南京地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工措施分析

摘要： 對(duì)南京地鐵一期工程TA4 標(biāo)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工的成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)。指出地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工中，必須采取必要的施工技術(shù)措施，才能保證施工安全、順利的進(jìn)行。本工程的成功經(jīng)驗(yàn)可供其他工程參考。關(guān)鍵詞：地鐵；聯(lián)絡(luò)通道；凍結(jié)法
1 前言
南京地鐵一期工程(南北線)南起小行北至邁皋橋，全長(zhǎng)21.7 km ，其中地下部分長(zhǎng)14.5 km 。工程于2000 年底開工，計(jì)劃2003 年底完成車站、區(qū)間隧道的土建工程部分。
南京地鐵TA4 標(biāo)盾構(gòu)法區(qū)間隧道，北起釣魚臺(tái)工作井北側(cè)，南至三山街車站南端頭井，由左線(下行線)和右線(上行線)隧道組成。隧道外徑6.2 m， 內(nèi)徑5.5 m，每塊管片寬為1.2 m， 厚為350 mm。聯(lián)絡(luò)通道位于兩站區(qū)間隧道中間，隧道中心埋深13.13 m， 聯(lián)絡(luò)通道及泵站采取合并建造模式， 它既保證上、下行隧道間的聯(lián)絡(luò)作用和必要時(shí)乘客安全疏散的功能，又起到地鐵運(yùn)營(yíng)中兩車站之間的集、排水作用。工程結(jié)構(gòu)由兩個(gè)與隧道相交的喇叭口、通道以及集水井等組成。地鐵聯(lián)絡(luò)通道一般位于區(qū)間隧道的中間，通常與集、排水泵站連在一起，共同起著兩隧道連結(jié)、集排水和防火等作用。聯(lián)絡(luò)通道土體開挖前，必須對(duì)其周圍土體進(jìn)行加固，土體加固的方法常用的有深層攪拌法和凍結(jié)法。目前凍結(jié)法在國(guó)內(nèi)地鐵建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[1-3] ，積累了一定的成功經(jīng)驗(yàn)。南京地鐵一期工程TA4 標(biāo)中，聯(lián)絡(luò)通道施工成功引用了凍結(jié)施工，并取得了圓滿成功。本文對(duì)施工中的技術(shù)措施進(jìn)行了總結(jié)、分析研究，希望能對(duì)以后的聯(lián)絡(luò)通道土體凍結(jié)法施工提供借鑒和指導(dǎo)。
2 工程地質(zhì)狀況
工程地質(zhì)資料如表1 所示，另外地下水標(biāo)高為地下1～2 m ，水位較高。

表1 土層物理參數(shù)

3 凍結(jié)設(shè)計(jì)
從表1 看出，土層平均滲透系數(shù)小，透水性差，是凍結(jié)施工較為有利的土層。經(jīng)研究采用隧道內(nèi)鉆孔凍結(jié)加固，礦山法暗挖構(gòu)筑”的施工方案，即：在隧道內(nèi)利用水平孔和部分傾斜孔凍結(jié)加固地層，使聯(lián)絡(luò)通道以及集水井外圍土體凍結(jié)，形成強(qiáng)度高，封閉性好的凍土帷幕。采用礦山法， 進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道及泵站的開挖構(gòu)筑施工。地層凍結(jié)和開挖構(gòu)筑施工均在區(qū)間隧道內(nèi)進(jìn)行，其主要施工順序?yàn)椋菏┕?zhǔn)備? 聯(lián)絡(luò)通道連通地面的垂直水管施工? 凍結(jié)孔鉆孔施工(同時(shí)安裝凍結(jié)制冷系統(tǒng)) ? 安裝凍結(jié)鹽水系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)? 積極凍結(jié)? 探孔試挖? 拆鋼管片? 聯(lián)絡(luò)通道掘進(jìn)與臨時(shí)支護(hù)? 聯(lián)絡(luò)通道永久支護(hù)? 泵站開挖與臨時(shí)支護(hù)? 泵站永久支護(hù)? 必要時(shí)進(jìn)行土層注漿充填。根據(jù)凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)及聯(lián)絡(luò)通道的結(jié)構(gòu)，凍結(jié)孔的傾角采用上仰、近水平、下俯三種角度布置，開孔間距為0.7 m，凍結(jié)孔數(shù)58 個(gè)。凍結(jié)孔的布置見圖1 所示。

圖1 凍結(jié)孔布置(括號(hào)內(nèi)數(shù)字為孔深，單位mm 及傾角(o)
4 凍結(jié)參數(shù)的選擇
選用YSLGF300? 型螺桿壓縮機(jī)組一臺(tái)套，設(shè)計(jì)工況制冷量為87 500 kcal/h ，電機(jī)功率110 kW 。地層凍結(jié)供冷工藝參數(shù)和指標(biāo)為：積極凍結(jié)鹽水溫度為-28 ℃～-30 ℃；凍結(jié)孔單孔流量不小于4 m3/h； 凍結(jié)系統(tǒng)輔助設(shè)備：(1) 鹽水循環(huán)泵選用IS125-100～200 型2 臺(tái)，流量200 m3/h，電機(jī)功率45 kW ，其中一臺(tái)備用。(2) 冷卻水循環(huán)選用IS125-100～200 C 型2 臺(tái)，流量120 m3/h，電機(jī)功率30 kW ，其中一臺(tái)備用。冷卻塔選用NBL-100 型一臺(tái)，補(bǔ)充新鮮水15 m3/h。
5 施工技術(shù)措施
5.1 凍結(jié)前的施工措施
凍結(jié)孔鉆進(jìn)工程中會(huì)引起周圍地表的沉降，為了控制沉降對(duì)周圍環(huán)境的影響，在聯(lián)絡(luò)通道地表進(jìn)行了布點(diǎn)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2 所示(選取最大變形點(diǎn))。2002 年11 月10 日開鉆，21 日結(jié)束。從圖2 中看出，開鉆過程中由于土體的開挖以及鉆孔數(shù)量的增多，地表的沉降逐漸增大，到11 月21 日即鉆孔結(jié)束時(shí)最大沉降為4 mm，24 日最大沉降達(dá)5 mm， 并且一直保持到開始凍結(jié)前，11 月29 日開始凍結(jié)，地表點(diǎn)開始表現(xiàn)為隆起，并隨著凍土效果逐漸增大，從12 月30 日到2003 年1 月20 日隆起量在15 mm 處達(dá)到平穩(wěn)，說明凍土發(fā)展良好，并且在這一段時(shí)間內(nèi)凍土柱已經(jīng)交圈，因此，實(shí)際土體開挖時(shí)間定在了2003 年1 月8 日。由于其它原因，凍土溫度進(jìn)一步降低，凍土圈有所擴(kuò)大，地表從1 月21 日開始隆起增加到2 月1 日達(dá)到19 mm ，一直保持到主體結(jié)構(gòu)完工。

圖2 1#測(cè)點(diǎn)地表變形與時(shí)間的變化關(guān)系
5.2 凍結(jié)過程中的施工措施
5.2.1 隧道內(nèi)支撐
凍結(jié)過程中隧道受凍土力的作用，會(huì)發(fā)生隧道橫向斷面變形，從而影響隧道的橢圓度。為了減少這一變形，因此在凍結(jié)前，隧道內(nèi)安裝預(yù)應(yīng)力隧道支架，即在上下行線隧道的聯(lián)絡(luò)通道洞口兩側(cè)安裝兩榀預(yù)應(yīng)力鋼支架(如圖3 所示)，每榀支有8 個(gè)支點(diǎn)，均勻地支撐在隧道管片上，施工中可根據(jù)觀測(cè)到的隧道變形情況，調(diào)整各個(gè)支點(diǎn)的預(yù)應(yīng)力大小，控制隧道變形。

圖3 預(yù)應(yīng)力鋼支架
5.2.2 布置測(cè)溫孔
為了掌握凍土帷幕的形成過程、形成狀況，以及判斷凍土柱是否交圈、凍土墻厚度及其溫度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求等等，在上、下行線隧道聯(lián)絡(luò)通道洞口兩側(cè)共布置10 個(gè)測(cè)溫孔，其中在下行隧道中布置了4 個(gè)，上行隧道中布置了6 個(gè)(開挖是從下行隧道開始的)。每個(gè)測(cè)溫孔內(nèi)設(shè)3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)間距600 mm，測(cè)溫孔深為2 m 。測(cè)量頻度為每天1 次。
5.2.3 布置卸壓孔
為了減少凍結(jié)過程中，土體凍漲對(duì)地表以及隧道的影響，隧道下行線聯(lián)絡(luò)通道開挖斷面內(nèi)布置一個(gè)卸壓孔。另外，通過卸壓孔壓力的測(cè)試，以及對(duì)卸壓孔內(nèi)水流觀察，可以判斷凍土的凍結(jié)情況。如本工程卸壓孔，在12 月24 日，壓力不再升高，說明凍結(jié)帷幕內(nèi)的自由水由于水分遷移的作用， 已經(jīng)基本補(bǔ)給到凍土中，2003 年1 月3 日打開該泄壓孔，有少量水和泥漿流出，幾分鐘后停止。1 月8 日土體開挖時(shí)，該孔內(nèi)沒有水流出現(xiàn)象。
5.2.4 鋼管片的拆卸
為了判斷鋼管片拆除前，聯(lián)絡(luò)通道土體凍結(jié)的帷幕墻厚度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，是否交圈，土體強(qiáng)度是否達(dá)到要求以及保證土體開挖的安全進(jìn)行，采用了以下施工措施。
(1) 對(duì)去路、回路鹽水進(jìn)行溫度檢測(cè)，2003 年1 月7 日鹽水的去、回路溫度差已從2002 年12 月24 日的平均2 ℃ 降到0.5 ℃ ，說明地層的熱負(fù)荷減少，凍土帷幕形成良好。
(2) 根據(jù)第3#測(cè)孔的實(shí)測(cè)資料，其距凍結(jié)主面400 mm， 降溫幅度最大，到2002 年12 月14 日其溫度降到-0.5 ℃ ，此時(shí)凍結(jié)15 d ，凍土平均發(fā)展速度26.7 mm/d； 第2#測(cè)孔距凍結(jié)主面450 mm，12 月19 日其溫度降到-0.2 ℃ ，此時(shí)凍結(jié)20 d ，凍土平均發(fā)展速度25.0 mm/d；第5#測(cè)孔距凍結(jié)主面700 mm， 12 月27 日其溫度降到-0.2 ℃ ，此時(shí)凍結(jié)27 d ，凍土平均發(fā)展速度27.8 mm/d。以上3 個(gè)孔的凍土平均發(fā)展速度為26.5 mm/d，按此推算，到實(shí)際開挖時(shí)間2003 年1 月8 日，凍結(jié)時(shí)間39 d ，凍土發(fā)展厚度2.06 m，超過設(shè)計(jì)厚度0.46 m。
(3) 在隧道下行線布置了4 個(gè)凍脹壓力測(cè)孔，根據(jù)凍脹壓力測(cè)孔1 的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，2002 年12 月18 日凍脹壓力達(dá)到最大值0.73 MPa ，此時(shí)凍結(jié)時(shí)間19 d； 測(cè)孔4 的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，12 月19 日凍脹壓力達(dá)到最大值1.81 MPa ，此時(shí)凍結(jié)時(shí)間20 d 。說明凍結(jié)20 d 左右時(shí)凍土柱已經(jīng)交圈，凍結(jié)帷幕已基本形成。此后凍脹壓力趨于穩(wěn)定并逐步減少，凍土帷幕厚度增加，符合凍土凍結(jié)規(guī)律。另外，隧道下行線聯(lián)絡(luò)通道開挖斷面內(nèi)布置一個(gè)泄壓孔，其壓力變化，到12 月24 日，壓力不再升高，說明凍結(jié)帷幕內(nèi)的自由水由于水分遷移的作用，已經(jīng)基本補(bǔ)給到凍土中，2003 年1 月3 日打開該泄壓孔，有少量水和泥漿流出，幾分鐘后停止。1 月8 日土體開挖時(shí)，該孔內(nèi)沒有水流出現(xiàn)象。

5.2.5 土體支護(hù)
采用兩次支護(hù)方式。第一次支護(hù)(臨時(shí)支護(hù))采用預(yù)應(yīng)力鋼支架加背板。第二次支護(hù)(永久支護(hù))采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土。
聯(lián)絡(luò)通道土體開挖導(dǎo)致地層中原有的應(yīng)力平衡受到破壞，引起通道周圍地層中的應(yīng)力重新分布，這種重新分布的應(yīng)力不僅使上部地層產(chǎn)生位移，而且會(huì)形成新的附加荷載作用在已加固好的凍土帷幕上，會(huì)引起凍土帷幕及凍結(jié)管會(huì)產(chǎn)生變形或破壞，為控制這種變形的發(fā)展，凍土開挖后就要及時(shí)對(duì)凍結(jié)壁進(jìn)行及時(shí)的支護(hù)，所以聯(lián)絡(luò)通道的臨時(shí)支護(hù)即做為維護(hù)地層穩(wěn)定，確保施工安全的一項(xiàng)重要技術(shù)措施，又作為永久支護(hù)的一部分，是支護(hù)工藝最為關(guān)鍵的一步。
經(jīng)過力學(xué)計(jì)算分析，確定聯(lián)絡(luò)通道臨時(shí)支護(hù)的結(jié)構(gòu)形式，如圖4 所示。臨時(shí)支護(hù)采用18#工字鋼加工成的直腿拱形支架和矩形支架。鋼拱架為封閉形式用于喇叭口及通道內(nèi)的臨時(shí)支護(hù)，為增加支架的穩(wěn)定性，每道支架中部加有一根橫撐，拱形支架的間排距與通道的開挖步距相對(duì)應(yīng)為0.3～0.5 m， 相鄰支架間加有縱向拉桿，以增加整個(gè)支護(hù)體系的整體性和穩(wěn)定性。矩形鋼支架用于集水井，支護(hù)間距為0.5 m，上下兩排支架間由8 根拉桿相互連接，必要時(shí)增加縱橫向支撐，以增加支架整體的穩(wěn)定性及抗變形的能力。為了控制支架間凍結(jié)壁的變形，減少凍結(jié)壁冷量損失，所有鋼支撐架后用木背板密背，背板必須同凍結(jié)壁緊貼，盡量減少支護(hù)間隙，木背板不能松動(dòng)，當(dāng)支護(hù)間隙較大時(shí)，可增加背板厚度和木楔子，以提高支護(hù)效果。

圖4 聯(lián)絡(luò)通道的臨時(shí)支護(hù)
永久支護(hù)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的鋼筋砼結(jié)構(gòu)，為減少砼施工接縫，聯(lián)絡(luò)通道開挖及臨時(shí)支護(hù)完成后，一次連續(xù)進(jìn)行澆筑。由于這種結(jié)構(gòu)的特殊性，通道頂板內(nèi)的砼澆筑較為困難，為提高砼施工質(zhì)量，可采取分段澆筑的施工方式，必要時(shí)可采用噴漿機(jī)對(duì)澆筑空隙進(jìn)行充填。上部結(jié)構(gòu)施工完成以后，開挖集水井，集水井開挖到設(shè)計(jì)深度，首先對(duì)集水井底板進(jìn)行封底澆筑，然后一次完成集水井的鋼筋砼澆筑施工。
5.3 解凍過程中的施工措施
聯(lián)絡(luò)通道主體結(jié)構(gòu)施工完畢后，停止供冷，土體自然解凍，解凍過程中會(huì)引起地面的沉陷，如果沉陷過大，不但對(duì)隧道而且對(duì)地面建筑、地下管線將產(chǎn)生不利影響。為減少土體解凍產(chǎn)生的沉降量， 可通過隧道及聯(lián)絡(luò)通道預(yù)留的注漿孔，采取跟蹤注漿的形式，根據(jù)觀測(cè)到的隧道及地層沉降情況，及時(shí)地對(duì)地層進(jìn)行補(bǔ)償注漿。
6 結(jié)論
凍結(jié)法在南京地鐵一號(hào)線TA4 標(biāo)的成功經(jīng)驗(yàn)說明南京地質(zhì)條件下――在地下水位較高的軟土且含砂層的土質(zhì)采用凍結(jié)施工是可行的，隨著工程的開展，凍結(jié)法會(huì)地鐵建設(shè)中得到更廣泛的應(yīng)用。但在凍結(jié)施工中必須采用必要的施工技術(shù)措施相補(bǔ)充，必須重視施工中的跟蹤檢測(cè)措施，及時(shí)反饋信息，對(duì)施工的方案及時(shí)補(bǔ)充修正，確保萬無一失，工程順利進(jìn)行。

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