地铁隧道旁通道冻结法施工监测分析
2009-11-29 00:11
地铁隧道旁通道冻结法施工监测分析
摘要:研究目的:在城市隧道施工过程中,地表变形的大小往往成为决定施工成败的关键因素之一。通过对地表变形、冻胀压力、卸压孔压力等进行监测分析,合理设定冻结参数,减小地表变形,保证施工质量。
研究结论:以上海轨道交通10号线2标段旁通道冻结法施工为例,对地表变形、冻胀压力、卸压孔压力等方面进行了跟踪监测;并对监测结果进行分析研究。分析和监测数据验证,合理设定冻结时间、冻胀压力等参数,建立有效的土压平衡,即可将各项变形控制在规定的范围内。
关键词:地铁隧道;旁通道;冻结法;监测分析
在地铁隧道规划设计中,上下行隧道间通常要设置旁通道。在地铁运营时,当一条隧道内发生火灾、涌水、倒塌等突发性事件时,乘客可就地下车,经旁通道转移到另一条隧道中,并迅速向地面疏散。旁通道一般设于区间隧道的中部、线路的最低处。旁通道土体开挖前,必须对周围土体进行加固,冻结法加固技术因为其防水效果好、对周围环境影响小等特点而越来越多的被应用于地铁建设中,特别是对环境保护要求高、又处在软土地质条件下的旁通道加固,其应用更为广泛。在冻结施工过程中,对冻结盐水温度、冻土温度、地表变形等方面进行了跟踪监测。并分析了地表变形、冻涨压力、卸压孔压力的变化规律,提出了有利于工程施工的建设性意见。
1 工程概况
国权路站—五角场站区间旁通道及泵站工程是上海轨道交通10号线一期工程的重要组成部分,该旁通道位置里程、线间距、及埋深如表1所示。
旁通道位于四平路下,距旁通道最近约15m处有6层楼小区;旁通道所在位置的主要管线有:煤气Φ1 200/1.2铁,电话27孔/1. 1缆,雨水Φ1 050/2. 3混凝土,上水Φ1 000/1. 0铁。旁通道所在位置的管片为钢管片,隧道内径为Φ5. 5 m,管片厚度350 mm。衬砌采用二次衬砌方式;临时支护层和永久结构层之间设防水层,在旁通道结构层底部上、下行线各预埋1根DN200不锈钢管,旁通道结构如图1所示。
国权路站—五角场站区间旁通道及泵站所处地层为④淤泥质粘土层、⑤1-1粘土层中,⑤1-2粉质粘土层。第④层与第⑤1-1层为高含水量、高压缩性、低强度土层,该两层土具有明显的触变性,在一定的动力作用下易发生流变,破坏土体结构,使土体强度突降。地下水主要有浅部粘性土层中的潜水、深部粉性土、砂土层中的承压水。浅部土层中的潜水位埋深离地表面0. 3~1. 5 m,年平均地下水位离地表面0. 5~0. 7m。地下水和土对混凝土无腐蚀性,对钢筋混凝土中的钢筋及钢结构有弱腐蚀性。
土层平均渗透系数小,透水性差,是冻结施工较为有利的土层;同时,土层中含有粉砂层,冻结法也能更好处理流砂问题。考虑到综合工程、水文地质条件和周边环境因素的影响,并结合上海地铁旁通道施工经验,经技术经济比较,确定采用“隧道内钻孔冻结加固,矿山法暗挖构筑”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土层,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;采用矿山法,进行联络通道及泵站的开挖构筑施工。
2 水平冻结方案设计
根据本地区土层特性并参考以往施工经验,冻结参数选取如下:积极冻结期盐水温度为-28~-30℃,维护冻结期温度为-25~-28℃。积极冻结时间为36 d,维护冻结时间为30 d。冻结帷幕平均温度设计为-10℃;相应的冻土强度设计指标为:单轴抗压3. 5MPa,抗折1. 8MPa,抗剪1. 5MPa。
旁通道冻结孔的布置均采取从上、下行线隧道两侧打孔方式进行。冻结孔按上仰、水平、下俯3种角度布置,共布置冻结孔70个,其中上行线57个,下行线13个。冻结孔的布置示意图如图2所示。旁通道设置4个穿透孔,供对侧隧道冻结孔和冷冻排管需冷用。
旁通道测温孔布置14个,冻结站对侧为8个,目的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。在冻结帷幕封闭区域内布置4个卸压孔,上下行线各2个。在卸压孔上安装压力表,可以直观地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,并直接释放由冻结所形成的冻胀压力。
3 监测方案设计
为确保水平孔冻结暗挖隧道施工安全优质地按时完成,须对冻结系统、地层和支护结构进行必要的监测,根据监测数据进行分析,指导施工,以便调整施工工艺并采取措施。
3. 1 地面环境及隧道监测测点布置
3.1.1 地面测点布设
在旁通道位置对应的地面中心50 m以外的稳定区域布设2个沉降基准点,其中一个作为复合点。在旁通道位置对应的地面中心20 m范围内布置沉降监测点,测点间距5 m,旁通道位置中心及管线和建筑物位置加密布置测点。
3.1.2 隧道内测点布设
在旁通道50 m以外的稳定区域分别布设水平位移监测基准点和2个垂直基准点,其中一个作为复合点。在通道两侧20 m范围内对隧道水平及垂直方向的收敛变形及施工影响范围内的隧道整体进行监测。沉降监测点布设在隧道底环片上,测点间距为2 m,测点用道钉打入环片内牢固。位移监测点布设在隧道两肩的环片上,测点间距为2 m,测点用道钉打入环片内牢固。
3. 2 监测方法
沉降监测从水准控制点出发按三、四等水准测量要求测量各监测点的高程,测量闭合差应该小于±0. 5N1/2mm(N为测站数)。前后2次测量值之差为本次沉降变化量,测量值与初值之差为累计沉降变化量。
水平位移监测方法:将经纬仪安置在基准点上,用视准直线法测量各测点到视准线的距离,以开工前2次测量的平均值作为起始初值,以后每次的测量值与之比较得到本次位移量和累积位移量。
4 监测成果分析
4. 1 地表变形监测分析
冻结工程于2008年4月14日开机冻结,到2008年5月23日已经冻结40 d,超过设计冻结时间4 d。测点布置如图3所示,各测点之间的距离为2 m。从图4可以看出,在钻孔、安装冻结管阶段,地表呈逐渐沉降现象,直至达到最大沉降值,这是由于钻孔挖土造成的。从冻结初期到随后出现隆起现象,符合冻土膨胀的特性。从5月12日起,地面隆起变形趋于稳定,说明冻土结构的扩展速度变缓,可判断冻土帷幕已经基本形成,并达到了相当的强度。另外,在图4中,地表不同的测点其变形也不相同,这与监测点和旁通道之间的距离是有关的,距离旁通道冻结区越近的测点其沉降量越大,同时在冻结过程中隆起的幅度也越大;随着冻结过程的进行,地表沉降变形逐渐减小,变到沉降量为零进而变为隆起变形,符合土体冻结规律。
4. 2 冻胀压力及卸压孔压力监测分析
在隧道下行线布置了2个冻胀压力测孔,根据冻胀压力测孔1的实测数据, 2008年5月10日冻胀压力达到最大值0. 72MPa,此时冻结时间为27 d;测孔2在5月2日冻胀压力达到最大值1. 81MPa,冻结时间为28 d。测试结果说明冻结29 d左右时冻土柱已经交圈,冻结帷幕已基本形成。此后冻胀压力趋于稳定并逐步减小,冻土帷幕厚度增加,符合冻土冻结规律。另外,在冻结帷幕封闭区域内布置4个卸压孔,上下行线各2个,观测其压力变化。到5月7日压力不再升高,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。2008年5月20日打开卸压孔,只有少量水和泥浆流出,很快就停止了,在5月24日土体开挖时,该卸压孔内无水流出的现象发生。
5 结论
监测工作是信息化施工的重要保证,监测过程中出现险情和特殊情况时,及时反馈信息,并采取必要的措施,减少了事故发生的可能性。监测工作取得了大量翔实可靠的数据,通过对监测数据的分析,可以判断冻结施工的进展程度、发现施工中存在的问题,为后续施工提供参数依据。
根据对地表变形和冻胀压力等因素的综合分析,认为冻结帷幕在5月16日已经达到设计要求,具备开挖条件。同时,观察到隧道内部管片上的结霜情况正常,结霜的范围和轮廓比较均匀,据此可以认为冻结过程正常。旁通道内土体实际开挖过程中发现开挖困难,需要用风镐进行掘进。根据监测数据分析可认为冻结帷幕在5月16日已经形成,由此可知导致开挖困难的原因为冻结时间过长。所以开挖施工应在冻结帷幕达到设计要求后及时进行。
上海轨道交通10号线国权路站—五角场站区间旁通道采用冻结法施工较好的控制了地表沉降及洞内位移发展。对冻胀压力及地表变形监测数据进行分析,结果表明,在国权路站—五角场站区间旁通道施工中采用冻结法取得了圆满成功。
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