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冻结法在地铁盾构隧道联络通道施工中的应用
冻结法在地铁盾构隧道联络通道施工中的应用
李栋
(中铁十一局集团城市轨道工程有限公司武汉430074)
[摘要]冻结法是在地层中按预定间隔埋设冻结管(φ100mm的管径)冷却液在冻结管上循环,则管周围地层中的孔隙水以管为中心生成年轮形柱状冻土。
若使邻近的冻土柱连结在一起,即形成止水墙或反力墙。
冻结法施工技术在国际上被广泛应用于城市建设和煤矿建设中,已有100多年的历史,我国采用冻结法施工技术至今也已有40多年的历史,主要用于煤矿井筒开挖施工,自1992年起,冻结法工艺被广泛应用于上海、北京、深圳、南京等城市地铁工程施工中。
公司在杭州地铁隧道联络通道工程施工中,采用了冻结法加固的施工方法,本文通过对施工工艺的归纳总结,以及参考有关施工技术资料,形成本工法。
[关键词]冻结法地铁联络通道应用
1工程概况
杭州地铁九堡东站~乔司南站盾构区间隧道联络通道及泵站位于区间隧道中部,联络通道及泵站采取合并建造模式,距离联络通道上部地面正上方14m处有一居民房,联络通道上方无重要管线。
拟构筑联络通道所在位置的隧片为钢管片,隧道内径为φ5.5m,上、下行线隧道中心线距离15.46m。
联络通道结构见图1。
图1联络通道结构示意图
2工程地质及水文地质条件
根据离联络通道最近的地质勘探孔提供的地质情况,联络通道所处地层上部和中部为③5砂质粉土、下部③6粉砂夹砂质粉土,见图1所示。
该土层具有高压缩性、低强度、灵敏度高、透水性强等特点,在动力作用下易产生流变现象。
在该地层内进行联络通道开挖构筑,须对土体进行稳妥、可靠的加固处理。
冻结法加固土体具有强度高,封水性好,安全可靠的优点,极适于本工程。
3施工工艺过程
3.1施工方案选定
根据上述联络通道施工条件,决定采用“隧道内水平冻结加固土体、隧道内矿山法开挖构筑”的全隧道内施工方案。
即:
在隧道内利用水平孔和部分倾斜孔冻结加固地层,使联络通道及泵房外围土体冻结,形成强度高,封闭性好的冻结帷幕。
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,地层冻结和开挖构筑施工均在区间隧道内进行。
3.2冻结法的施工工艺
图2冻结法施工流程图
3.3冻结加固设计
3.3.1冻结帷幕的加固范围
联络通道冻结帷幕按冻结加固设计图的要求进行施工。
冻结壁平均温度设计为-10℃,相应的冻土强度的设计指标为:
单轴抗压3.6Mpa,抗折1.8Mpa,抗剪1.6Mpa,无侧限抗压强度qu≥3.0Mpa,土体渗透系数k≤1×0-8cm/sec。
3.3.2冻结孔、测温孔与卸压孔的布置
3.3.2.1冻结孔布置
从上、下行线隧道两侧打孔方式进行施工。
冻结孔按上仰、水平、下俯三种角度布置,共布置冻结孔78个,其中上行线64个,下行线14个。
设置穿透孔4个。
冻结孔的布置详见图3、图4。
图3:
冻结孔立面透视
图4:
冻结孔平面布置
3.3.2.2测温孔布置
测温孔共布置8个,上行线4个,下行线4个,深度为2~6m,主要是测量冻结帷幕范围不同部位的温度发展状况,以便综合采用相应控制措施,确保施工的安全。
3.3.2.3卸压孔布置
在冻结帷幕封闭区域内布置4个卸压孔(利用管片上的注浆孔),上行线、下行线各2个。
在卸压孔上安装压力表,可以直观的监测冻结帷幕内的压力变化情况,通过每日观测,及时判断冻结帷幕的形成,并可直接释放冻胀压力。
3.3.3冻结参数
(1)积极冻结期盐水温度为-28℃~-30℃,维护冻结期温度为-25℃~-28℃。
(2)积极冻结时间为40天,维护冻结时间与开挖和结构施工相同。
(3)冻结孔单孔流量不小于3m3/h。
(4)积极冻结7天盐水温度降至18℃以下,积极冻结15天盐水温度降至-24℃以下,去、回盐水温差不大于2℃,开挖时盐水温度降至-28℃以下。
3.3.4需冷量计算和冷冻机选型
冻结需冷量计算:
Q=1.2·π·d·H·K
式中:
H—冻结总长度,725m;
d—冻结管直径;
K—冻结管散热系数;
将上述参数代入公式得出最大需冷量为:
Q=6.5×104Kcal/h
根据以上计算需冷量,选用W-YSLGF300Ⅱ型螺杆机组二台套,并联安装,单台运行,互为备用。
单台机组设计工况制冷量为8.7×104Kcal/h,电机功率110KW,完全满足制冷需求。
3.3.5冻结系统辅助设备
(1)盐水循环泵选用IS150-125-315型2台,流量200m3/h,电机功率30KW。
(2)冷却水循环泵选用IS150-125-315型2台,流量200m3/h,电机功率30KW。
冷却塔选用NBL-50型2台,补充新鲜水15m3/h。
3.3.6管路选择
(1)冻结管选用Φ89×8mm,20#低碳钢无缝钢管,丝扣连接,另加手工电弧焊焊接。
单根长度1~1.5m。
(2)供液管选用1.5″钢管,采用焊接连接。
(3)测温管和卸压管选用Φ32×3.5mm,无缝钢管。
(4)盐水干管和集配液圈选用Φ159×6mm无缝钢管。
(5)冷却水循环管选用Φ133×4.5mm无缝钢管。
(6)冻结站对侧隧道的冷冻排管选用Φ32×3.5mm无缝钢管。
3.3.7其它
(1)冷冻机油选用N46冷冻机油。
(2)制冷剂选用氟立昂F-22。
(3)冷媒剂选用氯化钙溶液。
(4)总用电额定负荷约388kw/h。
3.4冻结孔施工
图5冻结孔开孔及密封装置示意图
3.4.1冻结孔定位与管片开孔
依据施工基准点,按冻结孔施工图进行冻结孔孔位放线,孔位布置首先要依据管片配筋图和钢管片加强筋的位置,在避开主筋、管片缝、螺栓及钢管片肋板的前提下可适当调整,不大于100mm。
开孔选用J-200型金刚石钻机,配φ130mm金刚石取芯钻头进行钻孔,深度约200~250mm,控制不得钻穿管片。
用钢楔楔断岩心,取出后,打入加工好的孔口管,且用至少有4个固定点将孔口管固定在管片上,然后安装密封装置,如图5所示。
3.4.2冻结孔施工顺序
先施工透孔,根据穿透孔的偏差,进一步调整有关钻进参数。
然后根据联络通道施工的孔位,采用由上向下的顺序进行施工,这样可防止因下层冻结孔的施工引起上部地层扰动,减小钻孔施工时的事故发生率。
3.4.3钻孔偏斜和终孔控制
钻孔的偏斜应控制在150mm以内,在确保冻结帷幕厚度的情况下,单排冻结孔最大间距不得大于1.4m,多排冻结孔最大间距不得大于1.68m,否则应补孔。
冻结孔钻进深度应不小于设计深度。
钻头碰到隧道管片的,不参与制冷循环的长度不大于150mm。
3.4.4冻结孔钻进与冻结管设置
(1)钻孔设备使用MD-50钻机一台,配用BW250型泥浆泵,钻具利用φ89×8㎜冻结管作钻杆;冻结管之间采用丝扣连接,接头螺纹紧固后再用手工电弧焊焊接,确保其同心度和焊接强度。
(2)正常情况下,钻进时安装简易钻头,直接无水钻进。
如果钻进困难时,在钻头部位安装一个特制单向阀门,采用带水钻进。
冻结管到达设计深度后冲洗单向阀,并密封冻结管端部。
(3)钻进过程中严格监测孔偏斜情况,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,然后再用灯光测斜仪进行测斜并绘制钻孔偏斜图。
冻结管长度和偏斜合格后再进行打压试漏,压力控制在0.8MPa,稳定15分钟压力无变化者为试压合格。
(4)在冻结管内下供液管,然后焊接冻结管端盖和去、回路羊角。
3.4.5钻孔质量控制程序
图6:
钻孔质量控制程序图
3.5冷冻站安装
3.5.1冻结站布置与设备安装
将冻结站设置在上行线隧道内,靠近联络通道位置。
站内设备主要包括冷冻机、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及配电控制柜等。
设备安装按设备使用说明书的要求进行。
其布置参见(附图7:
冻结站平面布置图)。
图7:
冻结站平面布置图
3.5.2管路连接、保温与测试仪表
管路用法兰连接,隧道内的盐水管用架子敷设在隧道管片斜坡上,以免影响隧道通行。
在盐水管路和冷却水循环管路上要设置、阀门和测温仪、压力表等测试组件。
盐水管路经试漏、清洗后用保温板或棉絮保温,保温厚度为50mm,保温层的外面用塑料薄膜包扎。
集配液圈与冻结管的连接用高压胶管,每组冻结管的进出口各装阀门一个,以便控制流量。
冷冻机组的蒸发器及低温管路用棉絮保温,盐水箱和盐水干管用50mm厚的保温板或棉絮保温。
联络通道两侧管片保温:
由于混凝土和钢管片相对于土层要容易散热得多,为加强冻结帷幕与管片胶结,联络通道两侧管片表面采取保温措施,以减少冷量损失。
将钢管片格栅内用素砼填充密实,然后采用PEF板保温板对冻结帷幕发展区域管片进行隔热保温。
保温范围为冻结帷幕区域处加向外扩展2m。
在冻结站对侧隧道的冻结管的端部区域范围内布置冷冻排管,然后采用PEF板对冻结排管进行覆盖隔热保温。
3.6积极冻结与维护冻结
3.6.1冻结系统试运转与积极冻结
设备安装完毕后进行调试和试运转。
在试运转时,要随时调节压力、温度等各状态参数,使机组在有关工艺规程和设备要求的技术参数条件下运行。
冻结系统运转正常后进入积极冻结。
此阶段为冻结帷幕的形成阶段,积极冻结期盐水温度为-28℃~-30℃,设计冻结时间40天,视现场实际冻结效果,如不能按时达到冻结壁的设计要求,可延长积极冻结时间。
3.6.2维护冻结
在积极冻结过程中,要根据实测温度资料判断冻结帷幕是否交圈和达到设计厚度,同时要监测冻结帷幕与隧道的胶结情况,测温判断冻结帷幕交圈并达到设计厚度且与隧道完全胶结后,可进入维护冻结阶段。
维护冻结期温度为-25℃~-28℃,冻结时间贯穿联络通道及泵站开挖和主体结构施工始终。
3.6.3冻结质量控制程序
图8:
冻结质量控制程序
3.7具备开挖冻结技术指标
要确定打开管片进行开挖还需结合测温孔资料、卸压孔压力、探孔情况等方面综合考虑,需具备如下条件,方可进行开挖构筑的施工。
项目
数值
备注
冻结帷幕厚度
达到设计要求
根据测温孔推算
冻结帷幕平均温度
-10℃
用成冰公式法计算
盐水温度
积极期
-28℃~-30℃
用测温仪监测
维护期
-25~-28℃
盐水去、回
路温差(包括各支路)
积极期
2℃以内
冻结至设计温度时
维护期
1.0℃以内
卸压孔
交圈前
静水压力
通过压力表观测
交圈后
剧增至0.15~0.3MPa
3.8融沉控制及收尾工作
3.8.1融沉控制
本联络通道所处的地面环境较好,没有重要的建筑物及管线,同时冻结加固的土层主要为③5砂质粉土、③6粉砂夹砂质粉土,拟采用自然解冻结合跟踪注浆的的方式来控制融沉。
并根据监测反馈的信息,进行动态调整注浆参数。
3.8.2收尾工作
(1)浇筑完集水井砼结构层即可停冻,进行施工设备的拆除工作,并清理、整理现场,按要求跟踪注浆。
(2)冻结孔管补强:
冻结站拆除,回收供液管,放出CaCl2盐水后,割去露出隧道管片的孔口管和冻结管,并在孔口管管口焊接δ12㎜厚的封口板封闭管口。
(3)待通道混凝土结构达到设计强度后,拆除隧道内的钢支架,并再次对称拧紧特殊衬砌环内的所有连接螺栓。
(4)按设计在集水井上方加装钢盖板。
(5)用砼浇筑钢管片内格栅,并将外露钢构件表面刷涂环氧沥青漆二度。
(6)整理、修整、清理联络通道施工现场,并用清水进行冲洗,通道内不得有泥浆、油污和上道工序留下的施工设备。
4.实践结论
通过冻结法在实际施工中的应用,我们可以知道冻结法在工程实践中具有很多的优势:
(1)封水性好———有自由水(一般情况下含水率应大于10%,否则要采取增加土层湿度的辅助工法)就能冻结成冻土,形成冻土壁。
无论是透水层,还是隔水层,冻土壁可以阻隔地下水侵入,形成干燥的施工环境。
(2)强度高———一般认为冻土是一种黏弹塑性材料,其强度同土质、容重、含水率、含盐量及温度等因素有关,一般可达到2~10MPa,远大于融土强度,从而起到结构支撑墙的作用。
(3)适应性强———适应各种土层及多种地下工程,尤其适用于含水量大、地层软弱、其他工法施工困难或无法施工的地下工程。
(4)复原性———施工结束土层恢复原状,对土层破坏性很小。
这是其他工法所无法比拟的。
(5)绕障性———具有绕过障碍冻结加固和封水能力。
(6)无公害———用电能换取冷能,不污染大气环境,无有害物质排放,对地下水无污染。
在环保要求高的工程中,其优越性尤其明显。
(7)可控性———冻结工期、冻结壁厚度、冻结壁形状等都可调控。
(8)适用性———可在密集建筑区和现有工程建筑物下施工,不需进行基坑排水,可避免因抽水引起地基沉降造成对周围建筑物的不利影响。
(9)施工便利———无支衬、无拉锚,可进行敞开式施工并扩大建筑面积,缩短工期。
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