某隧道管幕凍結止水帷幕施工技術

周先平

(廣東省南粵交通投資建設有限公司，廣東廣州 510101)

某隧道暗挖區長約255 m。暗挖區地表環境復雜，有某大樓、審查所等重點建筑物、構筑物及附屬設施。暗挖段為該隧道重難點施工段，結構采用頂管及凍結帷幕的超前支護形式。頂管采用直徑1 620 mm(壁厚不小于20 mm)管幕36根，由東側暗挖區始發，西側暗挖區接收，待頂管作業完成后進行分區域凍結形成止水帷幕，然后進行隧道結構的支護開挖及襯砌。目前理論研究與數值模擬研究尚無法準確考慮實際條件的各種因素，有必要通過現場試驗管試驗核實、驗證、深化理論研究與數值模擬研究的結果。現場試驗管試驗研究旨在驗證實際條件下各種凍結方案的可靠性與合理性，細化并初步確定凍結效果控制指標、凍結系統控制參數，并檢驗監測方法與監測系統合理性，同時檢驗凍結系統的合理性與可靠性，通過現場試驗及時發現問題并提出解決方法。該施工方案主要研究多種凍結模式下的凍結方案、研究“管幕—凍土帷幕”復合結構抵御水土壓力的能力、頂管之間凍土的封水能力等，確保凍結止水帷幕的安全可靠性。管幕凍結法動態控制技術與系統研究，此研究是應對凍土帷幕弱化，凍脹控制提出的具有靈活調節能力的凍結系統及工藝參數，以及相關控制系統的研究與開發［1-5］。

1 試驗管及凍結管布置

試驗管的數量為2根，一根為5號原位管，一根為異位試驗管。5號原位管為填充混凝土的實管，異位試驗管為空管，具體布置見圖1。試驗管直徑:1 620 mm;試驗管壁厚:20 mm;試驗管長度:4 m/節;試驗管材料:采用Q235BZ鋼。

圖1 試驗管橫斷面布置圖

根據凍結模式種類設計，試驗分為15組。凍結區域需用15個頂管管節，每管節進行一組實驗。15個管節共計60 m，可根據現場情況布置在緩和曲線段或圓曲線段(見圖2)。

圖2 試驗區段劃分圖

凍結管是內設套管形式，外套管采用DN125鋼管(125凍結管，下同)，內管采用DN40鋼管(40凍結管，下同)。凍結分“始終開啟”和“起初開啟，適時間歇”兩種模式，區分處位于管節15和管節16處。異位管、加強管及限位管的內部構造及開啟方法限于篇幅不再一一闡述。頂管管節的凍結管構造及運行方式如表1所示。

表1 頂管管節的凍結管構造及運行方式

2 監測系統

2.1 監測內容

試驗管試驗凍結監測包括如下內容(見表2):

1)鹽水溫度:實管內圓形凍結管鹽水去回路溫度;限位管鹽水去回路溫度;加強管各獨立回路的去回路溫度。

2)鹽水流量和壓力:實管內圓形凍結管鹽水回路、限位管鹽水回路、加強管鹽水回路的鹽水流量和凍結干管的鹽水壓力。

3)管幕溫度場:實管、空管的內管壁溫度;實管內混凝土和空管內空氣溫度分布。

4)土體溫度場:重點反映實管、空管中線、管間中線及連線方向的溫度分布。

5)空頂管管節接頭處凍土溫度:考察管節鏈接處的封水效果。

6)地層不均勻沉降:重點監測反映凍脹效應的地層變形、解凍引起的地層沉降、注漿對地層沉降的控制效果。

7)地層孔隙水壓力:凍結施工過程中由于凍脹，將引起土體中孔隙水壓力急劇變化，需要及時觀測。

表2 凍結監測項目、儀器和目的

2.2 溫度監測系統

溫度監測采用數字溫度傳感器、“一線總線”溫度自動監測系統。

此系統為某大學凍結監測室研發的凍結法遠程監測系統，試驗中用于監測凍土溫度以及水在液氮凍結過程中的溫度，該系統包括硬件和軟件兩部分。其中系統硬件包括傳感器、一次儀表、數據采集模塊、遠距離數據傳輸模塊、計算機、打印機等。此監測系統采用RS485總線外置分布式數據采集系統，采用LTM-8520隔離型RS232/485轉換器，將RS485網絡接口轉換為計算機可以識別的RS232接口，采用LTM-8303智能型溫度采集模塊，并且數據采集模塊與計算機通過RS485通訊，數據傳輸速率最大可達10 Mbps，傳輸距離最大可達1 200 m。

采用美國DALLAS公司出品的“1-wire Bus”(“一線總線”)數字溫度傳感器，用于凍土溫度的測量。按照測點位置的需要，把若干個傳感器裝封在耐低溫套裝內特制成凍土測溫電纜。根據測點的設計，把測溫電纜置入測溫孔中，測溫電纜通過專用接口接入“一線總線”構成凍土測溫網絡。

本監測系統可在計算機界面上設置溫度監測頻率，還能觀測不同測點的溫度在時間和空間上的變化曲線、測點溫度的實時變化值。此外，監測系統也具備數據的儲存、各測點傳感器的信息維護等功能。

2.3 力與變形監測系統

地層孔隙水壓力、地層分層沉降等監測內容采用半自動或人工測讀的監測系統。

3 施工方法和工藝流程

管幕間封水采用控制性凍結并結合局部注漿改良的施工方法。

主要施工順序為:異型凍結管預制，試驗管段測溫孔預留→5號原位頂管和異位試驗頂管頂進→測溫管及注漿管鉆孔施工，同時安裝凍結制冷系統→安裝凍結鹽水系統和檢測系統→局部注漿改良→積極凍結→控制凍結，分段停凍→完全停止凍結、強制解凍與融沉注漿。

4 結語

本試驗完成之后取得的各種參數，在該隧道管幕凍結止水帷幕施工中起到了重要的作用，施工過程顯示，凍結參數合理，施工質量與進度得到了保證，保障了施工的順利進行。

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