软土地层联络通道冻结法施工技术
2010-10-10 21:17
软土地层联络通道冻结法施工技术
【摘 要】介绍了水平冻结法施工技术在上海轨道交通10号线国权路站一五角场站区间软土地层联络通道施工中的应用，并且重点论述了冻结帷幕设计、冻结孔布置及制冷设计等问题。实践证明，采用的冻结法施工技术是科学、合理的，可为其他类似工程提供参考。
【关键词】地铁隧道;联络通道;冻结法;施工技术
引言
地铁隧道联络通道施工一般采用竖井开挖或隧道内开孔暗挖的方法，在软土地层施工中，无论采用哪种方法，开挖前都必须对开挖面土体进行加固。隧道内冻结法加固，即沿开挖断面周边布置与联络通道方向基本平行的水平或倾斜冻结孔，然后在冻结孔中循环低温盐水，使冻结孔附近的含水地层结冰，形成强度高、封水性好的水平冻土帷幕，在冻土帷幕的保护下进行开挖与构筑施工。随着近年来地下工程的迅速发展，冻结法加固技术因为其防水效果好、对周围环境影响小等优点而越来越多地应用于城市地铁建设中。合理选用冻结法施工工艺，可以确保土体加固质量和联络通道开挖安全。上海地铁隧道所处软土地层土质松软、含水丰富、稳定性差，在这种地层中进行联络通道施工，冻结法显示出了独特的优越性。
1、工程概况
国权路站一五角场站区间联络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，该联络通道位置里程、线间距及埋深如表1所示。
联络通道所在位置的隧道管片为钢管片，隧道内径为5.5m，管片厚度为 350mm。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，在联络通道结构层底部上、下行线各预埋1根DN200不锈钢管。
国权路站一五角场站区间联络通道及泵站所处地层为淤泥质乳土层、勃土层、粉质赫土层。淤泥质姑土层与豺土层为高含水量、高压缩性、低强度土层，具有明显的触变性，在一定的动力作用下易发生流变从而破坏土体结构，使土体强度骤降。地下水主要有浅部豺性土层中的潜水以及深部粉性土、砂土层中的承压水。浅部土层中的潜水位埋深离地表面0.3~1.5m，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。
2、施工方案的选定
该联络通道位于交通繁忙的四平路下，地表下管线复杂，综合工程水文地质条件、交通要求和周边环境因素影响并结合以往施工经验，经技术、经济比较，确定采用“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[1]。
3、水平冻结方案设计
3.1冻结帷幕设计
冻结帷幕平均温度设计为-10℃;冻土强度的设计指标为:单轴抗压强度 3.5MPa、抗折强度 1.8MPa、抗剪强度 1.5MPa。联络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[2]，共70个，其中上行线57个，下行线13个。联络通道设置4个穿透孔，供对侧隧道冻结孔和冷冻排管需冷用。冻结孔须达到以下施工技术要求。
(1)冻结孔的开孔位置误差不大于 100mm，应避开管片接缝、螺栓、主筋和钢管片肋板。冻结孔最大允许偏斜为1%。
(2)冻结孔有效深度不小于冻结孔设计深度。冻结管管头碰到冻结站对侧管片的冻结孔，不能循环盐水的管头长度不得大于 150mm。
(3)冻结管用Φ89mmx8mm低碳钢(20#)无缝钢管，冻结管耐压不低于 0.8MPa，并且不低于冻结工作面盐水压力的1.5倍。
(4)冻结管接头抗拉强度不低于母管的80%。
(5)施工冻结孔时的土体流失量不得大于冻结孔体积，否则应及时注浆控制地层沉降。
(6)首先施工透孔以复核对侧隧道预留口位置的偏差及钻孔施工质量。
(7)冻结站对侧隧道上沿冻结壁敷设冷冻排管，冷冻排管采用Φ32mmx3.5mm无缝钢管。
联络通道测温孔布置14个，冻结站对侧为8个，目的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，确保施工安全。测温管选用Φ32 mmx3.5mm无缝钢管;测温管长度为2-6m;管前端焊接密封，管内不得渗水。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，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。卸压管选用Φ32mmx3.5mm无缝钢管;卸压管长度为l~3m;管前端开口，进入土体段呈梅花状钻若干小孔，以确保冻结帷幕内的压力有效传递。
3.2制冷设计
根据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36d，维护冻结时间为30d。冻结孔单孔盐水流量不小于3m3/h。冻结需冷量Q计算公式为
Q=πdHK (1)
式中:H—冻结总长度;
d—冻结管直径;
K—冻结管散热系数。
经计算联络通道需冷量为4.6x104kcal/h，选用W-YSLGF300Ⅱ型螺杆机组2台(套)，其中1台运转、l台备用。单台机组设计工况制冷量为8.75 x104kcal/h，完全满足联络通道的制冷需求。制冷剂选用氟立昂R22，冷媒剂选用氯化钙 (CaCI2)溶液。
冻结系统辅助设备选用如下:IS150-125-315型盐水循环泵l台，流量为200m3/h; IS150-125-315型冷却水循环1台，流量为200m3/h;KST-80型冷却塔2台。盐水干管和集配液圈选用Φ159mmx6mm无缝钢管。冷却水管选用Φ133mmx4.5mm无缝钢管。冻结站对侧隧道的冷冻排管选用Φ32mmx3.5mm无缝钢管。为避免长距离输送盐水造成的冷量损失.将冻结站布置在隧道内。
4、冻结施工
4.1冻结孔施工
依据施工基准点，按冻结孔施工图进行冻结孔孔位放线。先施工透孔，根据穿透孔的偏差，调整钻进参数;然后根据孔位，采用由上而下的顺序进行施工，这样可防止下层冻结孔施工引起的上部地层扰动，减小钻孔施工时的事故发生率。
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，深度小于300mm，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，并用至少4个固定点固定在管片上，然后安装孔口密封装置，如图1所示。
使用1台MD-50钻机进行钻孔，配用BW250型泥浆泵。钻具采用Φ89mmx8mm冻结管作钻杆;冻结管之间采用套管丝扣连接，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。正常情况下，钻进时安装简易钻头，直接无水钻进;钻进困难时，在钻头部位安装特制单向阀门，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。钻进过程中严格监测孔斜情况，及时纠偏，安好冻结管后复测其长度，然后用灯光测斜仪测斜并绘制钻孔偏斜图。在冻结管内安放供液管，最后焊接冻结管端盖和去回路羊角。
4.2冻结站安装
冻结站设置在区间隧道内，靠近联络通道位置。站内设备主要包括冷冻机组、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及配电控制柜等。在盐水管路和冷却水循环管路上设置阀门和测温仪、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，保温层外用塑料薄膜包扎。集配液圈与冻结管采用高压胶管连接，每组冻结管的进、出口各装阀门l个，用来控制流量。
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。将冷冻周边的钢管片格栅内用素混凝土填充密实，然后采用PEF保温板对冻结帷幕发展区域管片进行隔热保温。在冻结站对侧隧道的冻结管的端部区域范围内布置冷冻板。
4.3积极冻结与维护冻结
冻结系统运转正常后进入积极冻结阶段[3]。在夏季采取安装局扇等措施增加空气对流速度，降低冷却水温度。
积极冻结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36d，冻结孔单孔流量不小于3m3/h;积极冻结7d盐水温度降至-18℃以下，积极冻结15d盐水温度降至-24℃以下，去回路温差不大于2℃;开挖时盐水温度降至-30℃以下。如盐水温度和盐水流量达不到设计要求，应适当延长积极冻结时间。积极冻结过程中，根据测温资料判断冻结帷幕交圈，达到设计厚度且与隧道完全胶结后方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、泵房开挖和主体结构施工始末。停机时间以混凝土强度达到设计值的70%为宜。
5、开挖与构筑施工
正式开挖前应先进行探挖，当具备探挖条件后，用煤电钻在开挖的毛断面的四周及中心打钻孔，检查冻土是否进入施工区域、中心有无流动的压力水。探孔深度为2m，钻孔直径为 48mm。打探孔前，应安装带止水阀的孔口管，联络通道两端均打探孔。
要确定是否可以打开管片进行开挖施工，需综合考虑测温孔温度、卸压孔压力、探孔情况等因素，具备条件后方可进行开挖施工。
经探挖确认可进行正式开挖后，打开钢管片，采用矿山法进行暗挖施工。根据工程结构特点，联络通道开挖掘进采取分区分层方式进行。有泵房的联络通道要在上部通道结构施工完毕且强度达到60%后再进行泵房的开挖施工。
泵房开挖过程中将有部分冻结管暴露，为确保安全，当开挖面距离泵房内冻结管约5-l0cm时，关闭该组冻结管的去回路阀门，待该组冻结管全部暴露后再打开原先关闭的阀门，恢复冻结。在泵房 200mm厚的临时支护层施工完毕后，即可将泵房内暴露的冻结管割除，进行永久结构的施工。
6、结语
中国城市地下工程建设起步较晚，地层冻结在城市地下工程中的应用时间也很短，但冻结法仍以其防水效果好、对周围环境影响小等优点在市政工程，特别是在松软含水地层施工中显示出独特优势。水平冻结技术在上海轨道交通10号线国权路站一五角场站区间隧道联络通道地层加固施工应用中取得了良好的效果，为人工地层冻结技术在城市地下工程中的应用提供了可供借鉴的参考依据。
参考文献:
（1）刘艳滨.地铁盾构隧道联络通道冻结法施工技术[J].铁道建筑技术，2004(3):6-9.
（2）方江华，张景枉.上海地铁隧道联络通道水平冻结法施工[J].建井技术，2006，27(6):37-39.
（3）刘典基.冻结技术在地铁联络通道施工中的应用[J].隧道建设，2004，24(2):32-35.
