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1、2023年地铁联络通道冻结法施工技术 联络通道冻结法施工技术 摘要:结合上海地区地铁所处地层的特点,对联络通道的冻结施工作了详细的分析。对水平冻结工艺、冻结施工、冻土开挖、冻胀融沉等几方面提出了有参考价值的施工参数及控制措施。最后对施工的一些安全问题提出建议。 关键词:轨道交通;联络通道;冻结法;施工 上海市地铁区间隧道所处地层常常遇到松软含水地层,稳定性差,因此,在联络通道土体开挖前,必须对周围土体进行加固。用冻结法加固土体具有强度高、封水性好、安全可靠等优点,特别适用此类工程。由于传统的垂直钻进冻结孔在城市中施工缺乏打钻空间,故以采用水平冻结1,2为宜。 1、联络通道施工 联络通道及泵站常
2、设在地铁区间隧道的最低点。其由与上、下行线正交的水平通道和通道中部的集水井组成。通道为直墙圆弧拱结构,集水井为矩形结构。 在冻结法施工过程中3,通常用“隧道内钻孔,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倾斜孔冻结加固地层,使联络通道及泵站外围土体冻结,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。 2、水平冻结工艺 2.1冻结帷幕设计 冻土帷幕厚度设计,通常根据类似工程施工经验和设计试算,然后采用有限元对冻土帷幕受力与变形进行验算,直到满足要求。 2.2
3、冻结孔的设置 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3种角度布置在联络通道和泵站的四周,在通道下部布置2排冻结孔,加强通道冻结效果,把泵站和通道分为2个独立的冻结区域。通常冻结孔的布置根据管片配筋情况和钢管片加强筋位置,在避开主筋的前提下可适当调整。 2.3制冷设计 1)确定冻结参数。 (1)设计盐水温度为-25-30。 (2)冻结孔单组流量3 m3/h。 (3)冻结孔应避开管片接缝、螺栓、主筋和钢管片肋板,开孔位置误差100 mm。 (4)通常设置4个对穿孔,用于冷冻排管和冻结孔供冷。 (5)冻结孔有效深度(管片表面以下冻结管循环盐水段长度)不小于冻结孔设计深度,冻结管
4、管头碰到冻结站对侧隧道管片的冻结孔,不能循环盐水的管头长度150 mm。 (6)冻结孔最大允许偏差150 mm,冻结帷幕交圈时间为1822 d,达到设计厚度时间为40 d。 (7)积极冻结达到开挖时间一般取为40 d,维护冻结时间为30 d。 (8)分别在通道内外和两侧隧道内布置18个测温孔(深26 m),其中对侧隧道布置8个;在冻结帷幕中间布置4个泄压孔(上、下行线各2个,利用管片上预留注浆孔)。 2)用式计算出的冻结需冷量为14 878 kJ/h。 Q=1.2dHK (1) 式中:d为冻结管直径,0.089 m;H为冻结总长度;K为冻结管散热系数,71.7 kJ/(hm2)。 3)选用JY
5、SLGF300型螺杆机组2台套(1台备用),设计单台机组工况制冷量为21 000 kJ/h,电动机功率为110 kW。 3、冻结施工 3.1 冻结孔施工 1)为了保证联络通道及泵站开挖时的安全,通常采用在2条隧道分别钻孔的方案。冻土帷幕拱顶布置3排冻结孔(喇叭口上方有2排冻结孔),集水井底部用“V”字形布孔方式,即在另一条隧道底部打2排孔,将联络通道和泵站封闭。 2)布置冻结孔位的管片在开孔前,监理需对每个孔位进行确认(混凝土管片内外层主筋不会被打断,确保管片结构的安全)。 3)冻结孔施工工序为:定位开孔孔口管及孔口装置安装钻孔测量封闭孔底部打压试验。 4)采用经纬仪和水准仪监测开孔前和钻孔时
6、的上下仰俯角及方位角,钻孔的偏斜应控制在0.8%以内,在确保冻土帷幕厚度的情况下,终孔偏斜150 mm。采用每钻进3 m后测量1次偏斜(如偏斜大,应进行纠偏;如偏斜超过设计要求,应根据地层情况及时拔除冻结孔,重新钻孔,直到满足设计要求;考虑地压大、摩擦力大等因素,若冻结孔无法拔出时,应在超设计孔的偏斜间距间补打1个孔,以保证终孔间距不大于设计要求)。 3.2 冷冻站安装 1)占地面积约80 m2的冻结站设置在隧道内,站内设备主要包括冷冻机、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及配电控制柜等。 2)管路用法兰连接。隧道内的盐水管用管架敷设在隧道管片斜坡上,以免影响隧道通行。盐水管路经试漏、清洗后用聚苯
7、乙烯泡沫塑料保温,保温层厚度为50 mm,保温层的外面用塑料薄膜包扎。 3)在盐水管路和冷却水循环管路上要设置伸缩接头、阀门和测温仪、压力表、流量计等测试组件。 4)集配液圈与冻结管的连接用高压胶管,每根冻结管的进出口各装1个阀门,以便控制流量。联络通道四周主冻结孔为2个串联在一起,其他冻结孔为3个串联在一起。 5)冷冻机组的蒸发器及低温管路用棉絮保温,盐水箱和盐水干管用50 mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保温。考虑两侧喇叭口冻结的效果以及管片的散热,对上下行线隧道管片内侧安装冷冻板,来加强冻结。 6)设备安装按使用说明书的要求进行,考虑冷冻机运转的连续性,不能停机检修,在运转前应联系厂家来人检修
8、冷冻机,以保证冷冻机可靠、连续运转。 3.3 冻结系统试运转 设备安装完毕后进行调试和试运转。在试运转时,要随时调节压力、温度等各状态参数,使机组在有关工艺规程和设备要求的技术参数条件下运行。在冻结过程中,定时检测盐水温度、盐水流量和冻土帷幕扩展情况,必要时调整冻结系统运行参数。冻结系统运转正常后进入积极冻结。 3.4 冻结效果的监测 1)在积极冻结过程中,要根据实测温度数据判断冻土帷幕是否交圈和达到设计厚度。 2)积极冻结期间内,盐水去路温度应稳定地保持在-25-30以下;运转时间应保证超过30 d。 3)各冻结孔组的回路温差1.2 K,盐水循环系统去回路温差2 K;盐水系统循环总流量达到设
9、计值;联络通道冻土有效厚度1.6 m,通道冻结壁有效冻土平均温度要达到-10及以下。 3.5 试挖与维持冻结 1)测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度后再进行探孔试挖;开挖前先在钢管片上开一探测观察口,判定水和泥从有到无,确认冻土帷幕内土层无流动水后(饱和水除外)再进行正式开挖。 2)泄压孔达到升压条件,进行放压观测试验。 3)正式开挖后,根据冻土帷幕的稳定性,以及保证联络通道的开挖安全,不提高盐水温度,进入维持的积极冻结,盐水温度仍保证在-25-30。 4、冻土开挖及构筑施工 开挖施工之前,需在隧道的联络通道开口处搭设工作平台,利用隧道作为排渣及材料运输通道。 4.1简易预应力隧道支架安装 1
10、)积极冻结期间,需在联络通道开口处两侧隧道中设置简易预应力隧道支架,以减轻联络通道开挖构筑施工对隧道产生的不利影响。简易预应力隧道支架为矩形支架形式,上下行线联络通道开口两侧各架2榀钢支架(组合结构),间距为2.4 m。 2)2榀钢支架在联络通道两侧沿隧道方向对称布置,安装在联络通道预留洞两侧的第一条管片环缝处,偏离管片环缝截面的距离20 mm。架设时要有专人负责指挥,拼装时螺栓必须拧紧。 3)每榀支架有8个支点,由6个50 t螺旋式千斤顶提供预应力。高处千斤顶应系在主架上,防止脱落。施加预应力时,每个千斤顶要同时慢慢地平稳加压,每个千斤顶以压实支撑点为宜。 4)安装好预应力支架后,顶实千斤顶
11、,但每个千斤顶的顶力100 kN,且各个千斤顶的顶力要基本均匀。根据实测隧道收敛变形调整各个千斤顶的顶力,收敛大的部位要求千斤顶力大,不收敛的部位千斤顶不加力,隧道收敛达到报警值10 mm时,千斤顶顶力达到设计最大值500 kN。如千斤顶顶力达到设计最大值后隧道仍继续收敛,则应采取其他措施加强隧道支撑。 4.2 防险门设计与安装 为保证联络通道施工安全,预防突发事件的发生,在积极冻结期间,在联络通道口加设安全防险门。 1)防险门为普通碳素钢结构,安装在开挖侧隧道预留洞口上;配备风量6 m3/min的空压机给防险门供气。防险门安装完毕,应开关灵活可靠,并便于人工操作,且不影响施工。 2)安装好防
12、险门后进行气密性试验,要求在不停空压机时,试验气压能保持在设计值;开管片前应作 一、二次演习,保证防险门的安全正常使用。 3)在集水井开挖前,在通道底板加预留(埋)件,对集水井另加工安装1套防险门。 4.3 开挖 1)经探孔试挖确认可以进行正式开挖后,打开钢管片,然后根据“新奥法”的基本原理,进行暗挖法施工。由于冻土强度较高,冻结壁承载能力大,因而开挖时(除喇叭口侧墙和拱顶外)可以采用全断面一次开挖。 2)开挖掘进采取分区分层方式进行4。其施工顺序:先开挖通道,再开挖喇叭口,最后开挖集水井。 3)人工开挖的工具根据土体强度,可用风镐或手镐。开挖步距视土体加固情况而定,一般控制在0.5 m左右,
13、特殊情况下最大不超过0.8 m。 4)开挖时,集水井外围冻结孔不割除,内部只需割除4根冻结管(位于中部),以确保冻土的强度及安全。 5)由于通道中冻土温度较低,风镐内空气中的水会凝结成冰屑,积集在管子的接头或进风口处,堵塞管路,故需将风管悬吊起来,每隔12 h向风管内注入酒精,防止冰屑的出现,以保证施工顺利进行。 6)开挖断面严格按照施工图进行,尽量避免超挖(控制在30 mm以内);开挖中心线偏差20 mm。喇叭口处考虑到断面较大,而且一端冻结管分布较为密集,另一端冻土强度相对较弱,故该处采取分断面开挖,缩短支护时间。 4.4 支护 1)联络通道和泵站开挖后,地层中原有的应力平衡受到破坏,引起
14、通道周围地层中的应力重新分布。这种重新分布的应力不仅使上部地层产生位移,而且会形成新的附加荷载作用在已加固好的冻土帷幕上。当冻土帷幕墙所承受的压力超过冻土强度时,冻土帷幕及冻结管会产生蠕变。为控制这种变形的发展,冻土开挖后要对冻结壁进行及时的支护,确保施工安全。 2)联络通道开挖及支护完成后,为减少混凝土施工接缝,通道混凝土结构应一次性连续浇筑,而通道顶板内的混凝土因浇筑困难,可分段浇筑,必要时可采用喷浆机对浇筑空隙进行充填。 3)上部结构施工完成以后,混凝土强度达到设计值的60%以上,才可开挖集水井。泵站开挖到设计深度,首先对泵站底板进行封底浇筑,然后一次性完成泵站的钢筋混凝土浇筑施工。根据
15、设计要求采用商品混凝土,考虑到混凝土处于低湿环境中,必要时加入防冻剂等,以缩短混凝土凝固时间。 5、地层跟踪注浆 1)联络通道结构完成后,冻土在融化的过程中,会引起土体下沉。为控制融沉,必须对地层跟踪压密注浆,加固土体,减小对隧道的不利影响。 2)根据监测反馈的信息,利用管片压浆孔对隧道管片底部、喇叭口部位进行补压浆;通过联络通道衬砌中的预埋注浆管进行跟踪注浆,以补偿融沉。结构层施工结束、强度达到80%时,用J-200金刚石钻机在结构层中和隧道管片钻孔至冻结帷幕外围,埋设注浆管,从冻结帷幕外围进行跟踪注浆,控制融沉。 3)注浆顺序:管片底部喇叭口处通道及集水井。每一注浆段中应遵循先下部、后上部
16、的原则,使加固的浆液逐渐向上扩展,避免死角。 4)为了增强压浆的可注性,开始时可注黏土水泥浆;二次补浆选用水泥水玻璃浆液。 5)为了防止隧道管片及联络通道结构受到影响,拟选用小压力、多注次的方式;注浆压力一般控制在0.20.5 MPa。 6)根据经验,融沉注浆量一般控制在冻土体积的15%左右。 6、结语 冻结法施工工艺在我国城市地铁工程联络通道建设上应用不少。由于联络通道结构的复杂性和冻结法施工技术的特殊性,在施工中常常会遇到一些意外险情,因此必须对冻结理论等作进一步深入、系统的研究。为此,在工程施工中要做好各个施工环节,同时还应制订一套完善的应急预案,以将施工险情消灭于萌芽状态。 地铁联络通道冻结法施工技术 地铁旁通道冻结法施工常见安全 地铁施工旁通道冻结法施工工艺 地铁区间联络通道冻结加固的风险管理 地铁施工技术 应用冻结法加固地铁工程的结构施工研究 钻爆法施工技术文献综述 联络通道施工总结 地铁盾构施工技术试题 地铁施工技术培训总结