飽和粉砂地層中地鐵車站交叉穿越凍結法施工技術摘 要:簡要介紹了上海地鐵明珠線上體場車站穿越原地鐵一號線上體館站段(簡稱穿越段)凍結施工情況。在穿越段施工中,根據工程特點,采用了水平凍結孔施工技術和地層凍脹融沉控制技術,并采取了在凍結壁易散熱界面上現場噴涂聚胺脂泡沫層和敷設冷凍排管等保溫與加強凍結措施來保證凍結壁質量,取得了良好效果,保證了安全順利施工,同時確保了穿越段上方地鐵一號線車站結構穩定及地鐵運營安全。 關鍵詞:飽和粉砂;地鐵車站;凍結法;水平凍結孔;凍脹變形1穿越段工程概況 上海地鐵明珠線上體場車站穿越原地鐵一號線上體館站段(以下簡稱穿越段)由上行線隧道和下行線隧道組成,隧道斷面尺寸6.16ｍ×6.38ｍ(高×寬),長22.6ｍ。穿越段與地鐵一號線斜交成79°,方向為由東向西。穿越段東端與明珠線上體場站相連,西端為明珠線區間隧道盾構工作井。 穿越段附近地面絕對標高+4.19ｍ。穿越段結構頂面標高為-10.08ｍ,緊貼地鐵一號線車站底板。穿越段結構底面標高為-15.82ｍ。穿越段所處地層主要為飽和灰色淤泥質粘土和砂質粉土,地下水位與地面接近。穿越段施工采用凍結法加固地層,礦山法開挖的方案。 穿越段工程施工難度及風險均較大,主要原因一是穿越段上方為地鐵車站和城市干道立交橋,周邊有多幢住宅和重要公共建筑;二是穿越段結構緊貼地鐵一號線車站底板,同時開挖范圍內有近4ｍ厚的超細粉砂地層,且地下水水壓較高;三是穿越段需穿透兩道厚0.8ｍ的原地鐵一號線車站結構圍護地下連續墻,開挖跨度較大。2凍結施工方案設計 由于穿越段開挖范圍內有近4ｍ厚的超細粉砂層,且地下水水壓較高,施工時很容易發生水砂突出災難性事故。尤其是穿越段上方緊挨原地鐵車站,要求施工引起的原地鐵車站結構沉降要控制在毫米級以內,對施工方案選擇提出了很高的要求。根據以往施工經驗,目前在隧道工程施工中經常采用的降水、注漿、管棚以及頂管等工法在該工程中都難以實施,或存在極大的風險,因而必須尋找一種新的施工方法,以徹底解決堵水、加固和有效控制周圍地層及建筑物變形的難題。 地層凍結法是用人工制冷的方法使含水地層凍結,形成凍土,從而提高地層穩定性和止水性的地層加固方法,適用于飽和砂土、淤泥等各種復雜地層加固。地層凍結法技術可靠,對施工條件要求寬,國際工程界認為它是在其他地層加固方法難以應用時的最終解決方案。 盡管地層凍結法有很多優點,但根據分析,在穿越段工程中應用該項技術還存在一些技術難題。首先是地層凍結時會產生凍脹變形,最大凍脹量可以達到凍土體積的7%以上,而凍土解凍時又會發生收縮融沉,且收縮量可以超過凍脹量,從而使周圍地層出現明顯隆起和沉降現象,引起周圍建筑物移位或產生變形破壞。其次是穿越段工程凍結邊界條件極為復雜,凍結區與地鐵一號線車站底板、圍護地下連續墻等易散熱物體直接接觸,使得接觸面處特別容易出現凍結薄弱區,從而影響凍結維護結構的強度與封水性。第三是在擬開挖隧道周圍施工凍結鉆孔和安裝凍結管難度較大,鉆孔時容易發生水砂突出事故。 下行線隧道與上行線隧道均采用“田”字形斷面的凍結壁形式,凍結設計參數見附表。凍結系統設計最低鹽水溫度為-28～-30℃,維護凍結鹽水溫度為-20℃,單孔鹽水流量為5～7ｍ3/ｈ。每條隧道計算需冷量為470ＭＪ/ｈ,實際裝機制冷量為700ＭＪ/ｈ。
3 凍結施工關鍵技術3.1 水平凍結孔施工技術 (1)采用二次開孔工藝,以防鉆透地下連續墻時大量出泥出水。一次開孔采用金剛石取心鉆在地下連續墻上鉆進300ｍｍ深左右,不鉆透連續墻。一次開孔鉆進完畢,下入孔口管并安裝閥門,接著進行二次開孔鉆進,直至鉆透連續墻。連續墻鉆透后,立即退出開孔鉆頭,關閉閥門。 (2)用夯管法下凍結管,夯管和鉆進時安裝類似軸封的孔口止水裝置。對于需要穿透對側地下連續墻的凍結孔,則先用夯管法下套管(套管下至對側連續墻墻面),然后用鉆機在套管中鉆透對側連續墻,再用夯管法下入凍結管。鉆進對側地下連續墻時,鉆頭部位安裝逆止閥和巖心管。 (3)下完凍結管后,對凍結管與孔口管及套管間的間隙和孔口附近地層進行注漿充填。 (4)下泄壓管(濾水管)時,在泄壓管內裝滿三合土,以防夯進泄壓管時出水,影響施工。 (5)確保凍結孔定位準確。凍結管夯進時,預設朝隧道外結構面法向的外偏角為0 .5～1°,以防凍結孔太靠近開挖面,影響凍結壁有效厚度。3.2 地層凍脹和融沉控制技術 (1)在凍結壁內未凍土中設泄壓孔,通過放水、排泥來減小凍結壁內的水土壓力和消散作用在地鐵一號線上體館站底板上的凍結附加力。泄壓孔采用Φ140ｍｍ以上的鉆孔。泄壓孔濾管不包紗網,以便在凍脹引起地層壓縮時,可從泄壓孔泄水或排除部分土體。施工中可根據車站結構及地層變形監測結果和泄壓孔中的水壓變化情況進行泄壓。 (2)在地鐵一號線上體館站底板附近增設凍結孔和加熱孔各1個,加熱孔兼作測溫孔。根據工程監測結果,合理調整凍結孔的供冷量。在特殊情況下,還可通過在加熱孔中循環熱水來迅速提高凍結壁溫度,使凍結壁軟化,從而減小凍脹力。在采取上述措施的同時,還注意控制好上體館站底板附近凍結孔的鹽水流量,使車站底板下邊的溫度處在-5～-10℃之間,實現了在保證凍土強度的情況下,盡量減小車站底板溫度應力的目的。 (3)合理安排凍結順序,減小凍脹引起的地層變形。根據不同位置凍結壁受力分布情況以及不同位置地層的凍脹和強度特性變化,分5步進行凍結。其中一號線上體館站底板下第2、第3個凍結孔晚開凍7ｄ,以便形成緩凍層,減小凍脹力。 (4)在積極凍結過程中,待地鐵一號線車站底板隆起接近警戒值時,立即減少車站底板下1～2ｍ范圍內凍結孔的供冷量,使凍土溫度升高,利用高溫凍土在荷載作用下容易蠕變和應力松弛顯著的特點,迅速減小凍結壁作用在車站底板上的凍脹力,從而達到減小車站底板隆起量的目的。 (5)在靠近上體館車站底板附近凍結壁墻界面上水平布置凍脹變形釋放孔。根據車站底板變形監測情況,必要時可拔出凍脹釋放孔內的鋼管,使土體內的凍脹力得到釋放。 (6)對凍結過程中車站結構的變形或受力變化情況進行監測,分析凍結施工對車站結構的最終影響,為調整凍結施工參數提供依據。通過調整鹽水流量和鹽水溫度來控制凍結壁厚度,使其保持在設計值左右。 (7)由于凍結壁解凍時有少量收縮,從而使地層產生融沉,可能給上部一號線上體館站帶來不良影響。為此,施工時在隧道襯砌上預留注漿管,在凍結壁化凍過程中進行注漿,以補償地層融沉。 (8)停凍后采取強制化凍措施,以盡快化凍,恢復穿越段附近地層的水土壓力,減小地鐵一號線車站底板沉降,縮短融沉補償注漿工期。4 凍結壁質量保證措施 (1)凍結壁邊界保溫。穿越段頂部和東西兩側均為原地鐵車站混凝土結構,屬易散熱體。為了保證凍結壁質量,施工中對這3側混凝土結構暴露面采用現場噴涂聚胺脂泡沫層的方法保溫, 收到了較好效果。 (2)在凍結壁兩端處的地鐵一號線車站地下連續墻表面敷設冷凍排管,以加強凍結壁與連續墻交界面處的凍結。 (3)控制凍結孔與地鐵一號線車站底板間的距離。由于混凝土散熱比土層要容易得多,會嚴重影響車站底板和地下連續墻附近土層的凍結速度和凍土強度,進而影響凍結壁的整體穩定性和封水性。為此,設計要求位于地鐵一號線車站底板下的凍結孔要盡量靠近底板布置,并在車站底板下挨近底板布置兩個凍結孔,確保車站底板下的凍結壁厚度與溫度達到設計要求。 (4)為了確保凍結壁與對側地下連續墻之間沒有影響安全的薄弱環節,穿越段外圍凍結壁側墻和底板的主凍結孔必須穿透對側地下連續墻,同時凍結管進入對側地下連續墻內不得小于400ｍｍ。 (5)加強凍結過程中的檢測和控制。通過檢測和控制各凍結孔的鹽水流量和鹽水溫度,使凍結壁快速均勻發展。在穿越段開挖過程中,通過對凍結壁暴露面和支護層的溫度、變形以及地鐵一號線上體館站結構變形等的監測,判斷凍結壁質量是否滿足設計要求,凍結施工是否會對地鐵一號線上體館站的正常運行和穿越段開挖造成不良影響,并根據具體情況,及時調整凍結時間、凍結鹽水溫度和鹽水流量,確保開挖施工安全順利。5結 語 (1)穿越段凍結施工中提出的“田”字形凍結壁設計,夯管法與鉆進法相結合的凍結孔施工技術,控溫凍結與間歇凍結相結合的凍脹控制技術, 以及凍結壁界面處加強凍結措施,符合工程特點,地層加固效果好,為穿越段安全順利施工創造了良好條件,同時確保了穿越段上方地鐵一號線車站結構穩定及地鐵運營安全。 (2)采用夯管法結合鉆進法的凍結孔施工技術,解決了在流砂地層中施工凍結孔時(尤其是穿透對側地下連續墻時)容易發生水砂突出的問題;并且施工工藝簡單,效率較高,施工質量完全能滿足凍結施工安全的需要。 (3)實測顯示,凍脹引起的地鐵一號線車站底板隆起主要發生在凍結壁交圈期間;車站底板凍脹隆起總量在3ｍｍ以內,與預計值接近,未超過規定值。這表明控溫凍結和間歇凍結等抑制凍脹的措施對控制地層凍脹隆起具有明顯的作用。 (4)施工中合理布置凍結孔,同時采取在凍結壁易散熱界面上噴涂聚胺脂泡沫層和敷設冷凍排管等保溫與加強凍結措施,使凍結壁與老結構之間基本不存在凍結薄弱區,對保證施工安全具有重要意義。 (5)隧道開挖時,開挖區地層已基本凍實,開挖面穩定,凍結壁具有足夠的承載力,可保證施工安全。開挖時實測的凍結壁變形量不超過2ｍｍ,初期支護承受的壓力也不大。 (6)下行線隧道停凍后的監測表明,由于凍結壁解凍時采取盡快化凍,恢復水土壓力和融沉補償注漿等措施,地層凍融引起的地鐵一號線車站底板基本上未發生沉降。
3 凍結施工關鍵技術3.1 水平凍結孔施工技術 (1)采用二次開孔工藝,以防鉆透地下連續墻時大量出泥出水。一次開孔采用金剛石取心鉆在地下連續墻上鉆進300ｍｍ深左右,不鉆透連續墻。一次開孔鉆進完畢,下入孔口管并安裝閥門,接著進行二次開孔鉆進,直至鉆透連續墻。連續墻鉆透后,立即退出開孔鉆頭,關閉閥門。 (2)用夯管法下凍結管,夯管和鉆進時安裝類似軸封的孔口止水裝置。對于需要穿透對側地下連續墻的凍結孔,則先用夯管法下套管(套管下至對側連續墻墻面),然后用鉆機在套管中鉆透對側連續墻,再用夯管法下入凍結管。鉆進對側地下連續墻時,鉆頭部位安裝逆止閥和巖心管。 (3)下完凍結管后,對凍結管與孔口管及套管間的間隙和孔口附近地層進行注漿充填。 (4)下泄壓管(濾水管)時,在泄壓管內裝滿三合土,以防夯進泄壓管時出水,影響施工。 (5)確保凍結孔定位準確。凍結管夯進時,預設朝隧道外結構面法向的外偏角為0 .5～1°,以防凍結孔太靠近開挖面,影響凍結壁有效厚度。3.2 地層凍脹和融沉控制技術 (1)在凍結壁內未凍土中設泄壓孔,通過放水、排泥來減小凍結壁內的水土壓力和消散作用在地鐵一號線上體館站底板上的凍結附加力。泄壓孔采用Φ140ｍｍ以上的鉆孔。泄壓孔濾管不包紗網,以便在凍脹引起地層壓縮時,可從泄壓孔泄水或排除部分土體。施工中可根據車站結構及地層變形監測結果和泄壓孔中的水壓變化情況進行泄壓。 (2)在地鐵一號線上體館站底板附近增設凍結孔和加熱孔各1個,加熱孔兼作測溫孔。根據工程監測結果,合理調整凍結孔的供冷量。在特殊情況下,還可通過在加熱孔中循環熱水來迅速提高凍結壁溫度,使凍結壁軟化,從而減小凍脹力。在采取上述措施的同時,還注意控制好上體館站底板附近凍結孔的鹽水流量,使車站底板下邊的溫度處在-5～-10℃之間,實現了在保證凍土強度的情況下,盡量減小車站底板溫度應力的目的。 (3)合理安排凍結順序,減小凍脹引起的地層變形。根據不同位置凍結壁受力分布情況以及不同位置地層的凍脹和強度特性變化,分5步進行凍結。其中一號線上體館站底板下第2、第3個凍結孔晚開凍7ｄ,以便形成緩凍層,減小凍脹力。 (4)在積極凍結過程中,待地鐵一號線車站底板隆起接近警戒值時,立即減少車站底板下1～2ｍ范圍內凍結孔的供冷量,使凍土溫度升高,利用高溫凍土在荷載作用下容易蠕變和應力松弛顯著的特點,迅速減小凍結壁作用在車站底板上的凍脹力,從而達到減小車站底板隆起量的目的。 (5)在靠近上體館車站底板附近凍結壁墻界面上水平布置凍脹變形釋放孔。根據車站底板變形監測情況,必要時可拔出凍脹釋放孔內的鋼管,使土體內的凍脹力得到釋放。 (6)對凍結過程中車站結構的變形或受力變化情況進行監測,分析凍結施工對車站結構的最終影響,為調整凍結施工參數提供依據。通過調整鹽水流量和鹽水溫度來控制凍結壁厚度,使其保持在設計值左右。 (7)由于凍結壁解凍時有少量收縮,從而使地層產生融沉,可能給上部一號線上體館站帶來不良影響。為此,施工時在隧道襯砌上預留注漿管,在凍結壁化凍過程中進行注漿,以補償地層融沉。 (8)停凍后采取強制化凍措施,以盡快化凍,恢復穿越段附近地層的水土壓力,減小地鐵一號線車站底板沉降,縮短融沉補償注漿工期。4 凍結壁質量保證措施 (1)凍結壁邊界保溫。穿越段頂部和東西兩側均為原地鐵車站混凝土結構,屬易散熱體。為了保證凍結壁質量,施工中對這3側混凝土結構暴露面采用現場噴涂聚胺脂泡沫層的方法保溫, 收到了較好效果。 (2)在凍結壁兩端處的地鐵一號線車站地下連續墻表面敷設冷凍排管,以加強凍結壁與連續墻交界面處的凍結。 (3)控制凍結孔與地鐵一號線車站底板間的距離。由于混凝土散熱比土層要容易得多,會嚴重影響車站底板和地下連續墻附近土層的凍結速度和凍土強度,進而影響凍結壁的整體穩定性和封水性。為此,設計要求位于地鐵一號線車站底板下的凍結孔要盡量靠近底板布置,并在車站底板下挨近底板布置兩個凍結孔,確保車站底板下的凍結壁厚度與溫度達到設計要求。 (4)為了確保凍結壁與對側地下連續墻之間沒有影響安全的薄弱環節,穿越段外圍凍結壁側墻和底板的主凍結孔必須穿透對側地下連續墻,同時凍結管進入對側地下連續墻內不得小于400ｍｍ。 (5)加強凍結過程中的檢測和控制。通過檢測和控制各凍結孔的鹽水流量和鹽水溫度,使凍結壁快速均勻發展。在穿越段開挖過程中,通過對凍結壁暴露面和支護層的溫度、變形以及地鐵一號線上體館站結構變形等的監測,判斷凍結壁質量是否滿足設計要求,凍結施工是否會對地鐵一號線上體館站的正常運行和穿越段開挖造成不良影響,并根據具體情況,及時調整凍結時間、凍結鹽水溫度和鹽水流量,確保開挖施工安全順利。5結 語 (1)穿越段凍結施工中提出的“田”字形凍結壁設計,夯管法與鉆進法相結合的凍結孔施工技術,控溫凍結與間歇凍結相結合的凍脹控制技術, 以及凍結壁界面處加強凍結措施,符合工程特點,地層加固效果好,為穿越段安全順利施工創造了良好條件,同時確保了穿越段上方地鐵一號線車站結構穩定及地鐵運營安全。 (2)采用夯管法結合鉆進法的凍結孔施工技術,解決了在流砂地層中施工凍結孔時(尤其是穿透對側地下連續墻時)容易發生水砂突出的問題;并且施工工藝簡單,效率較高,施工質量完全能滿足凍結施工安全的需要。 (3)實測顯示,凍脹引起的地鐵一號線車站底板隆起主要發生在凍結壁交圈期間;車站底板凍脹隆起總量在3ｍｍ以內,與預計值接近,未超過規定值。這表明控溫凍結和間歇凍結等抑制凍脹的措施對控制地層凍脹隆起具有明顯的作用。 (4)施工中合理布置凍結孔,同時采取在凍結壁易散熱界面上噴涂聚胺脂泡沫層和敷設冷凍排管等保溫與加強凍結措施,使凍結壁與老結構之間基本不存在凍結薄弱區,對保證施工安全具有重要意義。 (5)隧道開挖時,開挖區地層已基本凍實,開挖面穩定,凍結壁具有足夠的承載力,可保證施工安全。開挖時實測的凍結壁變形量不超過2ｍｍ,初期支護承受的壓力也不大。 (6)下行線隧道停凍后的監測表明,由于凍結壁解凍時采取盡快化凍,恢復水土壓力和融沉補償注漿等措施,地層凍融引起的地鐵一號線車站底板基本上未發生沉降。
