基于盐水冻结加固的地铁隧道联络通道施工技术研究*

2024-05-08尹希旺

施工技术(中英文) 2024年7期

尹希旺

(中铁十八局集团第三工程有限公司,河北涿州 072750)

0 引言

我国地铁运营里程建设速度逐年递增[1-2]。联络通道作为盾构隧道常用的一种附属结构,在地铁网络中广泛使用。但限于地铁线路大多穿行于繁华区域,新建地铁必然会受到周边复杂环境的制约,并且不可避免地穿越既有地下管线、桥梁桩基及城市建筑基础[3]。因此联络通道的建设也需要严格控制周围土层变形,避免对上下行隧道之间的中隔岩柱过度扰动,造成邻近基础结构以及已经建成的地铁隧道破坏。

地铁隧道联络通道在施工过程中往往需要考虑工程地质条件以及地下水等多种风险因素。不同地层变化、地下水位高低、土层稳定性等都可能影响联络通道施工。对于软土地层,一般需要采用水泥系加固以及冻结加固等手段,避免施工过程中出现地表沉降超限、开挖面坍塌等事故[4]。此外,施工过程中还可能遭遇涌水涌砂、渗水等问题,甚至会导致联络通道未支护部分坍塌、工程停滞等事故。而冻结法加固是地铁施工当中常用的且经济效益较好的一种手段[5]。

冻结法作为常用的一种地基加固手段,在地铁隧道及其附属设施建设中应用非常广泛[6-7]。但由于地层类型的差异以及隧道周边地下环境的复杂变化,冻结法加固依旧存在大量困难。现有相关研究主要集中在联络通道的开挖支护技术[8],考虑冻结加固措施、开挖支护程序以及相关风险监控和处置措施的相关研究并不丰富,因此结合具体工程项目,整合施工经验,进行地铁隧道联络通道的施工技术研究,对于类似场地条件的联络通道施工具有重要参考价值。

本文针对南昌地铁4号线一联络通道建设过程中各个环节进行分析,结合联络通道所在位置的场地特征,综合考虑地下管线环境,明确了施工难点及对应解决方案,最终提出了复杂环境下基于冻结加固的联络通道施工关键技术及风险处置措施。

1 工程概况

南昌市轨道交通4号线七里站—民园路西站区间隧道内径为5.4m,管片厚度为300mm,联络通道处上下行隧道间距为12.32m。线路在SK32+140.000里程处设置一联络通道(1号联络通道),如图1所示。联络通道处隧道埋深为20.93m,地层以③5砾砂、⑤1-2强风化泥质粉砂岩为主。研究区地表无河流等地表水系,地下水类型包括第四系松散层以及强风化带中的孔隙潜水、强～中风化基岩裂隙水以及局部赋存于人工填土、黏性土中的上层滞水,无上覆隔水层,下部粉质黏土层为其隔水底板。上层滞水深度0.90～3.00m,第四系砂层含水层渗透系数为5.86～16.96m/d。隧道及联络通道位于泥质粉砂岩中,其微承压性对联络通道施工具有一定影响。

图1 联络通道结构(单位:m)Fig.1 The structure of connecting channel (unit:m)

七里站—民园路西站区间1号联络通道正上方为青山北路,水平方向9.935m处为青山北路综合管廊;联络通道上方13.15m处横跨1个3 200mm×2 200mm的钢筋混凝土箱涵;上方15.88m处横跨1个1 300mm×3 200m的钢筋混凝土箱涵。该联络通道在施工时采用冻结法,配合复合式衬砌,初期支护厚度≥200mm,初期支护采用型钢加木背板以及C25喷射混凝土工艺,二次衬砌结构的厚度≥35cm,为C40模筑混凝土,初期支护与二次衬砌之间设置全包防水层。

2 联络通道冻结加固技术

2.1 冻结施工参数

该联络通道施工前首先对周围土层进行冻结加固,冻土发展速度按22～26mm/d计算,交圈时间为22～25d。除冻结交圈时间,判定冻结壁交圈与否还应根据水文观测孔(泄压孔)压力值的变化情况,当泄压孔压力持续上涨,可判定冻结壁已交圈。判定冻结帷幕厚度达到设计值与否则应根据温度监测数据进行推算,如式(1),其余冻结参数如表1所示。

表1 主要冻结施工参数Table 1 Main freezing construction parameters

(1)

式中:T为冻土温度(℃);T1为冻结管内冷媒剂(盐水)温度(℃);r,r1,r2分别为冻结柱内任意点到冻结管中心距离(m),冻结管外径(m),冻土圆柱外径(m)。

2.2 冻结孔施工

七里站—民园路西站区间1号联络通道冻结施工过程中,风化砂岩中冻结管采用φ89×8无缝钢管,每根冻结管用1.5～2m的管材焊接,通过丝扣加对焊进行连接。测温管材质一般同冻结管,部分测温孔采用φ32×3焊管,供液管选用φ48焊接钢管。施工工艺采用跟管钻进方法进行冻结孔施工,钻孔设备为MD-120A钻机,可提供不小于4 000N·m扭矩。采用1台BW-200型泥浆泵,可适用于深度小于50～60m的钻进。根据施工基准点,孔位偏差不应大于100mm。冻结孔钻进至设计深度,对于侧墙可能接触对侧管片的冻结孔以碰到对侧隧道管片为准。

冻结孔偏斜值一般通过经纬仪灯光测斜法进行测斜。将手电固定在PVC测斜管一端,将测斜管插入冻结孔的底部,通过经纬仪的目镜观察手电灯芯。当灯芯与经纬仪目镜内十字准星重合时读出垂直角度读数,并与冻结孔设计的竖直角度进行比较,算出冻结管成孔的竖直偏差。最后固定经纬仪底座,并将目镜旋转180°,确定成孔后视点,与设计的后视点比较,计算出冻结孔成孔的水平偏差。通过水平及垂直偏差进而算出冻结孔成孔偏差。

冻结孔的试漏压力值一般为冻结工作面盐水压力的1.5～2倍,一般≥0.8MPa。保证稳定30min后压力下降值<0.05MPa,并保持15min稳定为合格。

2.3 冻结制冷系统设置

根据南昌地铁4号线施工过程中的经验,单座联络通道选择JYSLG16F-M型冷冻机。单个联络通道冻结总需冷量为80 368kcal,PVC盐水管路导热系数0.14W/(m·k),厚度8mm,聚苯乙烯保温板导热系数0.042W/(m·k),厚度50mm,环境温度20℃,盐水温度-30℃。最大热量散失量(忽略了盐水干管的阻热)可通过式(2)计算,1号联络通道施工热散失量为2 415.62kcal/h<15 570kcal/h。

φ=KAΔT/T

(2)

式中:φ为单位时间内散热量(W);A为管壁面积;K为保温板的导热系数[W/(m·K)];T为管壁温度;ΔT为平壁两表面之间的温度差(K)。

单座冷冻站应配置2台37kW盐水泵,2台冷却水循环泵,3台DBNL 型冷却塔,盐水管采用PVC-U管。集、配液管与羊角采用高压胶管连接,冷却水管为5寸焊管。每个冷冻机进出水管应设置温度传感器,同时在去、回路盐水管上安装压力、温度传感器以及控制阀。同时盐水箱上应安装液位感应装置。联络通道配液圈与冻结器之间应设置2个阀门以控制冻结器的盐水量。

2.4 积极冻结与维护冻结

2.4.1积极冻结

联络通道附近的地层冻结施工之前,冷冻站设置完成之后,应当实时检查电路系统、冷却水循环系统、盐水循环系统,当各系统参数维持稳定正常后再开冷冻机。冷冻机应先空转2h,检查是否运转正常。在冷冻机试运行过程中,应当逐级调节压力、温度以及电机负荷等参数,使冷冻机组在相应标准及运行额定技术参数条件下工作。

冷冻机组冻结15d后盐水温度降到-25℃以下。冻结开始之后,需按时对冻结器进行检查避免发生断裂漏盐水的状况,若出现盐水渗漏问题,需立即关闭水阀,并根据盐水漏水程度采取措施。

为防止冻结孔穿透隧道管片时和钻孔时孔口涌水喷砂可采用二次开孔法,如图2所示。采用跟管钻进安装冻结管,钻进时通过轴封实现孔口止水。

图2 冻结孔开孔Fig.2 Freezing hole opening

2.4.2开挖条件判别

联络通道开挖前应进行开挖条件评估,当积极冻结的时间达到40～45d时,且盐水温度达到设计最低盐水温度(-28℃),以及打开卸压孔阀门后不再有连续的带压泥水流出时方可开挖。

探孔位置应设置在冻结孔间距较大处或冻结有异常处。开挖前应完成隧道支撑加固工作,准备好水泥、水玻璃等应急材料与对应设备。做好开挖准备以及其他各项工作,做好设备维护和养护工作,确保设备正常运行。

2.4.3维护冻结

在开挖到施工结构层之前的时间段,盐水温度应低于-28℃。维护冻结时也需要进行施工监测,维持冻结系统运转,实时监控冻结壁温度。在联络通道开挖过程中,需及时监测冻结壁表面温度以及冻结壁位移量,若冻结壁温度过高、变形过大,应加大对应位置的冻结孔内盐水流量。

3 地铁隧道联络通道开挖

3.1 联络通道开挖

根据南昌地铁4号线联络通道工程结构特点,开挖采取分区施工方案,开挖顺序如图3所示。联络通道仅有通道部分为一次土方开挖完成后进行初期支护和二次衬砌。

图3 开挖顺序Fig.3 Excavation sequence

开挖过程中可采取分区开挖,同时需要实时监测冻结壁表面温度以及隧道收敛值,并基于测量结果实时调整开挖量及支护强度。冻结壁暴露面长度应<1.2m,暴露时间≤10h,暴露面位移2cm。在联络通道施工过程中,应同时做好地表建筑以及隧道变形监控,保证地表建筑以及两侧隧道稳定。

3.2 联络通道支护

支护层采用型钢支架,为保证支护层的稳定性,相邻两排支架之间须焊接纵向钢筋。联络通道的支护层结构中所用通道支撑采用直腿圆拱形封闭框架,均采用I20。支撑框架内可通过设置横向支撑杆件提升支架稳定性。两层支架间距一般为50cm,在初期支护阶段,需要预埋注浆管。

4 填充注浆及融沉注浆

联络通道的注浆加固应遵循“多点、少量、多次、均匀”循序渐进的原则。同时根据地铁隧道的管片沉降以及冻结区域的温度适时调整注浆量。

精确液体管理组1周内停用呼吸机的比率明显高于对照组，分析主要是因为通过PiCCO监测能更合理制定液体治疗方案，及时纠正休克和心衰，缩短液体正平衡时间，减轻因组织器官水肿、微循环障碍等继发的MODS[16]，实现早脱机的目标。

4.1 注浆材料

联络通道在浆过程中常用的注浆材料主要包括单液水泥浆以及C-S双液浆,单液浆和双液浆的水泥等级均为42.5级,水玻璃为42°Bé。胶凝材料的强度可根据围岩情况进行调整,双液浆可在注浆时将配好的水泥浆液和水玻璃浆液按照等比例混合后再注入。浆液配合比如表2所示,充填注浆采用水泥单液,融沉注浆以单液浆为主,双液浆为辅。

表2 主要注浆参数Table 2 Grouting parameters kg

4.2 填充注浆

隧道初期支护与冻结后围岩之间的间隙往往通过注浆填充。填充注浆的时间往往在停止冻结后3～7d,当衬砌强度达到设计强度60%以上时结束注浆。

充填注浆一般采用单液水泥浆,联络通道处的注浆压力应小于静水压强。注浆流量可控制在15L/min。一般联络通道充填注浆量为25m3/m,通过预留注浆孔均匀注入。填充注浆一般自下而上注入,底部注浆时打开所有注浆孔阀门,每到上一层注浆孔开始冒浆后再进行注浆。

4.3 融沉注浆

停止冷冻后根据测温结果以及沉降监测数据确定融沉注浆的时机。融沉注浆持续时间为2～3个月(停冻后第2～4个月),其中侧墙持续时间为2个月,拱顶部位为3个月。融沉注浆开始后,根据变形及温度监测数据确定注浆时间,融沉注浆以单液浆为主,双液浆为辅。融沉注浆压力一般选择300～500kPa,低于联络通道及隧道结构设计要求容许值。融沉注浆时的流量一般选择15～20L/min,单孔单次注浆量可根据注浆压力控制。注浆总量一般设置为冻土融化体积的20%,单孔单次注浆量≤1m3。

5 冻结加固控制效果

制冷设备设置在一侧隧道靠近联络通道处。联络通道施工期间在注浆加固的基础上,配合冻结加固保障工作面以及联络通道周围土体稳定。

1号联络通道从2021年9月2日开始进行积极冻结,至2021年9月9日冻结7d时,冻结温度降至-20℃,冻结12d时盐水管温度降至-27℃。此后温度稳定在-30℃左右,降温过程符合现行规范要求。至2021年11月4日,联络通道的积极冻结总时长为45d,干管去回路温差控制在1.0℃以下,冻结过程中的盐水温度变化如图4所示。根据测温孔温度监测情况,结合冻结孔实际成孔情况,联络通道位置的最小冻结壁厚度为3.29m,喇叭口处的最小冻结壁厚度为3.0m,均满足设计要求。

图4 盐水温度变化情况Fig.4 Changes of brine temperature

6 施工风险处置措施及环境评价

6.1 地层冻胀和融沉防治措施

设计中可在联络通道冻结壁附近未冻土中两侧各布设2个卸压孔,采用φ89×8低碳无缝钢管制作成花管形式。根据地面沉降监测,加强冻结过程中监测并及时卸压,冻胀力可通过释放泥水泄压。此外,采用快速冻结也能够减小冻胀量,避免土体收缩。冻结壁解冻时后方土体可能会发生少量收缩,并引发地层融沉。因此为了减小地层的融沉量,同时减缓地面沉降,可采用跟踪注浆对地层融沉进行补偿。

6.2 涌砂、涌水、冒泥防治措施

一般地层开孔时可能出现涌水、涌砂、冒泥现象,钻进时若大量涌水、涌砂可能出现失控的情况。因此若出现涌砂、涌水、冒泥现象,可采取压紧孔口密封装置,减小联络通道阀的流量;采用水泥-水玻璃或丙烯酸盐类浆液注浆充填和封孔;减缓钻进速度,并采取跳孔钻进等手段进行控制。此外,为了避免隧道不产生漏水漏砂而导致管片变形,可在联络通道两侧的隧道内准备一部分圆木,在管片产生变形超限之后作为联络通道以及附近管片的内部支撑。

6.3 联络通道开挖过程中其他风险处置措施

若联络通道开挖工程中有水渗出,立即停止施工,并及时处理渗漏水点。若渗漏量较小,并没有形成成股的线流,可采用水泥封堵。若联络通道工作面不断掉落土块,且呈现坍塌趋势,应立即加强冷冻,同时用棉胎做好开挖面的保温措施。在开挖至盐水管附近时,应及时确认冻结管的具体位置,如出现打破冻结管,立即停止开挖,并及时关闭盐水阀门,防止盐水外流融化冻土,并及时对盐水管进行补焊后方可继续施工。