凍結技術在清除地下障礙物施工中的應用

馬西峰/MA Xi-feng（南京地鐵建設有限責任公司，江蘇 南京 210008）

凍結技術在清除地下障礙物施工中的應用

馬西峰/MA Xi-feng
（南京地鐵建設有限責任公司，江蘇 南京 210008）

[摘 要]針對在已建成的人民路地道內(nèi)破除底板下的鋼筋混凝土灌注樁，施工時易涌水涌砂，甚至造成人民路地道的破壞這一情況，在借鑒國內(nèi)外先進凍結技術的同時，因地制宜，有針對性地采取專項施工技術，化解了一道道施工難題，取得了理想的效果，為類似工程施工提供借鑒。

[關鍵詞]凍結技術；破除；地下障礙物

1 工程概況

南京市某盾構隧道外徑6.2m、內(nèi)徑5.5m。盾構隧道左、右線在里程DK11+817～DK11+843范圍內(nèi)下穿人民路地道，此區(qū)域上方為地下直徑線，在人民路地道施工過程中該區(qū)域共設置了2根臨時格構樁。

格構樁直徑均為1m，格構樁為鋼筋混凝土灌注樁，配置8根?20mm主筋，樁頂標高為-12.212m，樁尖標高為-27.212m，樁長15m；鋼筋籠長度為12m。原施工單位提供的資料顯示：盾構區(qū)間左、右線各有1根樁在區(qū)間隧道內(nèi)，為確保盾構順利穿越人民路地道，必須在盾構機穿越前將2根樁破除（圖1）。

鋼筋混凝土灌注樁范圍內(nèi)土層為粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂等，主要為⑦4粉砂層、厚度達10m，且有微承壓水。施工時極易發(fā)生涌水涌砂。

2 施工方案選擇

圖1　 格構樁與人民路地道、盾構隧道關系圖

破除人民路底板下的格構樁，需在人民路底板上開孔，然后進行格構樁的破除或拔起。因人民路地道位于地表下12m，如果用常規(guī)的方法在人民路地道底板上開孔取樁，待地道底板開通后將會有大量流砂涌入地道，不但無法破樁，而且危及到地道結構安全。為確保施工安全，經(jīng)多方專家論證，決定首先采用凍結技術將鉆孔灌注樁周圍的土體進行凍結加固，使鉆孔灌注樁周圍的土體形成封閉的凍土帷幕，凍土帷幕起到抵抗樁四周的水土壓力和封水的作用。在凍土帷幕的保護下從人民路地道內(nèi)人工用風鎬將樁鑿除。

3 施工難點及采取的相應措施

1）人民路地道底板在地面下12m處。施工凍結管時極易發(fā)生涌水涌砂；施工凍結管時，需安裝孔口密封裝置，以確保鉆孔施工時無水、砂流出。

2）積極凍結時，因人民路地道結構層滲水，地下水通過結構層滲出，土層內(nèi)有流動水存在，對凍結效果影響很大；在積極凍結前處理好地道結構層的滲水點，凍結時加大供冷量進行強制凍結。

3）破樁時開挖深度在人民路底板以下17m（自然地面以下27m），開挖深度大。在開挖時如果凍結壁局部有薄弱點就會發(fā)生涌水涌砂；開挖前在樁頂部安裝安全防護門。如果出現(xiàn)險情及時關閉安全防護門，再繼續(xù)進行凍結直至達到設計凍結效果后再開挖。

4 凍結孔、測溫孔布置

凍結管選用?108×8mm低碳鋼無縫鋼管；測溫孔選?108×8m低碳無縫鋼管。凍結管材質(zhì)量必須符合設計要求。

凍結孔布置圈徑：?1.2m/?2.6m/4.2m；每根樁布置凍結孔29個；開孔間距0.8m/1m；測溫孔1個（圖2、圖3）。

5 凍結孔施工

5.1 孔口管的安裝

將人民地道路面下的1.3m厚襯砌混凝土全部鑿除，露出人民路地道底板結構層。按照設計凍結孔位置定位開孔及安裝孔口管：首先用開孔器（配金剛石鉆頭取芯）按設計角度開孔，開孔直徑146mm，開孔深度為300mm時停止鉆進，安裝孔口管。

孔口管的安裝方法為：首先將孔口處鑿平，安好四個膨脹螺絲，而后在孔口管的魚鱗扣上纏好麻絲或棉絲等密封物，將孔口管砸進去，用膨脹螺絲固定，裝上DN150球閥，再將球閥打開，用開孔器從球閥內(nèi)開孔，開孔直徑為130mm，一直將底板開穿，這時，如地層內(nèi)的水砂流量大，就及時關好閘門，安裝壓緊裝置。

圖2　 凍結孔、測溫孔布置圖

圖3　 凍結孔、測溫孔布置縱剖面圖

5.2 鉆 孔

1）鉆孔設備選擇 根據(jù)施工地質(zhì)條件和對鉆孔精度要求，地道內(nèi)垂直鉆孔均選擇MD-60 A型錨固鉆機。鉆孔采用泥漿循環(huán)護壁，每臺鉆機配1臺BW-250型泥漿泵。

2）凍結孔鉆進 按設計要求調(diào)整好鉆機位置，并固定好，將鉆頭裝入孔口裝置內(nèi)，在孔口裝置上接上1.5寸閥門，并將盤根輕壓在盤根盒內(nèi)，首先采用干式鉆進，當鉆進扭矩大不進尺時，從鉆機上進行注水鉆進，同時打開小閥門，觀察出水、出砂情況，利用閥門的開關控制出漿量，鉆機選用MD-60A型錨桿鉆機，鉆機扭矩3 000Nm，推力25kN。

凍結管連接接頭采用絲扣連接加焊接形式，加強冷凍管連接質(zhì)量的控制，每個接頭連接完成后逐個檢查，要求絲扣擰緊，焊縫飽滿。

6 積極凍結

在凍結過程中，每天檢測去、回路干管鹽水溫度、凍結器回路鹽水溫度、鹽水箱液位變化、冷卻水溫度，觀察凍結器頭部結霜是否有異常融化。在凍結運轉(zhuǎn)初期，檢測各凍結器的鹽水流量，如發(fā)現(xiàn)檢測流量小于設計要求，則應用控制閥門進行調(diào)節(jié)，或者加大鹽水泵泵量，使其滿足設計要求。

6.1 凍結達到的主要技術指標

1）凍結加固區(qū)有效厚度達到1m，平均溫度達到-10℃。

2）設計最低鹽水溫度為-28～-30℃，并要求凍結7天達到-18℃，15天達到-24℃。

3）凍結孔單孔鹽水流量為5～8m3/h。

6.2 凍結需冷量計算

采用Q=πdHKm

式中 H—凍結總長度（m）;

d—凍結管直徑；

K—凍結管散熱系數(shù)；k=250kcal/h?m2;

m—冷量損失系數(shù)，取1.15;

得凍結需冷量為：39.1萬kcal/h。

6.3 凍結制冷設備選型

冷凍機組選用YSKF2-20型3臺，運行2臺，備用1臺，單機標準工況制冷量為47.1萬大卡/h。

6.4 測 溫

在測溫管內(nèi)從上至下每隔2m安裝一根用康銅線制作的感溫片，每個測溫孔內(nèi)共安裝10個感溫片，康銅線的另1端固定在測溫管的上口，用測溫儀分別同康銅線的端頭連接進行測溫。積極凍結期間每24h測溫1次；開挖期間每12h測溫1次，并做好記錄。

7 格構樁破除

通過測溫計算，當凍結帷幕厚度達到設計厚度1m;凍結壁平均溫度為-10℃時，凍結帷幕的強度足可地下水土壓力和封水要求，在凍結帷幕的支護下即可進行人工破除灌注樁。

7.1 安全防護門安裝

破除前安裝安全防護門，首先沿安全防護門框四周每隔500mm植一根直徑25的鋼筋，一端錨入混凝土結構層200mm；另一段與安全防護門框焊牢，門框四周用雙快水泥封牢。安全防護門框安裝要平整、牢固，門扇開啟靈活。發(fā)生險情時由當班班長命令將井下人員撤出后，由班長負責關閉安全防護門，然后進行注漿堵漏，開挖直徑以樁中心向外直徑為1.2m。破除過程中所遇主筋需全部割除（圖4、圖5、圖6）。

圖4　 安全防護門示意圖

圖5　 安全防護門井蓋平面圖

圖6　 安全防護門底座平面圖

7.2 樁體破除

采用人工挖孔用風鎬破除灌注樁，破除深度為18m，用電動空壓機帶動風鎬從上往下人工鑿除，人工鑿除可減少對凍結帷幕的擾動。步距深度為1m，先破核心部分然后再破四周部分，減少凍結體直接暴露的時間。破除直徑為1.2m。

每次出渣時，當料斗高于安全網(wǎng)后，先將安全網(wǎng)掛鉤安裝好后再緩慢吊出。出渣時渣土料斗不得裝滿，出渣時人員站在料斗另一側，不得站在料斗正下方。

8 凍結管拔除

待格構樁破除完畢、結構全部修補完成后，停止冷凍施工，利用人工強制解凍，進行拔管，具體方法如下：用20～30℃的鹽水循環(huán)5min左右，然后鹽水溫度逐步升高到30～60℃循環(huán)達30min左右，當回路鹽水溫度上升到25～30℃時，使凍結管周圍的凍土融化達到1～5mm時，即可進行邊循環(huán)邊試拔。

采用5t手拉葫蘆或?qū)Ｓ霉苈菲鸢纹鬟M行分段拔除，拔管注意凍結管與掛鉤要成一直線，凍結管不能蹩勁，拔管時要常轉(zhuǎn)動凍結管，凍結管不能硬拔，如拔不動時，要繼續(xù)循環(huán)熱鹽水解凍，直至拔起凍結管。拔除凍結管后采用灌注微膨脹混凝土進行凍結孔封堵。

9 結 語

在自然地面以下12m地道內(nèi)處理地下障礙物，施工風險很大，極有可能發(fā)生涌水涌砂。運用其它處理方法很難完成此項工作。只有運用凍結技術進行地層加固才能安全、可靠地完成。通過工程實踐進一步證明在凍結帷幕的支護下破除地下障礙物的安全、可靠性。為同類工程提供了一項新的施工方法。

[參考文獻]

[1] 袁聚云．土工試驗與原理[M]．上海：同濟大學出版社，2003．

[2] 崔托維奇 H．A．凍土力學[M]．北京：科學出版社，1985．

[3] 李 昆，王長生，陳湘生．三軸試驗中深部凍土固結問題[J]．冰川凍土，1993，15（2）：322-324．

（編輯 張海霞）

［中圖分類號］U455.49

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366（2015）02-0089-04

［收稿日期］2014-10-25

Application of freezing technology in removing obstacles in the construction of underground