人工冻结法在富水砂层地铁洞门加固工程.doc

专业知识分享版摘 要:哈尔滨市轨道交通一号线太平桥站交通学院站左线洞门加固工程处于富水砂层，地面道路交通繁忙，地下管线众多，采用冻结法垂直加固土体。通过与上海和天津的洞门加固工程的地质条件冻结特性的对比，提出富水中砂层地质条件下工程的难点，在设计中通过计算，确定了冻结帷幕施工参数。在施工中严格控制冻结孔施工、冻结站运行及冻结监测等关键施工措施，并在设计和施工中采取了加大冻土厚度和冻结孔直径、缩短孔间距、冻结管串并联等针对性措施，保证了工程的安全。关键词:地铁隧道 人工冻结法 富水中砂层 洞门加固工程 人工冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与基坑内部的联系，以便在冻结壁的保护下进行井筒或地下工程掘砌施工的特殊施工技术。其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层，目前在城市地铁建设中广泛应用于联络通道，盾构进出洞的洞门加固，排水管修复等工程中1-4。然而在哈尔滨地区富水中砂层中使用冻结法进行洞门加固并未见报道。 文中以哈尔滨市轨道交通一号线太平桥站交通学院站区间左线盾构接收井洞门加固工程为例，针对在富水砂层中冻结特点在设计和施工中进行了优化。 1工程概况 哈尔滨市轨道交通一号线太平桥站交通学院站区间起点位于哈尔滨市道外区南通大街与东直路交汇处的太平桥站( CK14 +876. 70) ，终止于道外区东直路上的 交 通 学 院 站 ( CK15 + 494. 60) ，区 间 全 长 约617. 90 m。轨顶设计标高为 100. 789 107. 937 m，采用盾构法施工。根据地质资料，场区地势比较平坦，属松花江漫滩区。1. 1工程地质条件 左线接收井地层从上至下依次为: 1杂填土层、1T3粉质黏土、1粉质黏土、3中砂。地质柱状图如图 1。其中1粉质黏土为潜水层，1T3粉质黏土透水性微弱，可以作为相对隔水层。3中砂为孔隙微承压含水层，赋水性较好，透水性较强( 平均渗透系数为8 893 10 6cm / s，最大渗透系数为21 500 10 6cm / s，属强透水层) 。盾构机主要穿越中砂层，已采用其它加固方法加固，图中加固区域为其它施工方法加固范围。 根据水文资料，场区地下水位比较高，在地面下 3m 处，分为潜水、孔隙微承压水承压水。太平桥站至交通学院站正线明开段潜水水位为地面以下 3. 5 4. 1 m，高程 116. 31 116. 80 m 之间; 微承压水水位为地面以下 5. 07 m，高程 115. 3 m，水头高度为 3. 53 m;承压水水位为地面以下 9. 27 m，高程 111. 10 m，水头高度为 15. 23 m。1. 2周围管线及建筑物情况 在盾构接收区域正上方及一侧主要管线有高压主电缆、主排水管，周围 10 m 外有建筑物。 鉴于盾构穿越区域为中砂层，微承压含水层，透水性较强，前期加固效果较差，为了保证盾构接收井前洞门能安全破除，对洞圈周围区域采用冻结法进行加固施工。1. 3工程重难点 不同的地区土层不同，因此在冻结设计中难点不同，需要考虑的重点也有所区别，各地区冻土层、特性对比见表 1。 由表 1 可以看出，虽然中砂的冻土强度高，渗透系数大，静水条件下冻土发展速率大，但是融化速率也大。相对于上海和天津的类似工程，本工程的难点在于如何在地下水流速快的情况下保证冻土的有效厚度和强度。因此保证冻土的交圈时间和洞门的安全破除是冻结方案设计中需要重点考虑的。在冻结设计时采取了加大冻结壁厚度，冻结施工采用?133 无缝钢管，3 排孔小间距的布孔方式及冻结孔串并联的循环方式来保证工程安全。 2冻结方案设计2. 1冻结帷幕设计 洞口采取板状冻结方式加固。冻结加固体在盾构出洞破壁时起到抵御水土压力，防止土层塌落和泥水涌入工作井。该进洞口冻结加固体，其计算模型示意如图 2。采用日本结算理论计算加固体厚度并用结构静力计算进行复核。 应用重液理论计算水土压力: P = 0. 013H 0. 312 MPa。其中，P 为计算点的水土压力，MPa; H 为计算点深度，m。 假定加固体为整体板块而承受水土压力，运用日本计算理论计算加固体的厚度 计算得冻土墙厚度为 2. 6 m。具体计算参数及结果见表 2。 同时可按以下结构静力计算公式验算，其公式为 计算参数及结果见表 3，计算得加固体最大弯拉应力小于冻土弯拉强度 max。2. 2冻结管布置 冻结孔布置时充分考虑到地质情况和工期要求，在接收井连续墙外侧布置 3 排冻结孔，冻结管选用?133 无缝钢管，计 50 个冻结孔，呈梅花形布置，孔间距750 mm，排间距1 000 mm。冻结有效厚度为隧道轴线方向上、隧道左右侧和上方冻结壁厚度均为 3 m，隧道下方冻结壁厚为 4 m; 冻结孔布置如图 3 所示。2. 3冻结基本参数 设计积极冻结期最低盐水温度为 28 30 ，并要求冻结 7 d 达到 25 ，打开洞门时盐水温度达到最低值; 维护冻结期温度为 25 28 ; 冻结壁与地下连续墙交界面处温度不低于 5 ，其它部位设计冻结壁平均温度不宜小于 10 ; 冻结孔采用串并联方式，单孔盐水流量不小于5 m3/ h; 每排冻结孔终孔间距 Lmax1 000 mm，冻结帷幕交圈时间为 18 20 d，达到设计厚度时间为25 d; 需冷量 Q = 1. 2 3. 14qHd，其中，H 为冻结管总长度，mm，d 为冻结管直径，m，q 为冻结管散热系数，取 210 kcal/( m2h) 。 3冻结监测及分析 通过现场监测可及时提供冻结过程中的各种数据和资料，便于掌握冻结情况和冻结系统运行情况，检验设计和施工的正确性，可根据监测情况及时调整施工参数，提高冻结效率。冻结监测主要包括盐水干管温度、测温孔和探孔的监测。3. 1测温孔监测 以测孔 3 为例进行监测分析如图 4，从图 4 中可以看出，测点温度下降很快，最大每天下降 2 3 。土体温度降至 0 附近时，由于土层渗透系数大，且土层含水量大，周围有地下水，土中的水结冰因而释放出大量的潜热，测点温度则表现为一定时间内在0 附近波动。之后土体温度继续下降，下降的幅度减缓。26. 3 m 测点由于位于冻结管底部，受地下水流速影响较大，因此温度明显偏高，在 25. 8 m 处放测点复测表明冻结体下部发展良好。3. 2冻结帷幕平均温度确定 采用作图法计算冻结帷幕平均温度，如图 5。冻结管按照 30 取值 ( 冻结管内盐水温度为 31. 5 ) 。此处选取薄弱界面进行平均温度计算得到冻土平均温度为 12. 0 ，已达到设计要求。3. 3探孔情况 根据工程实际情况在洞门周围布置 8 个探孔来判断地连墙与土体交界面的加固效果，具体位置和实际情况如表 4 和图 6。4拔管施工 2012 年 3 月 17 日早 8 点正式拔管，3 月 18 日晚12 点盾构推进区域内冻结管拔除完毕。两侧冻结管继续冻结。 2012 年 3 月 24 日注水至淹埋盾构上端 20 cm 以上部位，2012 年 3 月 27 日盾构刀盘推出至结构体内边缘，2012 年 3 月 29 日抽水盾构全部推出，管片拼装结束，注浆结束，无漏水事故发生。 5结语 1) 钻孔过程中由于天气寒冷，造成施工效率低下，机械设备容易损坏并且加固范围内埋有水泥和钢筋造成钻孔困难，工期延长。 2) 根据工程地质条件结合工期要求，采用了加大设计冻结厚度、选用?133