浅谈地铁隧道旁通道冷冻法施工中混凝土管片碎裂.doc

.浅析冻结法施工中混凝土管片碎裂上海地铁咨询监理科技有限公司朱德民 夏福明摘要在上海地铁隧道旁通道施工中采用冷冻法施工已有很长的一段时间了，在过去地铁隧道旁通道施工中没有发生过大规模隧道管片冻裂的情况，为此，没有这方面的经验教训，这次在上海明珠线二期工程浦电路站张杨路站区间隧道旁通道施工中发生了大规模隧道管片冻裂的情况，分析造成隧道管片碎裂的几点原因，注意在冻结法施工中冻胀力对环境的影响，避免类似情况的重复发生。关键词：冻结法施工、管片碎裂、冻胀力一、 工程概况上海明珠线二期工程浦电路站张杨路站区间隧道，采用外径6.2m、内径5.5m、管片厚度0.35m，管片宽度1.2m。管片采用错缝拼装。旁通道位于浦东大道之下，处在浦东交通繁忙地段，距地铁二号线隧道仅14m，埋深约-18m-23m之间，在号土层内，号土为粉质粘土，号土层底标高为-25.13m，本区间旁通道集水井底板标高为-23.36m，旁通道长度约7m左右，它由一条通道和一个集水井组成。根据以往的经验，这种旁通道的施工方法将采用冻结法施工。这区间旁通道施工，在2003年9月24日正式开始冻结的区间隧道旁通道施工中，于10月28日发现了旁通道附近管片碎裂的情况，由此引起了有关方面的注意，对此进行跟踪分析。二、 施工工艺情况该区间旁通道采用冷冻法施工，在一条隧道内（下行线）向另一条隧道内（上行线）打冻结管，通过盐水循环，对旁通道开挖区域土体进行冻结加固。经过一段时间的冻结后，当土体温度连续多天达到某个温度，并确认冻结帷幕已形成，土体加固强度达到设计强度的要求后即可实施旁通道开挖。在开挖中随挖随支撑，最后完成旁通道主体结构。图1：测温孔和泄压孔布置示意图上行线 下行线说明：“C1C12”为测温孔，“XY1XY6”为泄压孔。该区间旁通道按原来的施工进度要求，采用旁通道冻结施工和隧道盾构掘进搭接施工，从2003年4月开始打设第一批冻结管，共打冻结管34根，之后在盾构机掘进完成至浦电路站到张杨路站上行线过旁通道部位后，2003年8月15日开始打第二批冻结管，其中因布孔位置差异，补打冻结孔6根，第二次打了32个冻结孔，两次共打冻结管66根，并设有6个泄压孔和12个测温孔（详细的测温孔位置和泄压孔位置见图1）。在2003年9月24日下午正式开启冷冻机进行对土体进行积极冻结，到2003年11月21日下午正式开挖，2003年年底旁通道工程施工全部结束。三、 管片碎裂情况图2：管片碎裂展开示意图最早发现管片碎裂是在2003年10月28日，上行线隧道第257环B2块有一条长约1.2m的明显裂缝和251环L2块、F块各有1处细微裂缝，之后随着时间的推移而裂缝进一步发展，同时下行线管片也开始发现有碎裂现象，管片损坏的数量不断增加，裂缝加大，有些部位的管片表面开始有剥落现象，这是在过去的施工中从未发生过的现象（详见图2）。在旁通道施工结束后，在旁通道部位的管片实际碎裂块数达到18块，有些部位的裂缝长度达到近2m。四、 管片碎裂情况分析首先，从旁通道冻结法施工的现场实际情况分析，冻结孔的打设完全符合设计要求，冷冻机组的安装和盐水干管的布置同以往的施工没有什么两样；第二，从冷冻用的盐水温度情况分析，从9月24日开始开启冷冻机组，进行积极冻结，盐水温度从最初9月25日的-10开始，9月27日降至-20，10月2日降至-25，10月14日降至-30以下，以后盐水温度一直保持在-30以下，所用时间仅20天（9月25日10月14日），同过去的施工情况相比也基本相同；第三，从冻结的时间来分析，以往一般冻结时间为35天至40天，从发现管片碎裂（10月28日）为界限，该施工段内未超过40天的时间（实际只有34天时间），当然，这个时间是以10月28日首次发现管片碎裂的时间计算的，可能真正的管片碎裂时间比这个时间还要早一些，之后由于各种原因，旁通道开挖施工迟迟没有进行，可能也是造成管片碎裂继续增加的原因之一；第四，可能是管片本身质量问题，有肉眼看不出的细微裂缝，进水后经冻胀而产生裂缝，因此引起管片碎裂，但是从管片碎裂的外表分析，其管片碎裂有一定的规律，碎裂部位都在螺栓孔的地方；细微裂缝的产生不可能全部是一致的；第五，从施工记录和监理日记记录情况来看，在盾构掘进施工和管片拼装后的施工质量记录和监理日记记录中，这段时间内的管片未见有损坏后经修补的记录。经过以上五种情况的分析后，可以初步确定冻结法施工的冻结冷媒盐水温度同以往施工相同；在发现管片碎裂前的冻结时间同以往的冻结时间没有超出常用的时间；管片在旁通道工前，不存在碎裂。那么管片碎裂是否因为旁通道部位的隧道受冻胀力所引起的隧道位移所造成的呢？对此我们作如下分析，图3为冻结加固初期，冻结帷幕刚形成时冻胀力对区间隧道的影响；图4为冻结后期，需土体加固区域内的土体全部形成冻土后冻胀力对区间隧道的影响，也就是过分冻结后会产生的后果。需土体加固区图3：冻结加固初期图4：过分冻结上行线隧道上行线隧道下行线隧道下行线隧道图中符号的说明：“”冻胀力，“”冻结区域，“”冻结管，“”冻结帷幕的发展方向。1. 冻结壁的形成：根据测温孔所测的温度反应（具体测温孔和泄压孔的布置见附图），7测温孔在10月9日温度降至0，2测温孔在10月15日温度降至0，3测温孔在10月16日温度降至0，10、12测温孔在10月19日温度降至0，5测温孔在10月20日温度降至0，6、11测温孔在10月21日温度降至0，4测温孔在10月27日温度降至0，以上测温孔与冻结孔的最近距离分别在550910mm之间，从冻结发展的速度情况来看，其冻结壁的发展速度在每天2l.236.6mm。按施组要求，积极冻结35天来计算，冻结壁的厚度应在1.48m2.56m范围内，当然，由于1、8和9测温孔由于离冻结管太近或太远，其数据与实际情况相差较远。图5：泄压孔压力示意图2. 泄压孔的压力问题：在冻土发展过程中，冻结壁未交圈时，泄压孔的压力表显示压力均为0，10月10日开始，部分泄压孔压力表有压力显示，到10月17日泄压孔的压力表压力在0.10.15MPa之间。根据过去施工的经验，泄压孔压力的反应滞后冻结壁交圈2天的规律，实际冻结壁在10月15日已经形成。另外在泄压孔的压力记录情况来看，下行线3泄压孔从10月10日开始第一个有压力反应，之后其它的5个泄压孔也相应有压力反应，到11月4日为止，其压力显示分别在0.1MPa0.47MPa之间，在此期间，只有上行线的2泄压孔，于10月24日这天开始，其压力表数据达到0.4MPa，10月25日达到0.46MPa，10月28日这一泄压孔的压力更是高达0.47MPa。这一压力一直保持到11月4日，之后6只泄压孔全部卸压，在以后的一段时间内泄压孔的压力基本保持在0.02MPa0.07MPa之间，直至旁通道开挖，泄压孔的具体压力变化情况见图5所示。3. 隧道收敛情况：由于钢支撑的作用，隧道管片的收敛变形情况很小，没有超过设计要求的控制值范围。4. 隧道（位移）沉降量：从监测数据反应，此数据变化较大，从开始冻结时的原始数据，到11月16日的隧道沉降数据超过警戒值（正式开挖时间是11月21日），之后其变化值以每天0.5mm左右的速度上升，其隧道沉降的绝对值达到40mm（在上行线隧道旁通道的测量点其测量数据变化在-5.9mm34.1mm之间），特别要强调的是只有在旁通道附近的几环变形量大，并且是上行线变形量比下行线变形量大，而结合隧道本身的收敛变形小的特点，说明这部分隧道的整体位移增加，隧道位移造成管片的受力情况变化，这有可能是造成管片碎裂的直接原因，而此时的隧道位移正是由于冻胀力所至。5. 施工现场的实际土体温度情况：从旁通道开挖断面的实测温度来看，其土体实测温度范围在-4-16之间，土体被冻提十分坚硬。这也就反应11月6日发现有一个压力表失效，经调换压力表后，新压力表仍然还是失效，压力表上无压力数据的显示，在旁通道开挖前没有办法了解其压力表失效的真实情况，在旁通道的整个开挖过程中，发现这部分的土体已全部被冻死，这个泄压孔已成为冻土中的一个洞，根本就没有什么压力可释放，泄压孔已形同虚设。也就是说土体温度和泄压孔压力之间存在着内在的相互关联作用，一旦土体下降至0以下后，这部分土体可能被冻成冰块，原先的泄压孔作用将消失，如果不作适当调整的话，有可能会对周围环境产生不利的影响。五、 初步结论从上面的分析情况可以初步断定，本次隧道内管片碎裂是因冻胀力使隧道位移所造成的。从冻结初期由于冻结圈没有形成，泄压孔基本无压力，冻结区域内无冻胀力，管片没有产生碎裂。之后随着冻结时间的不断延长，土体内冻结圈的逐步形成，冻结壁厚度的不断扩展，泄压孔压力不断升高，当泄压孔压力释放不合理时，冻胀力可能会造成对两条隧道的挤压，使得隧道产生位移，结果可能导致管片碎裂，从施工单位的施工记录中可以查出10月24日泄压孔压力达到0.40MPa ，到10月28日开始泄压孔压力达到0.47Mpa，并且连续7天上行线的某泄压孔压力都在0.47Mpa之内。于是在11月4日开始释放全部泄压孔的压力，之后随着冻结时间的不断延长，该区域内土体全部被冻死，泄压孔已无压力可释放，管片碎裂进一步发展，隧道的位移量不断加大，在11月2日隧道隆起量超过报警值，达到10.1mm。另外过长的冻结时间（57天，从9月25日至11月21日）也有可能造成原来冻结圈内非冻土的地方全部形成了冻土，造成事实上的泄压孔失效，造成了在整个冻结圈内的土体全被冻死，形成一个整体冻土，使得冻胀力对隧道管片的进一步破坏，管片碎裂不断增加，在12月22日，隧道最大位移量达到34.1mm。最初人们认为这是管片本身的质量问题和冻胀力的结合所造成的，然而到了正式开挖时我们注意到了这样一个问题，原施工组织设计中冻结帷幕已不存在，而是变成了整体的冻土，泄压孔失效，由此引起我们的思考。六、 值得深思的几个问题1. 土体冻结温度：为了工程施工，对土体进行冻结加固，由此形成冻结帷幕，要求冻土的厚度达到一定的设计强度，一旦土体达到这一要求后，就应该停止积极冻结，由积极冻结改为维护冻结，这样可以避免因继续积极冻结而造成的冻土帷幕增加或把整片土都冻死，使得泄压孔失效。2. 冻结时间：在冻结时间上来讲，并不是冻结的时间越长越安全，而应该综合考虑冻结时间与冻结温度的关系，而一旦冻结帷幕形成后，冻结时间延长对施工工期和工程质量将带来不利影响，有时甚至还会影响施工工期。3. 泄压孔的压力及压力释放时间：对泄压孔压力的释放问题是一个有待研究的课题，应该以冻结的不同时段，设置不同的泄压孔压力，并根据不同的冻结温度，不同的冻结时间，来对泄压孔压力进行控制，综合分析冷媒（去路和回路盐水）温度、测温孔温度和泄压孔压力三者之间的关系来分析冻结壁的情况。4. 过分冻结对工程质量带来的危害：除上述谈到的对管