地鐵隧道工程中凍結(jié)法施工技術(shù)的應(yīng)用

 地鐵隧道工程中凍結(jié)法施工技術(shù)的應(yīng)用

　　摘要：結(jié)合實(shí)際工程，筆者系統(tǒng)分析了廣州地鐵隧道某區(qū)間通道及泵站工程的基本情況，闡述了工程施工方案的選擇，最后，詳細(xì)介紹了工程的施工工藝以及質(zhì)量控制措施。可供相關(guān)技術(shù)人員參考。

　　關(guān)鍵詞：地鐵隧道、凍結(jié)法、施工工藝、質(zhì)量控制　　

　　1工程基本情況

　　1.1工程概況

　　廣州地鐵某區(qū)間隧道（過(guò)江）旁通道及泵站工程位于珠江下部，距江底約12米。該旁通道及泵站采取合并建造模式，它既具有保證上、下行線隧道間聯(lián)絡(luò)和必要時(shí)乘客安全疏散的功能，又在地鐵運(yùn)營(yíng)中起到集、排水作用。旁通道所在位置為：下行線里程XK23+427.45，上行線里程SK23+423。

　　根據(jù)規(guī)劃需要，擬構(gòu)筑旁通道所在位置的隧道是鋼管片，隧道內(nèi)徑為Φ5.5m，旁通道位置的隧道上行線中心標(biāo)高-25.328m，下行線中心標(biāo)高-25.329m，上、下行線隧道中心線距離11.096m。其結(jié)構(gòu)由與隧道管片相接的喇叭口、直墻圓弧拱結(jié)構(gòu)的水平通道及中部矩形集水井三個(gè)部分組成。喇叭口開(kāi)挖尺寸約為1.5m（長(zhǎng)）×4.7m（寬）×5.0m（高）；通道的開(kāi)挖尺寸：4.4m（長(zhǎng)）×3.5m（寬）×4.4m（高）；集水井開(kāi)挖尺寸：5.0m（長(zhǎng)）×3.5m（寬）×4.3m（深）；防火門(mén)尺寸為1.4m×2.14m。襯砌采用二次襯砌方式，所有臨時(shí)支護(hù)層厚度均為200mm；通道墻和集水井的結(jié)構(gòu)層為550mm厚的現(xiàn)澆鋼筋混凝土，拱為400mm厚的現(xiàn)澆鋼筋混凝土，其余的結(jié)構(gòu)層為1000mm厚的現(xiàn)澆鋼筋混凝土；臨時(shí)支護(hù)層和結(jié)構(gòu)層之間安裝防水層，在通道結(jié)構(gòu)層底部上下行線各預(yù)埋一根DN200鑄鐵管，旁通道結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

　　1.2工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

　　根據(jù)廣州市隧道公司提供的工程地質(zhì)勘察報(bào)告，距旁通道位置較近的地勘孔是Q23G6地質(zhì)鉆孔，根據(jù)該孔的資料并參考附近的地勘孔的地質(zhì)情況，對(duì)本工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件描述如下：

　　旁通道施工范圍內(nèi)土層主要為第⑤1-2灰色粘土、⑥1暗綠色粘土、⑦1-1草黃色粘質(zhì)粉土。該土層具有中壓縮性、低強(qiáng)度、靈敏度高、透水性強(qiáng)等特點(diǎn)，其中，⑦1-1粘質(zhì)粉土層又為承壓含水層，旁通道所處位置乘壓水壓力約為0.27MPa，對(duì)隧道有突涌的破壞作用，同時(shí)在承壓動(dòng)水頭壓力下會(huì)發(fā)生流砂、崩塌現(xiàn)象，影響開(kāi)挖面穩(wěn)定，在盾構(gòu)掘進(jìn)至689環(huán)（鋼管片684、685環(huán)）時(shí)，螺旋機(jī)有涌水情況發(fā)生。

　　綜上所述，在該地層內(nèi)進(jìn)行旁通道開(kāi)挖構(gòu)筑，須對(duì)土體進(jìn)行穩(wěn)妥、可靠的加固處理。根據(jù)我公司以往越江隧道連接通道施工的成功經(jīng)驗(yàn)，用凍結(jié)法加固土體具有強(qiáng)度高，封水性好，安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，極適于本工程。

　　2施工方案的選擇

　　2.1施工方案設(shè)計(jì)的基本原則

　　（1）水平凍結(jié)帷幕技術(shù)性能必須滿足旁通道施工的安全和質(zhì)量要求。

　　（2）水平凍結(jié)方案應(yīng)符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件的施工可行性和良好的可操作性。

　　（3）施工方案應(yīng)在工程要求工期的條件下具備優(yōu)化能力。

　�。�4）施工方案措施必須滿足城市環(huán)保及節(jié)能要求。

　�。�5）減少凍脹與融沉的危害�！�

　　圖1旁通道結(jié)構(gòu)圖　　

　　2.2方案設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)

　　由于該旁通道所處地層主要為⑥1暗綠色粘土和⑦1-1草黃色粘質(zhì)粉土，且含水量高，所以施工時(shí)可能發(fā)生水砂突出和地層沉降，工程風(fēng)險(xiǎn)大。在施工中必須采取切實(shí)可靠的技術(shù)措施，以確保旁通道施工的安全并保證施工工期。根據(jù)本公司旁通道施工經(jīng)驗(yàn)，提出以下技術(shù)要點(diǎn)：

　�。�1）由于混凝土和鋼管片相對(duì)于土層要容易散熱得多，會(huì)影響隧道管片附近土層的凍結(jié)速度，從而影響凍土帷幕的整體穩(wěn)定性和封水性。特別是要保證旁通道喇叭口部位凍土帷幕的厚度和強(qiáng)度及與管片的完全膠結(jié)，在凍結(jié)孔施工端喇叭口部位布置三排孔加強(qiáng)凍結(jié),在對(duì)側(cè)隧道布置冷凍板和部分短孔加強(qiáng)對(duì)側(cè)管片與凍土的膠結(jié)。所有的鋼管片的格柵要用砼充填密實(shí)，同時(shí)管片外面采用PEF板隔熱保溫，以減少冷量損失，在凍土墻與管片膠結(jié)處放置測(cè)溫點(diǎn)，以加強(qiáng)對(duì)凍土墻與管片膠結(jié)狀況的檢測(cè)。

　�。�2）根據(jù)我公司在廣州市旁通道凍結(jié)孔施工的成功經(jīng)驗(yàn)，用金剛石取芯鉆開(kāi)孔，跟管鉆進(jìn)法下凍結(jié)管。凍結(jié)孔開(kāi)孔前，在布孔范圍內(nèi)打小孔徑探孔，探測(cè)地層穩(wěn)定情況。如發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重漏水冒泥現(xiàn)象，先進(jìn)行水泥—水玻璃雙液壁后注漿，以提高孔口附近地層穩(wěn)定性，然后再鉆進(jìn)凍結(jié)孔。每個(gè)鉆孔都設(shè)有孔口管，每個(gè)孔口管不少于4個(gè)固定點(diǎn)，并安裝鉆孔密封裝置，以防鉆進(jìn)時(shí)大量出泥、出水。

　�。�3）針對(duì)本工程特點(diǎn)，在施工凍結(jié)孔時(shí)極容易產(chǎn)生涌砂涌水現(xiàn)象，采用強(qiáng)力水平鉆機(jī)，盡量實(shí)現(xiàn)無(wú)泥漿鉆進(jìn)。如發(fā)現(xiàn)鉆孔泥水流失，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)漿。

　�。�4）加強(qiáng)凍結(jié)過(guò)程檢測(cè)。在凍土帷幕內(nèi)布置測(cè)溫孔，以便正確判斷凍土帷幕是否交圈和測(cè)定凍土帷幕厚度。對(duì)側(cè)隧道管片附近土層的凍結(jié)情況將成為控制整個(gè)旁通道凍土帷幕安全的關(guān)鍵，為此，在對(duì)側(cè)隧道管片上沿凍土帷幕四周布置測(cè)溫孔，以全面監(jiān)測(cè)凍土帷幕的形成過(guò)程。

　　（5）在旁通道兩端布設(shè)泄壓孔，以減小土層凍脹對(duì)隧道的影響。該孔可作為凍結(jié)帷幕壓力變化的觀測(cè)孔，同時(shí)利用管片上的注漿孔來(lái)卸壓。

　�。�6）旁通道開(kāi)挖時(shí)在隧道內(nèi)設(shè)預(yù)應(yīng)力支架，以防打開(kāi)預(yù)留鋼管片時(shí)隧道變形和破壞。施工完旁通道臨時(shí)支護(hù)層后再打開(kāi)對(duì)側(cè)隧道旁通道的預(yù)留鋼管片。在旁通道襯砌中預(yù)埋壓漿管，采用注漿方式以補(bǔ)償土層融沉。注漿應(yīng)配合凍土帷幕融化過(guò)程進(jìn)行，開(kāi)始可注水泥粉煤灰漿液。

　　（7）由于凍土的蠕變性很強(qiáng)，凍土帷幕在破壞前必然有一個(gè)較大的蠕變過(guò)程，可以通過(guò)檢查開(kāi)挖過(guò)程中的凍土帷幕變形情況判斷其安全性。為此，在開(kāi)挖過(guò)程中必須及時(shí)進(jìn)行凍土帷幕變形和溫度觀測(cè)，如遇凍土帷幕有明顯變形，立即用鋼支架加木背板支撐，調(diào)整開(kāi)挖構(gòu)筑工藝，并同時(shí)加強(qiáng)凍結(jié)。

　�。�8）為了進(jìn)一步提高旁通道掘砌施工的安全性，特采取以下措施：選用可靠的凍結(jié)施工機(jī)械；準(zhǔn)備足夠的備用設(shè)備；加強(qiáng)停凍時(shí)的凍土帷幕監(jiān)測(cè)；盡快施工襯砌，必要時(shí)用堆土法密閉開(kāi)挖工作面。

　　（9）由于凍脹力和凍土融沉的作用，影響周?chē)�土層的力系平衡，使隧道產(chǎn)生水平位移和沉降，故在整個(gè)施工過(guò)程中，加強(qiáng)隧道變形的監(jiān)測(cè)，確保隧道安全。在凍土帷幕關(guān)鍵部位，多布置測(cè)溫孔，監(jiān)測(cè)凍土帷幕的形成過(guò)程和形成狀況。

　　2.3凍結(jié)土體加固、礦山法暗挖構(gòu)筑方案

　　根據(jù)上述施工條件并結(jié)合廣州地鐵旁通道施工的經(jīng)驗(yàn)，采用“隧道內(nèi)水平凍結(jié)加固土體、隧道內(nèi)礦山法開(kāi)挖構(gòu)筑”的全隧道內(nèi)施工方案。即：在隧道內(nèi)利用水平孔和部分傾斜孔凍結(jié)加固地層，使旁通道及集水井外圍土體凍結(jié)，形成強(qiáng)度高，封閉性好的凍土帷幕。

　　3凍結(jié)施工

　　3.1施工工序

　　在凍土中采用凍結(jié)法進(jìn)行旁通道及泵站的開(kāi)挖構(gòu)筑施工，地層凍結(jié)和開(kāi)挖構(gòu)筑施工均在區(qū)間隧道內(nèi)進(jìn)行，其主要施工順序?yàn)椋菏┕��?zhǔn)備→凍結(jié)孔施工、凍結(jié)站安裝→凍結(jié)器系統(tǒng)安裝、檢測(cè)系統(tǒng)安裝→凍結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)→隧道支撐、探孔試挖、開(kāi)鋼管片→開(kāi)挖、臨時(shí)支護(hù)→結(jié)構(gòu)層及防水層施工→壁后注漿→凍結(jié)管處理、冷凍站系統(tǒng)拆除→土層注漿充填。

　　3.1施工準(zhǔn)備

　�。�1）用Φ1.5″鋼管在施工出入端頭井內(nèi)搭建腳手架，作為連接隧道與地鐵車(chē)站底層平臺(tái)的便橋。

　�。�2）在隧道內(nèi)敷設(shè)一條120mm2動(dòng)力電纜，用于凍結(jié)鉆孔施工及隧道內(nèi)凍結(jié)系統(tǒng)安裝供電。

　　（3）利用隧道內(nèi)清水和排污管道，用于凍結(jié)孔打鉆和凍結(jié)站運(yùn)轉(zhuǎn)的供水和排污。

　　（4）在旁通道施工工作面兩端砌高約0.5m的泥漿擋墻，以免凍結(jié)孔鉆進(jìn)時(shí)泥漿四溢影響隧道內(nèi)環(huán)境整潔。

　　(5)用厚4~6cm的木板在旁通道處鋪設(shè)凍結(jié)施工場(chǎng)地，按不同位置的凍結(jié)孔鉆進(jìn)要求，用Φ1.5″鋼管搭建凍結(jié)孔施工腳手架。

　　3.3凍結(jié)孔施工

　　3.3.1凍結(jié)孔定位與管片開(kāi)孔

　　根據(jù)總包方提供的施工基準(zhǔn)點(diǎn)，按凍結(jié)孔施工圖進(jìn)行凍結(jié)孔孔位放線，提請(qǐng)注意的是：孔位布置首先要依據(jù)管片配筋圖和鋼管片加強(qiáng)筋的位置，在避開(kāi)主筋的前提下可適當(dāng)調(diào)整，一般不應(yīng)大于100mm。詳見(jiàn)開(kāi)孔措施，其中包括4個(gè)穿孔。

　　(1)在正式開(kāi)孔前，利用隧道管片上的補(bǔ)漿孔鉆Ф38mm小孔徑探孔，檢查地層穩(wěn)定性。

　　(2)開(kāi)孔選用J-200型金剛石鉆機(jī)，配Ф130mm金剛石取芯鉆頭進(jìn)行鉆孔，深度約300mm，以不鉆穿管片控制。用鋼楔楔斷巖心、取出后，打入加工好的孔口管，并固定，每個(gè)孔口管要至少有4個(gè)固定點(diǎn)固定在管片上。

　　3.3.2凍結(jié)孔施工順序

　　根據(jù)旁通道施工的孔位，采用由上向下的順序進(jìn)行施工：即先施工穿透孔，根據(jù)穿透孔的偏差，進(jìn)一步調(diào)整有關(guān)的鉆進(jìn)參數(shù)，再按由上向下的順序施工，這樣可防止因下層凍結(jié)孔的施工引起上部地層擾動(dòng)，減小鉆孔施工時(shí)的事故發(fā)生率。

　　3.3.3鉆孔偏斜和終孔控制

　　鉆孔的偏斜應(yīng)控制在1%以?xún)?nèi)，在確保凍土帷幕厚度的情況下，相鄰終孔間距不得大于1.2m，否則應(yīng)補(bǔ)孔。

　　凍結(jié)孔鉆進(jìn)深度應(yīng)不小于設(shè)計(jì)深度，不大于設(shè)計(jì)深度0.3m（鉆頭碰到隧道管片者除外）。

　　3.3.4凍結(jié)孔鉆進(jìn)與凍結(jié)管設(shè)置

　�。�1）鉆孔設(shè)備使用MD-50鉆機(jī)一臺(tái)，配用BW250型泥漿泵，鉆具利用Φ89×8㎜凍結(jié)管作鉆桿；凍結(jié)管之間采用套管絲扣連接，接頭螺紋緊固后再用手工電弧焊焊接，確保其同心度和焊接強(qiáng)度。

　�。�2）正常情況下，鉆進(jìn)時(shí)安裝簡(jiǎn)易鉆頭，如果鉆進(jìn)困難遇到砂層，為防止鉆進(jìn)中返砂，在鉆頭部位安裝一個(gè)特制單向閥門(mén)。

　�。�3）凍結(jié)管到達(dá)設(shè)計(jì)深度后沖洗單向閥，并密封凍結(jié)管端部。

　�。�4）鉆進(jìn)過(guò)程中嚴(yán)格監(jiān)測(cè)孔斜情況，發(fā)現(xiàn)偏斜要及時(shí)糾偏，下好凍結(jié)管后，進(jìn)行凍結(jié)管長(zhǎng)度的復(fù)測(cè)，然后再用燈光測(cè)斜儀進(jìn)行測(cè)斜并繪制鉆孔偏斜圖。凍結(jié)管長(zhǎng)度和偏斜合格后再進(jìn)行打壓試漏，壓力控制在0.8Mpa，穩(wěn)定30分鐘壓力無(wú)變化者為試壓合格。

　�。�5）在凍結(jié)管內(nèi)下供液管,然后焊接凍結(jié)管端蓋和去、回路羊角。

　　3.3.5鉆孔質(zhì)量控制程序

　　生產(chǎn)準(zhǔn)備→鉆場(chǎng)施工→測(cè)量定孔位→安裝→搬遷、找正→正常鉆進(jìn)（斜測(cè)）→單孔完成。

　　3.4積極凍結(jié)與維護(hù)凍結(jié)

　　3.4.1凍結(jié)系統(tǒng)試運(yùn)轉(zhuǎn)與積極凍結(jié)

　　設(shè)備安裝完畢后進(jìn)行調(diào)試和試運(yùn)轉(zhuǎn)。在試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要隨時(shí)調(diào)節(jié)壓力、溫度等各狀態(tài)參數(shù)，使機(jī)組在有關(guān)工藝規(guī)程和設(shè)備要求的技術(shù)參數(shù)條件下運(yùn)行。在凍結(jié)過(guò)程中，定時(shí)檢測(cè)鹽水溫度、測(cè)溫孔溫度和凍土帷幕擴(kuò)展情況，必要時(shí)調(diào)整凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后進(jìn)入積極凍結(jié)。

　　3.4.2試挖與維護(hù)凍結(jié)

　　在積極凍結(jié)過(guò)程中，要根據(jù)實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)判斷凍土帷幕是否交圈和達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，同時(shí)要監(jiān)測(cè)凍土帷幕與隧道的膠結(jié)情況，測(cè)溫判斷凍土帷幕交圈并達(dá)到設(shè)計(jì)厚度且與隧道完全膠結(jié)后再進(jìn)行探孔試挖，確認(rèn)凍土帷幕內(nèi)土層基本無(wú)壓力后再進(jìn)行正式開(kāi)挖。試挖條件：

　　①測(cè)溫孔

　　可根據(jù)測(cè)溫孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，推算出凍土發(fā)展速度及在該凍結(jié)時(shí)間內(nèi)的凍土發(fā)展半徑，從而算出凍結(jié)帷幕厚度，再根據(jù)成冰公式或用作圖法得出凍結(jié)帷幕平均溫度，若各個(gè)層位、部位凍結(jié)帷幕的厚度和平均溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，即可打開(kāi)管片進(jìn)行開(kāi)挖。

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　　在積極凍結(jié)過(guò)程中，卸壓孔有兩個(gè)作用，一是起到釋放凍脹壓力的作用，另一方面根據(jù)顯示的壓力來(lái)判斷凍結(jié)帷幕是否交圈。在凍結(jié)初期卸壓孔是沒(méi)有壓力的，隨著凍土的逐漸擴(kuò)展，水分不斷遷移，交圈后凍土形成一個(gè)封閉的土體，凍脹壓力得不到釋放而逐漸增加，它的外在表現(xiàn)即為卸壓孔壓力的增長(zhǎng)。

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　　在打開(kāi)管片前應(yīng)進(jìn)行探孔檢查，探孔應(yīng)打在凍結(jié)帷幕薄弱處，探孔處無(wú)涌沙、突水現(xiàn)象，地層穩(wěn)定，凍結(jié)帷幕正常，測(cè)溫效果良好，即可打開(kāi)管片試挖。

　　④鹽水去、回路溫差

　　由于凍結(jié)帷幕交圈后需冷量較交圈前要小，因此凍結(jié)帷幕交圈前鹽水去、回路溫差要比交圈后大，不過(guò)此現(xiàn)象僅作為判斷凍結(jié)帷幕交圈的參考。要確定打開(kāi)管片進(jìn)行開(kāi)挖還需結(jié)合測(cè)溫孔資料、卸壓孔壓力、探孔情況等方面綜合考慮。

　　正式開(kāi)挖后，根據(jù)凍土帷幕的穩(wěn)定性，可適當(dāng)提高鹽水溫度，進(jìn)入維護(hù)凍結(jié)，但鹽水溫度控制在-25~-28℃之間。

　　3.4.3.凍結(jié)及開(kāi)挖技術(shù)控制指標(biāo)（見(jiàn)表2）

　　表2凍結(jié)及開(kāi)挖技術(shù)控制指標(biāo)　　　

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　凍結(jié)法施工的順利完成，為該區(qū)間隧道泵站工程的設(shè)計(jì)和施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)、精心施工，并配合信息化施工監(jiān)測(cè)，目前，該工程已全部成功的完成了施工�！�

　　參考文獻(xiàn)：

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