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XXX中间风井基坑围护与封底冻结施工方案2001年12月1一、工程概况上海轨道交通明珠线二期XXX站——XXX站区间中间风井位于里程SK11+949.6处、中山南路与外马路之间、董家渡路南侧，西边紧挨上海市音像制品公司，东边毗邻文庙泵站和黄浦江大堤。中间风井上部为矩形竖井，竖井内侧矩形的顶点坐标分别为（27811.585,18397.5464）,（27816.0018,18407.5552）,（27796.6213,18416.1078）,（27792.2044,18406.099），地坪和井底标高分别为+4.250和-18.930，容积为20.984m（长）×10.74m（宽）×23.18m（深），结构风井的外围墙体厚度为380mm，底板厚度为1400mm。按原设计，基坑围护采用1.2m厚地下连续墙，其深度为29.85m（隧道上方）～45m。竖井底部由两个矩形暗井分别与下方的上行线隧道和下行线隧道相连，暗井的平面尺寸均为7.82m（长）×3.176m（宽），外围混凝土墙厚度为500mm。暗井中间设隔墙，隔墙厚度为350mm。上行线隧道与下行线隧道中心设计标高分别为－29.737m和－30.049m，隧道中心线水平距离为10.984m。两隧道之间设旁通道和泵站。按原设计，两个暗井、旁通道及泵站均考虑采用旋喷法加固地层。本方案为冻结法施工方案，即用冻土帷幕作为竖井、暗井、旁通道及泵站施工的围护结构。二、工程地面环境及地层特点中间风井位于黄浦江西岸，地势平坦，东侧距文庙污水泵站7~8m，风井内衬结构轮廓线距地下污水管道只有4m左右；西侧紧靠上海音像制品交易市场大楼，风井内衬结构距楼房基础约3m。上海音像制品交易市场大楼为5层混合结构，条形基础，估计抗地层不均匀沉降能力较差。根据Q10G16和Q10G17钻孔柱状，中间风井附近地面标高大致为+3.86m～2+4.23m，自上而下地层分布为：①杂填土，层厚6m～2m，层底标高-2.14m～+2.23m；②2灰色粉质粘土，层厚10.5m～13.6m，层底标高-12.64m～-11.37m；⑤1灰色粘土，层厚3.5m～5.1m，层底标高-16.14m～-16.47m；⑤-2灰色粉质粘土，层厚4.5m～3.9m，层底标高-20.64m～-20.37m；⑥暗绿色粉质粘土，层厚4.3m～4.4m，层底标高-24.94m～-24.77m；⑦1草黄色砂质粉土，层厚9.2m～8.5m，层底标高-34.14m～-33.27m；⑦2灰黄色粉砂，层底标高-51.14m（未钻透）。根据土工试验资料和过去的施工经验，②2、⑤1和⑤2层土的含水量高、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。其中②2层土局部砂性较大，透水性好，可能与黄浦江有水力联系，其稳定性最差。⑤1和⑤2层土基本上可为隔水层，其稳定性也比②2层土要好。⑥层土呈硬塑～可塑状，稳定性好，为良好的隔水层。⑦层土为透水性良好的含水砂层，承压水水头大约为地面以下10m，但其密度较高，承载力较大。三、施工难点及关键技术措施根据上述施工条件，本方案考虑采用冻结法进行中间风井和旁通道施工的地层加固围护施工。据初步分析，采用冻结法施工的技术关键有以下几个方面：1、地表变形问题由于中间风井开挖边界离上海音像制品交易市场后楼仅2m左右，该楼房为混合结构，采用条形基础，其抗地层不均匀变形的能力很差，因此，在钻孔、地层冻结和开挖构筑时必须采取措施，严格控制附近地表的隆起和沉降。1）冻结孔钻进前先施工锁口（圈梁），深度约为1.5m，防止施工时地3表土层水平位移。2）施工冻结孔时采用优质泥浆循环，以免塌孔引起地表沉降。3）上海音像制品交易市场后楼附近的冻结孔倾斜钻进，并对浅部冻结管进行隔热处理，使冻土帷幕不扩入楼房基础下，从而进一步减小地层冻胀对楼房基础的影响。4）设计较厚的冻土帷幕（布置双排冻结孔），并采取两层支护方式（初衬和内衬），确保围护结构的承载力和稳定性。5）采用顺作法和逆作法相结合的方法。即初衬用逆作法，自上而下分七节施工，每节架设预应力钢支撑；内衬及内部结构分两段施工，第一段为一、二、三层，第二段为四、五层，段内顺作法施工，一～四节初衬完工后施工第一段内衬及内部结构，然后再施工五～七节初衬和第二段内衬。这样可以增加竖井深部冻土帷幕及冻土底板的厚度，并提高上部结构的支撑刚度和强度，减少钢支撑用量。６）冻土帷幕解冻时，在附近房屋周围进行地层跟踪注浆，控制地层沉降量。根据过去经验，采取以上措施后，估计冻结施工引起的地层变形可以控制在规定要求的范围之内。２、基底地层稳定性与旁通道周围地层加固问题在中间风井底板下有4.3m～4.4m厚隔水性良好的⑥暗绿色粉质粘土层，但是由于基坑深度大，且⑥层土下即为透水性很好的含水砂层，其承压水压力高，⑥层土很可能在基坑开挖时发生大的隆起，甚至破坏，因此有必要对基地地层进行加固。同时，加固基底地层也有利于控制冻土帷幕水平位移，减小开挖时的地表沉降。设计在上、下行线隧道内施工冻结孔，形成“V”字形冻土帷幕底板，并与冻土帷幕竖井形成封闭结构。“V”字形冻土帷幕底板位于隧道下，不4但可大大提高风井基底的承载和隔水性能，同时也解决了暗井和旁通道施工时的地层加固和隔水问题。由于暗井和旁通道在冻土帷幕包围之中，它们可以用普通的矿山法施工，边挖边架设临时支护，必要时（如在砂层中）可以采取降水和打钢板桩等措施提高土层的稳定性，以免开挖时坍塌。３、地层冻结、隧道推进与开挖构筑工序合理配合问题由于上、下行线隧道、中间风井、旁通道等立体交叉，施工工序较复杂，工程要求总工期比较紧张，有必要在确保施工安全和技术可行的前提下，合理施工顺序与进度，以有利于缩短施工工期、降低施工成本。１）在第二条隧道推进到位前，施工风井锁口和冻结孔。晚推进的第条隧道正上方的冻结孔在该隧道推过去后下冻结管，保证冻结管下入深度能达到隧道管片表面。2）第二条隧道推过去后立即进行竖井积极冻结。冻土帷幕交圈后10至15天即进行竖井开挖和结构施工，开挖时继续进行积极冻结。3）开挖后即开始“V”字形冻土帷幕底板冻结。在上方竖井开挖到第三层时，“V”字形冻土帷幕底板应交圈封闭，开挖竖井第二段时冻土帷幕底板达到设计厚度。4）暗井和旁通道开挖和结构施工均在竖井内施工，封底冻结采用从地面钻孔穿透隧道管片供冷，以免暗井与旁通道施工及封底冻结影响隧道铺轨。四、冻土帷幕设计冻土帷幕由等厚度矩形竖井和“V”字形底板两部分组成。冻土帷幕竖井的内边界为开挖断面，冻土帷幕深入隧道以下，因而在隧道处形成“∩”字形缺口。“V”字形冻土帷幕底板在两条隧道下方并与隧道管片相切。5设计“V”字形冻土底板的厚度为2m。根据以往经验，要求地连墙插入基底深度为开挖深度的0.6倍。冻结封底范围平均深度接近40m,加上冻土和⑥、⑦1层土的强度比浅部土体要高数倍，故可以确保竖井开挖时的基底稳定。设计竖井冻土帷幕的厚度为3.4m。冻土的抗折、抗剪和抗压强度分别为1.5MPa、1.8MPa和4.5MPa冻结孔布置详见附图。竖井冻土帷幕设计两排冻结孔，排间距为0.8m，外排冻结深度为30m，冻结孔数为56个，内排冻结深度为45m，冻结孔数为52个。开孔间距为1.06m（风井长边）～1.10m（风井短边）,成孔控制间距为1.5m。底板冻土帷幕设计冻结孔开孔间距１m，成孔控制间距为1.2m，短冻结孔长度为５m，长冻结孔长度为8m，短冻结孔和长冻结孔数均为32个。竖井冻土帷幕冻结孔总长度为4020m。底板冻土帷幕冻结孔总长度为416m预计竖井冻土帷幕交圈时间为30天，冻土帷幕达到设计厚度时间为60天。预计底板冻土帷幕交圈时间为20天，冻土帷幕达到设计厚度时间为40天。其它冻结施工设计参数如下：1、设计最低盐水温度为-26～-30℃，并要求冻结15天盐水温度达到-20℃。2、冻土帷幕平均温度不高于-10℃。。3、冻结孔单孔盐水流量为7～10m3/h。4、冻结管规格为φ127×6mm。5、设测温孔4个,深度40m。每个测温孔管内布置5～8个测温点。设水文孔3个，1个深度28m,其余深度22m。水文孔兼作降水孔。6、冻结需冷量：冻结管的散热系数取300kcalh-1m-2，冷量损耗取20%。竖井冻结冻结总需冷量为：Q=0.127×3.14×4020×250×1.15=461124kcal/h6底板冻结冻结总需冷量为：Q=0.127×3.14×416×250×1.15=47718kcal/h选用YSLGF600型制冷机组3套。冻结施工设计参数详见表1。表1主要冻结施工参数一览表序号参数名称单位数量备注1地层加固体积m32冻土帷幕设计厚度m3.4/2基坑/封底，以下皆同3冻土帷幕平均温度℃-10取冻土抗折、抗剪和抗压强度分别为1.5MPa、1.8MPa和4.5MPa４冻土帷幕交圈时间天40/205积极冻结时间天85/406冻结孔个数个108/647冻结孔成孔控制间距m2/1.28冻结孔允许偏斜%0.59设计最低盐水温度℃-26～-30冻结15天盐水温度达-20℃以下10维护冻结盐水温度℃11单孔盐水流量m3/h7～1012冻结管规格mmφ127×6无缝钢管；围护冻结孔mmφ95×7无缝钢管；封底冻结孔13水文孔个数个4管材同冻结管14水文孔深度m22,2815测温孔个数个416泄压孔深度m4017冻结孔总长度m4700包括冻结孔、测温孔、水文孔718冻结总需冷量kcal/h461124/47718工况条件五、施工流程平整场地和施工锁口——施工围护冻结孔——积极冻结，施工封底冻结孔——竖井开挖，封底冻结——自上而下分两段（第一段施工1~3层结构，第二段施工4~5层结构）施工竖井，段内分节（每节3~4m）逆作法施工初衬，设钢支撑，并进行井内降水——竖井封底后施工暗井——施工旁通道——停止冻结——地层跟踪注浆。详见施工流程图。六、施工进度及资源配置6.1施工进度冻结施工准备工期5天。锁口施工20天。竖井冻结孔施工和冻结站安装均为30天，盐水管路安装5天，积极冻结60天，开挖与结构施工100。底板冻结孔施工10天，盐水管路安装3天，积极冻结40天。暗井和旁通道施工40天。从开始施工冻结孔到旁通道施工结束总工期为7个月，从第二条隧道推进过风井位置至旁通道施工结束工期不少于170天，从第二条隧道贯通到旁通道施工结束工期为115天。施工进度计划见表2。6.2劳动力配备打钻和冻结安装施工人员约55人，其中施工管理人员10人，施工作业人员45人。6.3水、电用量冻结钻孔施工和冻结站安装期间用电约为200kw。积极冻结时最大用电量约为750kw。冻结运转期间新鲜冷却水补给量约50m3/h。86.4冻结施工用地冻结站设在基坑附近，设备布置及占地面积约200m2。参见“冻结站布置与冻结系统简图”。9表2工程进度计划表编号工序工期开工完工工程进度(天)(天)日期日期204060801001201401601802002202401施工准备52锁口施工203冻结孔施工304冷冻系统安装305盐水管路安装156竖井积极冻结607竖井维护冻结1058竖井结构施工1009暗井和旁通道施工4010封底冻结系统安装2511封底冻结11011