地层冻结法在地铁旁通道施工中的研究与应用

谷明瑞

煤炭科学研究总院成功开发一整套水平冻结施工技术后,冻结法才开始广泛引入市政及隧道工程领域,并相继在北京、上海、广州、南京、天津等地铁得到广泛应用。由于地层冻结工法形成的冻土墙封水性好、强度高等优点,国内外较多地应用地层冻结工法加固旁通道周围软弱土体。本文重点以天津地铁隧道某旁通道为主介绍冻结加固的施工技术。

1 工程概况

1.1 工程结构

天津地铁隧道采用盾构法施工,设左、右两条隧道,隧道外径6 200 mm,净径5 500 mm。区间旁通道由与左、右线隧道正交的水平通道及通道中部的集水井组成(见图1)。按设计,旁通道位置底板标高为-21.082 m,左、右行线隧道中心线间距约11.022 m。

通道为直墙圆弧拱结构,集水井为矩形结构,通道和集水井均采用二次衬砌。通道的开挖轮廓高约4.583 m,宽3.3 m,局部(喇叭口处)高 5.05 m,宽 4.5 m;集水井开挖轮廓长 5.3 m,宽3.3 m,深 3.32 m。开挖区标高范围约为-13.704 m～-21.607 m。

为了避免在旁通道开挖构筑时泥砂和地下水涌入,需要对旁通道附近的地层进行冻结加固。

1.2 地质条件

该项工程位于天津市河西区,联络通道位置地面标高+3.30 m,地下水位1.90 m。

冻结施工区域标高范围约为-12.0 m～-24.0 m。根据附近地层情况,旁通道施工范围内土层主要为⑤粉质黏土和⑥1粉土及以下⑥2粉砂层和⑥3粉土层。由于工程所处地层主要为第四系河漫滩相沉积层,其孔隙比大、含水丰富、承载力低、容易压缩、在动力作用下易流变,开挖后天然土体本身难以自稳,特别是集水井位置土层含水丰富、渗透性好,容易引起水砂凸出。因此,在施工旁通道时必须对施工影响范围内的土体进行稳妥、可靠的加固处理。

2 地层冻结加固施工方案

2.1 冻土帷幕形式

2.2 冻结设计参数

施工采用“隧道内水平冻结加固土体,隧道内开挖构筑”的全隧道内施工方案,即:在隧道内采用冻结法加固地层,使旁通道外围土体冻结,形成强度高、封闭性好的冻土帷幕,然后在冻土帷幕中采用矿山法进行通道及集水井的开挖构筑施工。施工在旁通道周围土层中布置水平冻结孔(或小角度倾斜冻结孔)冻结的方法,在旁通道外侧形成一周与隧道管片紧贴的冻土墙,用以抵抗土层压力,保护开挖构筑面,确保泥砂和地下水不会进入开挖工作面。

旁通道地层冻结加固设计需满足以下基本要求:首先是围护开挖区,确保开挖和支护施工能安全顺利地进行,主要是要保证冻土帷幕有足够的强度;其次,要便于隧道开挖和支护,降低施工费用,缩短施工工期。冻结施工参数见表1。

表1 主要冻结施工参数一览表

3 旁通道地层冻结加固施工流程

在旁通道轴线方向,沿通道及集水井外侧布置冻结孔,并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、封闭性好的冻土墙,然后在冻土墙的保护下打开拼装钢管片,进行通道及集水井的开挖构筑工作。冻结法加固旁通道地层的施工流程如图2所示。主要工序为冻结孔施工,冻结站安装运转,旁通道开挖构筑。

3.1 冻结孔施工

由于旁通道所处地层稳定性差,遇扰动易流变、涌水涌砂,为减小钻孔对地层的影响,冻结孔施工首次在天津地区采用水平钻进法与夯管法联合施工冻结孔。

冻结管选用φ 89×8 mm低碳无缝钢管,单根管材长度1 m～2 m。测温管和泄压管材质同冻结管,供液管采用1.5″钢管。地层冻结的冻结孔设计原则是保证冻土帷幕的封闭性、冻土帷幕的厚度及强度。根据施工基准点,按冻结孔施工图布置冻结孔,孔位偏差不应大于100 mm。冻结孔钻进深度根据图纸尺寸应不小于设计值且不大于0.5 m,或者以碰到对侧隧道管片为准。冻结孔偏斜值宜不大于200 mm,并采用经纬仪灯光测斜,保证内圈成孔最大间距小于1.6 m,外圈成孔最大间距小于1.4 m。由于在冻结造孔施工过程中可能会出现涌砂、涌水事故,因此施工时采用二次开孔工艺开孔,并安装孔口密封装置,防止冻结孔穿透隧道管片时和钻进时孔口涌水喷砂。

3.2 冻结站安装

冷冻机采用一套YSLGF-300型冷冻机组,配备一台200S42A盐水泵,一台 IS125-100/250型清水泵,两台DBNL3-50型冷却塔,设备装机容量171 kW。冻结站的制冷、盐水及清水循环系统形成后,调试运转正常,即可转入积极冻结。

3.3 旁通道开挖构筑

经过对冻结状态的监控和检测,旁通道周围土体加固厚度及强度达到设计要求后,即可打开钢管片,进行冻土开挖和结构施工。开挖采用“新奥法”暗挖施工,短段掘砌,随掘随支,循环步距0.5 m～0.8 m;初次支护为型钢加木背板,再挂网喷射混凝土,永久支护为现浇钢筋混凝土,中间设防水层。旁通道总体开挖顺序为先通道部分后集水井施工。

4 地层冻结加固效果

开机积极冻结,冻结系统运转正常,冻结盐水降温速度较快,冻结5 d时间即达到-20℃,至3月5日,盐水温度降至-30℃,此后基本在此温度状态下运行。冻结过程中由卸压孔的观测数据显示,3月9日两个卸压孔压力由最初的0.12 MPa开始明显上升,至3月14日上升到最高压力达到 0.35 MPa,表明冻土墙已成功交圈,比设计交圈时间提前6 d,表明小孔间距的设置以及冻结系统的正常运转、低盐水温度的冻结,加快了冻土墙的交圈时间。由测温孔数据分析得出,冻土墙的冻土扩展较快,冻土平均扩展速度达35 mm,表2为旁通道冻土墙厚度,表3为旁通道各点冻土墙平均温度,表明冻土墙的厚度及平均温度均超过设计要求。

表2 旁通道冻土墙厚度

表3 旁通道冻土墙平均温度

从开挖后冻土墙的冻土情况来看,冻结效果很好,暴露土体稳定,无坍塌片帮现象,冻土强度较高,施工时须用风镐开凿,为旁通道的开挖与支护施工创造了良好的施工条件。根据开挖后对冻土墙的量测,冻土墙厚度均在1.9 m～2.4 m之间(远大于1.6 m的设计冻土墙厚度)。

5 结语

1)冻结工法加固旁通道地层是一项临时加固措施,施工前应与业主、设计、监理等单位密切沟通,做好工序转换准备,以及必要的管片孔位预留,在满足冻土墙设计情况下,应避免管片过多开孔,影响结构稳定。2)地层冻结工法施工对环境污染少,占用施工场地小,隧道内可设工作平台且布置灵活,市区内施工优势明显。3)地层冻结工法作为含水软土地层加固的特殊解决方案,实践证明地层冻结是目前最为可靠的施工方法之一。在我国,大部分经济发达城市所处地层松软含水,随着地铁等地下工程的迅猛发展,地层冻结暗挖法施工技术的应用也将越来越广泛。

[1] 《建井工程手册》编写组.建井工程手册[M].北京:煤炭工业出版社,1986.

[2] 苏立凡.Problem of lining failure in freeze shafts after construction[R].国际地层冻结和土壤冻结大会,1997.

[3] H.Meissner,J.Vogt.Tunnel construction in the protection of a frost shell in partially saturated soil,6th International symposium on ground freezing,1991.

[4] J.L.Rojo,A.Novillo,J.R.Alocen.Soil freezing for the Valencia underground Railway work,6th International symposium on ground freezing,1991.

[5] 李长忠.上海地铁泵站的地层冻结加固施工[A].第一届全国寒区环境与工程青年学术会议论文集[C].兰州:兰州大学出版社,1994.

[6] 陈湘生.冻结法在上海地铁建设中的几种应用形式[M].北京:煤炭工业出版社,1995.

[7] 李长忠.顶管和盾构出洞地层冻结加固技术[M].北京:煤炭工业出版社,2005.