9辅助工法

地下工程施工主要是掘进和支护两大工序，当在饱和含水、松软等不良地层中修建时，为保证施工安全进行，需要一些方法加固这些不良地层，这些方法称为辅助工法，常用的有冻土法、注浆法、混凝土帷幕法等。9辅助工法9.1冻土法利用人工制冷技术，将底层冻结之后再进行开挖的辅助施工技术。多用于不稳定表土底层的立井开凿，也适用于地下工程的不稳定底层或含水丰富的裂隙岩层施工。9.1.1原理在地下工程开挖之前，在工程周围打一定数量的钻孔，孔内安装冻结器对底层进行冻结。形成冻结壁是冻结法的中心环节。依赖于冻结系统的三大循环：盐水循环。冷量传递，以泵为动力驱动盐水进行循环。低温盐水在冻结器中流动，吸收其周围底层之热量。氨循环。制冷剂，吸收底层热量的盐水返回到盐水箱后将热量传递给蒸发器中的液氨，压缩机压缩成高温高压的蒸气，冷凝器冷却，热量传递给冷却水。冷却水循环。散发热量。9.1.2冻结制冷设备压缩机冷凝器蒸发器中间冷却器冷凝器9.1.3冻结施工方案一次冻全深。将冻结孔全深一次冻好，制冷能力要求大。分段冻结。从上而下依次冻结。长短管冻结。分长短管布置，上部供冷两比下部大一倍，上部冻结壁形成后掘进，掘砌完后下部恰好冻好。局部冻结。下部或两头需要冻结，需改变冻结器的结构。9.2注浆法将具有充填、胶结性能的材料配制成浆液，用注浆设备注入地层的孔隙、裂隙或空洞中，经扩散、凝固和硬化后，减少岩土的渗透性，增加其强度和稳定性，从而达到封水或加固地层的目的。分为:水泥注浆黏土注浆化学注浆9.2.2注浆工艺地面预注浆在地下工程开凿之前，用钻机沿地下工程的周围钻孔，然后注浆到地层的裂隙中充填。通常用水泥、黏土、水泥-水玻璃。工作面预注浆在地下工程掘至含水层之前，利用工作面与不透水岩帽为保护层或专门构筑止浆垫，从工作面钻孔注浆。9.2.3注浆材料要求：黏度低、流动性和可注性好；凝固时间可调固化时不收缩；稳定性好无毒，不污染9.3混凝土帷幕浇灌混凝土建造防渗帷幕的工程。帷幕底部深入相对不透水岩层一定深度，以阻止或减少地基中地下水的渗透；帷幕灌浆一直是水工建筑物地基防渗处理的主要手段，对保证水工建筑物的安全运行起着重要作用。分类按防渗帷幕的灌浆孔排数分两排孔帷幕多排孔帷幕。地质条件复杂且水头较高时，多采用3排以上的多排孔帷幕。按灌浆孔底部是否深入相对不透水岩层划分：深入的称封闭式帷幕；不深入的称悬挂式帷幕。设计内容：①查清工程地质与水文地质情况；②进行现场灌浆试验，以确定灌浆方法、压力、孔距、排距、材料、质量标准与检查方法，并论证灌浆效果；③确定帷幕轴线位置、帷幕深度、厚度（排数）及平面上的长度；④为以后对帷幕的检查或补强加固创造条件。帷幕灌浆使用的胶凝材料主要是水泥，特殊情况时使用高分子化学溶液，对砂砾石地基多用水泥粘土浆液。施工：混凝土帷幕灌浆的钻孔灌浆按设计排定的顺序，逐渐加密。两排孔或多排孔帷幕，大都先钻灌下游排，再钻灌上游排，最后钻灌中间排。同一排孔多按3个次序钻灌。灌浆方法均采用全孔分段灌浆法。灌浆压力是指装在孔口处压力表指示的压力值。岩石帷幕灌浆压力，表层不宜小于1～1.5倍水头，底部宜为2～3倍水头。砂砾石层帷幕灌浆压力尽可能大些，以不引起地面抬动或虽有抬动但不超过允许值为限。一般情况，灌浆孔下部比上部的压力大，后序孔比前序孔压力大，中排孔比边排孔压力大，以保证幕体灌注密实。灌浆开始后，一般采用一次升压法，即将压力尽快升到设计压力值。当地基透水性较大，灌入浆量很多时，为限制浆液扩散范围，可采用由低到高的分级升压法。在幕体中钻设检查孔进行压水试验是检查帷幕灌浆质量的主要手段，质量不合格的孔段要进行补灌，直至达到设计的防渗标准。9.4具体方法选用条件人工冻结法稳定含地下水的不良地层（包括空隙），技术要求较，成本昂贵，但是与整个隧道掘进代价以及使用其它不成功固结方法相比，还是比较合适的。计划良好的冻结法（使用盐水循环操作）比大型灌浆和降水计划能节省很多。盐水中用了氯化钙，还能避免产生残余环境问题。美国MORETRENCH岩土工程公司FREEZEWALL分部在现有AMTRAK（美国铁路公司）多轨线铁路底下创建的冻结区，让大断面隧道构筑物被通过，动用了2000条冻结管。在困难情况下，冻土法可以通过渗透灌浆帮助形成稳固外壳。形成对地下水流的遏止，以形成全部的冻土屏障。临时性的灌浆密封，只是起到降低和减少水流，因此必须结合冻土法才能形成屏障。具体采用哪种方法或是否综合运用，需要进行以下工作：评估地层条件，包括粒径、多孔性、构筑物和水压地层踏勘资料具备之后，进行规划和设计步骤，计算灌浆孔间距、灌浆选择、化学灌浆和粘胶性灌浆的定制配方，凝固时间、灌浆管的细部包括套管和钻孔准备。选择正确的材料和选用的应用条件。9.5事故案例2003年7月1日，上海轨道交通4号线塘桥站—南浦大桥站区间的中间风井位置发生透水涌沙事故，引起隧道部分结构损坏及周边地区地面沉降。事故工地所处地理位置复杂且缺乏回旋余地。南边是高层的临江大厦，西边紧挨着南浦大桥上匝道，东边则是滔滔黄浦江。2004年2月26日，现场钻孔勘探专家交流后形成了两种修复方案：原位修复和搭桥修复。搭桥方案避开了事故场区，施工风险明显减小，但缺点是动拆迁工作量巨大，且修复后轨道线型不理想。经过科学论证以及专家评审，最后确定了运营线型更为合理但是施工难度更大的原位修复方案。2003年7月1日凌晨4时，35m深的联络通道冻结壁出现缺口，高压力地下水和流砂通过缺口涌向已贯通的两条隧道内，地层水土急速流失，隧道塌陷破裂，地表进而发生大范围沉陷，建、构筑物倾斜、倒塌。由于该段隧道段损坏无法行车，随后开通后的4号线只能“C”状运营，无法环通。4号线管涌坍塌事故因大量水、流砂涌入旁通道，引起隧道受损及周边地区地面沉降，造成三幢建筑物严重倾斜，防汛墙由裂缝、沉降演变至塌陷，隧道区间由渗水、进水发展为结构损坏，附近地面也出现不同程度的裂缝、沉降，并发生了防汛墙围堰管涌等险情。这起工程事故直接经济损失初步估算为15亿元人民币左右。事故介绍事故发生经过：上海市某轨道交通4号线是该市轨道交通环线的东南半环，全长22ｋｍ。目前，全线盾构推进已完成98%、17座车站建设全面展开。发生事故的旁通道工程，位于浦东南路至南浦大桥之间穿越黄浦江底约2公里长的区间隧道内，距离浦西江边防汛墙53ｍ，并且地处30ｍ以下的地下深层，事故发生点位于地下土层第7层。旁通道工程采用冻结加固暗挖法施工，隧道区间的上下行线已经贯通，事故发生时离旁通道贯通尚余8ｍ。轨道交通4号线浦东南路站至南浦大桥站区间盾构推进工程，由上海某隧道公司承建；隧道公司将轨道交通4号线浦东南路站至南浦大桥站区间隧道中间风井、旋喷加固、旁通道、垂直通道、冻结加固及风道结构工程专业分包给某矿山公司上海分公司；2003年3月，某矿山公司上海分公司土体冻结人员开始旁通道冻结法施工——布置冻结管，安装制冷设备。6月24日，开始旁通道开挖施工。6月28日上午约8∶30，施工人员发现隧道内向下行线冻结管供冷的一台小型制冷机发生故障，下午约4:00修复，停止供冷达7小时30分，期间无其他设备供冷。当日下午约2∶00，施工人员在下行线内安装水文观测孔，发现有压力水漏出，随即安上水阀止水，并安装了压力表测量水压。止水后，测得XT1温度测量孔内隧道钢管片交接处土体温度为3℃。当晚约8∶30，某矿山公司上海分公司项目经理周某在现场决定停止旁通道冻土开凿，施工人员将掘进面用木板封住。6月29日凌晨约3∶00，测得水阀处水压与第7层承压水水压接近，温度测量孔内隧道钢管片交接处土体温度为8.7℃。6月30日，交接处土体温度为7.4℃，周某决定用干冰加强冻结，于当日下午约3∶30，用150ｇ干冰敷于下行线隧道内壁中线以下部位。当晚约8∶00，周某检查时发现干冰气化所剩无几，钢管片有结霜现象。7月1日零时许，某矿山公司上海分公司项目副经理李某指挥当班班长任某安排施工人员拆除冻土前掘进面部分封板，准备安装混凝土输送管。约1小时后，此孔打至下行线隧道钢管片。凌晨约4时，现场工人发现此孔洞下部有水流出，立即用水泥封堵。约10分钟后，发现流水不止，便派员迅速进行了汇报。不久掘进面右下角开始出水，且越来越大，在场工人用棉被、泥土袋、水泥包等材料封堵。约6∶00，隧道内发出异响，情况危险，施工人员撤出现场。随后，因大量水、流砂涌入旁通道，引起隧道受损及周边地区地面沉降，造成三幢建筑物严重倾斜，防汛墙由裂缝、沉降演变至塌陷，隧道区间由渗水、进水发展为结构损坏，附近地面也出现不同程度的裂缝、沉降，并发生了防汛墙围堰管涌等险情。事故原因分析1技术方面首先，旁通道《冻结法施工方案调整》存在欠缺。经过工程试验和试点，冻结法施工工艺在上海多项地铁工程建设中曾取得过成功。2002年6月，隧道公司项目部结合某矿山公司上海分公司编制的《风井及旁通道工程施工组织设计》，编制了《明珠线二期浦东南路站——南浦大桥站区间隧道工程施工组织设计》，并通过了上海某隧道公司盾构分公司、隧道公司的审批和监理单位的审定。2003年3月，某矿山公司上海分公司项目部对原施工组织设计进行调整，制订了《冻结法施工方案调整》。2003年4月7日，经某矿山公司副经理、总工程师李某批准，但方案调整未按规定经过盾构分公司、隧道公司的审批及地铁监理公司审定，隧道公司项目部也未编制相应调整的施工组织设计。调查组专家认定：方案调整存在欠缺。调整后的方案，降低了对冻土平均温度的要求，从原方案－10℃减少到调整方案的－8℃；下行线选用的小型制冷机，计算时未考虑夏季施工冷量损失系数，制冷余量不足；旁通道处垂直冻结管由原方案24根减少到22根，并将其中原为25米深的7根垂直冻结管中的4根减少到14米，3根减少到16米，造成旁通道与下行线隧道腰线以下交汇部冻土薄弱；下行线仅设单排6个冻结斜孔，孔距10米，数量偏少，间距偏大，其冻结效果不足以抵御该部位的水土压力。其次，在旁通道冻结条件不太充分的情况下，进行开挖。根据方案，要求冻结时间需要50天，而上行线5月11日开始冻结。旁通道6月20日开挖，实际6月24日开挖，冻结时间仅43天。下行线冻结不充分，末满足开挖条件。6月24日下行线盐水去路温度为－23.9℃，回路温度为－21.1℃，去、回路温差为2.8℃，大于开挖时盐水去、回路温差的要求。旁通道冻结开挖施工设计存在缺陷，施工中冻土结构局部区域存在薄弱环节，并又忽视了承压水对工程施工中的危害，导致承压水突涌，是事故发生的直接原因。2管理方面施工单位对险情征兆没有采取有效制止措施。6月28日上午，下行线小型制冷机发生故障，停止供冷7小时30分。下午约2∶00，施工人员在下行线隧道内安装水文观测孔，发现一直有压力水漏出。虽立即安上水阀止水，并安装了压力表测量水压，但当止水后测得土体温度上升时，尽管采取了一定的措施，但效果不佳。6月29日凌晨约3∶00，测得该处水压为23ｋｇ／ｃｍ２(与第7层承压水水压接近)，没有采取紧急降水降压措施。不仅险情征兆没有得到及时排除，而且未向隧道公司及监理公司汇报，遂使险情逐步加剧。施工单位现场管理人员在险情征兆已经出现的情况下严重违章、擅自凿洞。7月1日零时许，项目副经理李某在旁通道冻土结构存在严重隐患、工程已停工情况下，擅自指挥拆除掘进面部分封板，从旁通道向下行线隧道钢管片方向用风镐凿出直径02米的孔洞，准备安装混凝土输送管。正是由此孔洞出水，其出水点逐渐下移，水砂从掘进面的右下角和侧墙下角不断涌出，以致封堵无效，酿成事故。监理单位现场监理人员失职。在旁通道施工期间，现场监理部无冻结法施工专业技术监理人员。总监代表李某负责施工监理，未对调整后的方案进行审定。6月24日旁通道开挖后，到7月1日发生事故期间，仅在6月25日、30日下井检查过两次，未及时发现和制止险情。6月29、30日的监理日记却记载“各项工作均正常”，无任何有关险情征兆的记录。6月24日至30日旁通道晚上加