基于鹽水凍結加固的地鐵隧道聯絡通道施工技術研究*

尹希旺

(中鐵十八局集團第三工程有限公司,河北 涿州 072750)

0 引言

我國地鐵運營里程建設速度逐年遞增[1-2]。聯絡通道作為盾構隧道常用的一種附屬結構,在地鐵網絡中廣泛使用。但限于地鐵線路大多穿行于繁華區域,新建地鐵必然會受到周邊復雜環境的制約,并且不可避免地穿越既有地下管線、橋梁樁基及城市建筑基礎[3]。因此聯絡通道的建設也需要嚴格控制周圍土層變形,避免對上下行隧道之間的中隔巖柱過度擾動,造成鄰近基礎結構以及已經建成的地鐵隧道破壞。

地鐵隧道聯絡通道在施工過程中往往需要考慮工程地質條件以及地下水等多種風險因素。不同地層變化、地下水位高低、土層穩定性等都可能影響聯絡通道施工。對于軟土地層,一般需要采用水泥系加固以及凍結加固等手段,避免施工過程中出現地表沉降超限、開挖面坍塌等事故[4]。此外,施工過程中還可能遭遇涌水涌砂、滲水等問題,甚至會導致聯絡通道未支護部分坍塌、工程停滯等事故。而凍結法加固是地鐵施工當中常用的且經濟效益較好的一種手段[5]。

凍結法作為常用的一種地基加固手段,在地鐵隧道及其附屬設施建設中應用非常廣泛[6-7]。但由于地層類型的差異以及隧道周邊地下環境的復雜變化,凍結法加固依舊存在大量困難。現有相關研究主要集中在聯絡通道的開挖支護技術[8],考慮凍結加固措施、開挖支護程序以及相關風險監控和處置措施的相關研究并不豐富,因此結合具體工程項目,整合施工經驗,進行地鐵隧道聯絡通道的施工技術研究,對于類似場地條件的聯絡通道施工具有重要參考價值。

本文針對南昌地鐵4號線一聯絡通道建設過程中各個環節進行分析,結合聯絡通道所在位置的場地特征,綜合考慮地下管線環境,明確了施工難點及對應解決方案,最終提出了復雜環境下基于凍結加固的聯絡通道施工關鍵技術及風險處置措施。

1 工程概況

南昌市軌道交通4號線七里站—民園路西站區間隧道內徑為5.4m,管片厚度為300mm,聯絡通道處上下行隧道間距為12.32m。線路在SK32+140.000里程處設置一聯絡通道(1號聯絡通道),如圖1所示。聯絡通道處隧道埋深為20.93m,地層以③5礫砂、⑤1-2強風化泥質粉砂巖為主。研究區地表無河流等地表水系,地下水類型包括第四系松散層以及強風化帶中的孔隙潛水、強～中風化基巖裂隙水以及局部賦存于人工填土、黏性土中的上層滯水,無上覆隔水層,下部粉質黏土層為其隔水底板。上層滯水深度0.90～3.00m,第四系砂層含水層滲透系數為5.86～16.96m/d。隧道及聯絡通道位于泥質粉砂巖中,其微承壓性對聯絡通道施工具有一定影響。

圖1 聯絡通道結構(單位:m)Fig.1 The structure of connecting channel (unit:m)

七里站—民園路西站區間1號聯絡通道正上方為青山北路,水平方向9.935m處為青山北路綜合管廊;聯絡通道上方13.15m處橫跨1個3 200mm×2 200mm的鋼筋混凝土箱涵;上方15.88m處橫跨1個1 300mm×3 200m的鋼筋混凝土箱涵。該聯絡通道在施工時采用凍結法,配合復合式襯砌,初期支護厚度≥200mm,初期支護采用型鋼加木背板以及C25噴射混凝土工藝,二次襯砌結構的厚度≥35cm,為C40模筑混凝土,初期支護與二次襯砌之間設置全包防水層。

2 聯絡通道凍結加固技術

2.1 凍結施工參數

該聯絡通道施工前首先對周圍土層進行凍結加固,凍土發展速度按22～26mm/d計算,交圈時間為22～25d。除凍結交圈時間,判定凍結壁交圈與否還應根據水文觀測孔(泄壓孔)壓力值的變化情況,當泄壓孔壓力持續上漲,可判定凍結壁已交圈。判定凍結帷幕厚度達到設計值與否則應根據溫度監測數據進行推算,如式(1),其余凍結參數如表1所示。

表1 主要凍結施工參數Table 1 Main freezing construction parameters

(1)

式中:T為凍土溫度(℃);T1為凍結管內冷媒劑(鹽水)溫度(℃);r,r1,r2分別為凍結柱內任意點到凍結管中心距離(m),凍結管外徑(m),凍土圓柱外徑(m)。

2.2 凍結孔施工

七里站—民園路西站區間1號聯絡通道凍結施工過程中,風化砂巖中凍結管采用φ89×8無縫鋼管,每根凍結管用1.5～2m的管材焊接,通過絲扣加對焊進行連接。測溫管材質一般同凍結管,部分測溫孔采用φ32×3焊管,供液管選用φ48焊接鋼管。施工工藝采用跟管鉆進方法進行凍結孔施工,鉆孔設備為MD-120A鉆機,可提供不小于4 000N·m扭矩。采用1臺BW-200型泥漿泵,可適用于深度小于50～60m的鉆進。根據施工基準點,孔位偏差不應大于100mm。凍結孔鉆進至設計深度,對于側墻可能接觸對側管片的凍結孔以碰到對側隧道管片為準。

凍結孔偏斜值一般通過經緯儀燈光測斜法進行測斜。將手電固定在PVC測斜管一端,將測斜管插入凍結孔的底部,通過經緯儀的目鏡觀察手電燈芯。當燈芯與經緯儀目鏡內十字準星重合時讀出垂直角度讀數,并與凍結孔設計的豎直角度進行比較,算出凍結管成孔的豎直偏差。最后固定經緯儀底座,并將目鏡旋轉180°,確定成孔后視點,與設計的后視點比較,計算出凍結孔成孔的水平偏差。通過水平及垂直偏差進而算出凍結孔成孔偏差。

凍結孔的試漏壓力值一般為凍結工作面鹽水壓力的1.5～2倍,一般≥0.8MPa。保證穩定30min后壓力下降值<0.05MPa,并保持15min穩定為合格。

2.3 凍結制冷系統設置

根據南昌地鐵4號線施工過程中的經驗,單座聯絡通道選擇JYSLG16F-M型冷凍機。單個聯絡通道凍結總需冷量為80 368kcal,PVC鹽水管路導熱系數0.14W/(m·k),厚度8mm,聚苯乙烯保溫板導熱系數0.042W/(m·k),厚度50mm,環境溫度20℃,鹽水溫度-30℃。最大熱量散失量(忽略了鹽水干管的阻熱)可通過式(2)計算,1號聯絡通道施工熱散失量為2 415.62kcal/h<15 570kcal/h。

φ=KAΔT/T

(2)

式中:φ為單位時間內散熱量(W);A為管壁面積;K為保溫板的導熱系數[W/(m·K)];T為管壁溫度;ΔT為平壁兩表面之間的溫度差(K)。

單座冷凍站應配置2臺37kW鹽水泵,2臺冷卻水循環泵,3臺DBNL 型冷卻塔,鹽水管采用PVC-U管。集、配液管與羊角采用高壓膠管連接,冷卻水管為5寸焊管。每個冷凍機進出水管應設置溫度傳感器,同時在去、回路鹽水管上安裝壓力、溫度傳感器以及控制閥。同時鹽水箱上應安裝液位感應裝置。聯絡通道配液圈與凍結器之間應設置2個閥門以控制凍結器的鹽水量。

2.4 積極凍結與維護凍結

2.4.1積極凍結

聯絡通道附近的地層凍結施工之前,冷凍站設置完成之后,應當實時檢查電路系統、冷卻水循環系統、鹽水循環系統,當各系統參數維持穩定正常后再開冷凍機。冷凍機應先空轉2h,檢查是否運轉正常。在冷凍機試運行過程中,應當逐級調節壓力、溫度以及電機負荷等參數,使冷凍機組在相應標準及運行額定技術參數條件下工作。

冷凍機組凍結15d后鹽水溫度降到-25℃以下。凍結開始之后,需按時對凍結器進行檢查避免發生斷裂漏鹽水的狀況,若出現鹽水滲漏問題,需立即關閉水閥,并根據鹽水漏水程度采取措施。

為防止凍結孔穿透隧道管片時和鉆孔時孔口涌水噴砂可采用二次開孔法,如圖2所示。采用跟管鉆進安裝凍結管,鉆進時通過軸封實現孔口止水。

圖2 凍結孔開孔Fig.2 Freezing hole opening

2.4.2開挖條件判別

聯絡通道開挖前應進行開挖條件評估,當積極凍結的時間達到40～45d時,且鹽水溫度達到設計最低鹽水溫度(-28℃),以及打開卸壓孔閥門后不再有連續的帶壓泥水流出時方可開挖。

探孔位置應設置在凍結孔間距較大處或凍結有異常處。開挖前應完成隧道支撐加固工作,準備好水泥、水玻璃等應急材料與對應設備。做好開挖準備以及其他各項工作,做好設備維護和養護工作,確保設備正常運行。

2.4.3維護凍結

在開挖到施工結構層之前的時間段,鹽水溫度應低于-28℃。維護凍結時也需要進行施工監測,維持凍結系統運轉,實時監控凍結壁溫度。在聯絡通道開挖過程中,需及時監測凍結壁表面溫度以及凍結壁位移量,若凍結壁溫度過高、變形過大,應加大對應位置的凍結孔內鹽水流量。

3 地鐵隧道聯絡通道開挖

3.1 聯絡通道開挖

根據南昌地鐵4號線聯絡通道工程結構特點,開挖采取分區施工方案,開挖順序如圖3所示。聯絡通道僅有通道部分為一次土方開挖完成后進行初期支護和二次襯砌。

圖3 開挖順序Fig.3 Excavation sequence

開挖過程中可采取分區開挖,同時需要實時監測凍結壁表面溫度以及隧道收斂值,并基于測量結果實時調整開挖量及支護強度。凍結壁暴露面長度應<1.2m,暴露時間≤10h,暴露面位移2cm。在聯絡通道施工過程中,應同時做好地表建筑以及隧道變形監控,保證地表建筑以及兩側隧道穩定。

3.2 聯絡通道支護

支護層采用型鋼支架,為保證支護層的穩定性,相鄰兩排支架之間須焊接縱向鋼筋。聯絡通道的支護層結構中所用通道支撐采用直腿圓拱形封閉框架,均采用I20。支撐框架內可通過設置橫向支撐桿件提升支架穩定性。兩層支架間距一般為50cm,在初期支護階段,需要預埋注漿管。

4 填充注漿及融沉注漿

聯絡通道的注漿加固應遵循“多點、少量、多次、均勻”循序漸進的原則。同時根據地鐵隧道的管片沉降以及凍結區域的溫度適時調整注漿量。

精確液體管理組1周內停用呼吸機的比率明顯高于對照組，分析主要是因為通過PiCCO監測能更合理制定液體治療方案，及時糾正休克和心衰，縮短液體正平衡時間，減輕因組織器官水腫、微循環障礙等繼發的MODS[16]，實現早脫機的目標。

4.1 注漿材料

聯絡通道在漿過程中常用的注漿材料主要包括單液水泥漿以及C-S雙液漿,單液漿和雙液漿的水泥等級均為42.5級,水玻璃為42°Bé。膠凝材料的強度可根據圍巖情況進行調整,雙液漿可在注漿時將配好的水泥漿液和水玻璃漿液按照等比例混合后再注入。漿液配合比如表2所示,充填注漿采用水泥單液,融沉注漿以單液漿為主,雙液漿為輔。

表2 主要注漿參數Table 2 Grouting parameters kg

4.2 填充注漿

隧道初期支護與凍結后圍巖之間的間隙往往通過注漿填充。填充注漿的時間往往在停止凍結后3～7d,當襯砌強度達到設計強度60%以上時結束注漿。

充填注漿一般采用單液水泥漿,聯絡通道處的注漿壓力應小于靜水壓強。注漿流量可控制在15L/min。一般聯絡通道充填注漿量為25m3/m,通過預留注漿孔均勻注入。填充注漿一般自下而上注入,底部注漿時打開所有注漿孔閥門,每到上一層注漿孔開始冒漿后再進行注漿。

4.3 融沉注漿

停止冷凍后根據測溫結果以及沉降監測數據確定融沉注漿的時機。融沉注漿持續時間為2～3個月(停凍后第2～4個月),其中側墻持續時間為2個月,拱頂部位為3個月。融沉注漿開始后,根據變形及溫度監測數據確定注漿時間,融沉注漿以單液漿為主,雙液漿為輔。融沉注漿壓力一般選擇300～500kPa,低于聯絡通道及隧道結構設計要求容許值。融沉注漿時的流量一般選擇15～20L/min,單孔單次注漿量可根據注漿壓力控制。注漿總量一般設置為凍土融化體積的20%,單孔單次注漿量≤1m3。

5 凍結加固控制效果

制冷設備設置在一側隧道靠近聯絡通道處。聯絡通道施工期間在注漿加固的基礎上,配合凍結加固保障工作面以及聯絡通道周圍土體穩定。

1號聯絡通道從2021年9月2日開始進行積極凍結,至2021年9月9日凍結7d時,凍結溫度降至-20℃,凍結12d時鹽水管溫度降至-27℃。此后溫度穩定在-30℃左右,降溫過程符合現行規范要求。至2021年11月4日,聯絡通道的積極凍結總時長為45d,干管去回路溫差控制在1.0℃以下,凍結過程中的鹽水溫度變化如圖4所示。根據測溫孔溫度監測情況,結合凍結孔實際成孔情況,聯絡通道位置的最小凍結壁厚度為3.29m,喇叭口處的最小凍結壁厚度為3.0m,均滿足設計要求。

圖4 鹽水溫度變化情況Fig.4 Changes of brine temperature

6 施工風險處置措施及環境評價

6.1 地層凍脹和融沉防治措施

設計中可在聯絡通道凍結壁附近未凍土中兩側各布設2個卸壓孔,采用φ89×8低碳無縫鋼管制作成花管形式。根據地面沉降監測,加強凍結過程中監測并及時卸壓,凍脹力可通過釋放泥水泄壓。此外,采用快速凍結也能夠減小凍脹量,避免土體收縮。凍結壁解凍時后方土體可能會發生少量收縮,并引發地層融沉。因此為了減小地層的融沉量,同時減緩地面沉降,可采用跟蹤注漿對地層融沉進行補償。

6.2 涌砂、涌水、冒泥防治措施

一般地層開孔時可能出現涌水、涌砂、冒泥現象,鉆進時若大量涌水、涌砂可能出現失控的情況。因此若出現涌砂、涌水、冒泥現象,可采取壓緊孔口密封裝置,減小聯絡通道閥的流量;采用水泥-水玻璃或丙烯酸鹽類漿液注漿充填和封孔;減緩鉆進速度,并采取跳孔鉆進等手段進行控制。此外,為了避免隧道不產生漏水漏砂而導致管片變形,可在聯絡通道兩側的隧道內準備一部分圓木,在管片產生變形超限之后作為聯絡通道以及附近管片的內部支撐。

6.3 聯絡通道開挖過程中其他風險處置措施

若聯絡通道開挖工程中有水滲出,立即停止施工,并及時處理滲漏水點。若滲漏量較小,并沒有形成成股的線流,可采用水泥封堵。若聯絡通道工作面不斷掉落土塊,且呈現坍塌趨勢,應立即加強冷凍,同時用棉胎做好開挖面的保溫措施。在開挖至鹽水管附近時,應及時確認凍結管的具體位置,如出現打破凍結管,立即停止開挖,并及時關閉鹽水閥門,防止鹽水外流融化凍土,并及時對鹽水管進行補焊后方可繼續施工。

6.4 聯絡通道凍結加固施工環境評價

南昌市軌道交通4號線七里站—民園路西站區間2號聯絡通道位于青山湖北側,聯絡通道在施工過程中嚴格監控青山湖水位及水質。監測結果顯示青山湖2號聯絡通道附近水質未產生任何明顯變化,表明不存在凍結劑泄露等問題。類似工程在進行聯絡通道凍結加固過程中,可開展土質及鄰近水質監測,防止對周邊環境產生不良影響。

7 結語

1) 本文針對地鐵隧道聯絡通道施工技術進行分析,結合現場施工經驗,總結了聯絡通道開挖前的地層凍結加固技術措施,明確了凍結施工參數,為類似工程提供了一種土層加固方案設計依據。

2) 文章針對地鐵隧道聯絡通道施工過程中的填充注漿及融沉注漿加固技術進行了總結,提出了兩種注漿材料的參數以及填充注漿和融沉注漿的施工技術措施建議。

3) 本文針對地鐵隧道聯絡通道開挖施工過程進行總結分析,基于實際施工經驗,分析了聯絡通道開挖過程中可能產生的風險,并提出了對應的預防處置措施。