南京地鐵試驗段旁通道水平凍結法施工技術
[ 摘要] 結合南京地鐵試驗段旁通道凍結法施工,分析總結了凍結法在凍結管施工、凍結、開挖構筑等階段的施工技術難點及對策,可以為今后旁通道凍結法施工提供一定的參考。
[ 關鍵詞] 凍結法;溫度;凍脹;旁通道;地鐵;隧道
隨著我國地鐵建設的快速發展,越來越多的旁通的土層( 土層參數見表1) 。另外根據試驗段三山街南道采用凍結法進行施工。旁通道凍結法施工,包括凍端頭井進、出洞土體的加固情況來看,在粉土、粉砂中結管施工、凍結及開挖構筑等階段。在這個施工過程用注漿、旋噴等加固地層效果不太理想。因此,為了保中,凍土的力學性質發生了劇烈變化,這種變化對施工證旁通道結構施工安全,采用了水平凍結技術進行地安全、周圍環境、主體隧道等都將產生一定的影響。本層加固,以阻止水土涌入隧道。2002211208～2002211228 文將探討旁通道凍結法施工技術措施、難點及對策,更期間為凍結孔施工及凍結準備階段,歷時21d ;20022112 好地指導今后旁通道的施工,確保旁通道施工及周圍29～2003201207 期間為積極凍結階段, 歷時41d ; 20032 環境的安全。01208～2003201215 期間為凍土開挖階段,歷時8d ;20032 1 工程及地質概況01216～2003202218 期間為維護凍結及結構構筑階段, 南京地鐵試驗段盾構法隧道從釣魚臺工作井北側歷時32d 。到三山街車站南端頭井,包括左線和右線隧道各1 條,盾構法隧道外徑612m , 內徑515m 。為了實現左、右線隧道間必要時乘客安全疏散功能及地鐵運營期間兩車站之間集排水作用,在2 條隧道之間合并建造一旁通道與泵站。旁通道處隧道中心標高-21633m , 地面標高+ 1015m , 隧道中心埋深131133m 。工程結構由2 個圖1 旁通道地質剖面示意與隧道相交的喇叭口、通道及集水井等組成,旁通道全長7102m 。根據地質勘察資料, 兩隧道間的聯絡通道通過的主要土層為淤泥質粉質粘土22221b324 層,粉土
表1 土層參數
水平凍結技術就是在隧道內利用水平孔和部分傾斜孔凍結加固地層,使聯絡通道及集水井外圍土體凍結,形成強度高、封閉性好的凍土帷幕,然后根據“新奧法”的基本原理,在凍土中采用礦山法進行聯絡通道及泵站的開挖構筑施工。其中水平凍結孔施工是人工地層凍結的關鍵,充分考慮凍結孔施工中可能存在的問題,并采取相應的措施,保證凍結孔施工質量就顯得特別重要。凍結效果的準確判斷是能否開挖的前提。
2.1.1 凍結孔施工難點及對策 2.1.1.1施工難點
由于本區間地層情況復雜,作業面狹窄,在凍結孔施工過程中可能存在諸多影響凍結孔施工質量的因素:
(1) 鉆孔時孔口出現涌水涌砂。
(2) 凍結管接縫不太密實,在凍結過程中可能使鹽水進入地層影響凍結效果。
(3) 凍結孔可能出現偏移,影響凍結孔施工精度。
(4) 打凍結孔時,出土過多, 可能導致鉆孔過程中地表沉降過大。
2.1.1.2 施工措施
為了保證凍結孔施工質量,在試驗段凍結孔施工過程中針對上述可能出現的問題采取了以下一系列相應的措施:
(1) 在正式開孔前,先行打了幾個試探孔檢查地層穩定性,發現存在一定的土層水壓。為了防止漏泥冒砂現象,在后繼的凍結孔施工前,安裝孔口裝置后再進行鉆進( 孔口裝置安裝程序:首先在隧道管片上按設計角度和位置開好<150mm 的孔, 孔深為300mm , 將孔口處鑿平,裝上4 條<16mm 膨脹螺絲,再將加工好的孔口管纏上密封材料用膨脹螺絲壓緊, 凍結孔開孔用<110mm 的金剛石取芯鉆頭鉆進) 。
(2) 凍結管選用<95mm ×6mm , 20 號低碳無縫鋼管,絲扣連接,單根長度1m 或115m , 能防止管線在較高壓力作用下破裂。同時,利用凍結管作鉆桿,凍結管采用絲扣加密封劑連接,接縫進行補焊,確保其同心度和焊接強度,凍結管到達設計深度后密封頭部。凍結管長度和偏斜合格后再進行打壓試漏, 壓力控制在110MPa , 穩定30min 壓力無變化者為試壓合格。在凍結管內下供液管, 然后焊接凍結管端蓋和去、回路羊角。凍結管安裝完畢后,用堵漏材料密封凍結管與管片之間的間隙。對于耐壓不合格的凍結孔要求往凍結管里套入直徑為68mm 的鋼管, 安裝好孔口裝置后重新進行耐壓試驗,直至全部凍結管耐壓合格。
(3) 考慮到管片中鋼筋密集, 在使用開孔器開孔前,根據管片施工圖確定隧道管片內的結構鋼筋的位置,合理避開鋼筋,調整開孔位置。在凍結孔施工前, 根據施工基準點,按凍結孔施工圖布置凍結孔,孔位偏差控制在50mm 之內。凍結孔實際鉆進深度應比設計深度大013m(鉆頭碰到隧道管片者除外) 。選用MD250 鉆機,增加鉆機至孔口之間的距離,架設孔外導向裝置和開孔段導向管,減小開孔誤差。鉆進過程中嚴格監測孔斜情況,鉆孔的偏斜應控制在1 % 以內,在確保凍土帷幕厚度的情況下, 終孔間距不得大于018m( 集水井為111m) ,發現偏斜要及時糾偏, 下好凍結管后, 進行凍結管長度的復測,然后再用經緯儀進行測斜并繪制鉆孔偏斜圖。
(4) 在凍結孔施工好后,對凍結孔周圍地層進行注漿加固,采用的是水泥漿液, 注漿量根據鉆孔長度確定,注漿壓力控制在012～013MPa 。
2.1.1.3 開挖條件判斷
準確判斷旁通道是否具備開挖條件,是保證開挖構筑施工安全的前提,同時也是節約成本的重要因素。旁通道是否具備開挖條件,可以根據系統運轉情況、鹽水降溫情況、溫度場和凍脹壓力變化等進行判斷,具體分析如下:
(1) 系統運轉情況 從開機到冷凍系統工作正常, 除2002 年12 月6 日由于更換電表停機8h 外,中間沒有其它原因的停機。
(2) 降溫情況 鹽水溫度開機2d 下降到-20 ℃, 降溫比較快。至2003 年1 月7 日鹽水溫度-33 ℃,鹽水的降溫正常; 鹽水的去回路溫度差已經從開始的平均2 ℃ 降到015 ℃, 說明地層的熱負荷減少, 凍土帷幕形成良好。
(3) 溫度場 在隧道的兩側共布置了10 個測溫孔,根據測孔10 的實測數據, 測孔10 距凍結主面700mm ,12 月24 日該測溫孔測點1 、2 、3 溫度分別下降至-012 、-015 、-017 ℃,此時凍結27d , 凍土平均發展速度為2519mmΠd ; 根據測孔3 的實測數據,測孔3 距凍結主面400mm ,12 月14 日該測溫孔測點1 、2 、3 溫度分別下降至-015 、-013 、-011 ℃,此時凍結16d , 凍土平均發展速度為2510mmΠd ; 根據測孔2 的實測數據,測孔2 距凍結主面450mm ,12 月19 日該測溫孔測點1 、2 、3 溫度分別下降至0 、-011 、-012 ℃,此時凍結21d , 凍土平均發展速度為2114mmΠd 。以上3 孔的凍土平均發展速度為2411mmΠd , 按此推算凍結到1 月8 日,凍結時間40d , 凍土發展厚度1193m , 超過設計厚度0133m 。
(4) 在隧道一側( 左線) 共布置了4 個凍脹壓力測孔,根據凍脹壓力測孔1 的實測數據,12 月18 日凍脹壓力達到最大值0173MPa , 此時凍結時間20d ; 測孔4 的實測數據,12 月18 日達到最大值1181MPa , 此時凍結時間20d 。說明20d 左右凍土柱已經交圈,凍結帷幕已基本形成。
(5) 在隧道一側( 左線) 旁通道開挖內布置1 個泄壓孔,到12 月25 日, 壓力不再抬升, 說明凍結帷幕內的自由水由于水分遷移的作用已經基本補給到凍土中,2003 年1 月3 日打開該泄壓孔,有少量的水和水泥流出,幾分鐘后停止,該孔從1 月3 日一直處于敞開狀態,沒有水流出。
(6) 根據地面變形的監測資料,到12 月30 日,旁通道上方地面的最大變形15mm , 地面變形趨于穩定, 說明凍土結構的擴展速度變緩慢。
(7) 觀察隧道內部管片上的結霜情況正常,結霜范圍和輪廓比較均勻,反映出凍結情況正常。
3 施工情況分析
3.1.1 水平凍結孔施工情況分析
2002 年11 月1 日試鉆了2 個水平凍結孔,發現有一定的夾砂水土流出,為了保證凍結孔施工安全,考慮鉆進前安裝孔口裝置, 鉆進過程中壓注水泥漿液。2002 年11 月8 日正式進行水平凍結孔鉆進。首先鉆進的是底部的3 排凍結孔,由于底部凍結管 不到對 面隧道管片,加強了底部凍結孔鉆進深度控制,從實測結果來看,全部凍結孔均達到設計深度,一般超過設計深度012～015m , 在底部凍結管施工中,發現流出一定量的夾砂土, 且水壓較大, 為了保證凍結孔施工的安全,在凍結孔施工過程中進行了注漿( 水泥漿液),平均每孔使用普通硅酸鹽水泥015t 左右,起到了防水與加固地層的目的; 底部凍結孔施工完后進行兩側2 排凍結孔施工,11 月9 日施工對穿孔,施工第1 個對穿孔時由于采用的是與主隧道垂直角度鉆進,最終發現在右線有30cm 左右的偏離,考慮到以后的凍結效果, 在打剩下的兩側凍結孔及對穿孔時調整了角度,對其偏離進行了糾正。最后進行頂部2 排凍結孔施工, 除最上部1 排加強孔外,這些孔在施工中均以 到對側管片 為準,深度均達到設計要求。正式鉆進后,平均每天鉆進3～4 孔,于2002 年11 月20 日完成全部58 個凍結孔施工,工期為15d 。從實測結果來看,除孔X24 垂直偏斜率為1137 % 及對穿孔Y5 水平偏斜率為4127 % 外,其余孔的垂直及水平偏斜率均控制在1 % 之內。由于采取了安裝孔口裝置等措施,在施工期間,基本控制了漏水流砂現象的發生。在所有58 個凍結孔施工完成后, 采用了耐壓試驗進行凍結孔密封性試驗,試驗結果發現有6 個(S23 、X15 、X24 、X25 、X34 、X54) 凍結孔耐壓試驗達不到壓力1MPa , 保壓015h 以上的耐壓要求,為了防止凍結過程中鹽水外漏而影響后繼凍結,在達不到要求的凍結管里面套入直徑為68mm 的鋼管, 安裝好孔口裝置后重新進行耐壓試驗,試驗結果發現這6 個孔經過處理后均達到了設計耐壓要求。每個凍結孔均達到設計的密封性要求,為后繼凍結施工創造了條件。 3.1.2 凍結效果分析
冷凍機等設備于2002 年11 月5 日開始進行安裝, 11 月27 日冷凍機電機運轉成功。11 月28 日,繼續試壓試漏,用清水試壓最大壓力達到014MPa , 確保無滲漏點后,將水排盡放入干凈的清水及氯化鈣。11 月29 日鹽水密度達到1126gΠcm3 后,冷凍機開始抽真空、充氟利昂,同日17 :00 開始冷凍機正式運轉;11 月30 日 17 :00 鹽水去路溫度為-1915 ℃, 回路溫度為-18 ℃; 12 月1 日鹽水去路溫度下降到-24 ℃;12 月2 日、3 日鹽水去路溫度一直維持在-24 ℃ 左右, 考慮到其溫度離設計鹽水溫度-28 ℃ 還差4 ℃,分析原因可能是氟利昂量不夠,因此增加了一定量氟利昂。至12 月11 日鹽水去路溫度下降到-28 ℃, 達到了設計鹽水溫度。為了控制凍結的發展過程及效果,在左線隧道內布置了4 個測溫孔,右線布置了6 個測溫孔,凍結開始后對凍結孔溫度進行了連續監測工作,從測溫結果來看,29 日測溫孔6 中的測點2 原始溫度最大,為1912 ℃,相應地5d 后該處地層溫度為1413 ℃,10d 后為-013 ℃, 表明交圈時間為10d 。29 日測溫孔10 中的測點3 原始溫度1815 ℃,相應地5d 后為1211 ℃,10d 后為814 ℃,15d 后為313 ℃,20d 后達到217 ℃,27d 后達到-017 ℃, 表明交圈時間為27d 。為了保證開挖的安全, 延長了5d 的凍結時間,并于2003 年12 月29 日進行了左、右探孔試探,從右線探孔情況來看,凍結土體的連續性、整體性較好,未出現涌水冒砂現象;左線探孔有一定量的泥水流出。為了保證旁通道施工的安全,于1 月3 日再次進行了探孔試探。1 月5 日開始進行試開挖,1 月10 日取出鋼管片進行正式開挖,至1 月20 日開挖至對面隧道,從開挖過程來看,凍結土體的強度完全達到設計要求,大部分地方開挖要用風鎬進行。整個開挖期間, 開挖面均能保持穩定,未出現涌水涌砂現象。
4 結語
旁通道的施工包括凍結孔施工、凍結施工、開挖構筑等許多階段。只有針對各個階段的特點及可能出現的問題采取相應的措施,才能保證旁通道凍結法施工的安全。
