凍結(jié)技術(shù)在青島地鐵富水砂層聯(lián)絡(luò)通道的應(yīng)用研究

1、 凍結(jié)技術(shù)在青島地鐵富水砂層聯(lián)絡(luò)通道的應(yīng)用研究 摘要：結(jié)合青島地鐵1號(hào)線(xiàn)某項(xiàng)目施工實(shí)例，介紹地鐵盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道在富水砂層條件下凍結(jié)技術(shù)的應(yīng)用研究，就凍結(jié)孔布置、凍結(jié)設(shè)備和參數(shù)的選擇等方面進(jìn)行較為詳細(xì)的闡述，總結(jié)出聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法技術(shù)施工風(fēng)險(xiǎn)的控制措施，并在工程應(yīng)用中收到了良好的效果，為今后富水砂層地質(zhì)條件下類(lèi)似的聯(lián)絡(luò)通道施工具有較大的借鑒和指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞 盾構(gòu)區(qū)間 聯(lián)絡(luò)通道 富水砂層 凍結(jié)技術(shù)1.前沿凍結(jié)技術(shù)起源于天然凍結(jié)現(xiàn)象，憑借著安全可靠性好、環(huán)境污染小、加固土體強(qiáng)度較高、止水性能好、靈活性好等特點(diǎn)，已普遍應(yīng)用于國(guó)內(nèi)城市軌道交通工程中盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖、復(fù)雜地質(zhì)條件下暗挖隧道的地層加固

2、等領(lǐng)域。本工程作為青島首個(gè)引入凍結(jié)法施工的地鐵項(xiàng)目，依托凍結(jié)法技術(shù)應(yīng)用，成功解決了富水砂層條件下重大風(fēng)險(xiǎn)施工等問(wèn)題。水平凍結(jié)法技術(shù)是指首先在開(kāi)挖掌子面范圍內(nèi)打設(shè)一定數(shù)量的凍結(jié)孔，凍結(jié)孔須與聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖方向基本平行或者輕度傾斜，然后在凍結(jié)孔內(nèi)安裝循環(huán)管道，通過(guò)循環(huán)管內(nèi)的低溫鹽水流動(dòng)循環(huán)，使凍結(jié)孔周邊的含水土體凍結(jié)，形成一圈止水性能好、抗壓強(qiáng)度高的帷幕，等待加固土體達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度、帷幕達(dá)到設(shè)計(jì)厚度后進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道土體開(kāi)挖施工。凍結(jié)法施工中的重難點(diǎn)是判斷是否有效形成凍結(jié)帷幕；并依據(jù)凍結(jié)帷幕厚度、凍結(jié)土體的強(qiáng)度和溫度、凍結(jié)時(shí)間長(zhǎng)短等條件來(lái)確定開(kāi)挖時(shí)間節(jié)點(diǎn)。聯(lián)絡(luò)通道是富水砂層地鐵盾構(gòu)區(qū)間施工的管控難點(diǎn)，也是

3、地鐵盾構(gòu)區(qū)間施工安全風(fēng)險(xiǎn)極高的工程。國(guó)內(nèi)有些城市地鐵建設(shè)過(guò)程中富水砂層條件下的聯(lián)絡(luò)通道施工發(fā)生過(guò)不少事故，因此應(yīng)予以高度重視。2.工程概況青島地鐵1號(hào)線(xiàn)某盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)覆土17m，地勘報(bào)告顯示自上而下的土層依次為：粘土、/1含粘性土粗砂、粗砂礫砂、/9強(qiáng)風(fēng)化安山巖，其中聯(lián)絡(luò)通道地層位于粘土、粗砂礫砂當(dāng)中；場(chǎng)區(qū)地下水賦存在第四系基巖和松散砂土層的裂隙中，地下水的穩(wěn)定水位埋深為8.058.20米，絕對(duì)標(biāo)高為3.8184.59米；地下水流速及流向?yàn)榈?1-1層中砂-粗砂層，整體流速為0.10.75m/d；第12層粗砂-礫砂層，整體流速0.154.81m/d。3.聯(lián)絡(luò)通道土體加固方案比選聯(lián)絡(luò)通道

4、土體原設(shè)計(jì)采用600450旋噴樁加固的方式對(duì)富水砂層附近地層進(jìn)行加固；開(kāi)挖前進(jìn)行水平取芯，芯樣局部不完整，且有水涌出，帶少量泥沙，考慮富水砂層深孔旋噴存在缺陷，止水效果不明顯，為確保安全開(kāi)挖，再次進(jìn)行了洞內(nèi)水平雙液漿加固，加固中管片局部位移，地面裂縫長(zhǎng)度擴(kuò)大后停止注漿；然后采取地面增設(shè)降水井、洞內(nèi)增設(shè)泄水孔的方式進(jìn)行降水，但開(kāi)挖安全仍無(wú)法保證，存在涌水涌砂的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)青島地鐵1號(hào)線(xiàn)工程實(shí)際情況，參照其他城市同類(lèi)地質(zhì)條件的工程經(jīng)驗(yàn)，鑒于聯(lián)絡(luò)通道周邊地層已多次擾動(dòng)，施工條件復(fù)雜等情況，確定采用局部加強(qiáng)的水平凍結(jié)技術(shù)對(duì)現(xiàn)狀地層進(jìn)行加固，確保開(kāi)挖安全。4.凍結(jié)法施工方案本工程凍結(jié)法施工方案是首先利用水

5、平孔或傾斜孔使含水土體凍結(jié)，聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖土體及周邊土體得到凍結(jié)加固，然后進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道管片破除和土體暗挖施工，待二襯結(jié)構(gòu)施工完畢后進(jìn)行自然解凍和融沉注漿；凍結(jié)孔布置、制冷系統(tǒng)/鹽水系統(tǒng)設(shè)備安裝、積極凍結(jié)、開(kāi)挖初期支護(hù)為本工程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；凍結(jié)施工沉降監(jiān)測(cè)、土體凍結(jié)強(qiáng)度、凍結(jié)溫度及孔內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)是凍結(jié)施工的管控重點(diǎn)。4.1凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)首先對(duì)盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行分析，然后通過(guò)假設(shè)在設(shè)計(jì)凍結(jié)溫度和凍結(jié)帷幕厚度下的凍結(jié)強(qiáng)度，分析計(jì)算凍結(jié)帷幕安全指標(biāo)系數(shù)，從而得到凍結(jié)孔的布置設(shè)計(jì)。此工程設(shè)計(jì)凍結(jié)孔共計(jì)92個(gè)（右線(xiàn)65個(gè)，左線(xiàn)27個(gè)），凍結(jié)孔布置剖面圖詳見(jiàn)圖1。圖1 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔分布

6、圖4.2凍結(jié)設(shè)備和參數(shù)的選擇凍結(jié)設(shè)備選用的冷凍機(jī)機(jī)組型號(hào)為jyslgf300iii，工況制冷量12.3104kcal/h，電機(jī)功率110kw，數(shù)量2臺(tái)，其中1臺(tái)備用。凍結(jié)系統(tǒng)輔助設(shè)備有：（1）鹽水循環(huán)泵選用型號(hào)為is200-150-315，電機(jī)功率55kw，揚(yáng)程32m，流量315 m3/h，數(shù)量2臺(tái)，1臺(tái)備用；（2）冷卻水循環(huán)設(shè)備選用的清水泵型號(hào)為10sh-19，電機(jī)功率22kw，流量187 m3/h，數(shù)量?jī)膳_(tái)，其中1臺(tái)備用；（3）冷卻系統(tǒng)主要采用噴淋冷卻設(shè)備，補(bǔ)充新鮮水指標(biāo)為15m3/h。凍結(jié)供冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)是積極凍結(jié)鹽水溫度達(dá)到2830，去路與回路鹽水溫差額小于2，凍結(jié)孔的單孔流量不小于5

7、8m3/h；積極凍結(jié)時(shí)間設(shè)計(jì)指標(biāo)為60天，維護(hù)凍結(jié)期間溫度小于-28。5.凍結(jié)施工風(fēng)險(xiǎn)管控措施5.1凍結(jié)前的風(fēng)險(xiǎn)管控措施（1）安裝預(yù)應(yīng)力支架凍結(jié)過(guò)程中盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)因凍結(jié)壓力的作用，使盾構(gòu)區(qū)間發(fā)生橫向結(jié)構(gòu)變形。為減少變形，在凍結(jié)壁交圈之前在盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)設(shè)置預(yù)應(yīng)力支架。本工程聯(lián)絡(luò)通道共設(shè)8榀預(yù)應(yīng)力支架（圖2），在盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道預(yù)留洞口兩側(cè)的第二、三環(huán)隧道管片中間處設(shè)置。圖2 聯(lián)絡(luò)通道預(yù)應(yīng)力支架設(shè)計(jì)圖及實(shí)際效果圖（2）布置測(cè)溫計(jì)為掌握凍結(jié)帷幕的形成過(guò)程和結(jié)果，凍結(jié)壁是否交圈，凍結(jié)帷幕厚度及凍結(jié)溫度是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，在左右線(xiàn)盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道洞口共設(shè)置12個(gè)測(cè)溫孔（右線(xiàn)布置2個(gè)，左線(xiàn)布置10個(gè)），深度2

8、m10m。（3）布置卸壓孔為了減少凍脹對(duì)工程上方地面以及盾構(gòu)區(qū)間管片的影響，在盾構(gòu)區(qū)間左右線(xiàn)聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖掌子面內(nèi)布置4個(gè)卸壓孔（左、右線(xiàn)各2個(gè)），通過(guò)對(duì)卸壓孔內(nèi)水流量的觀(guān)察以及卸壓孔內(nèi)水壓檢測(cè)，用來(lái)判定凍結(jié)效果。5.2凍結(jié)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)管控措施為了判斷聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕厚度和強(qiáng)度是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，采取以下措施：（1）鹽水降溫情況。自2019年11月16日開(kāi)機(jī)至2019年12月30日，凍結(jié)系統(tǒng)在維護(hù)凍結(jié)設(shè)計(jì)溫度-28以下運(yùn)行，累計(jì)運(yùn)行天數(shù)為45，去路運(yùn)行溫度-29.8，回路運(yùn)行溫度-28.4；去路與回路溫差為1.4，小于設(shè)計(jì)溫差2。通過(guò)去路與回路溫差、鹽水溫度分析，降溫趨線(xiàn)已經(jīng)正常，凍結(jié)范圍內(nèi)的熱負(fù)

9、荷減小明顯，得出結(jié)論凍結(jié)帷幕效果良好。（2）根據(jù)凍結(jié)孔內(nèi)實(shí)測(cè)溫度資料、測(cè)點(diǎn)溫度到達(dá)0的時(shí)間，測(cè)算出凍土發(fā)展速度最小25.8mm/d，最大47.3mm/d，凍土平均發(fā)展速度為34.8mm/d。在聯(lián)絡(luò)通道的中部、兩端三個(gè)位置選取凍結(jié)斷面進(jìn)行凍結(jié)壁厚度分析，使用聯(lián)絡(luò)通道最小凍土發(fā)展速度值25.8mm/d，推算出凍結(jié)壁厚度達(dá)到設(shè)計(jì)2.2m要求，其中聯(lián)絡(luò)通道側(cè)墻最小凍土厚度達(dá)到2214mm，拱頂結(jié)構(gòu)最小凍土保護(hù)層厚度達(dá)到3291mm。（3）觀(guān)察卸壓孔的壓力變化情況。聯(lián)絡(luò)通道左右線(xiàn)4個(gè)卸壓孔的原始水壓為0.1mpa左右，從凍結(jié)20天（12月5日）前后泄壓孔內(nèi)壓力開(kāi)始增長(zhǎng)，凍結(jié)24天（12月9日）壓力漲幅明

10、顯，證明凍結(jié)壁全部交圈；凍結(jié)第27天（12月12日）泄壓孔內(nèi)壓力為0.38mpa；為了防止凍結(jié)壓力過(guò)大對(duì)盾構(gòu)區(qū)間管片造成破壞，開(kāi)始在泄壓孔進(jìn)行卸壓，第一次泄壓時(shí)最初半分鐘內(nèi)有渾水流出，之后變?yōu)榍逅?，泄壓時(shí)間約5分鐘，測(cè)得水流溫度為9.6，測(cè)得水流量為0.27m/小時(shí)；其后每隔一天泄壓一次，泄壓至12月25日無(wú)水流出，說(shuō)明聯(lián)絡(luò)通道在凍結(jié)帷幕的保護(hù)下土體狀態(tài)已穩(wěn)定。5.3凍脹、融沉風(fēng)險(xiǎn)控制措施凍結(jié)法對(duì)于地面建筑物、道路和盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響主要原因是凍脹和融沉。首先，為了減少凍結(jié)施工對(duì)地面建筑物和盾構(gòu)區(qū)間管片結(jié)構(gòu)的影響，在凍結(jié)帷幕內(nèi)設(shè)置多個(gè)泄壓孔，通過(guò)放水卸壓減弱作用在盾構(gòu)區(qū)間管片結(jié)構(gòu)上的壓力；通過(guò)

11、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)區(qū)間管片的變形，推算凍結(jié)施工對(duì)盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)的最終影響；通過(guò)監(jiān)測(cè)鹽水溫度，實(shí)時(shí)調(diào)整來(lái)回路溫差和鹽水流量，確保凍結(jié)帷幕厚度不低于設(shè)計(jì)值；其次為了規(guī)避地面融沉可能對(duì)盾構(gòu)區(qū)間造成不良后果，在二襯結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中預(yù)留漿液注漿管，在結(jié)構(gòu)二襯施工完畢、凍結(jié)停止后進(jìn)行注漿，用來(lái)補(bǔ)償土體溶解下沉，同時(shí)凍結(jié)施工全過(guò)程采取自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段，對(duì)管片結(jié)構(gòu)變形、地面沉降變形、泄壓孔壓力、凍土溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；通過(guò)對(duì)凍結(jié)法施工的全過(guò)程分析，凍結(jié)期間地面上升，開(kāi)挖期間地面基本穩(wěn)定，加固土體解凍期間地面下沉，其中最大累計(jì)沉降量為-10mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于累計(jì)沉降量2cm的設(shè)計(jì)要求，可見(jiàn)水平凍結(jié)法對(duì)地面建筑物和盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)不會(huì)造成不良的破壞影響。6.結(jié)語(yǔ)凍結(jié)法在青島地鐵1號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)區(qū)