上海地铁串联通道冻结施工技术

上海地铁串联通道冻结施工技术

1水平冻结法加固土体在城市地铁的规划设计中，上下隧道之间的连接通道通常需要配置。联络通道的施工,不仅要考虑自身结构和地面建筑物的安全,更要确保主隧道的稳定,其安全防护系统远不如主隧道完备。尤其在周围地层孔隙比大,含水丰富,容易压缩,土体本身开挖后难以自稳时,必须对施工区域土体进行加固,才能保证施工安全及减小对周围环境的影响。水平冻结法加固土体是一种行之有效的方法,在北京、上海、广州等城市地铁中都成功得到了应用。上海轨道交通杨浦线(M8线)曲阳路站～虹口足球场站区间隧道联络通道采用冻结法施工,并在整个施工过程中对土体温度和地表变形进行了跟踪监测。工程中采用了预设压力释放孔和强制解冻融沉注浆等措施有效的解决了冻结法施工中的冻胀融沉问题,在整个施工期间地表变形控制在9mm之内,地表最终沉降小于4mm,达到了国际先进水平,也为同类工程的设计与施工提供了宝贵的经验。2联络通道结构及施工流程上海轨道交通杨浦线(M8线)曲阳路站～虹口足球场站区间隧道联络通道及泵站位于两站区间隧道之间,联络通道所在位置处隧道中心标高-18.366m,地面标高为+3.86m,中心埋深22.226m。联络通道和泵站采取合并建造模式,既保证上、下行隧道间联络作用和突发事件时人员安全疏散功能,又起到地铁运营中两车站间集排水作用。工程由两个与隧道相交的喇叭口、联络通道和泵站组成,其结构包括隧道管片相接的喇叭口、直墙圆弧拱结构的通道和中部矩形集水井三个部分,其结构见图1所示。联络通道施工范围内主要为灰色淤泥质粘土、灰色粘土和灰色粉质粘土层。灰色淤泥质粘土层土质均匀,夹极少量粉土,呈流塑状态;灰色粉质粘土层含水量高,孔隙率大,在冻结孔穿越该层时,受水头差的作用,极易产生涌砂、涌水现象。因此,在该地层内开挖构筑联络通道,必须先对施工影响范围内的土体进行安全、可靠的加固处理。根据上述施工条件,并结合地铁联络通道施工经验,确定采用“隧道内钻孔,水平冻结临时加固土体,矿山法暗挖构筑”的施工方案,即:在隧道内利用水平孔和部分倾斜孔冻结加固地层,使联络通道及集水井外围土体冻结,形成强度高,封闭性好的冻土帷幕,然后根据“新奥法”的基本原理,在冻土中采用矿山法进行联络通道及泵站的开挖构筑施工,地层冻结和开挖构筑施工均在区间隧道内进行,其主要施工顺序为:施工准备,冻结孔施工(同时安装冻结制冷系统,盐水系统和检测系统),进行隧道支撑,积极冻结,探孔试挖,拆钢管片,联络通道掘进与临时支护,联络通道永久支护,泵站开挖与临时支护,泵站永久支护,其后进行土层注浆充填,强制解冻融沉注浆。冻结孔施工、临时支护施工和强制解冻融沉注浆为本工程的关键工序。3设计与施工3.1联络通道冻土幕墙结构应力分析根据联络通道的结构组成,冻土帷幕也可以分成三个部分进行设计,直墙圆弧拱冻土帷幕、集水井冻土帷幕和喇叭口冻土帷幕。假设直墙圆弧拱与集水井冻土帷幕交接处刚度足够大,可将其分成上下两个超静定刚架,根据变形协调条件计算结构内力。设冻土帷幕厚度为1.8m,则联络通道冻土帷幕结构受力简图如图2和图3所示。直墙圆弧拱与集水井冻土帷幕的弯矩和轴力图如图4和图5所示。由于联络通道断面的土层以粘土为主,故冻土强度以冻土平均温度为-10℃时的该土层强度为准,σ压=3.4MPa,σ拉=2.1MPa。在冻土帷幕为1.8m时,上部直墙圆弧拱冻土帷幕模型中最大压应力为0.706MPa,安全系数K=4.82,最大拉应力为0.393MPa,安全系数K=5.34;下部集水井冻土帷幕模型中最大压应力为1.004MPa,安全系数K=3.39,最大拉应力0.56MPa,安全系数K=3.75,安全储备较大。联络通道两端的喇叭口冻结帷幕断面形状与联络通道类似,经同样设计步骤得到冻土结构的断面应力状况,冻土厚度取为2.0m。由于联络通道两端的喇叭口施工时开挖断面大,冻土厚度要加强,采取增加倾斜孔加强冻结。3.2冻结系统设备根据冻结帷幕设计及联络通道的结构,冻结孔按上仰、近水平、下俯三种角度布置在联络通道和泵站的周围,在通道下部布置一排冻结孔,加强冻结效果,把联络通道和泵站分为两个独立的冻结区域。冻结孔数58个(下行隧道内布置52个冻结孔,上行线布置6个冻结孔)。考虑到两侧对打冻结管的交接,在上行线冻结孔施工时调整方位角0.2°,以避开对侧冻结管。冻结孔施工前,根据管片配筋情况和钢管片加强肋的位置,适当调整冻结孔的布置位置,以避开管片的主筋和加强肋,冻结孔布置展开图及冻结孔剖面布置分别如图6和图7所示。制冷设备选用YSLGF243M型螺杆机组2台,当盐水温度在-30℃,冷却水温度28℃时,其制冷功率可达87500Kcal/h。选用CaCl2盐水溶液为冷媒剂,溶液比重控制在1260kg/m3范围,溶液的凝固点-38.6℃。冻结系统辅助设备:盐水循环泵选用IS200-150-315C型2台,给冻结孔提供盐水,流量200m3/h,电机功率30KW。选用2台IS150-125-250C盐水泵给螺杆机组供盐水。冷却水循环选用IS150-125-400型2台,流量120m3/h,电机功率45KW。为节约用水,安装NBL-100型冷却塔二台,对回路水进行冷却,并配备2台IS150-125-250C清水泵给冷却塔上水。2005年4月1日开始正式冻结,冷冻机运转一周后盐水温度降至-28.6℃,此后冻结盐水温度维持在-28--32℃,冻结孔单孔流量不小于53/h。冻土帷幕交圈时间为26天。至5月5日,m通道部位冻结帷幕最小厚度为2.39m,上行线喇叭口部位冻结帷幕最小厚度为2.17m,下行线喇叭口部位冻结帷幕有效厚度为2.18m,冻结帷幕平均温度为-10.3℃以下,冻结帷幕与管片胶结良好,冻结效果均超过设计值。联络通道于5月20日正式开挖,6月17日通道结构施工完成,6月29日集水井掘进到底,7月6日集水井结构施工完成,完成整个联络通道所有结构施工。3.3冻结过程中几种不同控制冻胀的措施冻结过程中的冻胀控制主要采取冻结释压的方法。为减小冻结施工对主隧道和周围环境的影响,在上、下行线共布置4个压力释放孔。整个冻结过程所引起的冻胀量小于5mm,说明冻结施工中采取的各种控制冻胀的措施是可行的。融沉主要是冻土融化时排水固结引起的,滞后于冻土融化。为了加速冻土融化,工程中对冻结加固体进行了分区强制解冻,并通过对解冻土体注浆加固,加速了融土固结,消除了后期融土压密固结沉降发生的可能。9月12日强制解冻融沉注浆施工结束,地表变形在3.84mm,完全控制在设计范围内。4施工监控4.1测温孔布置及结果为了了解不同时期温度场的发展情况,掌握冻结锋面的扩展速度、冻结壁形成状况以及确定开挖施工时间,对温度进行了同步监测。在冻结壁的内、外布置测温孔,分别布置于两线隧道内,用于测量冻结和解冻时期的温度场。在每一孔内布置3～8个测点,其中下行线共六个测温孔,其中Cl、C3为深孔,其余为浅孔。深孔深度到对面管片,浅孔深度3.5m,下行线测温孔具体布置见图2。上行线共四个测温孔,均为浅孔,深度3.5m。监测结果如图8所示。从图中可以看出,在冻结初期,冻结土体的温度近乎呈线性下降,并处于正温状态。当土体的温度降到0～-3℃时,曲线变缓,这是由于测点处土体中的液态水发生相变,热交换比较剧烈。在冻结26d前后冻结壁开始交圈。此后土体进入负降温期,土中仍含有一部分未冻水,随着冻结的继续进行,温度继续下降,土中未冻水含量减少。这段时间内,温度下降梯度变小,特别是在土体温度接近供液盐水温度时,温度曲线又开始变平缓。4.2融沉注浆期间地表沉降规律在整个施工过程中,对在联络通道及泵站施工影响范围内的地表沉降进行了监测。联络通道中部地面变形的监测结果如图9所示。在图9(a)中,因冻结钻孔过程中的水土流失,地表起初产生沉降。在冻结一周之后,土体冻胀才得以表现出来。冻胀量在冻土帷幕交圈时达到最大值,随后开始回落并趋于稳定。图9(b)为融沉注浆期间的地表沉降曲线。融化沉降起初较大,后随着注浆量的增加,沉降得到控制,地表开始上抬。整个融沉注浆施工地表变形沉降量小于3mm,最大抬升量小于1mm,完全控制在设计的范围内。5冻胀控制工程(1)实践证明冻土帷幕和冻结工艺设计合理,利用地表、地铁隧道的跟踪变形监测数据及其它信息指导、调整各环节的施工工艺,是保证施工安全的重要措施。(2)土体冻结时引起的过量冻胀通过设置压力释放孔,局部冻结等措施得到了有效地控制。(3)土体融沉通过强制解冻融沉注浆得到了控制。上海轨道交通杨浦线(M