冻结法联络通道施工技术

冻结法联络通道施工技术在天津的应用分析与工艺研究联络通道施工技术在国内外的应用状况进入21世纪,随着地下空间的不断开发,地铁隧道已成为国际大都市的重要标志,地铁在人们日常生活中越来越发挥着不可替代的作用。联络通道及泵站因其紧急疏散和汇集、排放区间积水的双重功能而被相辅应用。在地铁修建100a来,区间联络通道因不同地质及施工要求,随之产生许多施工方法。当前联络通道施工方法主要以顶管法、矿山法、管棚法、类矿山法等为主。其技术最早被应用于少数几个工业发达的国家,如19世纪的英国、德国和20世纪的德、日、美、法等国。我国联络通道施工技术受经济发展的限制,一直缺少实施的隧道载体工程,发展较为缓慢,应用也相当有限。进入20世纪90年代后,我国开始大规模地引进、应用国际先进的盾构施工技术和设备,地铁工程在一些城市得到了快速建设,为之所涵盖的联络通道工程也相应得以快速发展。天津首次将盾构区间应用于地铁1号线施工中,联络通道工程亦在天津首次建设,多种联络通道施工方案究竟哪一种最适宜天津地层,有进行方案研究和比选的必要,也有必要将原有的成熟技术进行研究和改进。转载于无忧论文冻结法施工技术的应用比选分析天津市区地质简述简而言之,天津市区岩土层情况从上到下主要为第四系全新统人工填筑的素填土;全新世海陆交互相沉积层(含5个亚层:〈2-1A〉淤泥层、〈2-1B〉淤泥质土层、〈2-2〉淤泥质粉细砂层、〈2-3〉中粗砂层、〈2-4〉层粉质粘土、粘土层);晚更新世冲洪积砂层(土性以中粗砂为主,局部为砾砂);晚更新世坡积土层(土性主要为粉质粘土);残积土层(为4个亚层:〈5-1〉可塑粉质粘土层、〈5Z-1〉可塑砂质粘性土、粘性土层、〈5-2〉硬塑粉质粘土层、〈5Z-2〉硬塑砂质粘性土、粘性土层)等。埋深多位于9～30m之间的联络通道,地层多为粉质粘土、粘土、粉土及细砂,其所处地层孔隙比较大、含水丰富、承载力低、容易压缩、在动力作用下易流变,开挖后天然土体本身难以自稳,多数区域内地下水具微承压性或承压性,土层含水多、水压大、渗透性好,容易引起水、砂突涌。冻结法的应用可行性比选分析目前,国内外联络通道施工方法取得成功应用的主要有顶管法、管棚法、矿山法和类矿山法(冰冻法是其中一种)等,类矿山法根据其地层加固的施工工艺不同主要分为水平冻结法和旋喷桩加固、深层搅拌桩加固等采用水泥系加固方法。几种方法方案在应用中各有其优势与不足,对不同地层的适应性也各有不同。各类方案的对比分析见表1。水平冻结法施工技术不仅有许多成功应用的先例,而且通过表1的综合对比可知,在天津地铁联络通道施工中将是一个相对较为优化的方案,其优势明显。(1)采用冻结法施工的冻土帷幕强度较高,土体强度可达8MPa以上,具有很强的抗坍塌能力,施工安全性能高且具有不透水的优点,特别适合在天津这类含水丰富、稳定性差的地层中应用。(2)水平冻结法可以不占用地面,在单侧隧道内施工,占用场地小、布置灵活;免除封路和地面建筑拆迁,减少环境污染、不影响城市的正常生活与生产活动。(3)冻结法施工时只短期改变地层的温度,而不改变地层的化学成分,对地层无污染,尤其是不会污染容易扩散的地下水,属环保型工法。冻结法技术难点分析与工艺研究难点技术与对策性措施(1)冻土帷幕薄弱点的控制a难点分析。由冻结孔布置断面图1可以看出,呈射线状分布的冻结孔,即靠近开挖面一侧隧道处的通道喇叭口处和集水井的角部冻结孔分布相对较为薄弱,而另一侧孔位又相对分散,通道喇叭b对策性措施。设计增设短距离冻结管,增强喇叭口和集水井角部的冻土厚度。控制冻结孔的偏斜率,确保冻结孔的终孔间距。在开挖通道喇叭口处和集水井角部时,采取分断面开挖,缩短支架间距,及时支撑,缩短时间。(2)开挖条件的判断a难点分析。正确判断冻土帷幕是否交圈及冻土强度、厚度,确认联络通道是否具备开挖的条件,是水平冻结法施工的关键性难点技术之一。b对策性措施。联络通道开挖条件的判断,应依据冻土交圈的规律和特性实施分析、计算和观察:根据测温孔实测数据,推算冻土发展速度,并算出交圈时间和冻结帷幕厚度;利用卸压孔所显示的压力数值,根据相近土质的冻结实践,判断冻结帷幕交圈情况,一般说来,卸压孔的数值交圈前后打开卸压阀卸压再关闭后差别为0.1～0.2MPa;开挖前进行探孔检查,探孔应打在冻结帷幕薄弱处,探孔处无涌沙突水现象(该处会有稀泥因冻胀压力的作用而缓慢流出,流量稳定,此为释放压力属正常现象);根据盐水去回路温差进行判定,倘若某一时期盐水去、回路温差(其它冻结参数不变)突然变小或盐水温度在某一阶段徘徊数天后突然下降,则可初步判定已经交圈,此现象可作判断交圈的参考。(3)重大事故应急控制a难点分析。在冻结孔施工过程中,孔口出水、出泥,甚至有可能造成喷砂失控,隧道破坏和地面坍塌的恶性事故。同样,在开挖、支护施工中,冻土帷幕发生“开窗”漏水,冻土帷幕融化,也是类似上海轨道交通4号线的灾难事故。b对策性措施。现场预备砂袋、水泥、水玻璃和钢支撑等应急材料以及双液注浆设备,一旦发生冻结管断裂漏砂或出现孔口管脱落现象,利用二次开孔装置封闭,并进行水泥—水玻璃注浆封堵;在钢管片开孔处,预先安装应急防护门,遇有突发事故难以控制,可快速关闭防护门,从防护门预留孔内注浆填充和封闭。工艺研究与技术改进(1)改进冻结孔检测方法冻结管钻孔偏斜率控制直接关系到冻土帷幕交圈质量。目前,在联络通道施工中,一般采用地质罗盘仪进行冻结孔定位和孔位偏斜检测,地质罗盘仪检测角度的精度为±0.5°,很难保证冻结孔偏斜不超过1°。鉴于此,我们自行设计制作了经纬仪检测台架,采用经纬仪进行冻结孔定位和检测,将测角精度提高到6〃以内,很大程度地提高了冻结孔施工精度,确保了检测工作的准确性。(2)钻孔孔口密封控制在进行钻孔施工中,当钻机钻透隧道管片时和夯管锤夯管时,孔口很可能出现涌水涌砂现象,若出现严重的涌水涌砂现象,将引起严重的地层沉降,影响到地面建筑的安全。为此,在施工中研究开发并采用二次开孔方法开孔并安装孔口密封装置,以防止钻透隧道管片和夯管时孔口涌水涌砂,详见图2。(3)改进临时支护方式在天津地铁1号线联络通道及泵站工程设计中,联络通道及集水井临时支护采用格栅支护。但通过研究和结合类似施工的成功经验及水平冻结法施工工艺的特点,我们采用钢支架加木背板的支护方式,外挂钢丝网再喷混凝土支护找平,使施工工艺更加简单、安全、可靠、快速,木背板不但能起到初期支护的作用,而且能延缓水化热的传递,减少开挖冻土暴露后的收敛变形。(4)优化钻孔设备选型在水平冻结法施工的钻孔施工中,一般选择水平钻机进行钻孔,在天津地铁1号线联络通道及泵站工程中,除对穿孔外,其它冻结孔均采用了夯管锤进行冻结孔施工。针对冻结孔的施工特点以及施工场地的限制,采用了煤炭科学研究总院自行研制的MK-5S型水平孔钻机及H190型夯管锤。设备体积要小,搬运灵活。钻杆采用Φ89mm无缝钢管,钻头系自行研制的高精度机械式组合钻头,钻杆即冻结管,实施跟管钻进。夯管法工艺简单、无需后背力;施工方法安全,无需排土,地层泥土不流失、地表沉降容易控制;遇到特殊的土质,如鹅卵石、流沙、地下水等,对夯管施工基本没有影响等优点。应用效果分析工程应用效果通过对国内外联络通道施工所采用的矿山法、顶管法、管棚法和类矿山法(包括冻结法、水泥搅拌加固法和旋喷加固法3种)进行技术可行性、经济合理性、质量性能、环境安全性能等进行比选、论证,确立了水平冻结法联络通道施工技术在天津地铁的可应用地位,并通过实施多项技术难点的应对措施及工艺研究,使水平冻结法在天津地铁1号线的3个区间联络通道得以成功应用。社会效益和科技效益水平冻结法施工技术在天津的应用尚属首次,本文所阐述的联络通道比选研究及其技术难点与工艺研究成果均通过专家评审验收,成果达到国内先进水平。研究成果很大程度地提升了天津市联络通道施工的技术水平,为今后天津地铁联络通道的施工提供了技术支持与借鉴,具有很好的应用前景,获得了良好的社会和科技效益。