天津地铁1号线下瓦房—白楼旁通道冻结帷幕的设计与施工重点分析摘 要:从煤矿建井施工法到公共建筑施工方法互相采用是目前各不同行业间施工技术相互渗透、相互影响的结果。文章针对地铁工程中联络通道采用冻结施工法进行施工给予了从设计到施工重点的细致论述,探讨了适合北方地铁冻结施工的工法。 关键词:冻结施工法;联络通道;隧道;帷幕 天津地铁1号线工程下瓦房-小白楼联络通道施工,是天津市在地铁盾构区间首次采用的冻结施工法,虽然该方法在煤矿中广泛应用,但在北方地铁,特别是天津地铁还是首次。由于该方法施工成本较低,质量易于保证,因此,将其成熟的支护、开挖技术应用到北方地铁是极其重要的。做为冻结法中关键工序及控制点:冻结帷幕的质量关系到整个工程的质量与安全,笔者将已完成的下瓦房-白楼联络通道有关冻结帷幕的设计和施工的重点进行分析,共同探讨适合北方地铁冻结施工的工法。1工程概况 该联络通道工程位于天津市河西区下瓦房-小白楼区间隧道的中部,即ＤＫ16+400.000ｍ处,通道为直墙圆弧拱结构,集水井为矩形结构,通道和集水井均采用两次衬砌,结构衬为钢筋混凝土,结构底部埋深约22ｍ,设计加固地层体积约为2100ｍ3,采用冻结法支护、开挖。 联络通道由与左、右线隧道正交的水平通道及通道中部的集水井组成(见图1)。
工程地质条件:联络通道位置地面标高为+2.2ｍ左右,隧道上覆土层厚14.6ｍ。联络通道施工范围内土层主要为第四系全新统中组相层粉土、淤泥质粉质粘土和第四系上更新统三组相层粉质粘土,其土层土质松软、结构松散、孔隙比大、含水丰富、承载力低、容易压缩和在动力作用下易流变,开挖后天然土体本身难以自稳。因此,在该地层内开挖构筑联络通道前,冻结帷幕的质量尤为重要。2 冻结帷幕方案设计2.1 冻结帷幕方案设计 冻结帷幕方案设计的基本原则是:①冻结帷幕方案设计必须满足联络通道施工的安全和质量要求,即保证冻土帷幕有足够的强度,冻结帷幕水平孔(斜孔)布设合理,满足施工及规范要求,在设计中应重点考虑联络通道顶部薄弱部位。②冻结帷幕水平孔(斜孔)冻结方案应结合现场实际情况,便于隧道开挖和支护,施工安全、可靠,施工费用低,施工工期短。③设计应考虑对冻胀、融沉的防范措施。2.2 冻结帷幕厚度设计 根据在部分地铁工程联络通道冻结施工经验计算式:ｔ=Ａｌｎ(ｒ/Ｅ)式中 ｒ———计算点到冻结管距离,ｍ; Ｅ———冻结帷幕外侧厚度,ｍ; Ａ———经验参数,取Ａ=19 69; Ｔ———计算点冻结帷幕温度,℃。冻结帷幕内侧厚度Ｅ′=1 .4Ｅ,冻结帷幕平均厚度1. 4ｍ。 由于联络通道结构复杂,土层条件差,考虑到工程的安全及质量等,对冻土帷幕采用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ进行了应力场分布和位移场分布情况的三维有限元数值分析,并根据计算结果进行了强度验算,确定设计冻土帷幕厚度为:嗽叭口1.6ｍ,联络通道1.4ｍ,集水井1. 2ｍ。2.3冻结帷幕交圈计算 冻结前,同一深度的地层具有相同的原始温度,冻结开始后,通过冻结管把冷量传给地层,在冻结管周围产生降温区,形成以冻结管为中心的冻结圆柱,并逐渐到相邻的冻结圆柱连接形成封闭的冻结圆筒,形成冷冻结层,即为冻结帷幕交圈。 冻结帷幕交圈时间主要与冻结孔间距、盐水温度、土层性质、冻结管直径、地层原始温度、以及冻结器环形空间内盐水运动状态等因素有关。冻结帷幕交圈时间计算公式为:
2 .5 冻结孔布置及制冷设计2 .5 .1 冻结孔的布置 根据冻结帷幕设计及联络通道的结构,冻结孔沿通道四周布置,按上仰、近水平、下俯三种角度布置。冻结孔采用上下各三排,左右各一排布置,冻结孔共设77个,开孔间距为0 .5～1 .2ｍ,利用水平孔和部分倾斜孔冻结加固地层,使联络通道及集水井外围土体冻结,形成强度高,封闭性好的冻土帷幕。 在现场实际操作中,可根据钻机情况、管片配筋情况和联络通道拟开管片的实际位置等,对钻孔孔位作少量调整,但最大间距不得大于1 .0ｍ。2 .5 .2 制冷设计2. 5. 2. 1 冻结参数确定 1)设计盐水温度为-28～-30℃。 2)积极冻结时间为30ｄ,维护冻结时间为35ｄ。 3)测温孔和卸压孔分别为8个和4个。 4)冻结管总长度为785ｍ。2 .5 .2. 2 需冷量和冷冻机选取型冻结需冷量:Ｑ=1 2·ｄ·Ｈ·Ｋ式中 Ｈ———冻结总长度,ｍ; ｄ———冻线管直径,ｍ; Ｋ———冻结管散热系数,ｋｃａｌ/ｍ2·ｈ。 将上述参数代入公式得Ｑ=65813ｋｃａｌ/ｈ,考虑到其它因素设计工况制冷量为87500ｋｃａｌ/ｈ。3方案设计、施工技术要点分析及措施 冻结帷幕设计及施工过程有方案设计、施工准备、冷冻系统安装等工序组成,见图2。
由于该联络通道位于闹市区地下,地面有天津图书大厦、建行大厦等重要建筑设施,且所处地层主要为粉质粘土,含水量高,因此,在地层冻结施工中必须采取切实可靠的技术措施,以确保联络通道施工和地面建、构筑物和交通安全。根据地铁联络通道的施工经验与教训,我们在设计及冻结施工过程中对以下方面进行了分析和控制:3.1冻土帷幕强度问题 冻土帷幕的关键点在其拱部,在联络通道顶部设三排冻结孔,以加大冻土帷幕拱部厚度,并使联络通道顶部的一排冻结孔穿越对面隧道顶部管片,确保冻土帷幕拱部与隧道管片间的有足够大的接触面积;为了确保冻土帷幕强度和稳定性,在具体结构设计时,选择比较安全的平面弹性计算模型,适当加大安全系数,并用三维有限单元计算进行校核,在工艺设计时,取较大的备用系数,即实际加固范围要比结构设计大。3.2冻土帷幕与隧道管片间的密封 根据地铁联络通道和隧道出洞地层冻结施工经验,由于混凝土和钢管片相对于土层要容易散热得多,会严重影响隧道管片附近土层的冻结速度和冻结强度,从而影响冻土帷幕的整体稳定性和封水性。为此,设计及施工过程中,采用在对面隧道管片内侧敷设冷管和保温层等措施,以确保冻土帷幕不存在影响安全的薄弱环节。3.3冻结孔施工安全与孔口密封 用金刚石取芯钻开孔,跟管钻进法下冻结管。冻结孔开孔前,在布孔范围内打若干小口径钻孔,探测地层稳定情况。如发现砂层,先进行水泥-水玻璃双液壁后注浆,以提高孔口附近地层的稳定性,然后再钻进冻结孔。冻结施工结束后,孔口管管口焊上钢板,以免工程结束后钻孔孔口漏水。3.4冻结过程检测与控制 在冻土帷幕内布置测温孔和压力释放与观测孔,以便正确测定冻土帷幕厚度和判断冻土帷幕是否交圈。对侧隧道管片附近土层的冻结情况将成为控制整个冻土帷幕安全的关键,为此,在对侧隧道管片上沿冻土帷幕四周安装测温孔,以全面监测冻土帷幕的形成过程,当泄压孔波动较大,冻结温度停止在某个区域范围内,应加强检测,以确定帷幕是否交圈。冻结孔施工质量的检验与控制方法见表1,冻结系统运转与冻土墙壁形成质量检验方法见表2。
3.5地层冻胀的控制和土层融沉补偿控制 在冻结帷幕内设泄压孔,冻结开始后根据检测数据进行泄压以减小土层冻胀及其对隧道的影响,保证联络通道结构施工质量,并在联络通道结构中预埋注浆管,利用隧道或联络通道内的注浆孔跟踪注浆加以补强,以补偿土层融沉,控制地表变形,防止冻胀和融沉对隧道及地面的影响。3.6通道开挖工程中的冻土帷幕安全监控 由于冻土的蠕变性很好,冻土帷幕在破坏前必然有一个较大的蠕变过程,可以通过检查开挖过程中的冻土帷幕变形情况判断其安全性。为此,在开挖过程中必须及时进行冻土帷幕变形和温度观测,如遇冻土帷幕有明显变形,立即用钢支架背板支撑,调整开挖构筑工艺,并同时加强冻结,或在薄弱处冻土帷幕表面,喷洒低温氮气。4 结 语 小白楼站～下瓦房站区间联络通道工程自2004年8月11日实施冻结,9月6日左右冻结帷幕交圈,形成冻结帷幕,9月20日达到冻结帷幕设计厚度,由于严格按照方案进行施工,并加强了以上各点的控制,从现场开挖看,冻结帷幕冻结均匀,冻结质地坚硬,各项指标与设计基本相符,达到设计等控制目标。
