地鐵同區(qū)間不同聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)效果對比分析

2022-01-06 07:27:54劉家鮑

黑龍江交通科技 2021年12期

劉家鮑

(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101100)

在發(fā)生險情時聯(lián)絡(luò)通道在保障生命安全起到重要的作用，素有“生命通道”之稱，是地鐵建設(shè)過程中的必不可少的一環(huán)。在建設(shè)過程中聯(lián)絡(luò)通道往往具有施工難度大、危險性高等特點，因此施工過程中需要采取加固措施。人工凍結(jié)法以其適用性強、止水效果好等特點被廣泛應(yīng)用于各種臨時加固工程中，而地鐵聯(lián)絡(luò)通道就是其中之一。

國內(nèi)外諸多學者對凍結(jié)工程進行了許多研究，如師立德等通過對不同凍結(jié)管流速的研究，得到改變凍結(jié)管尺寸進而改變流速能夠明顯改善凍結(jié)溫度場的不均勻發(fā)展問題。陳軍浩等以福州某聯(lián)絡(luò)通道工程為背景，采用數(shù)值模擬方法研究凍結(jié)過程中地面及盾構(gòu)隧道的變形影響，為類似工程提供了參考意義。楊昊等以廣州某工程為背景，對凍結(jié)施工不同階段的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，得到凍結(jié)體自然解凍的速度約為凍結(jié)速率的0.88倍。高文旗、谷丹等以凍結(jié)工程施工全過程進行敘述，為廣大地鐵建設(shè)者提供了參考。

由此可見，對于聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)加固工程已進行較多方面研究，但對于凍結(jié)管不同布置形式下的凍結(jié)壁不同發(fā)展參數(shù)的差異研究卻相對較少。本文以穗莞深城際SZH-9標機場北站-場站盾構(gòu)區(qū)間11#～13#聯(lián)絡(luò)通道為研究背景，通過對相鄰的3個聯(lián)絡(luò)通道不同凍結(jié)管布置形式下凍結(jié)壁差異進行研究，獲得不同凍結(jié)壁的溫度場發(fā)展規(guī)律，以期為相似工程提供借鑒經(jīng)驗。

1 工程概況

穗莞深城際SZH-9標機場北站-機場站盾構(gòu)區(qū)間設(shè)有11#～13#聯(lián)絡(luò)通道，各通道均采用“凍結(jié)法加固+礦山法開挖”進行，基本信息見表1所示。其中11#和13#通道暗埋段凈寬設(shè)計為3.2 m，凈高4.4 m；12#聯(lián)絡(luò)通道兼有泵房，暗埋段凈寬設(shè)計為3.8 m，凈高4.4 m，泵房集水池有效容積約為45.5 m3。支護結(jié)構(gòu)型式為復合式襯砌，初期支護由250 mm厚C25噴射混凝土工字鋼鋼架、鋼筋網(wǎng)組成；二次襯砌采用350 mm厚C45P10混凝土。

表1 11#、12#和13#橫通道基本信息

11#橫通道自上而下地層為：粉質(zhì)黏土(5)1-3、花崗巖全風化(11)7-1；12#橫通道自上而下地層為：粉質(zhì)黏土(5)1-3、花崗巖全風化(11)7-1、花崗巖強風化(11)7-2及花崗巖中風化(11)7-3；13#橫通道自上而下地層為：細砂(2)10-2、花崗巖全風化(11)7-1。下覆基巖加里東期黃崗巖，全風化呈土狀，分布不均，厚3.3～24.9 m不等，Ⅲ級；強風化呈塊石狀，裂隙發(fā)育，厚0.5～8.6 m不等，Ⅳ級；中風化呈塊石狀，裂隙發(fā)育，巖質(zhì)較硬，Ⅴ級。聯(lián)絡(luò)通道場地位于粉質(zhì)黏土、細砂土層及花崗巖全風化層，穩(wěn)定性差。且位于海陸交互層沖積平原區(qū)，地下水量豐富，埋藏淺，水位穩(wěn)定。同時，據(jù)勘察知，各聯(lián)絡(luò)通道受周邊管線的影響較小，凍結(jié)施工過程可不予考慮。

綜上所述，3個聯(lián)絡(luò)通道之間的異同點主要為：11#與12#線間距一致但斷面形式不同，11#與13#斷面形式相同但13#線間距較??；在土質(zhì)上3個聯(lián)絡(luò)通道中下部均存在花崗巖全風化，并且11#與12#聯(lián)絡(luò)通道上部地層為粉質(zhì)黏土。

2 凍結(jié)設(shè)計

2.1 凍結(jié)帷幕參數(shù)

11#、13#橫通道凍結(jié)帷幕為不小于2.3 m，12#凍結(jié)帷幕不小于2 m。凍結(jié)帷幕平均溫度設(shè)計為不高于-10 ℃(凍結(jié)壁與管片交界面平均溫度不高于-5 ℃)；相應(yīng)的凍土強度的設(shè)計指標為：單軸抗壓不小于3.5 MPa，彎折抗拉2.3 MPa，抗剪不小于1.8 MPa(-10 ℃)。設(shè)計最低鹽水溫度為-28～-30 ℃，維護凍結(jié)鹽水溫度為-28 ℃。

2.2 凍結(jié)孔布置方案

11#、13#橫通道左右線凍結(jié)孔分別各布置凍結(jié)孔84個，其中左線34個，右線50個。12#聯(lián)絡(luò)通道共布置凍結(jié)孔92個，其中左線58個，右線34個。凍結(jié)管規(guī)格選用89 mm×8 mm的20#低碳無縫鋼管，測溫管及泄壓管材質(zhì)同凍結(jié)管均為無縫鋼管，而規(guī)格分別選用Φ32 mm×3 mm、Φ45 mm×3 mm。

2.3 測溫孔、泄壓孔布置方案

測溫孔：每個橫通道共布置C1～C10共10個測溫孔，左線4個，右線6個，分別位于橫通道兩側(cè)凍結(jié)帷幕內(nèi)外的上、下、左、右，每個測溫孔內(nèi)分布3～5個測點，其中C1～C8在孔深0.4 m、1.2 m、2 m處各有一個測點，C9測點則在孔深0.4 m、1.5 m、2.5 m，C10測點分別位于孔深0.4 m、1.5 m、2.5 m、3.5 m、5.5 m、7.0 m處。

泄壓孔：為了直觀監(jiān)測凍結(jié)帷幕內(nèi)的壓力變化情況并及時判斷凍結(jié)帷幕的形成，每個橫通道在凍結(jié)帷幕封閉區(qū)域內(nèi)布置4個泄壓孔，出段線、入段線各2個，泄壓孔布置在橫通道開挖斷面未凍結(jié)土體內(nèi)。

3 溫度場凍結(jié)參數(shù)分析

3.1 鹽水去回路溫差分析

11#～13#聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計積極凍結(jié)期45 d。通過去回路鹽水冷量溫度變化，進而得到不同聯(lián)絡(luò)通道在凍結(jié)過程中溫差的變化關(guān)系，見圖1所示。

圖1 不同聯(lián)絡(luò)通道鹽水去回路溫差

通過圖3可以看出，11#通道凍結(jié)過程中鹽水溫差始終保持恒定在1.4 ℃，而12#和13#鹽水溫差在凍結(jié)初期為2.5 ℃，凍結(jié)15 d后溫差降至1.1 ℃；凍結(jié)穩(wěn)定時12#聯(lián)絡(luò)通道溫差增至1.65 ℃，而13#保持不變。說明不同聯(lián)絡(luò)通道的周邊土體吸收鹽水的冷量不同，在凍結(jié)初期12#和13#聯(lián)絡(luò)通道土體吸收冷量的能力比11#強，凍結(jié)速率穩(wěn)定時，吸收冷量的能力由強到弱分別為12#、11#、13#。通過11#與12#對比，得到帶泵房的聯(lián)絡(luò)通道對冷量需求比未帶泵房約多11%。由11#與13#聯(lián)絡(luò)通道的溫差知，穩(wěn)定后前者比后者吸收的冷量多27%。

3.2 泄壓孔壓力變化

凍結(jié)壁形成是一個漸進的過程，當凍結(jié)管周邊土體未連接形成一體時，凍結(jié)體相互獨立，承載能力及穩(wěn)定性極小，而當凍結(jié)壁交圈形成一定厚度的封閉體，承載能力逐漸增加。而凍結(jié)壁交圈可通過未凍土內(nèi)的泄壓孔壓力變化來判斷。各個聯(lián)絡(luò)通道的泄壓孔壓力變化關(guān)系，見圖2所示。

圖2 不同聯(lián)絡(luò)通道泄壓孔壓力變化

由圖2可知，凍結(jié)初始泄壓孔孔壓最大為12#、其次為13#。隨著凍結(jié)時間增加，各聯(lián)絡(luò)通道孔壓逐漸增加但增加速率緩慢，至凍結(jié)24 d時，各聯(lián)絡(luò)通道泄壓孔孔壓均出現(xiàn)明顯上升的轉(zhuǎn)折點，說明此時凍結(jié)壁已開始交圈并對內(nèi)部未凍土體產(chǎn)生影響，即承載能力開始增加。轉(zhuǎn)折點后11#～13#聯(lián)絡(luò)通道的壓力變化分別為0.018 MPa/d、0.008 MPa/d、0.033 MPa/d，可見帶泵房聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)壁厚度增加比未帶泵房的慢，未帶泵房的聯(lián)絡(luò)通道中間距較短的厚度增加較快。帶泵房的聯(lián)絡(luò)通道吸收冷量較多但厚度增加卻較慢，其主要原因為帶泵房聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)范圍大，則受土層中不穩(wěn)定因素影響較多，使得凍結(jié)壁厚度增加變緩；同時，凍結(jié)管布置與土體接觸面積較多，進一步導致所需的冷量相應(yīng)增加。

3.3 測點溫度變化規(guī)律

根據(jù)各溫度測點的溫度變化情況，可得3個聯(lián)絡(luò)通道中各測溫孔在不同孔深時溫度降至0 ℃的平均變化速率關(guān)系，見圖3所示。

圖3 聯(lián)絡(luò)通道不同測點溫度降至0 ℃速率關(guān)系圖

通過圖3可知，不同聯(lián)絡(luò)通道中相同孔深的測點其溫度降至0 ℃的平均速率存在差異。11#與13#聯(lián)絡(luò)通道中隨孔深增加，其各測點溫度變化速率也相應(yīng)增加，而12#聯(lián)絡(luò)通道中則呈孔深1.2 m處的變化速率較快。結(jié)合測溫孔分布可知，位于11#與13#聯(lián)絡(luò)通道左線中C1～C4測溫孔的溫度變化速率整體明顯比右線C5～C10快，而12#聯(lián)絡(luò)通道左右線溫度變化速率相差不明顯。說明帶泵房的聯(lián)絡(luò)通道在凍結(jié)初期的左右線冷凍效果對稱性較好。

為了獲得凍結(jié)壁發(fā)展情況，根據(jù)圖3中選取最小溫度變化速率推算凍結(jié)壁凍結(jié)效果，其中各聯(lián)絡(luò)通道最小溫度變化速率所對應(yīng)的測溫孔及凍結(jié)速率見表2所示。

表2 聯(lián)絡(luò)通道對應(yīng)的最慢凍結(jié)速率

根據(jù)表2中各聯(lián)絡(luò)通道最慢發(fā)展速率與凍結(jié)天數(shù)，推算各聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁發(fā)展情況。

由于11#與13#聯(lián)絡(luò)通道為馬鞍形導致凍結(jié)壁形狀近呈圓形分布，而12#聯(lián)絡(luò)通道因泵站原因使得凍結(jié)壁近呈矩形分布。各聯(lián)絡(luò)通道的最小凍結(jié)壁厚度分別為2.326 m、2.405 m、2.667 m，均滿足設(shè)計凍結(jié)壁厚度要求，說明當間距一樣時直墻拱式的凍結(jié)壁厚度比馬鞍形多3.3%，而對于均為馬鞍形的聯(lián)絡(luò)通道，線間距較短的凍結(jié)壁厚度則更大，直墻拱形式的凍結(jié)壁厚度整體較均勻。由此，可知凍結(jié)壁發(fā)展趨勢受凍結(jié)管分布和線間距影響較大，當線間距一定時，凍結(jié)管可布置成直墻式增加與土體的有效接觸面積，進而增加凍結(jié)壁厚度。