地鐵隧道水平凍結(jié)法施工

1、北京地鐵隧道水平凍結(jié)法施工Horizontal ground freezing method applied to tunneling of Beijing Underground Railway System周曉敏蘇立凡(煤炭科學(xué)研究總院北京建井研究所,北京,100013賀長(zhǎng)俊關(guān)繼發(fā)(北京城建集團(tuán)地鐵建設(shè)指揮部,北京,100000文摘北京復(fù)八線(xiàn)地鐵“大熱”區(qū)間南隧道施工時(shí),拱頂遇到飽和含水的粉細(xì)砂層,此段隧道地處國(guó)貿(mào)立交橋下,又有多條地下管線(xiàn),為了確保地下管線(xiàn)和地面交通的正常使用和安全運(yùn)行,在國(guó)內(nèi)首次實(shí)施了隧道內(nèi)的水平凍結(jié)加固施工。本文論述了該工法的設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)的處理以及實(shí)際取得的效果,探

2、討了人工地層凍結(jié)和淺埋暗挖技術(shù)相結(jié)合的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞凍結(jié)法,水平鉆孔,地鐵隧道中圖法分類(lèi)號(hào)T U472.9,U455,T D265.3作者簡(jiǎn)介周曉敏,男,1964年生,1985年畢業(yè)于山東礦業(yè)學(xué)院,1994年于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)獲碩士學(xué)位,高級(jí)工程師,國(guó)內(nèi)外發(fā)表論文12篇,獲2項(xiàng)國(guó)內(nèi)專(zhuān)利,1997年獲得煤炭部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng),主要從事人工地層凍結(jié)技術(shù)研究和工程承包。Zhou XiaominSu Lif an(Beijing Research Institute of Mine Construction Central Coal Mining Research Institute,Beijing,10

3、0013He ChangjunGuan Jif a(Railway Engineering General Headquarters Beijing Urban Construction Group Co.Ltd.,Beijing,100081AbstractDuring the construction of the south railway tunnel in Da Re Area of Beijing Underground Railway System,there was a water saturated layer of fine sand on the roof of the

4、tunnel area.The tunnel area is located under the Guomao Overpass and there are several underground pipelines located in the tunnel area.To assure a normal operation and safety of the pipelines and overpass,horizontal ground freezing method was applied to the tunneling for the first time in China.Thi

5、s paper has stated the design,the key technologies and the practical results of this method, and discussed the technical tendency in combination of the ground freezing and the excavation with a shallow depth.K ey wordsfreezing method,horizontal drilling,underground railway tunnel1引言?xún)鼋Y(jié)法在我國(guó)廣泛應(yīng)用于煤礦井筒施工

6、,是解決淤泥、流砂等不穩(wěn)定含水表土的可靠技術(shù)工法。其方法是在井筒四周布置垂直凍結(jié)孔,向地層供冷,進(jìn)行人工凍結(jié),固結(jié)軟弱地層,在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行掘進(jìn)和襯砌。但凍結(jié)法在我國(guó)隧道施工中還未得到廣泛應(yīng)用,1997年11月至1998年4月,在北京地鐵熱八線(xiàn)大北窯車(chē)站南隧道進(jìn)行了我國(guó)首例水平法凍結(jié)施工,水平距離45m。2工程概況北京地鐵復(fù)興門(mén)至八王墳的南隧道,在由東掘襯至大北窯車(chē)站東側(cè)的隔斷門(mén)(里程為B248+12108時(shí),隧道頂部遇到了粉細(xì)砂層,發(fā)生坍塌,并造成地表的沉陷,據(jù)勘測(cè)資料,此段的粉細(xì)砂約12m厚,雞窩狀賦存,呈流態(tài),據(jù)調(diào)查,粉細(xì)砂的水飽和與隧道上面的地下排污水管線(xiàn)滲漏有關(guān)。此段隧道正處在國(guó)

7、貿(mào)立交橋下,是長(zhǎng)安街和東三環(huán)的交叉要道。隧道地質(zhì)環(huán)境條件如圖1所示,由地面向下,土層依次為雜填土、輕亞粘土、粉細(xì)砂、圓礫砂層、輕亞粘土。隧道頂埋深約10m,拱頂上部主要有以下管線(xiàn):(1直徑118m的污水管道,埋深8m,距離拱頂2 m,距隔斷門(mén)16m,南北走向與隧道線(xiàn)路正交。(26m寬2m高的污水方溝,距離隔斷門(mén)約36m 處,埋深8m,距離拱頂2m,在三環(huán)高架橋兩立柱間,與隧道正交。(3直徑114m的污水管道,埋深7m,距拱頂3m,南北走向與線(xiàn)路正交。(4直徑112m的雨水合流管線(xiàn),埋深5m,距拱頂315m,東西走向在拱頂南側(cè)315m。根據(jù)上述施工環(huán)境和困難的地質(zhì)條件,經(jīng)研究認(rèn)為采用人工地層凍結(jié)

8、加固施工最可靠,可以保證地下管線(xiàn)和地面交通安全,其關(guān)鍵是地下水平凍結(jié)管的鋪設(shè)和施工成本的控制。3水平凍結(jié)施工設(shè)計(jì)311水平凍結(jié)方案的確定凍結(jié)長(zhǎng)度考慮兩個(gè)因素,一是重點(diǎn)保護(hù)污水管到稿日期:199*第21卷第3期巖土工程學(xué)報(bào)Vol.21No.31999年5月Chinese J ournal of Geotechnical Engineering May,1999圖1北京地鐵“大熱”區(qū)間隧道水平凍結(jié)段縱向剖面圖Fig.1Longitudinal section of horizontal ground freezing of the Da-Re Area of Beijing Underground

9、 Railway及方溝為加固區(qū),二是拱頂上方粉細(xì)砂層和開(kāi)挖線(xiàn)的相互位置,確定值為45m。凍結(jié)壁形狀在隧道拱頂開(kāi)挖線(xiàn)上方,呈割圓拱型。凍結(jié)壁弧長(zhǎng)使得凍土和下部粘土層相交,L=7m。凍結(jié)壁厚度既符合受力計(jì)算安全,又考慮布置鉆孔及凍結(jié)壁隔離粉細(xì)砂等方面的工藝要求。按平面應(yīng)變的厚壁拱梁計(jì)算,S112m。凍結(jié)孔布置圈半徑R=r+015E=3125m式中r為外襯半徑;E為有效凍結(jié)壁厚。最大孔間距(終孔間距L maxE=112m;或L max=2vt式中t為積極凍結(jié)時(shí)間(d;v為凍土擴(kuò)展速度(m m/d。開(kāi)孔間距I o=I max-2H=0168mm式中H為凍結(jié)孔長(zhǎng)度(m;為偏率。設(shè)計(jì)檢測(cè)孔2個(gè)。隧道斷面及

10、凍結(jié)孔布置及偏斜見(jiàn)圖2。312拱形凍結(jié)壁結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚112m,平均溫度為-10,凍結(jié)粉細(xì)砂持久抗壓強(qiáng)度6MPa,抗彎強(qiáng)度215MPa。按平面應(yīng)變結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。抗彎安全系數(shù)達(dá)到1183,抗壓安全系數(shù)達(dá)到3106。313凍結(jié)施工技術(shù)參數(shù)采用一臺(tái)Y S LG F300型螺桿壓縮機(jī)組,標(biāo)準(zhǔn)制冷量281kW。地層凍結(jié)供冷工藝參數(shù)和指標(biāo)如下:積極凍結(jié)鹽水溫度為-24-26;凍結(jié)壁交圈時(shí)間為25 28d;最早開(kāi)挖時(shí)間為25d;積極凍結(jié)時(shí)間為2540 d;維護(hù)凍結(jié)鹽水溫度為-1820;維護(hù)凍結(jié)時(shí)間為36d 。圖2水平凍結(jié)管、測(cè)溫孔布置及偏斜圖Fig.2Arrangement&deviation

11、of horizontal freeze pipeand temperature measuring pipe023巖土工程學(xué)報(bào)1999年 4水平凍結(jié)孔的施工411水平凍結(jié)孔的施工技術(shù)要求和特點(diǎn)水平凍結(jié)孔施工是人工地層凍結(jié)的關(guān)鍵,一是要控制凍結(jié)鉆孔的偏斜,二要確保凍結(jié)器安裝的密封性能達(dá)到質(zhì)量要求。在常規(guī)豎井凍結(jié)施工規(guī)范中,偏率控制取決于深度和巖性,一般要求在表土層內(nèi)的垂直鉆孔偏斜率小于013%,到達(dá)基巖段內(nèi)的鉆孔偏斜率為015%,本項(xiàng)目根據(jù)工期和安全要求,結(jié)合國(guó)內(nèi)目前水平鉆孔的技術(shù)水平,確立凍結(jié)孔偏率控制在017%1%以?xún)?nèi),最大相鄰孔間距112m,必要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)孔。凍結(jié)器的耐壓要求大于016MP

12、a。鉆孔偏斜控制需從鉆機(jī)選型、鉆具組合工藝、凍結(jié)管鋪設(shè)方法等方面綜合考慮。凍結(jié)孔施工有以下特點(diǎn):(1水平凍結(jié)孔密集、偏率精度要求較高。(2鉆孔定位空間小。鉆孔均在隧道的邊緣,左右上下的操作空間有限,開(kāi)孔距側(cè)幫的最小空間小于250mm寬。(3需進(jìn)行盲孔水平鉆進(jìn)和鋪管,因此頂鉆法、矛夯法、導(dǎo)向反拉水平鉆法等施工方法難以實(shí)現(xiàn)。(4應(yīng)選用抗電磁干擾的水平測(cè)斜儀器或?qū)騼x,但目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有適用于水平凍結(jié)孔測(cè)斜的儀器。412技術(shù)方案和措施總體方案是:選用MK-5型水平坑道鉆機(jī),采用鉆孔和鋪管合一的技術(shù)方案,鉆桿采用(108mm×6 mm無(wú)縫鋼管,兼作凍結(jié)管,螺紋加焊接連接,配用114 mm無(wú)芯鉆

13、頭,泥漿循環(huán)鉆進(jìn)。水平鉆孔偏斜的原因取決于鉆桿受力條件和安裝因素。鉆桿受壓和自重是導(dǎo)致鉆孔偏斜和下垂的主要原因。其次是安裝和開(kāi)孔誤差因素。為確保鉆孔精度采取以下技術(shù)措施:(1采用了凍結(jié)管兼作鉆桿,增加了鉆桿的剛度,直徑比一般增加了近2倍,抗彎剛度增加近16倍。(2采用螺紋連接確保鉆桿連接的同心度,同時(shí)接口加焊,既確保密封性能,又增加接口的剛度。(3增加鉆機(jī)至開(kāi)口之間的距離,架設(shè)孔外導(dǎo)向裝置和開(kāi)孔段導(dǎo)向管。減少開(kāi)孔誤差。(4泥漿循環(huán),起到排渣、護(hù)壁、破土、潤(rùn)滑四大作用。(5采用燈光測(cè)斜,簡(jiǎn)易、適用、經(jīng)濟(jì),雖然測(cè)斜的距離有限,但精度可信。通過(guò)與試驗(yàn)鉆孔所掌握的鉆孔軌跡和規(guī)律,可以指導(dǎo)施工。(6采用

14、新型組合鉆頭,確保了鉆進(jìn)、測(cè)斜、凍結(jié)管試漏三項(xiàng)工序的實(shí)施。413水平凍結(jié)孔的施工結(jié)果水平鉆孔于1997年9月24日10月31日進(jìn)行了水平鉆試驗(yàn),11月7日開(kāi)始正式水平凍結(jié)孔的開(kāi)鉆,12月6日結(jié)束,工期1個(gè)月。除去協(xié)調(diào)和試驗(yàn)占用的工期外,純施工速度一般每3d完成2孔,包括鉆機(jī)的定位,鉆進(jìn)、測(cè)斜、密封、打壓試漏等5道工序。鉆孔垂直和水平偏率一般達(dá)到了015%以?xún)?nèi),但8號(hào)孔水平偏率達(dá)到了0197%,主要原因是靠側(cè)墻布孔方位控制難度大,為了控制最大孔間距,增加1個(gè)4419m深的補(bǔ)孔。實(shí)際完成水平凍結(jié)孔9個(gè),2個(gè)觀(guān)測(cè)孔。5隧道水平凍結(jié)段施工511水平地層凍結(jié)冷凍站和管路安裝于1998年1月3日開(kāi)始,1月

15、19日開(kāi)始制冷運(yùn)轉(zhuǎn),運(yùn)轉(zhuǎn)2d鹽水降至-5,10d鹽水的供冷溫度達(dá)到-15,22d到達(dá)設(shè)計(jì)溫度-24 -25,圖3是C2觀(guān)測(cè)孔內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的地層降溫曲線(xiàn)。C2開(kāi)孔距離凍結(jié)器布置線(xiàn)0193m,凍結(jié)30d孔深20 m以?xún)?nèi)的地層溫度23,說(shuō)明凍結(jié)凍土接近隧道掘砌荒徑。1998年3月26日開(kāi)挖,地層凍結(jié)38d。在凍結(jié)段掘襯到20m之后,采取維護(hù)凍結(jié)鹽水溫度,將由-25升到-18。后又采用間歇式維護(hù)凍結(jié) 。圖3C2孔內(nèi)地層溫度觀(guān)測(cè)曲線(xiàn)Fig.3Curves of temperature surveying in C2hole512隧道掘砌隧道掘襯工藝仍采取分段臺(tái)階式施工工藝,分上下兩層平行作業(yè)。上臺(tái)階高度仍是

16、上部三心拱的拱高,臺(tái)階的長(zhǎng)度由普通暗挖的5m縮小到3m,分區(qū)挖掘,先沿著頂和幫挖掘,支護(hù)步距由原先的500mm增加到1000mm,每23個(gè)步距后挖掘中央留下的土臺(tái);下臺(tái)階全斷面挖掘,每進(jìn)尺500mm架設(shè)反拱。外襯支護(hù)采取格柵拱加網(wǎng)噴混凝土施工,格柵間距750mm,采取200mm×200mm鋼絲網(wǎng)。凍土幫上噴射的混凝土內(nèi)加3%復(fù)合防凍劑。凍結(jié)段的隧道掘襯于1998年4月10日完成。整個(gè)階段施工安全,工序銜接連貫。每日施工進(jìn)尺穩(wěn)定。513地層變位觀(guān)測(cè)結(jié)果凍結(jié)段施工進(jìn)行了周密的地層觀(guān)測(cè),一是在隧道的上部地表每隔5m布置1組測(cè)點(diǎn),加密監(jiān)測(cè)地表位123第3期周曉敏等1北京地鐵隧道水平凍結(jié)法施工

17、圖4地層凍結(jié)與小導(dǎo)管注漿兩種加固的隧道施工階段地表位移對(duì)比曲線(xiàn)Fig.4C omparis on of ground surface displacements in the period of underground tunneling with method of freezing and grouting移情況;二在工作面附近進(jìn)行隧道收斂等觀(guān)測(cè),每進(jìn)尺5m,在拱頂、拱腳部位設(shè)置1組監(jiān)測(cè)點(diǎn)。圖4是凍結(jié)段與相鄰的小導(dǎo)管注漿施工段地表位移觀(guān)測(cè)對(duì)比結(jié)果,可以看出,凍結(jié)段在積極凍結(jié)期地表略有36mm的隆起,這直接反映人工凍結(jié)與冬季兩個(gè)因素導(dǎo)致的土層凍脹影響,進(jìn)入開(kāi)挖階段,地表轉(zhuǎn)入緩慢下沉階段,凍結(jié)

18、段施工期間的下沉總量只有小導(dǎo)管注漿段施工段的2/3。地表沉降觀(guān)測(cè)可間接反映出隧道開(kāi)挖過(guò)程中凍結(jié)壁保護(hù)作用下的空間效應(yīng)。工作面前方35m處只有23mm的沉降,占總位移量的1/10,在工作面后方1020m的范圍內(nèi)的地表沉降一直持續(xù),與其他暗挖區(qū)段比較可以看出,工作面前方的開(kāi)挖空間效應(yīng)變小和掌子面后地表沉降穩(wěn)定時(shí)間延長(zhǎng),明顯反映出凍結(jié)壁的超前臨時(shí)支護(hù)作用。開(kāi)挖階段,拱腳一般先向外擴(kuò)張,在下臺(tái)階襯砌和上臺(tái)階封閉后開(kāi)始收斂,拱頂和拱腳的位移量均在5mm以?xún)?nèi)。6結(jié)語(yǔ)北京地鐵暗挖隧道在大北窯南隧道采用水平凍結(jié)法施工,順利通過(guò)了粉細(xì)砂困難地段。從水平鉆孔試驗(yàn)至隧道貫通,歷時(shí)5個(gè)多月。其中隧道正式開(kāi)挖前的地層凍結(jié)時(shí)間是38d,隧道開(kāi)挖至上臺(tái)階貫通時(shí)間45d,完成全部外襯是56d。(1通過(guò)改制國(guó)產(chǎn)MK5鉆機(jī),研制鉆具組合和導(dǎo)向孔口裝置,從鉆孔偏