地鐵工程建設中高流速富水砂層聯(lián)絡通道冷凍法施工工藝

地鐵工程建設中高流速富水砂層聯(lián)絡通道冷凍法施工工藝

Summary：近年來，我國的軌道交通行業(yè)有了很大進展，城市的地鐵工程建設越來越多。在地鐵工程建設中，富水砂層地質(zhì)條件下聯(lián)絡通道開挖、構(gòu)筑及融沉注漿過程中，按照短開挖、強支護、快封閉、勤測量、及時注漿的原則并采取嚴格的過程控制和預防措施，化解了不良地質(zhì)條件帶來的施工風險，保證了聯(lián)絡通道順利安全完成。本文首先對凍結(jié)法施工技術(shù)概述，其次探討富水砂層冷凍法施工技術(shù)，為以后類似工程提供了理論依據(jù)。Keys：冷凍法；聯(lián)絡通道；富水砂層；施工技術(shù)引言“凍結(jié)法”作為聯(lián)絡通道開挖過程的輔助地層加固的一種工法，在廣州、上海、天津、杭州等富水性強的流沙層和淤泥地層等松散含水復雜地層條件下已多次成功應用。根據(jù)現(xiàn)場工況，結(jié)合水文、地質(zhì)條件，采用冷凍法進行聯(lián)絡通道的加固。1凍結(jié)法施工技術(shù)概述根據(jù)NB/T10222—2019《隧道聯(lián)絡通道凍結(jié)法施工及驗收規(guī)范》釋義，凍結(jié)法是在地下構(gòu)筑物施做前，對構(gòu)筑物周邊含水地層人工主動凍結(jié)，形成擁有臨時承載和隔水效果的凍結(jié)帷幕，然后在帷幕的保護下組織構(gòu)筑物掘砌施工的一種方法。其原理是將存水地層(松散土層或裂隙巖層)冷卻至零度以下，使地層中的水凍結(jié)成冰，巖土物理性質(zhì)發(fā)生重塑，地層被冷凍加固后形成一種具有較高的強度和絕對封水性“凍結(jié)整體結(jié)構(gòu)”即凍結(jié)壁，其具有安全性好、適用性強、靈活性高的特點。2冷凍法聯(lián)絡通道施工工藝2.1凍結(jié)孔施工聯(lián)絡通道凍結(jié)壁是由利用凍結(jié)孔內(nèi)的低溫載冷劑經(jīng)過熱傳導不斷地將周圍地層的水轉(zhuǎn)變成冰，凍結(jié)壁的結(jié)構(gòu)是由凍結(jié)孔的布設形式?jīng)Q定的。所以鉆孔質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到凍結(jié)壁的形成，尤其是對高流速富水性強的砂層，冷量會隨著地層中的流動不斷流失，因此凍結(jié)孔施工質(zhì)量的好壞決定了凍結(jié)法聯(lián)絡通道施工的成敗。凍結(jié)孔的鉆孔施工工藝：定位、開孔—孔口管安裝—孔口裝置安裝—鉆孔—測量—封閉孔底部—打壓試驗。（1）開孔及孔口管安裝：凍結(jié)孔的孔位是根據(jù)凍結(jié)設計圖紙利用經(jīng)緯儀來對孔的位置進行確定，根據(jù)孔的位置在混凝土管片或鋼管片上來開孔?？湛诠艿聂~鱗扣部分用麻或棉絲等密封材料纏繞，將孔口管嵌入管片中，用不少于4顆膨膨脹螺栓固定空口管。（2）孔口裝置安裝：孔口裝置是鉆孔過程中防止水砂噴涌的關(guān)鍵裝置，它是選擇D125的球閥和壓緊裝置與孔口管相連，作為鉆孔過程中的封水裝置。（3）鉆孔及測量：根據(jù)設計要求對鉆機的位置進行調(diào)整和固定后，將鉆頭通過孔口裝置進行鉆進，當鉆進過程中出現(xiàn)費力且不能鉆進時，采用打水鉆進的方式，同時打開旁通閥，觀察鉆進過程中的出水、出砂量，并利用閥門的開度來控制。目前鉆孔優(yōu)先選擇MD-80型鉆機，扭矩為4200N·m，推力為33kN。鉆孔過程中要及時對孔深和偏斜要及時測量。（4）凍結(jié)孔封閉孔底：用絲堵進行凍結(jié)孔頂部封堵。具體方法是用加長桿將絲堵放入孔底，利用反向絲桿把絲堵擰緊。（5）加壓試驗：凍結(jié)孔孔口封閉，使用電動試壓泵將水壓入孔中，當壓力不小于0.8MPa，停壓后，關(guān)閉閥門，觀察壓力變化，前30min內(nèi)壓降不超過0.05MPa，后15min內(nèi)壓力不降為合格。鉆孔過程的關(guān)鍵要點：（1）開孔位置應避開混凝管片的主筋或鋼管片的肋板，開孔深度達到300mm時停止鉆進，預留至少50mm的保護層，防止管片開透后的水和砂噴出，并安裝孔口管。（2）孔口裝置要求首先DN125的球閥要開關(guān)自如密封效果良好，其次安裝DN125球閥時和孔口管之間的膠墊要經(jīng)常檢查，尤其時高流速富水砂層時密封要好，第三是孔口管和球閥的連接螺栓要上滿上緊，保證鉆孔過程中不滲漏，最后是球閥后面的壓緊裝置根凍結(jié)管接觸部分要壓實。（3）高流速富水砂層施工前聯(lián)絡通道附近前后10的管片要重點進行壁厚注漿加固處理，防止二次開孔出現(xiàn)涌水漏砂；（4）富水性強的流砂層鉆孔過程容易偏斜，要求鉆孔過程中經(jīng)常測量鉆機和鉆桿的角度確保凍結(jié)孔偏斜符合規(guī)范要求；（5）鉆孔結(jié)束后要及時進行環(huán)形空間的注漿，以減輕對聯(lián)絡通道的沉降影響和孔口管的滲水；（6）對于單孔長度小于20m的凍結(jié)孔可采用燈光測斜，對長度大于20m的凍結(jié)孔優(yōu)先采用陀螺測斜儀進行測斜，并繪制偏斜圖分析凍結(jié)孔的終孔間距。確保符合要求，孔間距過大時必須要補孔處理。2.2凍結(jié)設備選型目前聯(lián)絡通道凍結(jié)站一般設置在聯(lián)絡通道附近，制冷設備優(yōu)先選擇體積小制冷量大的低溫鹽水機組。我單位一般選擇SLG-200DDL型冷凍機組單臺制冷量(工況)13.93×104Kcal/h，鹽水泵選擇150KQW200-50-45/4型流量200m3/h，揚程50m，能夠滿足每組凍結(jié)孔流量不低于5m3/h的設計要求，清水泵選擇150KQW160-32-22/4型。清水冷卻系統(tǒng)采用MBST-80型冷卻塔或根據(jù)隧道實際情況自做冷卻系統(tǒng)，滿足冷卻需要。凍結(jié)站設備選型的關(guān)鍵要點：（1）對于高流速富水砂層的聯(lián)絡通道凍結(jié)管散冷量較大，故凍結(jié)管的單位熱流量選擇要比一般的地層大，一般取值在取300kcal/m2來保證凍結(jié)壁按設計要求交圈。（2）同時凍結(jié)站在裝機制冷量上要充分考慮裝機富裕系數(shù)，一般裝機制冷量時聯(lián)絡通道的需冷量的2.5倍以上，來彌補聯(lián)絡通道的高流速地下水帶走的冷量損失。（3）如果凍結(jié)站設置在車站或者鹽水輸送距離較遠時裝機制冷量還應考慮鹽水干管的冷量損失。2.3管路連接及保溫鹽水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)管路用法蘭連接，并用管架架設在施工平臺上或隧道管片上。鹽水管路要離地面安裝，避免浸水和高低起伏。集配液圈與凍結(jié)管的連接用高壓膠管。在對側(cè)隧洞管片內(nèi)側(cè)凍結(jié)加固范圍內(nèi)敷設冷凍排管，敷設方法為用膨脹螺栓和壓板直接固定在管片上。冷凍排管與穿透凍結(jié)孔之間用膠管連接。管路連接的關(guān)鍵要點：（1）凍結(jié)孔每2～5個一串聯(lián)，串聯(lián)盡量間隔進行，串聯(lián)要求上部孔單組長度不超過30m，上部孔采用反循環(huán)方式，防止運轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生氣堵現(xiàn)象，下部孔串聯(lián)長度不超過40m，應以每組凍結(jié)孔總長度相近和鹽水循環(huán)阻力接近為宜。（2）在去路鹽水干管上安裝單向閥。在鹽水管路的高處安裝放氣閥。鹽水和冷卻水管路耐壓分別為0.7MPa和0.3MPa。保溫層采用阻燃的軟質(zhì)塑料泡沫材料，導熱系數(shù)不大于0.04W/mk。保溫板采用專用膠水密貼在隧道管片上不留空隙，板材之間搭接寬度不小于150mm。保溫層厚度不小于30mm。鹽水干管要用20mm和30mm后的保溫材料進行雙層錯縫保溫，避免冷量過多的損失在鹽水干管的輸送上。法蘭連接處要經(jīng)過壓力試驗合格后方可進行上述保溫。冷凍排管外側(cè)用保溫材料覆蓋嚴實。凍結(jié)區(qū)域內(nèi)凍結(jié)壁發(fā)展的2m范圍均采用40mm厚的PEF板（導熱系數(shù)不大于0.04W/mk）進行保溫，保溫板采用專用密封膠水密貼管片之上，不留空隙，保溫板搭接長度不小于150mm。2.4凍結(jié)法聯(lián)絡通道凍結(jié)施工全部冷凍系統(tǒng)安裝完成后，冷凍站進入積極凍結(jié)期，冷凍站正常運轉(zhuǎn)7天鹽水溫度降至-18℃下，積極凍結(jié)15天鹽水溫度降到-24℃以下。開始凍結(jié)后，要巡回檢查凍結(jié)器是否有斷裂漏鹽水的情況發(fā)生，一旦發(fā)現(xiàn)鹽水漏失，立即關(guān)閉閥門。并根據(jù)鹽水漏失情況采取補救措施。積極凍結(jié)期在凍結(jié)過程中，每天檢測去、回路干管鹽水溫度、凍結(jié)器回路鹽水溫度、鹽水箱液位變化、冷卻水溫度，觀察凍結(jié)器頭部結(jié)霜是否有異常融化。在凍結(jié)運轉(zhuǎn)初期，檢測各凍結(jié)器的鹽水流量，如發(fā)現(xiàn)檢測流量小于設計要求，則應用控制閥門進行調(diào)節(jié)，或者加大鹽水泵泵量，使其滿足設計要求。每天必需巡視凍結(jié)情況，每天監(jiān)測測溫孔溫度，并根據(jù)測溫數(shù)據(jù)，分析凍結(jié)壁的擴展速度和厚度，預計凍結(jié)壁達到設計厚度時間。積極凍結(jié)期的關(guān)鍵要點：（1）對于高流速富水性的砂層來說要求冷量必須滿足需要，所以“超低溫、大流量”的凍結(jié)思路要貫穿始終；（2）每天做好測溫數(shù)據(jù)和泄壓孔壓力統(tǒng)計，及時分析凍土發(fā)展趨勢；（3）嚴格控制每組回水溫差不大于0.5℃，保證凍結(jié)壁發(fā)展均勻；（4）泄壓孔壓力上漲后超過原始地壓0.2MPa時要及時泄壓，泄壓過程要反復泄壓或者憋壓的過程，確保凍結(jié)壁的承載力；（5）泄壓過程必須保證有專人值守，尤其時前期泄壓過程要觀察出水量，保證泄壓過程的安全；（6）對于含水量大的地層探孔難以探測開挖面的土體穩(wěn)定情況，必要時可以通過搭設200mm*200mm的探窗來加以驗證。2.5維護凍結(jié)期聯(lián)絡通道開挖后，地層中原有的應力平衡受到破壞，引起通道周圍地層中的應力重新分布，這種重新分布的應力不僅使上部地層產(chǎn)生位移，而且會形成新的附加荷載作用在已加固好的凍土帷幕上，當凍土帷幕墻所承受的壓力超過凍土強度時，凍土帷幕及凍結(jié)管會產(chǎn)生蠕變，為控制這種變形的發(fā)展，同時考慮高流速富水砂層導熱系數(shù)比較高的特性，為確保凍結(jié)質(zhì)量要求從開挖到施工結(jié)構(gòu)層前，鹽水溫度要保持不高于-28℃。聯(lián)絡通道開挖步距不大于800mm，聯(lián)絡通道通道內(nèi)鋼支撐間距500mm，鋼支撐間距可根據(jù)實際施工情況作適當調(diào)整，特殊情況下最大不超過800mm。初期支護與開挖面的距離為300mm。開挖后應及時施工初期支護，聯(lián)絡通道初支每2榀拱架噴射一次混凝土，混凝土及時噴射避免凍結(jié)壁暴露時間過長。維護凍結(jié)過程中，要與積極凍結(jié)時一樣進行凍結(jié)施工監(jiān)測，確保凍結(jié)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常，及時分析凍結(jié)壁的溫度變化。在開挖過程中，每天監(jiān)測暴露凍結(jié)壁的表面溫度和位移量，如發(fā)現(xiàn)局部凍結(jié)壁溫度較高、變形較大時結(jié)合地面沉降數(shù)據(jù)，可用串接管道泵的方法加大對應位置的凍結(jié)孔流量，增加薄弱部位的供冷能力。開挖期間，不允許私自提高鹽水溫度和減小鹽水流量。2.7融沉注漿融沉注漿階段要及時與地面檢測相聯(lián)動，特別是高流速富水砂層的凍凍土融化速度要比其他地層的快，在前1個月內(nèi)沉降數(shù)據(jù)及時反饋給注漿作業(yè)人員。注漿要根據(jù)檢測提供的檢測數(shù)據(jù)進行有針對性的注漿。當單次及累計沉降達到預警值時應分析原因并根據(jù)監(jiān)測沉降值調(diào)整注漿量、注漿位置及頻率。聯(lián)絡通道附近管線、構(gòu)筑物較為密集，沉降超標會對管線及構(gòu)筑物造成危害，在融沉注漿階段要加強對管線及構(gòu)筑物測點的監(jiān)測，以便及時調(diào)整融沉注漿孔位和注漿量。當停止凍結(jié)后地面單日沉降大于0.5mm或累計沉降大于1mm時開始進行注漿。注漿過程中應遵照“多點、少量、多次、均勻”的循序漸進原則，注漿壓力控制在0.3～0.5MPa，并根據(jù)隧道沉降和解凍溫度場的監(jiān)測，適時調(diào)整注漿量和注漿時間間隔，確保沉降穩(wěn)定。結(jié)束融沉注漿應滿足地面連續(xù)半月累計沉降在1mm內(nèi)。結(jié)語隨著地鐵建設的不斷發(fā)展，聯(lián)絡通道今后面臨著更加復雜的地層和環(huán)境施工。凍結(jié)法由于其獨特的靈活性，廣泛應用于煤礦建設和城市建設中，尤其是特別適用于地下管線密集、施工條件困難場所，不受地表環(huán)境和深度限制，其技術(shù)先進、安全可靠，具有良好的社會經(jīng)濟效益和發(fā)展前景。高流速富水性砂層是目前地鐵施工中面臨的比較多的地層環(huán)境，總結(jié)一套行之有效的施工技術(shù)為以后的類似地層施工提供了參考，但是聯(lián)絡通道目前施工技術(shù)僅僅把溫度場的監(jiān)測實現(xiàn)了自動化，制冷系統(tǒng)壓力、泄壓孔壓力、地面沉降監(jiān)測還未實現(xiàn)信息化施工，存在著一些不足有待于進一步提高，實現(xiàn)聯(lián)絡同掉施工全方位監(jiān)測