软土地层冻结法施工地铁联络通道风险控制摘要:软土地层条件下,采用冻结法土体暗挖施工地铁联络通道具有大的风险。通过对上海地铁M线工程实例,介绍了冻结法施工联络通道的工艺、风险点的设立及风险分析,并详细叙述了风险控制对策。提出了从严选择设计施工单位、认真检查施工环境和设备、严格执行工艺要求等风险控制监理对策,得出认真实施风险控制可有效地控制工程风险的结论。关键词:隧道;地铁;冻结法;冻结帷幕;危险源;风险点 冻结法施工工艺已被广泛地应用于上海地铁等工程中,由于在繁华市区地下暗挖施工,工程存在较大的风险。我公司通过多年从事此类工程监理,总结出了有效的风险控制对策。本文以上海地铁M线Ⅳ标(鞍山路站—江浦路站)区间隧道联络通道为例,进行简要介绍。1工程概况 上海地铁M线Ⅳ标(鞍山路站—江浦路站)联络通道上、下行线隧道中心设计标高:-12.381m(上行线),-12.387m(下行线)。上下行线隧道中心线距离为15.20m。通道底板顶面标高为-13.787m。内壁净宽度为2000mm;内壁净高度为2443.3mm(直墙高2140.0mm、圆拱高303.3mm)。 联络通道钢筋混凝土结构为:半圆拱厚度400mm,边墙厚度450mm,底板厚度500mm,临时支护素混凝土厚度200mm,支护层和结构层之间安装防水层。 本区间联络通道地质处于第④层灰色淤泥质黏土,下卧层为⑤1a灰色黏土及⑤1b灰色粉质黏土。受地面条件制约,采用冻结法工艺实施。2冻结法施工联络通道工艺简介 在隧道内利用近水平管和部分倾斜管冻结加固地层,使联络通道外围土体冻结,形成强度高、封闭性好的冻土帷幕(图1为联络通道及泵站冻结方案示意图)。然后,在冻土中采用矿山法进行联络通道及泵站的开挖和构筑施工,地层冻结和开挖构筑施工均在区间隧道内进行。
水平地层加固和开挖构筑的主要施工工艺及顺序如下:
3风险点设立 上海地下土层土质复杂,地质资料难以完全反映施工区域地质情况,冻结帷幕质量和效果尚处于半定量推算。冻结帷幕的失败会导致整个区间连续性破坏的后果。冻结法联络通道施工是区间隧道单位工程中最大的风险点。4风险分析4.1风险源 1)冻结区地层存在暗泉水流,使冻结帷幕难以紧密闭合。 2)钻孔遇有承压水的流沙土地层,如不安装防喷装置,将引起大量冒沙。 3)冻结管盐水泄漏,造成冻土软化。 4)冻结管长度、角度误差超标,使冻结状况存在薄弱处。 5)开挖后,如制冷机电设备故障排除不及时,会削弱冻结帷幕强度。 6)对开挖过程中土体异常迹象不能及时发现和分析。4.2风险强度 在上海软土地层条件下,冻结帷幕一旦失稳,发生地下水或流沙穿漏,冻土强度会发生扩散性下降,导致采用盾构法混凝土管片衬砌而成的隧道发生连续性破坏,造成极大的工程事故,风险强度十分高。5风险控制对策5.1对设计和施工单位资质进行严格把关 要审查承担冻结帷幕设计和施工单位的资质情况,而且其质保体系和安保体系运转必须良好。特别要严格审查专业分包单位的资质条件以及其在同类工程施工中的业绩情况。要求必须由具有同类施工经验的单位承担施工任务。5.2施工前组织设计审查 联络通道施工段的地质勘察报告要有详细交底记录。对施工段的地质特殊情况,如流沙土地层、承压水地层、地下流动水可能性和暗浜等要有明确的交底。施工图交底要突出明确对地质条件、隧道结构保护、环境保护等问题有针对性要求。应由专业技术人员定量验算冻结壁设计厚度,帷幕结构受力最不利点的抗弯、抗剪和拉应力等数据,建立计算模型,并在《冻土帷幕强度计算报告》中详细阐述。联络通道施工组织设计中,应有在钻孔、拉开钢管片、土体开挖等过程中突发意外情况的详细应急预案阐述,确保应急预案的可行性和有效性。5.3对施工环境调查和布点监测 联络通道开始钻孔、布管前,施工方和监理方必须掌握作业场地中心30~40m范围的地表、地下管线和建筑物沉降数据情况。在联络通道开始钻孔、布管前,布设好地表、地下管线、建筑物沉降测控网、隧道内沉降点收敛的监测点。联络通道精确定位严格执行施工测量放样复核、监理再复核的制度。5.4施工设备检查 施工前应对制冷设备、钻孔设备、各类管道管线等进行严格检查。在开始制冷前应进行试运转,检查设备状况和管道耐压情况等,并有检查记录。5.5冻结帷幕形成过程中的检查 1)钢管片接缝焊接应在钻孔前完成。焊接应对称地进行,严禁同一环缝一圈焊成而造成应力积累。 2)检查隧道预应力支架应有足够的刚度(每个支点有承受50t的能力)。 3)钻孔前应将作业区域地层的情况在施工班组内作好详细的交底。对流沙土层、承压水地层等地质情况,事先要有相应的施工准备。 4)钻孔中严格按照施工组织中的防泥水流失措施进行施工,遇漏泥漏沙应及时封堵。 5)冻结管的施工应严格按照标定位置钻孔。复测偏差应不大于1%,并且最大管间距离不大于1m。 6)钢管焊接应保证密封性能。下管前要严格检查,确保冻结管耐压性能(压力控制在0.8MPa稳定30min不变)和冻结帷幕均匀。 7)制冷机电设备经维护保养调试合格后方能投入使用。各个仪表反应正确灵敏。有关的管路连接整齐,分组编号明了。 8)积极冻结过程中,要每日观察土体温度下降情况和卸压表的变化等情况。及时预测冻结发展情况,对异常情况及时分析排除。 9)在确保冻结帷幕稳定性为前提下维持冻结,随时观察盐水温度(不应高于-24℃)和流量。5.6开挖前对冻结帷幕达到开挖要求的确定(以本工程为例) 1)根据经验定性分析,一般经过35~40d的积极冷冻过程,冻结帷幕能达到开挖要求。 2)根据测温数据半定量推算土体冻结发展速度和帷幕厚度。(1)算出冻结管和各测温孔达到0℃时的冻结平均发展速度VV=L/D (1) 式中:V为测温孔达到0℃时由冻结管至测温孔的冻结平均发展速度,mm/d;L为测温孔中心至冻结管中心的距离,mm;D为积极冷冻开始至测温孔达到0℃时的天数,d。(2)分析、排除不正常情况后,取冻结平均发展速度!的参考值。推算出鞍山路站—江浦路站联络通道达到冻结厚度(边界温度为0℃)的天数n(估算结果见表1)。n=Lw/V1 (2)式中:n为达到冻结厚度(边界温度为0℃)的天数,d;Lw为施工组织确定的冻结帷幕中心至边界的厚度(边界温度为0℃),mm;V1为冻结平均发展速度V的参考值,mm/d。
3)根据泄压数据定性分析。 在积极冻结一段时间后(一般约20d),卸压孔压力明显上升,若泄压后压力再升高,说明冻结帷幕已经交圈封闭。本工程冻结管最大孔间距1106mm(L=553mm),2004年1月30日泄压表指示压力明显上升(D=22d),用参考值推算:L=27.6mm/d×22d=607mm,其值>553mm 可得出各冻结管外的冻土已叠合的结论。4)用冻结帷幕平均温度复核。 冻结帷幕土体平均温度计算公式
式中:tc为帷幕冻结壁有效厚度的平均温度;tn为盐水温度,取-31℃;L为冻结孔间距,取0.85m;E为冻结壁厚度,取1.9m;TB为边界温度,取-4℃。 将以上数据代入式(3):tc=-10.21℃ 从计算可知,冻结帷幕土体平均温度低于施工组织设计的-10℃要求。5.7坑道开挖控制 土方暗挖作业必须24h连续有序进行,随时观察冻土结霜情况。对任何水迹、土色改变、土体硬度异常、冻结壁位移异常和尺寸丈量异常等情况均要及时分析,找出原因。钢结构支护按步距及时支撑牢固。5.8防止过分冻结 土体过分冻结使冻结区扩大,隧道所受膨胀应力剧增。轻则增加后期融沉,重则引起隧道管片应力破坏。确定冻结帷幕达到要求后应调整制冷,进行维持性冷冻,以防止土体过分冻结。5.9实时监测 在联络通道两侧20m范围内,对隧道内的水平及垂直方向的收敛变形、沉降变形、防水渗漏和地表沉降沉降进行监测。 地表沉降日变量报警值(±10mm)和累计变量报警值(+10、-30mm)的设立,应考虑盾构推进已对地表造成的沉降量。 设立隧道内沉降监测日变量报警值(±3mm)、累计变量报警值(±10mm)和收敛累计报警值(±10mm)。 监测频率设为:钻孔、冻结期间1次/d;开挖、混凝土浇筑期间2次/d;施工结束至稳定期1次/5d。遇特殊情况应增加监测次数。6结语 实践证明,冻结法施工的风险确实存在,但只要参加建设的各有关方面高度重视,预先找出危险源,设立风险点分析及监控,制订风险控制对策并认真实施,在软土地层条件下进行的冻结法施工风险是可被有效地控制的。
