.119.7

4.684

5.08.8 4.9粉质粘土③-3-1(a +b )1-2

5.2

26.0

19.9

7.72

68.7

8.4

0.33

证这一深度的加固质量;若选用大型三轴搅拌桩机,占用地面场地过大,很难进行交通疏解和管线迁移,且加固时间也须提前至盾构掘进前,对工期安排不利。综合地质情况和周边环境因素影响,最终研究决定采用“隧道内钻孔冻结加固,矿山法暗挖构筑”的施工方案。

3　冻结设计

冻结设计主要通过对联络通道的受力情况分析,计算出冻结帷幕的轴力和弯矩,根据假定冻土层厚度和设计冻结温度下的冻土强度,得出冻结帷幕安全系数,进而完成冻土帷幕设计,进行冻结孔布置设计。本工程中,假定冻土层厚度为1.6m ,计算模型采用矩形钢架(冻结孔布置按矩形布置,顶部两拐角作圆弧处理),计算得出联络通道中部冻土结构各截面承受弯矩及轴力图,如图2所示。以冻土平均温度为-10℃时的粘土冻土强度为准,得出各截面抗压、抗拉和抗剪安全系数均大于1.6。

图2　冻土截面内力图

Fig.2　Internal force of frozen s oil at the cross section

根据冻结帷幕设计及联络通道的结构,冻结孔

按上仰、近水平、下俯三种角度布置。开孔间距约为0.7m ,冻结孔数55个。冻结孔布置剖面详见图3。

4　冻结设备和参数的选择

图3　冻结孔布置剖面图(单位:mm )

Fig.3　Profile of frozen holes arrangement

现代隧道技术

冻结设备选用Y S LG F300Ⅱ型螺杆压缩机组一台套,设计工况制冷量为87500kcal/h ,电机功率110kW 。冻结系统主要辅助设备有:(1)盐水循环泵选用IS125-100～200型2台,流量200m 3/h ,电机功率45kW ,其中一台备用;(2)冷却水循环选用IS125-100～200C 型2台,流量120m 3/h ,电机功率30kW ,其中一台备用。冷却塔选用NBL -100型一

台,补充新鲜水15m 3/h 。

地层冻结供冷工艺参数和指标为:积极冻结盐水温度为-28℃～-30℃,设计冻结帷幕交圈时间为25d ,达到设计厚度的积极冻结时间30d ,开挖后维护冻结时间35d ,冻结孔单孔流量不小于4m 3/h 。

5　施工过程重点控制措施

5.1　冻结前的控制措施

(1)管片开孔

孔位应避开钢筋,为防止开孔过程外部水土涌

入造成地表沉陷,管片开孔前必须事先安装孔口管,孔口管与管片之间的缝隙要充填密实,端部配置连接闸阀的孔口装置,钻孔过程中一旦发现涌水、涌沙情况,可以立即关闭闸阀。钻孔结束后,还应进行打压试验,观察管路和孔的密封情况。

(2)隧道内支撑,会发生隧道横向断面变形,从而影响隧道的椭圆度。为了减少这一变形,在冻结前隧道内安装了预应力隧道支架,即在上下行线隧道的联络通道洞口两侧安装两榀预应力钢支架(图4),每榀支架有8个支点,均匀地支撑在隧道管片上,施工中可根据观测到的隧道变形情况,调整各个支点的预应力大小,控制隧道变形

。

图4　预应力钢支架

Fig.4　Prestressed steel bracket

(3)布置测温孔

为了掌握冻土帷幕的形成过程、形成状况,以及判断冻土柱是否交圈、冻土墙厚度及其温度是否达到设计要求等等,在左、右线隧道联络通道洞口两侧共布置8个测温孔,其中左线隧道布置了6个,右线隧道布置了2个,每个测温孔内设3个测点,每个测点间距600mm ,测温孔深为2m ,随时监测温度变化。

(4)布置卸压孔

为了减少冻结过程中土体冻胀对地表以及隧道的影响,隧道右线联络通道开挖断面内布置了一个卸压孔。通过卸压孔压力的测试,以及对卸压孔内水流观察,可以判断冻土的冻结情况。5.2　冻结过程中的控制措施

(1)钢管片的拆卸

为了判断钢管片拆除前联络通道土体冻结的帷

幕墙厚度是否达到设计要求、土体强度是否达到要求以及保证土体开挖的安全进行,采用了以下措施。

①对去路、回路盐水进行温度检测,2003年5月25日盐水的去、回路温度差已从2003年4月21日的平均2.4℃降到1.0℃,说明地层的热负荷减少,冻土帷幕形成良好。

②根据土体测温孔的实测资料,按温度场公式进行计算,测点1和测点2冻土的发展速度为25.1mm/d ,测点3的冻土发展速度25.7mm/d ,测点5的冻土发展速度为32.1mm/d ,测点6和测点8的冻土发展速度为31.2mm/d 。冻土平均发展速度为28.5mm/d ,按此推算冻结35天,冻土发展厚度1.99m ,超过设计厚度。

③观察卸压孔的压力变化情况,从2003年4月21日冻结开始无压力到5月5日压力升到0.08MPa ,后压力升到0.12MPa ,到5月15日,压力不再升高,说明冻结帷幕已经形成,帷幕内的自由水由于水分迁移的作用已经基本补给到冻土中,2003年5月23日打开该泄压孔有少量水流出,6月1日土体开挖时该孔内没有水流出现象。

④观察隧道内部管片上的结霜情况,其范围和轮廓比较均匀,反映出冻结过程正常。

(2)土体支护

联络通道土体开挖导致地层中原有的应力平衡受到破坏,引起通道周围地层中的应力重新分布。这种重新分布的应力不仅使上部地层产生位移,而且会形成新的附加荷载作用在已加固好的冻土帷幕上,引起冻土帷幕及冻结管的变形或破坏。为控制这种变形的发展,冻土开挖后就要及时对冻结壁进

软土地层地铁盾构隧道联络通道冻结法施工控制技术研究

行支护,所以联络通道的初期支护是维护地层稳定、确保施工安全的一项重要技术措施。经过力学计算分析,确定联络通道初期支护采用18#工字钢加工成的直腿拱形支架和矩形支架。钢拱架为封闭形式,用于喇叭口及通道内的临时支护。为增加支架的稳定性,每道支架中部加有一根横撑。拱形支架的排间距与通道的开挖步距相对应,为0.3～0.5m 。相邻支架间加有纵向拉杆,以增加整个支护体系的整体性和稳定性。矩形钢支架用于集水井,支护间距为0.5m ,上下两排支架间由8根拉杆相互连接,必要时增加纵横向支撑,以增加支架整体的稳定性及抗变形的能力。为了控制支架间冻结壁的变形、减少冻结壁冷量损失,所有钢支撑架后用木背板密背,背板必须与冻结壁紧贴,尽量减少支护间隙,木背板不能松动,当支护间隙较大时,可增加背板厚度和木楔子,以提高支护效果(图5)

。

图5　联络通道临时支护

Fig.5　T emporary support for the connecting passage

永久支护为结构设计中的钢筋混凝土结构。为减少混凝土施工接缝,联络通道开挖及临时支护完成后,一次连续进行浇筑。由于这种结构的特殊性,通道顶板内的混凝土浇筑较为困难,为提高混凝土施工质量,可采取分段浇筑的施工方式,必要时可采用喷浆机对浇筑空隙进行充填。上部结构施工完成

以后,开挖集水井。集水井开挖到设计深度,首先对集水井底板进行封底浇筑,然后一次完成集水井的钢筋混凝土浇筑施工。5.3　解冻过程中的控制措施

联络通道主体结构施工完毕后,停止供冷,土体自然解冻。解冻过程中会引起地面的沉陷,如果沉陷过大,不但对隧道而且对地面建筑、地下管线将产生不利影响。为减少土体解冻产生的沉降量,本工程在施工过程中从联络通道内部预留了注浆孔,解冻前对初期支护背后进行了注浆处理,同时加密了地表和管线沉降、隧道收敛、隧道位移等项目的监测频率。根据观测到的隧道及地层沉降情况,采取跟踪注浆方式,及时对地层进行补偿注浆。

6　施工过程存在的问题

(1)地表沉降

为观测冻结施工过程各阶段地表变形情况,地表布置了33个沉降监测点。沿联络通道中轴布置的沉降槽10个监测点的沉降情况如图6所示。从监测成果可以看出,钻孔结束后最大沉降点的地表累计沉降(包括盾构推进时的沉降量)达到19.2mm ,冻结结束后达到17.2mm ,开挖阶段结束后达到23mm ,而解冻阶段地表沉降达到122.8mm 。冻结阶段因土体冻胀作用,地表沉降略有回弹,但回弹量较小(2mm ),说明土体冻胀的作用比较有限;开挖阶段地表沉降略有增加(4.8mm ),说明冻土效果较好,地层在

开挖过程所受损失或扰动较小;而解冻过程,从2003

年7月1日到9月28日地表持续沉降90d ,期间虽然维持地面跟踪注浆和通道内补充注浆,都未能有效控制沉降,说明冻融对地表沉降的影响虽然缓慢但影响较大。

(2)隧道变形

为监测冻结法施工过程各阶段隧道本身的位移情况,在隧道左右线沿纵向布置了11个沉降监测点和2个收敛监测点。4月22

日联络通道冻结开始

图6　地表沉降槽各阶段沉降分布图

Fig.6　Settlement distribution of surface at each stage

现代隧道技术

7　建议和结论

冻结法在南京地铁某标段的成功经验,说明南京的地质条件———地下水位较高的软土地层,采用冻结施工是可行的,随着工程的开展,冻结法会在地铁建设中得到更广泛的应用。但从确保联络通道施工安全、永久隧道质量安全的角度出发,还有以下方面需要进一步完善或加强。

(1)永久隧道设计时应对联络通道前后至少3环管片配筋进行特别加强,或增加2至4环钢管片,不仅可以提高隧道抵抗冻胀和融沉变形的能力,而且可以避免管片开孔时管片钢筋遭到破坏而引起的管片抗弯能力下降。

(2)联络通道前后至少4环管片接缝的止水条应专门设计,以尽可能避免因隧道变形而造成的接缝渗漏水。

(3)初期支护背后预留的注浆孔应加密,注浆管应深入土体1m以上,并尽可能采用袖阀管,以方便跟踪注浆;填充注浆应在初期支护完成后即进行,不仅可以及时填充开挖间隙,而且可以提高二次衬砌混凝土施工质量。

(4)由于冻土抗拉强度低,因此设计中除尽量降低冻土帷幕所承受的拉应力外,主要应做好冻结和开挖的配合工作,及时封闭薄弱的冻结壁,并根据开挖后冻结帷幕变形情况及时调整开挖构筑工艺。

(5)由于冻土温度很低,因此初期支护混凝土和二次衬砌混凝土施工均须考虑防冻措施,提高混凝土施工质量。

(6)冻结过程应特别注意冻结质量“均匀性”的控制。钻孔埋管的精度、地层的差异性均可能引起冻结土体地层内力的不均匀,可能会造成开挖时局部坍方,施工过程发现有滴水现象,也是不均匀的体现。

(7)为确保联络通道开挖过程隧道的安全,应在联络通道钢管片上预先安装一道钢门,发现异常坍方等情况,可以及时关闭,避免酿成重大工程质量事故。

参考文献

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[2]马玉峰,苏立凡,徐兵壮等.地铁隧道联络通道和泵站的水平冻结施工[J].建井技术,2000,21(3):39～41

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Study on the control technology of frozen method for connecting

passage in shield-driven metro tunnel in soft soil

Wang hui

(G uangzhou Metro Design and Research Institute,G uangzhou510010)

Zhu Weibin

(G uangzhou Metro G eneral C ompany,G uangzhou510010)

Abstract　The frozen method used to rein force the s oil in the connecting passage in the shield-driven tunnel of Nanjing metro line1is analyzed.T o ensure the quality and safety,s ome necessary measures to be adopted for frozen method were pointed out,and s ome techniques to be im proved were presented as well,which could be referred by other similar pro2 jects.

K ey w ords　Shield-driven tunnel;C onnecting passage;Frozen method;C ontrol technology

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