冻结法在天津地铁联络通道应用研究

2016-10-20陈秋来

天津建设科技 2016年2期

□文/陈秋来

冻结法在天津地铁联络通道应用研究

□文/陈秋来

基于天津某地铁区间联络通道及泵房工程为背景，对联络通道的设计、工程地质与水文地质、施工方案、冻结加固设计、冻结孔布置及制冷设计等情况进行了研究并结合实际测温结果，分析了冻结加固的实施效果。冻结法的设计和施工方案是安全可行的，但冻结参数的选取使计算结果所取得的安全系数较大，后续设计应进行优化，测温孔分析出冻结发展速度较快，施工工期据此可进一步压缩。

地铁；联络通道；冻结；测温

冻结法是岩土工程施工中的一种辅助手段，目前我国很多城市都在进行大规模的地铁建设，冻结法作为软土地层加固的一种措施，已经得到广泛的应用并取得很好的效果［1～2］。

冻结法施工分步开挖对地面沉降影响较小，对冻土墙底板、冻土壁和拱顶变形影响较大，其中冻土墙底板为开挖施工中结构的最不利部位，施工时应加强支护［3］。

对冻土温度直接监测可以获得可靠的冻土温度，合理的布点监测也能获得冻土温度分布，由此进行冻土墙厚度的判断［4］。

本文以天津地铁某区间联络通道工程实例，研究设计与施工方案以及冻结实施效果，为后续工程提供参考。

1　工程概况

1.1设计概况

天津地铁某盾构区间联络通道及泵房工程，设计采用水平冻结法加固地层，矿山暗挖法施工以确保施工安全，施工过程中做好必要的保护措施，加强监测，以减轻对周围地面环境的影响。联络通道确定采用冻结法加固地层，地层达到加固效果后，采用二次衬砌方式；临时支护层和永久结构层之间设防水层完成联络通道构筑施工。联络通道处隧道中心线间距为11.5 m，隧道中心高程左右线均为-25.6 m，地面标高约为1.8 m，见图1和图2。

图1　联络通道平面

图2　联络通道剖面

1.2工程地质概况

根据区间勘察资料，该区间隧道联络通道及泵房范围内，主要地层为1层粉质粘土2层粉土1层粉质粘土，2层粉砂1层粉质粘土1层粉质粘土。

根据地基土的岩性分层，室内渗透试验结果，场地以下50 m以上可划分为3个含水层，本区间隧道含2个含水层：潜水含水层1层粉质粘土为潜水含水层与其下承压含水层的相对隔水层；第一承压含水层2层粉土2层粉土为承压含水层，该承压含水层水头大沽标高约为0.1 m。联络通道所处地层主要为1粉质粘土2粉砂、1粉质粘土1粉质粘土层。其中2粉砂层透水性好，为承压含水层。承压水主要接受上层潜水的渗透补给，与上层潜水水力联系紧密，以地下径流方式排泄，同时以渗透方式补给深层地下水。

2　施工方案

根据上述联络通道施工条件并结合以往在上海、天津、南京和沈阳等地铁联络通道施工的经验，确定采用“隧道内水平冻结加固土体、隧道内矿山法开挖构筑”的全隧道内施工方案。即在隧道内利用水平孔和部分倾斜孔冻结加固地层，使联络通道外围土体冻结，形成强度高，封闭性好的冻结帷幕。在冻土中采用矿山法进行联络通道的开挖构筑施工，地层冻结和开挖构筑施工均在区间隧道内进行。

3　冻结加固设计

3.1冻结帷幕的设计

设计冻结壁有效厚度≮2.2 m，喇叭口处冻结壁有效厚度≮1.7 m。联络通道冻土强度依据相关冻土试验，当冻土平均温度≮-10℃时取冻土试验设计指标为单轴抗压≮3.5 MPa，弯折抗拉≮1.8 MPa，抗剪≮1.5 MPa。

3.2冻结壁承载力计算

冻结壁顶板反力主要受静水压力、开挖时因顶板向下变形和上部土体的作用力。

式中：Pt——冻土帷幕顶面土压力；

γ——土的饱和重度；

H——土的计算深度；

Ps——冻土帷幕侧面土压力；

K0——静止侧压力系数。

用有限元法进行冻土帷幕的受力分析与变形计算，见表1。计算的应力值远小于强度值，安全系数高于指标要求，冻土帷幕的总体承载能力是足够的。计算显示在侧墙与拱内侧交接处、冻结壁与隧道内侧交接处、冻结壁与隧道外侧交接处局部存在应力集中，但是范围很小且冻土帷幕角部是圆弧过渡的并且冻土帷幕中间尚有土体或支撑，因此是安全的。

表1　通道冻土帷幕应力与位移计算值

3.3集水井冻土帷幕的计算

冻土取设计厚度2.2 m，不考虑临时支护作用，根据对称性取集水井1/4作为计算模型，侧向土压力

底板开挖后向上变形，计算底板土反力采用被动土压力公式，则底板土反力

计算得q=322（kPa）

式中：λw——水的重度，取10 000 N/m3；

Hw——水的计算深度，取27.95 m；

φ——土的内摩擦角；

H——土的计算深度，取27.95 m。

通过有限元进行计算，得出集水井冻土帷幕的应力与位置值，见表2。

表2　集水井应力与位移计算值

通过以上计算，说明集水井冻土帷幕的强度、刚度、变形满足设计要求，局部存在应力集中。

4　冻结孔布置及制冷设计

4.1冻结孔布置

联络通道冻结孔的布置均采取从左右线隧道两侧打孔方式进行。冻结孔按上仰、水平、下俯三种角度布置，其中区间联络通道及泵房工程布置冻结孔总数68个，冻结孔总长度480.68 m，联络通道在中部设置4个穿透孔，供对侧隧道冻结孔和冷冻排管需冷用。另在冻结站对侧隧道上沿冻结壁敷设冷冻排管，以加强对管片处的保温效果，见图3。

图3　联络通道及泵房冻结孔

同时，联络通道布置8个测温孔，目的主要是测量冻结帷幕范围不同部位的温度发展状况，以便综合采用相应控制措施，确保施工的安全。在冻结帷幕封闭区域内布置4个卸压孔，左右线各2个，在卸压孔上安装压力表，可以很直观的监测冻结帷幕内的压力变化情况，通过每日观测，及时判断冻结帷幕的形成状况并可直接释放冻胀压力。

4.2制冷设计

积极冻结期盐水温度为-28℃以下，冻结时间约为50 d，达到设计加固效果后，方可进行开挖工作。维护冻结期盐水温度不高于-28℃，维护冻结时间为达到设计加固效果后至主体结构施工完成。

冻结需冷量［5］Q=1.2·π·d·h·q

式中：h——冻结总长度；

d——冻结管直径；

q——冻结管散热系数。

据此，计算得出联络通道需冷量为25.92×104kJ/h。按照设计要求，选用JYSLGF300III型螺杆机组一台套，单台机组设计工况制冷量为35.97×104kJ/h，电机功率110 kW，完全满足联络通道的制冷需求。

5　冻结效果分析

5.1冻结施工

冻结第7 d盐水去路温度降至-18.1℃（设计要求-18℃），回路温度-15.3℃；冻结第15 d盐水温度降至-24.2℃（设计要求-24℃），回路温度-21.7℃。

5.2测温孔温度分析

测温孔共设8个（左线6个、右线2个），见图4和图5。每个测温孔内设3个测温点，测点深度0.45～3.5 m不等。

图4　右线测温孔分布

图5　左线测温孔分布

现取比较具有代表性的测温孔进行分析，见表3。

表3　冻结发展速度

通过表3分析，冻土最慢发展速度为27.19 mm/d。以最慢发展速度冻结50 d计算冻土发展半径r=1 360 mm，按冻结发展半径1 360 mm作图，从图上测量出通道部位冻结帷幕厚度最薄为2 504 mm，喇叭口部位冻结帷幕厚度最薄为2 508 mm，泵站部位冻结帷幕厚度最薄为2 494 mm。设计冻结壁厚度为2 200 mm、喇叭口处为1 700 mm，因此冻结帷幕厚度已满足设计要求。

5.3平均温度的确定

根据文献［5］，冻结施工成冰公式计算冻结帷幕的平均温度