應(yīng)用凍結(jié)法加固地鐵工程的結(jié)構(gòu)施工研究摘要:主要介紹了上海地鐵明珠線藍(lán)村路站-浦東南路站區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道、泵站采用水平凍結(jié)加固情況下,隧道支護(hù)及結(jié)構(gòu)施工過程,分析了隧道內(nèi)礦山法施工旁通道對(duì)地表及隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響及解決措施,指出了礦山法施工技術(shù)在市政及地鐵工程施工中的技術(shù)可行性。關(guān)鍵詞:水平凍結(jié);隧道支護(hù);結(jié)構(gòu)施工1 前言 由于受城市地面道路、建筑和地下管線的影響,在地鐵隧道施工中,傳統(tǒng)的明挖施工技術(shù)受到挑戰(zhàn),而隧道暗挖施工技術(shù),因其很少占用地面施工場(chǎng)地、無環(huán)境污染、施工安全性高等優(yōu)勢(shì),在北京、廣州、上海等城市地鐵施工中得到推廣應(yīng)用。2002年6月至11月上海地鐵明珠線藍(lán)村路站-浦東南路站區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道、泵站工程采用全斷面水平凍結(jié)法加固、礦山法開挖支護(hù)施工順利完成。2概述2.1工程內(nèi)容 上海地鐵明珠線二期藍(lán)村路站—浦東南路站區(qū)間隧道旁通道及泵站(以下簡(jiǎn)稱旁通道)位于兩站區(qū)間隧道中部。旁通道由與左右線隧道正交的水平通道及通道中部的集水井組成(圖1)。按設(shè)計(jì),旁通道位置上、下行線隧道的中心標(biāo)高分別為-15.007m和-15.806m,上、下行線隧道中心線間距13481.9mm。通道為直墻圓弧拱結(jié)構(gòu),集水井為矩形結(jié)構(gòu),通道和集水井均采用兩次襯砌,其中初襯厚度為200mm,通道墻、拱和集水井內(nèi)襯厚度為400mm,通道底板和通道與隧道連接處(喇叭口)內(nèi)襯厚度為1000mm。通道的開挖輪廓高約4.23m,寬3.2m,局部(喇叭口處)高4.83m,寬4.4m;泵站開挖輪廓長(zhǎng)4.2m,寬3.2m,深2.2m。
2.2 工程地質(zhì)條件 旁通道位置地面標(biāo)高為4m左右,隧道上覆土層厚度按19m考慮。根據(jù)附近地層情況,旁通道施工范圍內(nèi)土層主要按灰色淤泥質(zhì)粘土、灰色粘土和灰色粉質(zhì)粘土考慮,具有孔隙比大、含水豐富、承載力低、容易壓縮和在動(dòng)力作用下易流變的特點(diǎn),開挖后天然土體本身難以自穩(wěn)。2.3 工程難點(diǎn) ①地質(zhì)條件差,淤泥質(zhì)粘土承載力低,含水率高,易流變; ②在盾構(gòu)區(qū)間隧道內(nèi)施工,施工點(diǎn)距區(qū)間隧道兩端車站均有1km左右的距離,施工場(chǎng)地狹小; ③工程地處浦東新區(qū)東方路,通道上方地面為一棟二層樓的超市,通道開挖引起的地表沉降量必須嚴(yán)格控制,不能超過30mm。 因此,在該地層內(nèi)開挖構(gòu)筑旁通道,需要先對(duì)施工影響范圍內(nèi)的土體進(jìn)行穩(wěn)妥、可靠的加固處理。經(jīng)反復(fù)論證決定采用水平凍結(jié)法加固。該工法具有安全性好,不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。因此本工程設(shè)計(jì)包括旁通道周圍土層的凍結(jié)加固和開挖構(gòu)筑施工兩部分內(nèi)容。設(shè)計(jì)地層凍結(jié)加固體積約為2100m3,挖掘土方和澆注混凝土體積分別為220m3和120m3。采用這種加固方法就要求旁通道及泵站結(jié)構(gòu)施工中的開挖工藝、支護(hù)參數(shù)等與之相適應(yīng)。3 施工方法與施工工序 根據(jù)上述施工條件,并結(jié)合上海地鐵二號(hào)線旁通道施工經(jīng)驗(yàn),擬采用“隧道內(nèi)水平凍結(jié)加固土體,隧道內(nèi)開挖構(gòu)筑”的全隧道內(nèi)施工方案。即:在隧道內(nèi)采用凍結(jié)法加固地層,使旁通道外圍土體凍結(jié),形成強(qiáng)度高、封閉性好的凍土帷幕,然后在凍土帷幕中采用礦山法進(jìn)行通道及泵站的開挖構(gòu)筑施工。 水平地層加固和開挖構(gòu)筑的主要施工工序:施工準(zhǔn)備→隧道管片開孔和安裝孔口管→凍結(jié)孔鉆進(jìn),安裝凍結(jié)器與冷板,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)→凍結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn),同時(shí)進(jìn)行隧道支撐→探孔試挖,拆鋼管片→通道掘進(jìn)與初襯→通道防水層施工與內(nèi)襯→泵站開挖與初襯→泵站防水層施工與內(nèi)襯→停止凍結(jié),封孔→壁后充填注漿。凍結(jié)孔施工和旁通道初襯施工為本工程的關(guān)鍵工序,防水層和旁通道內(nèi)襯施工為特殊工序。4 聯(lián)絡(luò)通道臨時(shí)支護(hù)參數(shù) 由于凍土具有明顯的蠕變特性,特別是粘性土層,這種特征更加明顯,隨著旁通道的掘進(jìn)施工,凍結(jié)壁被暴露在空氣中,凍土的蠕變隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。為控制凍結(jié)壁的變形,要對(duì)凍結(jié)壁采取有效的臨時(shí)支護(hù),以免凍結(jié)壁變形破壞。 將旁通道的支護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成由三段簡(jiǎn)支梁組成的一個(gè)半封閉結(jié)構(gòu)。由于拱頂部分的凍結(jié)壁較厚,凍結(jié)壁變形較小,作用在支架上的荷載主要作用在支架兩側(cè)的柱腿上。假設(shè)作用在支架腿上的載荷為均布荷載,最大彎距發(fā)生在柱腿中部,根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件,柱腿中部的撓度f(wàn)同凍結(jié)井壁的允許變形相等,即: ua=f=5qL4/381EI （1） 式中:ua為凍結(jié)壁的變形量;E為支架的材料彈性模量;I為支架慣性矩;L為支架柱腿的長(zhǎng)度;q為作用在支架腿上的均布荷載,q值可根據(jù)式 ua=(1+u)(p-pi)a/A(t×τ)確定。 式中:τ為凍土的側(cè)壓力系數(shù);A為凍土的彈性模量;p為作用在凍土外側(cè)的壓力;pi為支架對(duì)凍土壁的反力;a為旁通道寬度的一半;t為凍結(jié)壁的溫度系數(shù);u為支架的間距。 已知ua=2cm=0.02m,u=1/2=0.5,A=40MPa,p=20×1.8×104=3.6×105Pa;a=1.7m Pi=P-A·Ua(t×τ)/α(1+u)=4.6×104Pa設(shè)支架的排間距為0.5m,則每個(gè)支架上的荷載為q=pi/2=2.3×104Pa 由式(1)得I=5qL4/381UaE L=3.8m,q=2.3×104Pa,E=2.1×105MPa,Ua=0.02m代入上式得:I=1498cm4 根據(jù)工字鋼的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可知I16=1130cm4I18=1660cm4>1498cm4 故選用18號(hào)工字鋼作為支架的支護(hù)材料,考慮到支架的剛度及穩(wěn)定性,每個(gè)支架加有中梁及底梁。5旁通道開挖構(gòu)筑工藝 旁通道的開挖從占用隧道一側(cè)向另外一側(cè)隧道進(jìn)行水平暗挖,根據(jù)凍土的發(fā)展規(guī)律,同時(shí)考慮工期、隧道占用時(shí)間等因素,旁通道的開挖構(gòu)筑施工應(yīng)盡量同凍結(jié)孔施工占用同側(cè)隧道。旁通道的開挖構(gòu)筑在一個(gè)完全封閉的凍土帷幕內(nèi)進(jìn)行,凍土帷幕為一個(gè)底部較厚的直墻圓拱形,凍土墻設(shè)計(jì)厚度1.2m,凍土強(qiáng)度4～6MPa,旁通道及泵站的施工采取全斷面開挖。 在打開鋼管片前應(yīng)對(duì)各種量測(cè)資料及測(cè)溫孔中測(cè)得的凍結(jié)壁發(fā)展情況、凍結(jié)時(shí)間等進(jìn)行綜合分析,當(dāng)分析結(jié)果同設(shè)計(jì)基本相符時(shí),即可進(jìn)行試開挖。由于凍土強(qiáng)度較高,凍結(jié)壁本身起著臨時(shí)支承作用,開挖過程中為避免凍結(jié)壁暴露后產(chǎn)生蠕變,造成凍結(jié)管斷裂,在掘進(jìn)過程中要及時(shí)對(duì)凍結(jié)壁進(jìn)行臨時(shí)支護(hù),并對(duì)凍結(jié)壁及時(shí)封閉,減少冷量損失。旁通道的開挖構(gòu)筑要充分利用凍土的強(qiáng)度特點(diǎn),經(jīng)過科學(xué)施工,嚴(yán)格管理,將加固地層自身的穩(wěn)定性與合理的臨時(shí)支護(hù)有機(jī)的結(jié)合起來,控制開挖步距,加強(qiáng)工程監(jiān)測(cè), 將整個(gè)通道的開挖及臨時(shí)支護(hù)完成之后,一次進(jìn)行防水層和結(jié)構(gòu)混凝土澆筑施工。這樣不僅簡(jiǎn)化了旁通道及泵站開挖構(gòu)筑施工工藝,縮短了工期,加快了施工速度,而且提高了工程質(zhì)量。6 上海軌道交通明珠線二期藍(lán)村路站-浦東南路站區(qū)間隧道旁通道及泵站施工情況 上海軌道交通明珠線二期藍(lán)村路站-浦東南路站區(qū)間隧道旁通道及泵站開挖構(gòu)筑工作自2002年10月6日開始施工,10月11日旁通道部分采用礦山法開挖挖通,11月17日整個(gè)旁通道及泵房結(jié)構(gòu)施工完畢。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示地表最大沉降量為16mm,隧道內(nèi)管片最大沉降量為6mm。這說明采用凍結(jié)法加固的情況下,用礦山法開挖地鐵旁通道對(duì)周邊環(huán)境的影響完全處在安全范圍內(nèi)。該旁通道工程的成功實(shí)施,為上海市區(qū)建筑物下地鐵隧道施工及過江隧道施工積累了有益的經(jīng)驗(yàn),是凍結(jié)法加固地層礦山法開挖在市政工程中的一次成功實(shí)踐。參考文獻(xiàn):[1]陶龍光,巴肇倫.城市地下工程[M].北京:科學(xué)技術(shù)出版社,1999.[2]孫鈞.地下工程設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,1996.[3]陳仲頤,周景星,王洪瑾.土力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1997.
2.2 工程地質(zhì)條件 旁通道位置地面標(biāo)高為4m左右,隧道上覆土層厚度按19m考慮。根據(jù)附近地層情況,旁通道施工范圍內(nèi)土層主要按灰色淤泥質(zhì)粘土、灰色粘土和灰色粉質(zhì)粘土考慮,具有孔隙比大、含水豐富、承載力低、容易壓縮和在動(dòng)力作用下易流變的特點(diǎn),開挖后天然土體本身難以自穩(wěn)。2.3 工程難點(diǎn) ①地質(zhì)條件差,淤泥質(zhì)粘土承載力低,含水率高,易流變; ②在盾構(gòu)區(qū)間隧道內(nèi)施工,施工點(diǎn)距區(qū)間隧道兩端車站均有1km左右的距離,施工場(chǎng)地狹小; ③工程地處浦東新區(qū)東方路,通道上方地面為一棟二層樓的超市,通道開挖引起的地表沉降量必須嚴(yán)格控制,不能超過30mm。 因此,在該地層內(nèi)開挖構(gòu)筑旁通道,需要先對(duì)施工影響范圍內(nèi)的土體進(jìn)行穩(wěn)妥、可靠的加固處理。經(jīng)反復(fù)論證決定采用水平凍結(jié)法加固。該工法具有安全性好,不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。因此本工程設(shè)計(jì)包括旁通道周圍土層的凍結(jié)加固和開挖構(gòu)筑施工兩部分內(nèi)容。設(shè)計(jì)地層凍結(jié)加固體積約為2100m3,挖掘土方和澆注混凝土體積分別為220m3和120m3。采用這種加固方法就要求旁通道及泵站結(jié)構(gòu)施工中的開挖工藝、支護(hù)參數(shù)等與之相適應(yīng)。3 施工方法與施工工序 根據(jù)上述施工條件,并結(jié)合上海地鐵二號(hào)線旁通道施工經(jīng)驗(yàn),擬采用“隧道內(nèi)水平凍結(jié)加固土體,隧道內(nèi)開挖構(gòu)筑”的全隧道內(nèi)施工方案。即:在隧道內(nèi)采用凍結(jié)法加固地層,使旁通道外圍土體凍結(jié),形成強(qiáng)度高、封閉性好的凍土帷幕,然后在凍土帷幕中采用礦山法進(jìn)行通道及泵站的開挖構(gòu)筑施工。 水平地層加固和開挖構(gòu)筑的主要施工工序:施工準(zhǔn)備→隧道管片開孔和安裝孔口管→凍結(jié)孔鉆進(jìn),安裝凍結(jié)器與冷板,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)→凍結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn),同時(shí)進(jìn)行隧道支撐→探孔試挖,拆鋼管片→通道掘進(jìn)與初襯→通道防水層施工與內(nèi)襯→泵站開挖與初襯→泵站防水層施工與內(nèi)襯→停止凍結(jié),封孔→壁后充填注漿。凍結(jié)孔施工和旁通道初襯施工為本工程的關(guān)鍵工序,防水層和旁通道內(nèi)襯施工為特殊工序。4 聯(lián)絡(luò)通道臨時(shí)支護(hù)參數(shù) 由于凍土具有明顯的蠕變特性,特別是粘性土層,這種特征更加明顯,隨著旁通道的掘進(jìn)施工,凍結(jié)壁被暴露在空氣中,凍土的蠕變隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。為控制凍結(jié)壁的變形,要對(duì)凍結(jié)壁采取有效的臨時(shí)支護(hù),以免凍結(jié)壁變形破壞。 將旁通道的支護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成由三段簡(jiǎn)支梁組成的一個(gè)半封閉結(jié)構(gòu)。由于拱頂部分的凍結(jié)壁較厚,凍結(jié)壁變形較小,作用在支架上的荷載主要作用在支架兩側(cè)的柱腿上。假設(shè)作用在支架腿上的載荷為均布荷載,最大彎距發(fā)生在柱腿中部,根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件,柱腿中部的撓度f(wàn)同凍結(jié)井壁的允許變形相等,即: ua=f=5qL4/381EI （1） 式中:ua為凍結(jié)壁的變形量;E為支架的材料彈性模量;I為支架慣性矩;L為支架柱腿的長(zhǎng)度;q為作用在支架腿上的均布荷載,q值可根據(jù)式 ua=(1+u)(p-pi)a/A(t×τ)確定。 式中:τ為凍土的側(cè)壓力系數(shù);A為凍土的彈性模量;p為作用在凍土外側(cè)的壓力;pi為支架對(duì)凍土壁的反力;a為旁通道寬度的一半;t為凍結(jié)壁的溫度系數(shù);u為支架的間距。 已知ua=2cm=0.02m,u=1/2=0.5,A=40MPa,p=20×1.8×104=3.6×105Pa;a=1.7m Pi=P-A·Ua(t×τ)/α(1+u)=4.6×104Pa設(shè)支架的排間距為0.5m,則每個(gè)支架上的荷載為q=pi/2=2.3×104Pa 由式(1)得I=5qL4/381UaE L=3.8m,q=2.3×104Pa,E=2.1×105MPa,Ua=0.02m代入上式得:I=1498cm4 根據(jù)工字鋼的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可知I16=1130cm4I18=1660cm4>1498cm4 故選用18號(hào)工字鋼作為支架的支護(hù)材料,考慮到支架的剛度及穩(wěn)定性,每個(gè)支架加有中梁及底梁。5旁通道開挖構(gòu)筑工藝 旁通道的開挖從占用隧道一側(cè)向另外一側(cè)隧道進(jìn)行水平暗挖,根據(jù)凍土的發(fā)展規(guī)律,同時(shí)考慮工期、隧道占用時(shí)間等因素,旁通道的開挖構(gòu)筑施工應(yīng)盡量同凍結(jié)孔施工占用同側(cè)隧道。旁通道的開挖構(gòu)筑在一個(gè)完全封閉的凍土帷幕內(nèi)進(jìn)行,凍土帷幕為一個(gè)底部較厚的直墻圓拱形,凍土墻設(shè)計(jì)厚度1.2m,凍土強(qiáng)度4～6MPa,旁通道及泵站的施工采取全斷面開挖。 在打開鋼管片前應(yīng)對(duì)各種量測(cè)資料及測(cè)溫孔中測(cè)得的凍結(jié)壁發(fā)展情況、凍結(jié)時(shí)間等進(jìn)行綜合分析,當(dāng)分析結(jié)果同設(shè)計(jì)基本相符時(shí),即可進(jìn)行試開挖。由于凍土強(qiáng)度較高,凍結(jié)壁本身起著臨時(shí)支承作用,開挖過程中為避免凍結(jié)壁暴露后產(chǎn)生蠕變,造成凍結(jié)管斷裂,在掘進(jìn)過程中要及時(shí)對(duì)凍結(jié)壁進(jìn)行臨時(shí)支護(hù),并對(duì)凍結(jié)壁及時(shí)封閉,減少冷量損失。旁通道的開挖構(gòu)筑要充分利用凍土的強(qiáng)度特點(diǎn),經(jīng)過科學(xué)施工,嚴(yán)格管理,將加固地層自身的穩(wěn)定性與合理的臨時(shí)支護(hù)有機(jī)的結(jié)合起來,控制開挖步距,加強(qiáng)工程監(jiān)測(cè), 將整個(gè)通道的開挖及臨時(shí)支護(hù)完成之后,一次進(jìn)行防水層和結(jié)構(gòu)混凝土澆筑施工。這樣不僅簡(jiǎn)化了旁通道及泵站開挖構(gòu)筑施工工藝,縮短了工期,加快了施工速度,而且提高了工程質(zhì)量。6 上海軌道交通明珠線二期藍(lán)村路站-浦東南路站區(qū)間隧道旁通道及泵站施工情況 上海軌道交通明珠線二期藍(lán)村路站-浦東南路站區(qū)間隧道旁通道及泵站開挖構(gòu)筑工作自2002年10月6日開始施工,10月11日旁通道部分采用礦山法開挖挖通,11月17日整個(gè)旁通道及泵房結(jié)構(gòu)施工完畢。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示地表最大沉降量為16mm,隧道內(nèi)管片最大沉降量為6mm。這說明采用凍結(jié)法加固的情況下,用礦山法開挖地鐵旁通道對(duì)周邊環(huán)境的影響完全處在安全范圍內(nèi)。該旁通道工程的成功實(shí)施,為上海市區(qū)建筑物下地鐵隧道施工及過江隧道施工積累了有益的經(jīng)驗(yàn),是凍結(jié)法加固地層礦山法開挖在市政工程中的一次成功實(shí)踐。參考文獻(xiàn):[1]陶龍光,巴肇倫.城市地下工程[M].北京:科學(xué)技術(shù)出版社,1999.[2]孫鈞.地下工程設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,1996.[3]陳仲頤,周景星,王洪瑾.土力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1997.