廣州市軌道交通三號線天河客運(yùn)站折返線冷凍法施工摘要:簡要介紹廣州地鐵天河客運(yùn)站折返線采用冷凍法的具體施工技術(shù)方案,為特殊地質(zhì)條件下冷凍法的應(yīng)用提供了一些成功的經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞:花崗巖殘積土;冷凍;凍脹;融沉;施工監(jiān)測1工程概況 廣州市軌道交通三號線天河客運(yùn)站折返線位于廣州市天河廣汕公路地面以下,雙線隧道凈斷面呈馬蹄形,隧道凈高9.15m,凈寬11.4m。初期支護(hù)采用350mm厚的C20網(wǎng)噴混凝土,內(nèi)襯采用450mm厚的C20、S8模筑鋼筋混凝土。 該折返線所處巖土層自上而下分別為:①人工填土層;②粗砂層;③粉質(zhì)粘土層;④淤泥質(zhì)土層;⑤花崗巖殘積土層:天然狀態(tài)下具有良好的力學(xué)性質(zhì),壓縮性中等偏高,遇水易軟化和強(qiáng)度降低,泡水后甚至出現(xiàn)塌方和流砂;⑥全風(fēng)化花崗巖:呈中密～密實(shí),透水性較強(qiáng),遇水易軟化崩解,局部夾強(qiáng)風(fēng)化花崗巖碎塊,平均厚度7.89m,最大厚度19.7m。 折返線隧道在天然狀態(tài)下的涌水量為1801m3/d,穩(wěn)定水位埋深1.25～3.1m,平均1.76m。2 暗挖凍結(jié)法施工方案的確定2.1 該折返線斜穿廣汕公路和沙河立交橋,該區(qū)段道路兩側(cè)地下管線縱橫交錯(cuò)且數(shù)量較多,路面交通繁忙,無法封路施工。
2.2不良地質(zhì) 隧道主要穿越的地層是花崗巖殘積土,裂隙發(fā)育,遇水后易崩解,在地下水作用下強(qiáng)度大幅降低,甚至易發(fā)生坍塌現(xiàn)象,遇水軟化崩解是花崗巖風(fēng)化殘積土和全風(fēng)化帶的典型特點(diǎn)。鑒于此,隧道經(jīng)多方案比選,決定采用水平凍結(jié)法加固地層,淺埋暗挖法開挖主襯砌。折返線雙線隧道地層凍結(jié)長度約為138.8m,采用全斷面帷幕凍結(jié)施工方案。3隧道暗挖凍結(jié)法施工工藝3.1隧道暗挖凍結(jié)法施工方法 先在隧道周圍布置水平凍結(jié)孔,并在孔中循環(huán)低溫鹽水,使凍結(jié)孔附近的含水地層結(jié)冰,形成強(qiáng)度高、封閉性好的凍結(jié)壁即凍土帷幕,然后在凍結(jié)壁的保護(hù)下運(yùn)用礦山法進(jìn)行隧道開挖與構(gòu)筑施工。 隧道開挖開挖采用CRD法,采用復(fù)合式襯砌,初期支護(hù)由噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)和格柵鋼架組成,二襯采用模筑鋼筋混凝土。3.2凍結(jié)施工工藝 施工準(zhǔn)備→凍結(jié)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)和檢測系統(tǒng)→積極凍結(jié)→試挖→隧道掘進(jìn)與初襯施工,維護(hù)凍結(jié)→停止凍結(jié)。折返線隧道全長138.8m,均分為南、北兩段,每段長71.9m,保證末端搭接凍結(jié)范圍在5m以上。4凍結(jié)施工4.1主要施工技術(shù)參數(shù) 凍結(jié)壁厚度為2.0m,凍土帷幕平均溫度為-8℃,凍土抗折強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度分別取1.6MPa和1.8MPa,單軸抗壓強(qiáng)度為5.0MPa。4.2水平凍結(jié)孔的布置凍結(jié)孔的開孔布置 如圖1,單斷面孔數(shù)為46個(gè),選用f108×8低碳鋼無縫鋼管,采用絲扣連接,凍結(jié)孔開孔布置軸線距隧道開挖邊緣設(shè)計(jì)為1.0m,南、北端面凍結(jié)孔位為錯(cuò)位布置。4.3測溫孔、水文孔和卸壓孔的布置 隧道每斷面設(shè)長測溫孔2個(gè),L=75m;短測溫孔2個(gè),L=20～30m,分別布置在隧道凍結(jié)壁的內(nèi)外側(cè); 隧道兩端設(shè)水文孔和卸壓孔各4個(gè),深約2～8m,孔口安裝泄壓閥和壓力表,均選用f108×8低碳鋼無縫鋼管,水文孔主要報(bào)導(dǎo)凍結(jié)帷幕是否交圈,卸壓孔的目的是消除凍結(jié)過程中的凍脹水壓力。4.4凍結(jié)制冷施工 ⑴凍結(jié)最大需冷量及凍結(jié)設(shè)備選擇 考慮廣州地區(qū)平均氣溫較高,施工中冷量損耗較大,故采用1.3倍的制冷系數(shù),確保凍結(jié)過程足夠的需冷量和降溫速度。 Qmax=1.3pLq=43.8×104kcal/h(凍結(jié)管最大散熱系數(shù)q=300kcalh-1m-2)(單站凍結(jié)制冷量)。 制冷設(shè)備選擇氟利昂螺桿式冷凍機(jī)組,南段和北段冷凍站選擇標(biāo)準(zhǔn)制冷量分別為50×104kcal/h和25×104kcal/h的冷凍機(jī)組各2臺,以確保凍結(jié)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)和快速降溫。 ⑵鹽水系統(tǒng) 鹽水選用CaCl2鹽水溶液為冷媒劑,溶液比重控制在1260kg/m3范圍,凝固點(diǎn)為-38.6℃,循環(huán)量為220m3/h。 ⑶冷卻水循環(huán)系統(tǒng) 每端安裝6臺LBN-100型玻璃鋼冷卻塔,單臺循環(huán)水量為100m3/h,冷卻水總循環(huán)量W=W1+W2=448m3/h(W1、W2分別為冷凍機(jī)的冷卻水需用量和冷凝器的實(shí)際需水量)。5 凍結(jié)施工與隧道掘砌施工的配合 5.1為了避免凍結(jié)時(shí)間過長,凍土進(jìn)入開挖端面過多,一方面要避免凍結(jié)孔距開挖區(qū)太近,另一方面又可考慮開挖過程中調(diào)整鹽水循環(huán)量或采用間歇式凍結(jié),控制凍土發(fā)展速度,提高挖土速度。 5.2嚴(yán)格控制開挖進(jìn)度和凍結(jié)壁暴露時(shí)間,采用小斷面和小步距及時(shí)跟進(jìn)鋼格柵支護(hù)和噴射混凝土,噴射混凝土中適量摻入早強(qiáng)和抗凍添加劑,控制混凝土入模溫度,確保凍結(jié)壁和初襯的穩(wěn)定。 5.3高溫混凝土噴射到凍結(jié)壁上,會(huì)使凍結(jié)壁表面出現(xiàn)一定厚度的融凍層,再次回凍后會(huì)產(chǎn)生一定的凍脹力,初支強(qiáng)度應(yīng)考慮凍脹力的影響,確保凍結(jié)壁和初支噴射混凝土的安全,并鋪設(shè)保溫層。6 施工監(jiān)測 在隧道開挖過程中,對隧道及其周邊設(shè)施采取了全方位的監(jiān)測,主要項(xiàng)目包括:凍結(jié)壁斷面內(nèi)水文卸壓孔壓力變化;開挖后凍結(jié)壁表面溫度,地面的沉降位移;隧道的水平及垂直方向的收斂變形;凍結(jié)器的去、回路鹽水溫度、卻循環(huán)水進(jìn)、出水溫度等。 監(jiān)測結(jié)果顯示,隧道經(jīng)5個(gè)月的積極凍結(jié)后,冷凍壁實(shí)現(xiàn)交圈,交圈厚度最小為4.0m,滿足設(shè)計(jì)要求。隧道開挖過程中隧頂沉降最大值小于2cm,路面及其周邊設(shè)施處于完全狀態(tài),確保了隧道開挖及襯砌的順利施工。7結(jié)語 7.1在隧道開挖過程中,根據(jù)凍結(jié)及地層情況,合理控制掘砌步長,步長距離宜控制在0.5～1.0m,以免步距過大引起凍結(jié)壁變形造成地表沉降。 7.2根據(jù)測溫孔溫度、水文泄壓孔水位及溫度等多項(xiàng)指數(shù)的綜合分析,判定凍結(jié)壁確已交圈,且已達(dá)到設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度和厚度,才可進(jìn)行隧道試挖。 7.3為防止土層中的水結(jié)冰膨脹而引起凍脹,可采取以下措施:加強(qiáng)凍結(jié)壁溫度、厚度監(jiān)測,及時(shí)調(diào)節(jié)凍結(jié)鹽水溫度和凍結(jié)時(shí)間,采用間隔制冷凍結(jié)措施;在開挖斷面內(nèi)施工泄壓孔,減少凍脹壓力;加強(qiáng)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,防止凍脹對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞影響。 7.4為防止凍土融化后土中的水分因自重作用漸小,融土在圍巖壓力及土顆粒自重作用下體積壓縮而引起融沉,可在隧道開挖過程中,在軟土、粘土中預(yù)埋注漿孔,在凍結(jié)壁融化時(shí),視融沉的發(fā)展情況及時(shí)跟蹤壓密注漿來加以控制。
2.2不良地質(zhì) 隧道主要穿越的地層是花崗巖殘積土,裂隙發(fā)育,遇水后易崩解,在地下水作用下強(qiáng)度大幅降低,甚至易發(fā)生坍塌現(xiàn)象,遇水軟化崩解是花崗巖風(fēng)化殘積土和全風(fēng)化帶的典型特點(diǎn)。鑒于此,隧道經(jīng)多方案比選,決定采用水平凍結(jié)法加固地層,淺埋暗挖法開挖主襯砌。折返線雙線隧道地層凍結(jié)長度約為138.8m,采用全斷面帷幕凍結(jié)施工方案。3隧道暗挖凍結(jié)法施工工藝3.1隧道暗挖凍結(jié)法施工方法 先在隧道周圍布置水平凍結(jié)孔,并在孔中循環(huán)低溫鹽水,使凍結(jié)孔附近的含水地層結(jié)冰,形成強(qiáng)度高、封閉性好的凍結(jié)壁即凍土帷幕,然后在凍結(jié)壁的保護(hù)下運(yùn)用礦山法進(jìn)行隧道開挖與構(gòu)筑施工。 隧道開挖開挖采用CRD法,采用復(fù)合式襯砌,初期支護(hù)由噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)和格柵鋼架組成,二襯采用模筑鋼筋混凝土。3.2凍結(jié)施工工藝 施工準(zhǔn)備→凍結(jié)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)和檢測系統(tǒng)→積極凍結(jié)→試挖→隧道掘進(jìn)與初襯施工,維護(hù)凍結(jié)→停止凍結(jié)。折返線隧道全長138.8m,均分為南、北兩段,每段長71.9m,保證末端搭接凍結(jié)范圍在5m以上。4凍結(jié)施工4.1主要施工技術(shù)參數(shù) 凍結(jié)壁厚度為2.0m,凍土帷幕平均溫度為-8℃,凍土抗折強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度分別取1.6MPa和1.8MPa,單軸抗壓強(qiáng)度為5.0MPa。4.2水平凍結(jié)孔的布置凍結(jié)孔的開孔布置 如圖1,單斷面孔數(shù)為46個(gè),選用f108×8低碳鋼無縫鋼管,采用絲扣連接,凍結(jié)孔開孔布置軸線距隧道開挖邊緣設(shè)計(jì)為1.0m,南、北端面凍結(jié)孔位為錯(cuò)位布置。4.3測溫孔、水文孔和卸壓孔的布置 隧道每斷面設(shè)長測溫孔2個(gè),L=75m;短測溫孔2個(gè),L=20～30m,分別布置在隧道凍結(jié)壁的內(nèi)外側(cè); 隧道兩端設(shè)水文孔和卸壓孔各4個(gè),深約2～8m,孔口安裝泄壓閥和壓力表,均選用f108×8低碳鋼無縫鋼管,水文孔主要報(bào)導(dǎo)凍結(jié)帷幕是否交圈,卸壓孔的目的是消除凍結(jié)過程中的凍脹水壓力。4.4凍結(jié)制冷施工 ⑴凍結(jié)最大需冷量及凍結(jié)設(shè)備選擇 考慮廣州地區(qū)平均氣溫較高,施工中冷量損耗較大,故采用1.3倍的制冷系數(shù),確保凍結(jié)過程足夠的需冷量和降溫速度。 Qmax=1.3pLq=43.8×104kcal/h(凍結(jié)管最大散熱系數(shù)q=300kcalh-1m-2)(單站凍結(jié)制冷量)。 制冷設(shè)備選擇氟利昂螺桿式冷凍機(jī)組,南段和北段冷凍站選擇標(biāo)準(zhǔn)制冷量分別為50×104kcal/h和25×104kcal/h的冷凍機(jī)組各2臺,以確保凍結(jié)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)和快速降溫。 ⑵鹽水系統(tǒng) 鹽水選用CaCl2鹽水溶液為冷媒劑,溶液比重控制在1260kg/m3范圍,凝固點(diǎn)為-38.6℃,循環(huán)量為220m3/h。 ⑶冷卻水循環(huán)系統(tǒng) 每端安裝6臺LBN-100型玻璃鋼冷卻塔,單臺循環(huán)水量為100m3/h,冷卻水總循環(huán)量W=W1+W2=448m3/h(W1、W2分別為冷凍機(jī)的冷卻水需用量和冷凝器的實(shí)際需水量)。5 凍結(jié)施工與隧道掘砌施工的配合 5.1為了避免凍結(jié)時(shí)間過長,凍土進(jìn)入開挖端面過多,一方面要避免凍結(jié)孔距開挖區(qū)太近,另一方面又可考慮開挖過程中調(diào)整鹽水循環(huán)量或采用間歇式凍結(jié),控制凍土發(fā)展速度,提高挖土速度。 5.2嚴(yán)格控制開挖進(jìn)度和凍結(jié)壁暴露時(shí)間,采用小斷面和小步距及時(shí)跟進(jìn)鋼格柵支護(hù)和噴射混凝土,噴射混凝土中適量摻入早強(qiáng)和抗凍添加劑,控制混凝土入模溫度,確保凍結(jié)壁和初襯的穩(wěn)定。 5.3高溫混凝土噴射到凍結(jié)壁上,會(huì)使凍結(jié)壁表面出現(xiàn)一定厚度的融凍層,再次回凍后會(huì)產(chǎn)生一定的凍脹力,初支強(qiáng)度應(yīng)考慮凍脹力的影響,確保凍結(jié)壁和初支噴射混凝土的安全,并鋪設(shè)保溫層。6 施工監(jiān)測 在隧道開挖過程中,對隧道及其周邊設(shè)施采取了全方位的監(jiān)測,主要項(xiàng)目包括:凍結(jié)壁斷面內(nèi)水文卸壓孔壓力變化;開挖后凍結(jié)壁表面溫度,地面的沉降位移;隧道的水平及垂直方向的收斂變形;凍結(jié)器的去、回路鹽水溫度、卻循環(huán)水進(jìn)、出水溫度等。 監(jiān)測結(jié)果顯示,隧道經(jīng)5個(gè)月的積極凍結(jié)后,冷凍壁實(shí)現(xiàn)交圈,交圈厚度最小為4.0m,滿足設(shè)計(jì)要求。隧道開挖過程中隧頂沉降最大值小于2cm,路面及其周邊設(shè)施處于完全狀態(tài),確保了隧道開挖及襯砌的順利施工。7結(jié)語 7.1在隧道開挖過程中,根據(jù)凍結(jié)及地層情況,合理控制掘砌步長,步長距離宜控制在0.5～1.0m,以免步距過大引起凍結(jié)壁變形造成地表沉降。 7.2根據(jù)測溫孔溫度、水文泄壓孔水位及溫度等多項(xiàng)指數(shù)的綜合分析,判定凍結(jié)壁確已交圈,且已達(dá)到設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度和厚度,才可進(jìn)行隧道試挖。 7.3為防止土層中的水結(jié)冰膨脹而引起凍脹,可采取以下措施:加強(qiáng)凍結(jié)壁溫度、厚度監(jiān)測,及時(shí)調(diào)節(jié)凍結(jié)鹽水溫度和凍結(jié)時(shí)間,采用間隔制冷凍結(jié)措施;在開挖斷面內(nèi)施工泄壓孔,減少凍脹壓力;加強(qiáng)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,防止凍脹對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞影響。 7.4為防止凍土融化后土中的水分因自重作用漸小,融土在圍巖壓力及土顆粒自重作用下體積壓縮而引起融沉,可在隧道開挖過程中,在軟土、粘土中預(yù)埋注漿孔,在凍結(jié)壁融化時(shí),視融沉的發(fā)展情況及時(shí)跟蹤壓密注漿來加以控制。