富水砂层交叠联络通道冻结设计方案研究

石立民, 叶玉西, 杜有超, 董世卓

(1. 中交第一航务工程局有限公司, 天津 300450; 2. 北京中煤矿山工程有限公司, 北京 100013; 3. 矿山深井建设技术国家工程研究中心, 北京 100013)

0 引言

由于人工冻结法具有加固土体强度高、封水效果好、结构形式灵活等优点,已经成为富水软土地层地铁联络通道[1-2]、端头井[3-4]加固施工的主要工法之一。随着城市地下空间的拓展,较大体量、大断面、非常规的通道、隧道、换乘通道,甚至地下车站等地下工程开始采用冻结法施工[5-6]。联络通道是2条地铁区间隧道之间按照一定距离设置的紧急疏散通道,通常还具有汇集排水、防火功能。常规地铁联络通道、端头井冻结工程,冻结体量通常较小,冻结设计相对简单。王书磊等[7]从设计角度,对联络通道冻结加固专项设计中的风险进行分析并提出管控措施。杨超等[8]对上海长江隧道常规联络通道进行现场实测,分析冻结温度场演化规律,并以冻结效率为考察指标,对冻结设计进行了优化。

对于非常规联络通道的研究,目前主要集中在距离长、地层条件差及位置特殊等方面。王书磊等[9]系统介绍了复杂工况条件下超长联络通道设计与施工中的关键技术;朱泽萱等[10]对66 m 超长联络通道冻结设计和施工遇到的系列技术难题进行研究,设计采用双集水井结构、减小联络通道尺寸等优化措施;宋杰[11]介绍了停机坪下富水卵砾石地层联络通道施工技术措施;张明等[12]基于富水卵石地层联络通道冻结法设计和施工的工程实践,提出了大流速、强透水砂卵石地层冻结施工保障措施;胡双平等[13]对富水卵砾石地层冻结壁的受力状态进行研究,得到以强度控制标准为前提条件的地铁联络通道冻结壁厚度设计计算公式。

对异型联络通道冻结的相关研究中,黄浩斌[14]、王超[15]以武汉市轨道交通7号线香港路站—三阳路站区间联络通道为例,基于单一冻结方案,研究了错落区间通过上下疏散平台与斜向通道连接的结构形式下,异型联络通道冻结温度场分布规律及施工过程中隧道、联络通道、冻结壁的受力变形规律。马俊[16]以常州地铁1号线翠竹站—常州火车站区间平面斜交联络通道为例,研究了在水平面内倾斜31.2°的联络通道冻结温度场发展规律及冻胀引起的地表位移变化规律,并采用数值模拟方法对该工程冻结温度分布规律、开挖应力场及位移场进行三维数值模拟研究。

随着城市轨道交通的快速发展,大量的地铁区间隧道在城市核心区域建设。轨道交通线路选择过程,不可避免地与既有建构筑物基础发生冲突,使得平行的双线隧道变成上下叠落区间。叠落区间交叠联络通道结构形式与水平区间联络通道结构形式差异较大,采用冻结法施工时,其冻结孔布置、冻结壁形式、冻结工序衔接均与常规不同。

本文依托哈尔滨地铁3号线2期工程河山街站—河松街站叠落区间交叠联络通道工程,结合地勘资料、现场实际条件,依据现场取样土体的低温物理力学参数试验结果,对冻结方案进行设计研究,得到满足施工安全高效且经济合理的交叠联络通道冻结设计方案。

1 依托工程背景

哈尔滨市轨道交通3号线2期工程河山街站—河松街站区间(河河区间),部分隧道沿高架桥走向布置,自河山街站的双线平行区间,至河松街站变为完全叠落区间,叠落长度为405.256 m,竖向距离为2.1～6.1 m。在区间内设置1处外挂联络通道兼泵房,由2条水平交叠通道及垂直竖井联络通道组成(以下简称交叠联络通道)。水平通道长度为13.53 m,上层水平通道顶覆土厚度约为16.3 m,下层水平通道顶覆土厚度约为27 m,结构底板埋深34.256 m;通道宽度为4.2 m,竖井段宽度为6.7 m,高度为18.68 m。竖井段设置外径900 mm、壁厚20 mm出地面的新风井。经多次论证,交叠联络通道采用冻结法加固、暗挖构筑施工。交叠联络通道结构形式见图1。

图1 交叠联络通道结构形式(单位: m)

交叠联络通道距离松花江仅1.5 km,所处地层地下水位受季节影响,最浅水位约为2 m,联络通道主要处于饱和砂层中,联络通道地层情况见图1。

交叠联络通道位于前进路与钢铁街交叉口的三角空地内,正上方有φ200 mm铸铁给水管、φ150 mm铜供电管和300 mm×150 mm铜供电管、φ800 mm混凝土污水管;通道距离锦江绿色家园15#楼约8.79 m,该建筑为框架剪力墙结构,1层地下室深3.8 m,振动灌注桩基础,桩长11.5～18.6 m。周边环境与工程相互影响大,破坏后果严重。

2 设计方案研究

2.1 冻结壁厚度设计

在没有进行冻土物理力学试验情况下,冻结设计通常取-10 ℃条件下冻土单轴抗压强度不小于4.0 MPa,弯折强度不小于1.8 MPa,抗剪强度不小于1.5 MPa。本次冻结设计之前,自施工现场取土,送至矿山深井建设技术国家工程研究中心冻土实验室进行土体低温物理力学试验,得到-10 ℃情况下各土层低温状况下的力学试验结果,见表1。根据冻土低温力学试验结果并结合类似设计经验,冻结设计取冻土力学试验偏于安全的-10 ℃冻土强度指标,具体为: 单轴抗压强度3.53 MPa,抗折强度2.03 MPa,三轴抗剪强度1.51 MPa。

表1 交叠联络通道层位冻土低温力学试验结果

冻土壁承载力验算采用许用应力法,通道顶部及侧墙冻结帷幕厚度为3.0 m,集水井底部冻结壁厚度为4.0 m,平均温度为-10 ℃,强度检验安全系数取:抗压强度2.0,抗折强度3.0,抗剪强度2.0。采用有限元软件计算,计算模型见图2。按照最不利工况进行计算,冻土帷幕顶部荷载按静止土压力计算,静止侧压力系数取0.49,平均重度取20.0 kN/m3,考虑联络通道上方地面环境,顶部超载取为 20 kPa。计算结果显示,冻结壁强度和位移均符合规范,能够满足施工要求,计算结果见图3和表2。

图2 联络通道三维计算模型

(a) 最大主应力

(b) 剪应力

表2 冻土帷幕应力、位移计算值及安全系数

2.2 冻结孔设计

根据交叠联络通道结构形式,采用“地面垂直+洞内水平冻结”加固方式设计。交叠联络通道顶部、底板及两侧采用洞内水平孔形成冻结帷幕包裹,顶部风井管后端及竖井封端采用垂直孔冻结,冻结孔布置见图4和图5。图中D1—D38为侧墙冻结孔,ZA1—ZA3、ZB1—ZB22为地面垂直冻结孔。

2.3 泄压孔及测温孔设计

由于冻结壁距离最近的建筑物仅有4.56 m,为避免施工过程中的冻胀对建筑物造成过大影响,在上下通道钢管片开口环各布置泄压孔4个,分别为SX1—SX4,见图4;在地面布置垂直泄压孔6个,分别为X1—X6,见图5。施工过程中确认冻结壁交圈之后洞内泄压孔应及时进行泄压,避免冻胀力影响隧道安全。

(a) 冻结孔布置剖面

(b) 冻结孔开孔位置

图5 上通道冻结孔布置平面图

为了判断冻结壁发展状态,在地面布置2个测温孔、上下通道各布置8个测温孔,孔内根据需要每1.5～2 m布置1个测点。为了确保风井位置冻结帷幕完整,在风井后侧布置3个加强孔,深度与风井管等长。

2.4 主要冻结参数要求

地层主要冻结参数和指标有:

1)垂直冻结管采用φ108 mm×5 mm、水平冻结管采用φ89 mm×8 mm的20#低碳无缝钢管;共设计垂直冻结孔25个,总长度为920.75 m;水平冻结孔229个,总长度为2 895.96 m。

2)垂直冻结孔主要采用双供液管方式,联络通道结构上部3 m以上范围采用局部冻结方法。

3)设计积极冻结时间为50 d左右,根据现场监测情况确定。

4)冻结7 d盐水温度达-18 ℃以下,冻结15 d盐水温度降至-24 ℃以下,最低盐水温度为-28～-30 ℃。

5)冻结孔单孔流量不小于5 m3/h。

6)增加隧道支撑数量,数量由普通联络通道的总计4榀增加至12榀,在洞门开口环两侧各安装隧道支撑3榀。

7)在上下通道与隧道连接处均设置变形缝,减少联络通道结构可能产生的差异沉降对隧道结构的影响。

8)邻近建筑物位置设计6个地面垂直泄压孔,用以释放冻胀力,减少对相邻建筑物的影响。

9)为了避免大体量冻结同时开机制冷产生较大冻胀,上下通道分期分区冻结,下通道首先开机冻结,上通道滞后25 d开机。

3 冻结施工情况

交叠联络通道下通道自2022年11月19日开机冻结,下通道泄压孔初始压力为0.25～0.26 MPa,至2022年12月12日泄压孔开始涨压,3#泄压孔最高涨至0.438 MPa后开始泄压,见图6;上通道泄压孔初始压力为0.14～0.16 MPa,2023年1月1日泄压孔开始涨压,压力最高涨至0.455 MPa后开始泄压,泄压后泄压孔压力快速上涨,说明冻结壁交圈良好。

图6 下通道泄压孔压力变化曲线

下通道开挖条件验收后开始拉管片,开挖过程中开挖面冻结效果良好。至2023年6月6日,交叠联络通道主体结构施工完成,开挖构筑施工期间冻结壁土体稳定,冻结效果满足设计要求。

项目冻结施工期间持续对地表、周边建筑物进行监测,监测点布置见图7。图中,圆点为建筑物变形监测点,三角形点为地表变形测点,部分地表测点垂直位移变化见图8。监测结果显示,冻结期间地表最大冻胀量为8.59 mm,冻胀量可控。

图7 地面监测点布置图(单位: m)

图8 部分地表测点垂直位移变化曲线

4 结论与建议

以哈尔滨地铁3号线2期河山街站—河松街站区间联络通道为例,研究得到了适用于交叠联络通道的冻结设计方案。依据该设计,实现了交叠联络通道冻结安全、施工高效的目的,确保了开挖构筑安全。

4.1 结论

1)根据对应土样低温物理力学试验结果进行验算,通道顶部及侧墙冻结帷幕厚度为3.0 m,集水井底部冻结壁厚度为4.0 m,平均温度为-10 ℃,能够满足施工要求。

2)采用“地面垂直+洞内水平冻结”方式,即洞内水平冻结包裹交叠联络通道上下及左右,垂直孔进行竖井段冻结壁封底,冻土进开挖荒径少,冻土凿除工作量小,开挖效率高,工期进度可控,经济性好。

3)方案实施结果显示,通过分区分期冻结、垂直冻结孔局部冻结,地面设置垂直泄压孔并配合洞内水平泄压孔及时泄压,施工期间地表最大冻胀量为8.59 mm,有效控制了冻胀对地面建筑物的影响。

4)通过增加隧道支撑数量,结合洞内及时泄压,冻结及开挖构筑期间隧道结构处于稳定安全状态。

5)由于交叠联络通道项目开挖体量大、工期长,采用分期分区冻结方式有利于控制冻结壁发展过大。河河区间交叠联络通道上通道滞后下通道25 d开机,下通道施工完成后,上通道冻结效果满足设计要求。

4.2 建议

1)交叠联络通道上下通道通过竖井连通,对于首例全暗挖垂直联络通道,偏于安全考虑,冻结壁设计中未考虑上下通道冻结壁厚度差异,下一步可在监测的基础上进行上通道冻结壁厚度优化。

2)叠落区间交叠联络通道冻结体量大,上通道冻结延后下通道一段时间冻结,延长时间可根据下通道开挖构筑时间、上通道冻结孔成孔间距等综合确定。本文未对上下通道开机间歇时间进行研究,下一步可进行深入研究,以指导类似工程施工。同时,冻结帷幕壁融沉效应亦是大体量冻结项目的控制重点,后期可对冻结温度场融化规律,融沉对周边环境、隧道结构的影响及控制措施进行进一步研究。