南京地铁试验段旁通道水平冻结法施工技术
[ 摘要] 结合南京地铁试验段旁通道冻结法施工,分析总结了冻结法在冻结管施工、冻结、开挖构筑等阶段的施工技术难点及对策,可以为今后旁通道冻结法施工提供一定的参考。
[ 关键词] 冻结法;温度;冻胀;旁通道;地铁;隧道
随着我国地铁建设的快速发展,越来越多的旁通的土层( 土层参数见表1) 。另外根据试验段三山街南道采用冻结法进行施工。旁通道冻结法施工,包括冻端头井进、出洞土体的加固情况来看,在粉土、粉砂中结管施工、冻结及开挖构筑等阶段。在这个施工过程用注浆、旋喷等加固地层效果不太理想。因此,为了保中,冻土的力学性质发生了剧烈变化,这种变化对施工证旁通道结构施工安全,采用了水平冻结技术进行地安全、周围环境、主体隧道等都将产生一定的影响。本层加固,以阻止水土涌入隧道。2002211208～2002211228 文将探讨旁通道冻结法施工技术措施、难点及对策,更期间为冻结孔施工及冻结准备阶段,历时21d ;20022112 好地指导今后旁通道的施工,确保旁通道施工及周围29～2003201207 期间为积极冻结阶段, 历时41d ; 20032 环境的安全。01208～2003201215 期间为冻土开挖阶段,历时8d ;20032 1 工程及地质概况01216～2003202218 期间为维护冻结及结构构筑阶段, 南京地铁试验段盾构法隧道从钓鱼台工作井北侧历时32d 。到三山街车站南端头井,包括左线和右线隧道各1 条,盾构法隧道外径612m , 内径515m 。为了实现左、右线隧道间必要时乘客安全疏散功能及地铁运营期间两车站之间集排水作用,在2 条隧道之间合并建造一旁通道与泵站。旁通道处隧道中心标高-21633m , 地面标高+ 1015m , 隧道中心埋深131133m 。工程结构由2 个图1 旁通道地质剖面示意与隧道相交的喇叭口、通道及集水井等组成,旁通道全长7102m 。根据地质勘察资料, 两隧道间的联络通道通过的主要土层为淤泥质粉质粘土22221b324 层,粉土
表1 土层参数
水平冻结技术就是在隧道内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,然后根据“新奥法”的基本原理,在冻土中采用矿山法进行联络通道及泵站的开挖构筑施工。其中水平冻结孔施工是人工地层冻结的关键,充分考虑冻结孔施工中可能存在的问题,并采取相应的措施,保证冻结孔施工质量就显得特别重要。冻结效果的准确判断是能否开挖的前提。
2.1.1 冻结孔施工难点及对策 2.1.1.1施工难点
由于本区间地层情况复杂,作业面狭窄,在冻结孔施工过程中可能存在诸多影响冻结孔施工质量的因素:
(1) 钻孔时孔口出现涌水涌砂。
(2) 冻结管接缝不太密实,在冻结过程中可能使盐水进入地层影响冻结效果。
(3) 冻结孔可能出现偏移,影响冻结孔施工精度。
(4) 打冻结孔时,出土过多, 可能导致钻孔过程中地表沉降过大。
2.1.1.2 施工措施
为了保证冻结孔施工质量,在试验段冻结孔施工过程中针对上述可能出现的问题采取了以下一系列相应的措施:
(1) 在正式开孔前,先行打了几个试探孔检查地层稳定性,发现存在一定的土层水压。为了防止漏泥冒砂现象,在后继的冻结孔施工前,安装孔口装置后再进行钻进( 孔口装置安装程序:首先在隧道管片上按设计角度和位置开好<150mm 的孔, 孔深为300mm , 将孔口处凿平,装上4 条<16mm 膨胀螺丝,再将加工好的孔口管缠上密封材料用膨胀螺丝压紧, 冻结孔开孔用<110mm 的金刚石取芯钻头钻进) 。
(2) 冻结管选用<95mm ×6mm , 20 号低碳无缝钢管,丝扣连接,单根长度1m 或115m , 能防止管线在较高压力作用下破裂。同时,利用冻结管作钻杆,冻结管采用丝扣加密封剂连接,接缝进行补焊,确保其同心度和焊接强度,冻结管到达设计深度后密封头部。冻结管长度和偏斜合格后再进行打压试漏, 压力控制在110MPa , 稳定30min 压力无变化者为试压合格。在冻结管内下供液管, 然后焊接冻结管端盖和去、回路羊角。冻结管安装完毕后,用堵漏材料密封冻结管与管片之间的间隙。对于耐压不合格的冻结孔要求往冻结管里套入直径为68mm 的钢管, 安装好孔口装置后重新进行耐压试验,直至全部冻结管耐压合格。
(3) 考虑到管片中钢筋密集, 在使用开孔器开孔前,根据管片施工图确定隧道管片内的结构钢筋的位置,合理避开钢筋,调整开孔位置。在冻结孔施工前, 根据施工基准点,按冻结孔施工图布置冻结孔,孔位偏差控制在50mm 之内。冻结孔实际钻进深度应比设计深度大013m(钻头碰到隧道管片者除外) 。选用MD250 钻机,增加钻机至孔口之间的距离,架设孔外导向装置和开孔段导向管,减小开孔误差。钻进过程中严格监测孔斜情况,钻孔的偏斜应控制在1 % 以内,在确保冻土帷幕厚度的情况下, 终孔间距不得大于018m( 集水井为111m) ,发现偏斜要及时纠偏, 下好冻结管后, 进行冻结管长度的复测,然后再用经纬仪进行测斜并绘制钻孔偏斜图。
(4) 在冻结孔施工好后,对冻结孔周围地层进行注浆加固,采用的是水泥浆液, 注浆量根据钻孔长度确定,注浆压力控制在012～013MPa 。
2.1.1.3 开挖条件判断
准确判断旁通道是否具备开挖条件,是保证开挖构筑施工安全的前提,同时也是节约成本的重要因素。旁通道是否具备开挖条件,可以根据系统运转情况、盐水降温情况、温度场和冻胀压力变化等进行判断,具体分析如下:
(1) 系统运转情况 从开机到冷冻系统工作正常, 除2002 年12 月6 日由于更换电表停机8h 外,中间没有其它原因的停机。
(2) 降温情况 盐水温度开机2d 下降到-20 ℃, 降温比较快。至2003 年1 月7 日盐水温度-33 ℃,盐水的降温正常; 盐水的去回路温度差已经从开始的平均2 ℃ 降到015 ℃, 说明地层的热负荷减少, 冻土帷幕形成良好。
(3) 温度场 在隧道的两侧共布置了10 个测温孔,根据测孔10 的实测数据, 测孔10 距冻结主面700mm ,12 月24 日该测温孔测点1 、2 、3 温度分别下降至-012 、-015 、-017 ℃,此时冻结27d , 冻土平均发展速度为2519mmΠd ; 根据测孔3 的实测数据,测孔3 距冻结主面400mm ,12 月14 日该测温孔测点1 、2 、3 温度分别下降至-015 、-013 、-011 ℃,此时冻结16d , 冻土平均发展速度为2510mmΠd ; 根据测孔2 的实测数据,测孔2 距冻结主面450mm ,12 月19 日该测温孔测点1 、2 、3 温度分别下降至0 、-011 、-012 ℃,此时冻结21d , 冻土平均发展速度为2114mmΠd 。以上3 孔的冻土平均发展速度为2411mmΠd , 按此推算冻结到1 月8 日,冻结时间40d , 冻土发展厚度1193m , 超过设计厚度0133m 。
(4) 在隧道一侧( 左线) 共布置了4 个冻胀压力测孔,根据冻胀压力测孔1 的实测数据,12 月18 日冻胀压力达到最大值0173MPa , 此时冻结时间20d ; 测孔4 的实测数据,12 月18 日达到最大值1181MPa , 此时冻结时间20d 。说明20d 左右冻土柱已经交圈,冻结帷幕已基本形成。
(5) 在隧道一侧( 左线) 旁通道开挖内布置1 个泄压孔,到12 月25 日, 压力不再抬升, 说明冻结帷幕内的自由水由于水分迁移的作用已经基本补给到冻土中,2003 年1 月3 日打开该泄压孔,有少量的水和水泥流出,几分钟后停止,该孔从1 月3 日一直处于敞开状态,没有水流出。
(6) 根据地面变形的监测资料,到12 月30 日,旁通道上方地面的最大变形15mm , 地面变形趋于稳定, 说明冻土结构的扩展速度变缓慢。
(7) 观察隧道内部管片上的结霜情况正常,结霜范围和轮廓比较均匀,反映出冻结情况正常。
3 施工情况分析
3.1.1 水平冻结孔施工情况分析
2002 年11 月1 日试钻了2 个水平冻结孔,发现有一定的夹砂水土流出,为了保证冻结孔施工安全,考虑钻进前安装孔口装置, 钻进过程中压注水泥浆液。2002 年11 月8 日正式进行水平冻结孔钻进。首先钻进的是底部的3 排冻结孔,由于底部冻结管 不到对 面隧道管片,加强了底部冻结孔钻进深度控制,从实测结果来看,全部冻结孔均达到设计深度,一般超过设计深度012～015m , 在底部冻结管施工中,发现流出一定量的夹砂土, 且水压较大, 为了保证冻结孔施工的安全,在冻结孔施工过程中进行了注浆( 水泥浆液),平均每孔使用普通硅酸盐水泥015t 左右,起到了防水与加固地层的目的; 底部冻结孔施工完后进行两侧2 排冻结孔施工,11 月9 日施工对穿孔,施工第1 个对穿孔时由于采用的是与主隧道垂直角度钻进,最终发现在右线有30cm 左右的偏离,考虑到以后的冻结效果, 在打剩下的两侧冻结孔及对穿孔时调整了角度,对其偏离进行了纠正。最后进行顶部2 排冻结孔施工, 除最上部1 排加强孔外,这些孔在施工中均以 到对侧管片 为准,深度均达到设计要求。正式钻进后,平均每天钻进3～4 孔,于2002 年11 月20 日完成全部58 个冻结孔施工,工期为15d 。从实测结果来看,除孔X24 垂直偏斜率为1137 % 及对穿孔Y5 水平偏斜率为4127 % 外,其余孔的垂直及水平偏斜率均控制在1 % 之内。由于采取了安装孔口装置等措施,在施工期间,基本控制了漏水流砂现象的发生。在所有58 个冻结孔施工完成后, 采用了耐压试验进行冻结孔密封性试验,试验结果发现有6 个(S23 、X15 、X24 、X25 、X34 、X54) 冻结孔耐压试验达不到压力1MPa , 保压015h 以上的耐压要求,为了防止冻结过程中盐水外漏而影响后继冻结,在达不到要求的冻结管里面套入直径为68mm 的钢管, 安装好孔口装置后重新进行耐压试验,试验结果发现这6 个孔经过处理后均达到了设计耐压要求。每个冻结孔均达到设计的密封性要求,为后继冻结施工创造了条件。 3.1.2 冻结效果分析
冷冻机等设备于2002 年11 月5 日开始进行安装, 11 月27 日冷冻机电机运转成功。11 月28 日,继续试压试漏,用清水试压最大压力达到014MPa , 确保无渗漏点后,将水排尽放入干净的清水及氯化钙。11 月29 日盐水密度达到1126gΠcm3 后,冷冻机开始抽真空、充氟利昂,同日17 :00 开始冷冻机正式运转;11 月30 日 17 :00 盐水去路温度为-1915 ℃, 回路温度为-18 ℃; 12 月1 日盐水去路温度下降到-24 ℃;12 月2 日、3 日盐水去路温度一直维持在-24 ℃ 左右, 考虑到其温度离设计盐水温度-28 ℃ 还差4 ℃,分析原因可能是氟利昂量不够,因此增加了一定量氟利昂。至12 月11 日盐水去路温度下降到-28 ℃, 达到了设计盐水温度。为了控制冻结的发展过程及效果,在左线隧道内布置了4 个测温孔,右线布置了6 个测温孔,冻结开始后对冻结孔温度进行了连续监测工作,从测温结果来看,29 日测温孔6 中的测点2 原始温度最大,为1912 ℃,相应地5d 后该处地层温度为1413 ℃,10d 后为-013 ℃, 表明交圈时间为10d 。29 日测温孔10 中的测点3 原始温度1815 ℃,相应地5d 后为1211 ℃,10d 后为814 ℃,15d 后为313 ℃,20d 后达到217 ℃,27d 后达到-017 ℃, 表明交圈时间为27d 。为了保证开挖的安全, 延长了5d 的冻结时间,并于2003 年12 月29 日进行了左、右探孔试探,从右线探孔情况来看,冻结土体的连续性、整体性较好,未出现涌水冒砂现象;左线探孔有一定量的泥水流出。为了保证旁通道施工的安全,于1 月3 日再次进行了探孔试探。1 月5 日开始进行试开挖,1 月10 日取出钢管片进行正式开挖,至1 月20 日开挖至对面隧道,从开挖过程来看,冻结土体的强度完全达到设计要求,大部分地方开挖要用风镐进行。整个开挖期间, 开挖面均能保持稳定,未出现涌水涌砂现象。
4 结语
旁通道的施工包括冻结孔施工、冻结施工、开挖构筑等许多阶段。只有针对各个阶段的特点及可能出现的问题采取相应的措施,才能保证旁通道冻结法施工的安全。
