大型泥水平衡盾構(gòu)穿越冰凍區(qū)凍結(jié)技術(shù)研究

大型泥水平衡盾構(gòu)穿越冰凍區(qū)凍結(jié)技術(shù)研究

上海延安東路隧道位于延安東路隧道南側(cè)約60.100m的規(guī)劃交叉口。從浦東曹家遺址到達大約500米寬的黃浦江，到達浦西延安東路盛澤交叉口，全長2207.5m。其中，圓形構(gòu)隧道1290.5m，最大埋深36m，最大跨海段最小覆土厚度7m。圓隧道內(nèi)徑9.9m,外徑11.22m,采用日本引進的大型泥水平衡盾構(gòu)施工。圓隧道全部采用預(yù)制鋼筋混凝土管片的襯砌形式。凍結(jié)工程位于金陵東路與江西路交匯處附近(見圖1)。該區(qū)長37.0m,寬16.8m,土層分布情況為:0～-2.0m為填土;-2.0～-3.0m為褐黃色粉色粘土;-3.0～-14.0m為灰色淤泥質(zhì)粘土,盾構(gòu)基本處于強度低、穩(wěn)定性差的灰色淤泥質(zhì)粘土中。該區(qū)覆土厚約4.23～6.50m,僅為盾構(gòu)安全極限厚度(1.5D=16.80m)的1/3～1/4。在江西路段,由于路面開挖,覆土厚僅為2.5m,約為安全厚度的1/7,是整條隧道覆土最淺段。該工程與40層高的工商大廈相接,南側(cè)距金陵東路約2.0m,西與1號工作井直接相連,北離延安東路隧道地面風(fēng)塔約12m。由于覆土太淺,一般的加固技術(shù)不能滿足強度要求,經(jīng)多種方案的比較,決定采用凍結(jié)加固方案。1試驗設(shè)計和施工在進孔段的冰凍加固1.1凍結(jié)管的布置凍結(jié)加固范圍從工商大廈到工作井,加固長度37m。在隧道的橫向,延伸到隧道外側(cè)2.8m。對于凍結(jié)管的布置,有水平和豎直方向兩種。如果沿水平布置,則必須從工作井內(nèi)打水平孔,勢必對井壁造成破壞,而且鉆孔和凍結(jié)管的安裝困難。豎直方向的布置則避免了這些問題。最后采用從地面鉆孔的垂直凍結(jié)方案。1.2快速凍結(jié)的鋼拱式凍結(jié)體在布孔方式上,考慮到江西路因管線暴露,覆土最淺,采用加密(間排距1.0m)加粗(?140)凍結(jié)管的措施,進行強化凍結(jié)。其它地方間排距為1.4m,凍結(jié)管半徑為110mm。另外,考慮到盾構(gòu)推進方便,在圓形盾構(gòu)的外側(cè),保留0.5m的未凍區(qū),最后形成如圖2(a)、(b)所示的棚拱式的冰凍體。沿江西路兩側(cè),凍結(jié)管的間排距為1.4m。1.3社會主義設(shè)備在生產(chǎn)水循環(huán)池上的應(yīng)用,其凍結(jié)施工選用螺桿式制冷壓縮機。它只有旋轉(zhuǎn)運動部件,動平衡性好,具有占地面積小,重量輕的優(yōu)點。同時,采用噴油冷卻,減少了冷卻水用量。配合高效節(jié)水的玻璃鋼冷卻塔,省電,安裝時間短,減少了水循環(huán)池,運轉(zhuǎn)維護簡單,搬運方便,自動化程度高。通過這兩項技術(shù)措施,大大減少了占地面積,機組占地面積不到30m2,適應(yīng)了城市施工的特點。2凍結(jié)溫度、應(yīng)力、位移監(jiān)測整個凍結(jié)施工過程,包括從凍結(jié)開始,到盾構(gòu)推進結(jié)束的解凍和充填注漿,凍結(jié)土體的熱力學(xué)性質(zhì)發(fā)生、經(jīng)歷了劇烈的變化,并由此對施工和環(huán)境產(chǎn)生影響。為了解凍結(jié)加固體的擴展速度,凍結(jié)壁厚度和強度,掌握凍結(jié)和掘進過程泥漿壓力、注漿壓力以及其他各種力綜合產(chǎn)生的二次應(yīng)力的變化情況,觀察并控制地表及地層內(nèi)部位移的變化,凍結(jié)施工過程中就土體溫度、應(yīng)力、位移進行了實測。利用軸對稱特性布置的測孔狀況如圖3所示。由于測溫孔內(nèi)安設(shè)熱電偶測點,而在下放的套管外壁上安裝壓力傳感器。因此測溫孔與測壓孔是一致的。為了量測土體的分層變形,在全區(qū)范圍內(nèi)還布置了地層變形測孔。2.2土體溫度分布情況,主要有溫延安東路速度復(fù)線凍結(jié)施工中,開發(fā)使用了溫度傳感器(熱電偶)、工業(yè)型數(shù)據(jù)采集器和微機形成的自動檢測系統(tǒng)。圖4是利用該系統(tǒng)所測得248孔3.8m和7.0m深對應(yīng)的溫度變化情況。各點溫度變化都經(jīng)歷了線性下降、平緩下降、線性下降和解凍升溫幾個特征階段。在正溫階段下降迅速,而在零溫度附近則變化平緩,為交圈期,隨后又迅速下降。實測最低溫度為-29.7℃,平均土體溫度約為-27.8℃。沿深度方向,凍結(jié)棚拱的中部溫度最低,淺部由于熱輻射作用溫度略高,在凍土體的底部,因熱傳導(dǎo)作用,溫度由負溫逐漸過渡到零溫度。沿水平方向,凍結(jié)管位置溫度最低,相鄰兩凍結(jié)管的中部溫度最高。2.3凍結(jié)壓力隨時間的變化壓力傳感器為TYJ20鋼弦式土壓力計,配以ZXY2D型鋼弦式頻率計形成壓力檢測系統(tǒng)。圖5是248測孔1.5m(曲線2)、2.5m(曲線3)、7.0m(曲線1)土體凍結(jié)壓力隨時間的變化情況。由圖看出,沿深度方向,土體壓力變化是頂部小、中部大、深部小的變化趨勢,類似于溫度場的變化。將圖5與圖4對比,在凍結(jié)第10～20d,即交圈期,土體的應(yīng)力發(fā)生突變。應(yīng)力突變主要是由于在這一時期,大量水分相變,體積急劇膨脹所致。而中部應(yīng)力大,淺部和深部應(yīng)力小則是因為淺部應(yīng)力部分得到釋放,深部土體溫度較高的緣故。2.4地表位移變化沿凍土不同深度地層和地表都設(shè)有位移測點。圖6是江西路路面205測孔地層位移變化情況。其中曲線3為地表位移變化,曲線2、1分別為1.0m、2.0m深的位移變化曲線。由圖看出,沿深度方向,地層越深,位移越小,在凍土體底部實測到的位移很小,約為4mm,而在2.0m深,最大位移約為6cm,地表最大凍脹位移達21cm。在凍土體底部有位移,主要是由于未凍土中的水分向凍土中遷移所致。3土體應(yīng)力分析工程實測表明,軟土經(jīng)凍結(jié)加固后,盾構(gòu)推進對土體的位移擾動很小,地表變形甚微,最大位移小于1mm。與凍結(jié)過程中因凍脹引起的地表變形變化相比,可忽略。這主要是由于本次土體凍結(jié)溫度低,凍土的強度高。但土體的應(yīng)力變化較明顯,表現(xiàn)為水平應(yīng)力的減小,部分測點甚至由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力,特別是沿軸線上方的土體,變化最大。本次施工采用的是泥水平衡盾構(gòu),在刀盤前方有0.2～0.3MPa的泥漿,用以平衡正面土體壓力。泥水壓力作用,使得凍土體沿速度橫截面的徑向受壓,切向受拉。圖7是盾構(gòu)掘進時土體壓力變化情況。曲線1、2、3分別為中區(qū)236測孔2.5m、0.5m、1.5m處的水平壓力變化情況。從第30d開始,土體的壓力一直處于下降階段,但在第36d,盾構(gòu)處于掘進狀態(tài)時,土體壓力呈跳躍下降,停止推進時,又恢復(fù)正常下降狀態(tài)。4掘進壓力和速度設(shè)定泥水平衡盾構(gòu)掘進施工中的切口泥水壓力控制至關(guān)重要,直接關(guān)系到切口正面土體的穩(wěn)定。整段推進切口水壓實際設(shè)定為0.099MPa。而理論設(shè)定為0.123MPa。施工中的同步注漿為13m3/環(huán),平均壓漿是1.1m3/環(huán),平均注漿壓力0.4～0.5MPa。在泥水平衡盾構(gòu)掘進中有兩個重要指標(biāo),即每環(huán)掘進中的土砂量和干砂量積算值,這兩個值越接近理論值表明開挖面穩(wěn)定切口越好。本段施工土砂量積算值為98.21m3(理論99.2m3),干砂量為46.76m3(理論46m3)。5凍結(jié)施工中降低凍脹和土江西路路面下有許多管線,如上下水道、煤氣管道、電力與通訊電纜等,不允許地層有大的變形,凍結(jié)施工中,我們采取以下措施,有效減小凍脹的影響:①將重要管線暴露并懸吊;②同步跟蹤注漿,降低掘進下降量;③凍結(jié)邊界設(shè)置卸壓溝槽,減小凍結(jié)對周圍環(huán)境的影響。這些措施,有效地保護了重要的管線和周圍的建筑物與建筑設(shè)施,加固效果良好。6覆土進洞施工延安東路速度南線工程盾構(gòu)進洞段土體凍結(jié)