60m 级超长联络通道冻结法施工融沉控制研究

朱泽萱 吴永哲 杨 平 张 婷

(1.南京林业大学 土木工程学院,南京 210037;2.中交隧道工程局有限公司,南京 210007)

富水软弱地层地铁联络通道施工常使用冻结法对土体进行加固,以保证开挖安全,特别在软土地层或高水位地层中,冻结法以其高稳定性和强止水性,往往成为联络通道土体加固方式的首要选择.但冻结法不可避免地会出现冻胀融沉现象,尤其融沉会导致路面破坏、房屋开裂和既有隧道渗水等严重后果,所以需要在融沉阶段采取有效措施控制地表沉降[1-4].

冻土解冻有自然解冻[5]和强制解冻[6]两种形式,自然解冻成本低,工期长且较难控制沉降.强制解冻则成本高,但工期短.目前融沉控制主要采用自然解冻后跟踪注浆的方式,即通过联络通道初期支护时预埋注浆管,以冻土解冻规律为依据,实测位移数据为指导,在对应位置处进行补偿注浆以达到控制融沉的效果.大量学者对冻土解冻和注浆融沉控制进行了研究,岳丰田等[7]在联络通道施工中使用强制解冻冻土,通过分区解冻、及时融沉注浆、二次加固土体等措施,控制了后期沉降.杨平等[8]对软弱地层联络通道进行全程温度场和位移场研究,结果表明拱顶冻结壁处最大冻胀及融沉位移均比地表处大,冻胀融沉槽为联络通道中线两侧.程桦等[9]建立水平冻结模型试验系统,集温度场、湿度场、力学场于一体,将试验与施工相结合,得出在解冻过程中,地表会发生较大沉降.马俊等[10]通过对常州砂性地层进行研究,得到了强制解冻方案下融沉注浆规律.吴繁等[11]基于实测解冻温度研究,总结了自然解冻的规律,并据此安排了融沉注浆顺序.通过对实测温度和地面沉降实行双控标准,可进一步控制周边土层融沉变形.郑立夫等[12]基于热-力耦合理论,并通过数值计算对浅埋隧道施工过程中地表冻胀、融沉规律进行了系统研究.袁云辉等[13]以南京地铁二号线为背景,对自然解冻和强制解冻分别进行了数值模拟研究,详细阐述了解冻和融沉规律.陈成等[14]通过建立三维数值模拟强制解冻模型,分析解冻规律,并进行了温度敏感性分析.

虽然各学者已对常规联络通道冻结完成后解冻、融沉和地表变形规律有一定研究,但对于超长联络通道如何通过融沉注浆控制地表沉降变形尚未涉及,仍有待探究.本文以福州地铁2号线紫阳站～五里亭站区间66m 国内最长的超长联络通道工程为背景,详细阐述了其精细化注浆方案、注浆参数选择及融沉控制技术,通过实测数据进一步验证其可行性,为60m级超长联络通道融沉控制提供借鉴.

1 工程概况

福州地铁2号线紫阳站—五里亭站区间设置有一座联络通道及泵站,区间联络通道线间距为66m,通道上覆土层厚度约14.7m.联络通道区间处于软弱地层,区间土层从上而下为②4-5 淤泥质粉细砂、②-4-4淤泥夹砂、③-1粉质黏土.

根据联络通道超长尺寸、土层和水文条件,为减小冻结土体体积,联络通道采用双泵站形式,泵站设在靠近既有隧道处,并通过优化断面适当减小联络通道尺寸.联络通道主体结构施工完成后,解冻土体并进行充填注浆和跟踪融沉注浆以控制融沉变形.本工程冻结范围大,冻结时间长,冻结帷幕大,若采用强制解冻则施工过于复杂,甚至会导致融沉无法控制,且成本过高.故冻土解冻方式采用自然解冻,根据解冻顺序及时调整注浆顺序与参数等,采用精细化注浆控制融沉变形.

2 冻结及融沉注浆方案

2.1 冻结及监测方案

本工程联络通道线间距为66m,在两端部分别设置泵房,对侧双向打孔,设置水平、上仰、下俯3种布孔方式,共设计冻结孔175个,其中左线89个,右线86个.以左线为例,A1～A20为上部冻结孔,采用上仰布置形式,长5～32m.B1～B25 为联络通道两侧冻结管,长32m,其中B7、B8 为两个透孔.M1～M17冻结管采用下俯的布置方式,长13～32m.P1～P12为泵站冻结孔,长15m.右线冻结孔布置同左线.左右线隧道分别设置一个冷冻站,各自配备4台冷冻机组、3IS200-150-315型单台流量315m3/h盐水泵、2台清水泵、4台100t冷却塔,补充新鲜水30m3/h.左右线隧道积极冻结期各为45d,右线比左线早开机15d,总积极冻结期共60d.冻结主要设计参数见表1.

表1 联络通道冻结主要设计参数表

为监测冻结温度变化情况,共布置测温孔26个,左右线各13 个.以左线测温孔为例,C1、C2、C5、C6位于冻结区外侧,用于测量外侧冻结壁发展速率及温度.C3、C4、C7、C8、C12、C13位于冻结区内侧冻结薄弱处.C9、C10、C11 用于测量泵站处冻结壁发展状况.通过测温孔温度变化可掌握冻结壁发展速率、冻结壁有效厚度及冻结平均温度.

开挖完成后,对土体进行自然解冻,为掌握融沉变形情况且指导融沉注浆施工,故在地表布置沉降测点,横向测点沿联络通道轴线垂直分布,在联络通道中线两侧测点间距5m,外排测点每10m 布置一个.纵向测点沿联络通道轴线处每隔6m 布置,共47个测点.冻结孔、测温孔和地表沉降点布置如图1～2所示.

图1 冻结孔、测温孔布置图(单位:m)

图2 地表沉降测点布置图

2.2 注浆设计

本工程采用自然解冻并进行跟踪融沉注浆以控制地表沉降.注浆过程遵照多点、少量、多次、均匀循序渐进的原则,并根据隧道、地面、管线以及建筑物的沉降和解冻温度场的监测,适时调整注浆量和注浆时间间隔,确保沉降稳定.

注浆施工阶段分为充填注浆和融沉注浆,充填注浆是利用预埋注浆管为永久结构与土层之间空隙进行填充,使主体结构与土体间紧密贴合以保证主体结构稳定.融沉注浆是控制由于解冻引起的地层融沉位移,为保证沉降稳定需要选用合理的注浆材料、注浆顺序及注浆压力.

2.2.1 充填注浆

在结构施工完毕后,需要进行充填注浆,主要填充木背板和冻土帷幕之间、拱顶部支护层与结构层的空隙.充填注浆在完成每一个施工阶段二衬后3～7d内进行,此时衬砌混凝土强度需要达到设计强度的60%以上.充填注浆采用单液浆,其中水泥为Po.42.5级,水灰比为1∶1.注入水泥浆前先注入清水,检查各注浆孔之间衬砌后间隙的畅通性,保证充填注浆完整饱满.

充填注浆分6次进行,充填注浆量较大,前3次注浆总量约为20m3,后3次注浆总量约为5m3,由通道预留注浆孔及相关管片预留注浆孔均匀注入.注浆时按由下而上、由内向外的顺序进行,当上一层注浆孔连续返浆后停止下一层注浆,直至注浆结束,充填注浆流量控制在10L/min.因通道混凝土强度未达到设计强度,故泵站部位注浆压力不大于0.1MPa,通道部位注浆压力不得大于静水压力.

2.2.2 融沉注浆孔布置

在联络通道主体结构施工初期支护后,通道及泵站合适位置应预留注浆孔,方便主体结构完成后进行融沉注浆.注浆孔布置完整均匀覆盖整个冻土帷幕范围,联络通道主体结构内部预埋注浆孔密度为1.5～2.5m2/个.因泵站设置在靠近喇叭口位置处,故在喇叭口处的注浆孔设计与冻结壁形状相匹配,在泵站处注浆孔数量更多,注浆孔密度达0.8m2/个,其原因为泵站处冻结管数量较多,冻结范围大,相应融沉也会更大,融沉注浆共布置260 个注浆孔.其中泵站20个,喇叭口处14个,联络通道主体部分226个,注浆孔剖面布置如图3所示.

图3 注浆孔布置剖面图(单位:mm)

注浆孔在联络通道不同部位布置方式有所不同,故将超长联络通道分为喇叭口区域、泵站区域和联络通道主体区域计3个区域,每组注浆孔按不同方向向外布置,喇叭口区域每组布置7个注浆孔,其距离隧道中心线3.15m;泵站区域每组布置10个注浆孔,联络通道主体区域每1.7m 布置一组注浆孔,每组布置7个注浆孔.喇叭口注浆孔布置如图4(a)所示,拱顶处布置3个注浆孔,其中2 个与联络通道水平线呈60°,隧道中部各布置一个注浆孔,底部注浆孔有15°的倾角,这可以使注浆管更靠近既有隧道底部,方便其注浆以控制既有隧道变形;泵站区域按1.5～2.0m间距,在不同方向向外布置10个注浆孔,泵站前侧布置两个注浆孔,具体见图4(b)、4(d);联络通道主体区域按1.7m 间距,在不同方向向外布置注浆孔,注浆孔布置见图4(c)所示.

图4 各断面注浆孔布置图(单位:mm)

2.2.3 融沉注浆参数

自然解冻融沉注浆时,浆液通过注浆花管注入土体,首先充填土体中因解冻排水产生的孔隙,此时注浆压力较低,进入土体中的浆液量主要取决于土体孔隙率.随着注浆量不断提升,浆液在土体中体积不断膨胀,浆液对周围土体会发生劈裂作用,浆液的水平流动致使土体被竖向挤压密实,浆液对土体产生上升力.所以,对注浆材料、注浆压力、注浆流量等参数进行优化显得尤为重要.

1)注浆材料:融沉注浆采用单液浆为主、双液浆为辅的方式,在融沉注浆初期采用单液浆注浆,其中水泥为Po.42.5级,水灰比为1∶1;双液浆采用水泥与水玻璃,其中水玻璃溶液为35°～40°Bé.在注浆初期及中期应使用单液浆,后期采用单、双液浆混合,若过早注入双液浆会使后续浆液无法顺利注入.

2)注浆压力:融沉注浆初始阶段注浆压力为0.1～0.3MPa,注入一定量浆液后注浆压力设定为0.3～0.5MPa,保持该注浆压力直至注浆结束,且注浆压力值不高于旁通道及隧道结构设计要求允许值.若地表位移测点出现上升且速率逐渐增大,则可适当调整注浆压力与注浆间隔以保证沉降速率稳定.

3)注浆流量:单液浆注浆流量约为15L/min,融沉注浆后期采用单、双液浆混合的形式,浆液总流量为20L/min,其中单、双液浆流量均为10L/min.

3 精细化融沉注浆

融沉注浆施工中除合理布置注浆孔、选取合适注浆液、注浆压力、注浆流量等参数,还应对注浆方案和施工过程进行优化,实施精细化注浆,以保证注浆效果.

3.1 注浆方案精细化处理

1)准确确定注浆时机.通过对已有解冻温度实测研究经验[8,11]及实测数据综合考虑,解冻15d后,地表逐渐开始下沉,且速率缓慢增加,根据冻土温度和地表沉降监测可判定此时冻土逐渐融化产生融沉,故可开始融沉注浆施工.持续时间根据以往实测解冻温度变化规律[8,11]初步判定为3～5个月,其中侧墙为3个月,拱顶部位为4个月,集水井部分为5个月.解冻时右线冷冻机先停机,注浆从右线开始.左线停机后15d也可进行融沉注浆.此后,根据变形及温度场监测确定联络通道各区域是否继续注浆和停止注浆时机.

2)精确确定注浆量.由于本工程冻结时间较长,且由冻结实测可知其维护冻结期盐水温度较低,故冻结范围大.区别于常规联络通道注浆总量计算,本工程按照实测温度计算出冻土融化区域的20%体积作为设计注浆总量.通过冻结壁分区域计算可得联络通道主体部分冻土融化体积约为2480m3,其中拱顶部分约895m3,侧墙930m3,联络通道底部660m3.泵站部分400m3,喇叭口处约130m3.故联络通道主体部分注浆总设计值约496m3,其中拱顶部分179m3,侧墙186m3,联络通道底部132m3.泵站部分80m3,喇叭口处26m3,注浆总量约603m3,实际注浆时方量不宜小于估算值.

3)优化注浆顺序和注浆范围.超长联络通道冻结范围大,需要合理划定注浆顺序.①联络通道主体结构开挖完成后,右线冷冻机先停机,随后开始联络通道右侧部分融沉注浆施工.先对联络通道主体拱顶与侧墙部分进行注浆,而后对喇叭口处注浆.因拱顶及侧墙处对地表影响较大,故需要对冻结帷幕内外侧分别进行注浆.对喇叭口注浆的同时,可同步进行泵站注浆,因泵站处解冻速率较缓,且对地表位移影响较小,故仅需对冻结帷幕内侧注浆.②左线冷冻机停机后,左侧联络通道也可按右侧顺序和注浆方法进行注浆.③进行冻结壁外壁注浆时,在预留注浆孔内插入Φ32注浆花管,插入深度以刚好穿透冻结壁为宜,孔口设置防返浆装置,进行分层注浆.注浆过程中不拔管,下次注浆时花管内拔.进行冻结壁内壁注浆时,同理仅在下次注浆时将花管外插.结构侧注浆顺序由浅向深,喇叭口位置注浆量需充足,以控制既有隧道变形,其它位置的最大注浆深度应进入土体不少于1.5 m.④注浆按轮次进行,明确注浆深度,每一深度全部注浆孔完成一轮注浆后,方可开始下一轮下一深度的注浆.当既有隧道沉降较大时,也可同时利用既有隧道管片预留注浆孔进行补充融沉注浆,以控制整体沉降变形.

3.2 注浆施工精细化控制

1)动态调整注浆参数.严格控制注浆压力和注浆量不超过设计范围,若注浆压力过大,会导致地表出现明显抬升,依据设计注浆量细化各区域各分层注浆量及压力,根据地表沉降和抬升速率变化适当调整注浆压力,以使地表变形趋于稳定.

2)强化前期注浆量及注浆时间.根据沉降监测数据分析,大部分沉降发生在注浆前期,故强化前期注浆,在注浆工期前60d内,应完成预计注浆量的70%以上.注浆时间不少于设计值且不少于150d,实测联络通道地表沉降连续2次小于0.5mm/15d的双控标准,当融沉注浆达到双控要求后方可停止融沉注浆.本工程共注浆150d,累计注浆量超650m3,共消耗水泥580t.

3)注浆结束后注浆管精细处理.融沉注浆结束后,割除露出结构表面的注浆管,并在管口段填充深度不小于100mm 的树脂胶泥,进行彻底封堵.拆除外接管安装闷头的注浆管,进行防腐蚀处理,并采用树脂胶泥填平至结构面;位于泵站下部的注浆孔,浇筑素混凝土层进行封闭.通过隧道管片注浆的注浆孔加装逆止阀,盖上孔盖.

4 实施效果

在冻结停机后,融沉注浆阶段密切关注地表沉降与管线变形沉降,并根据监测数据实时调整注浆压力、注浆量等参数.地表沉降与管线变形监测频率均为1次/d,注浆后期可减小监测频率,若发现沉降变化明显,增加监测频率.本联络通道地表沉降总控制值要求为30mm,沉降速率不大于3mm/d.

地表位移监测数据对融沉注浆施工起指导作用,也是调整各注浆参数的基本依据.地表沉降位移监测从冻结孔钻孔开始测量,直至融沉注浆施工结束.其中DC5断面自转入维护冻结后的实测数据如图5所示.

图5 DC5断面地表沉降位移图

由图5可知,因积极冻结土体产生冻胀,故各测点都有不同程度的抬升.进入开挖与维护冻结阶段后,此过程大约50d,盐水温度保持在-28℃左右,维护冻结期间进行联络通道主体结构和泵站开挖,此时开挖面虽暴露,但其冷量损失与制冷量基本平衡,仅冻结帷幕内侧温度略有升高,冻结壁强度与抗变形能力基本未变,故此阶段各地表测点仅有小幅沉降.开挖完成冷冻机停机后则进入充填注浆阶段,土体受既有隧道管片及联络通道主体结构处热交换作用开始逐渐融化,此时冻土温度快速上升至零度附近,联络通道拱顶处最先融化,故位于轴线处的测点DC5-1沉降速率较快,这也进一步验证了注浆时应先从联络通道主体拱顶及侧墙处进行注浆.其余测点沉降速率较慢,是因为尚处冻土融化初期,土中冰未大面积融化,故不会出现大面积沉降.此时通过前期数值模拟分析和解冻温度、地表变形实测,确定停机后15d开始融沉注浆.

融沉注浆地表沉降变化主要分为三个阶段:第一阶段地表沉降速率增大,地表沉降速度加快,此阶段约30d,此时浆液主要充填融土孔隙;充填冻土孔隙完成后进入注浆第二阶段,此过程约30d,因浆液已均匀充填融土,地表下沉速率减慢,也是在该阶段,地表绝对沉降达到最大值;进入融沉第三阶段后,地表下沉速率缓慢,甚至在较大注浆压力下,个别测点会出现地表向上隆起的现象.此时注浆后地表位移变化趋于稳定.从同一断面各测点来看,最大沉降量为联络通道中心位置DC5-4,最大沉降量为10mm,最小沉降量为DC5-7测点,沉降量为3mm.

位于同一断面上的测点DC5-1到DC5-7在同一时间地表融沉位移距离不同,测点离联络通道中心距离越远,地表竖向位移越小.当距离联络通道中心20m 以上,其沉降量小于5mm.造成同一断面的地表融沉位移不同的主要原因是各测点与冻结帷幕的距离不同.与常规联络通道相比,相同土层条件下,超长联络通道由于其冻土体积大,融沉量和融沉影响范围均大于常规联络通道,这也说明合理控制注浆孔和合适的注浆量及注浆压力尤为重要.

由图6可知,各监测断面最大沉降点都在DCi-4测点,各个测点位移规律基本相同,仅位移幅度有一定区别.从联络通道轴线来看,融沉规律为联络通道两端头处融沉大,隧道中线处融沉小的“∧”字形规律.其中DC1-4最终沉降量为12mm,而DC6沉降量为7mm,联络通道端部地表沉降量是中线处的1.7倍.其原因是在端部不仅冻结管布置密集,且独特的双泵站结构也位于联络通道端头处,故端头处冻结范围大于常规联络通道的端头部分,因此在解冻融沉过程中也导致较大融沉量.外排各测点地表变形规律与联络通道轴线处各测点规律基本相同,但其变化幅度没有轴线处测点大,其原因是越靠近联络通道处冷量更大,故其融沉变化也更明显.

图6 沿通道轴线方向各断面累计竖向位移分布

5 结论

1)超长联络通道冻结时间长、融沉量大、融沉范围广,控制超长联络通道融沉的最有效方式是精细化融沉注浆:合理布置注浆孔,在冻结管密集区域适当增加注浆孔数量;准确确定注浆时机为停冻后15 d;通过计算精确确定注浆量;优化注浆顺序和注浆范围,根据解冻顺序分区域按顺序进行注浆,侧墙注浆持续时间最短,拱顶次之,泵站处最长.

2)融沉注浆过程也应精细化控制,动态调整注浆参数,根据地表变形实时调整注浆压力,以保证各孔注浆饱满;强化前期注浆量及注浆时间,融沉注浆前期60d注入设计注浆量的70%以上,以保证在前期沉降快速发展阶段有效控制地表沉降,采用注浆时间与沉降速率双控指标控制融沉施工质量.

3)超长联络通道因端部双泵站设置,导致其冻土体量分布与常规通道不同,引起的地表沉降分布也不同.位于同一断面测点距离通道轴线距离越小,位移越大.沿通道轴线方向各断面累计融沉分布曲线呈“∧”字形,最大融沉出现在联络通道端部断面处,该处融沉量是中线处的1.7倍,说明在喇叭口处因冻结管较密集,冷量大,融沉更明显,故可以适当增加喇叭口处注浆孔数量,或利用两侧管片内预留注浆孔进行补偿注浆.