軟土地層凍結法施工地鐵聯絡通道風險控制摘要:軟土地層條件下,采用凍結法土體暗挖施工地鐵聯絡通道具有大的風險。通過對上海地鐵M線工程實例,介紹了凍結法施工聯絡通道的工藝、風險點的設立及風險分析,并詳細敘述了風險控制對策。提出了從嚴選擇設計施工單位、認真檢查施工環境和設備、嚴格執行工藝要求等風險控制監理對策,得出認真實施風險控制可有效地控制工程風險的結論。關鍵詞:隧道;地鐵;凍結法;凍結帷幕;危險源;風險點 凍結法施工工藝已被廣泛地應用于上海地鐵等工程中,由于在繁華市區地下暗挖施工,工程存在較大的風險。我公司通過多年從事此類工程監理,總結出了有效的風險控制對策。本文以上海地鐵M線Ⅳ標(鞍山路站—江浦路站)區間隧道聯絡通道為例,進行簡要介紹。1工程概況 上海地鐵M線Ⅳ標(鞍山路站—江浦路站)聯絡通道上、下行線隧道中心設計標高:-12.381m(上行線),-12.387m(下行線)。上下行線隧道中心線距離為15.20m。通道底板頂面標高為-13.787m。內壁凈寬度為2000mm;內壁凈高度為2443.3mm(直墻高2140.0mm、圓拱高303.3mm)。 聯絡通道鋼筋混凝土結構為:半圓拱厚度400mm,邊墻厚度450mm,底板厚度500mm,臨時支護素混凝土厚度200mm,支護層和結構層之間安裝防水層。 本區間聯絡通道地質處于第④層灰色淤泥質黏土,下臥層為⑤1a灰色黏土及⑤1b灰色粉質黏土。受地面條件制約,采用凍結法工藝實施。2凍結法施工聯絡通道工藝簡介 在隧道內利用近水平管和部分傾斜管凍結加固地層,使聯絡通道外圍土體凍結,形成強度高、封閉性好的凍土帷幕(圖1為聯絡通道及泵站凍結方案示意圖)。然后,在凍土中采用礦山法進行聯絡通道及泵站的開挖和構筑施工,地層凍結和開挖構筑施工均在區間隧道內進行。
水平地層加固和開挖構筑的主要施工工藝及順序如下:3風險點設立 上海地下土層土質復雜,地質資料難以完全反映施工區域地質情況,凍結帷幕質量和效果尚處于半定量推算。凍結帷幕的失敗會導致整個區間連續性破壞的后果。凍結法聯絡通道施工是區間隧道單位工程中最大的風險點。4風險分析4.1風險源 1)凍結區地層存在暗泉水流,使凍結帷幕難以緊密閉合。 2)鉆孔遇有承壓水的流沙土地層,如不安裝防噴裝置,將引起大量冒沙。 3)凍結管鹽水泄漏,造成凍土軟化。 4)凍結管長度、角度誤差超標,使凍結狀況存在薄弱處。 5)開挖后,如制冷機電設備故障排除不及時,會削弱凍結帷幕強度。 6)對開挖過程中土體異常跡象不能及時發現和分析。4.2風險強度 在上海軟土地層條件下,凍結帷幕一旦失穩,發生地下水或流沙穿漏,凍土強度會發生擴散性下降,導致采用盾構法混凝土管片襯砌而成的隧道發生連續性破壞,造成極大的工程事故,風險強度十分高。5風險控制對策5.1對設計和施工單位資質進行嚴格把關 要審查承擔凍結帷幕設計和施工單位的資質情況,而且其質保體系和安保體系運轉必須良好。特別要嚴格審查專業分包單位的資質條件以及其在同類工程施工中的業績情況。要求必須由具有同類施工經驗的單位承擔施工任務。5.2施工前組織設計審查 聯絡通道施工段的地質勘察報告要有詳細交底記錄。對施工段的地質特殊情況,如流沙土地層、承壓水地層、地下流動水可能性和暗浜等要有明確的交底。施工圖交底要突出明確對地質條件、隧道結構保護、環境保護等問題有針對性要求。應由專業技術人員定量驗算凍結壁設計厚度,帷幕結構受力最不利點的抗彎、抗剪和拉應力等數據,建立計算模型,并在《凍土帷幕強度計算報告》中詳細闡述。聯絡通道施工組織設計中,應有在鉆孔、拉開鋼管片、土體開挖等過程中突發意外情況的詳細應急預案闡述,確保應急預案的可行性和有效性。5.3對施工環境調查和布點監測 聯絡通道開始鉆孔、布管前,施工方和監理方必須掌握作業場地中心30~40m范圍的地表、地下管線和建筑物沉降數據情況。在聯絡通道開始鉆孔、布管前,布設好地表、地下管線、建筑物沉降測控網、隧道內沉降點收斂的監測點。聯絡通道精確定位嚴格執行施工測量放樣復核、監理再復核的制度。5.4施工設備檢查 施工前應對制冷設備、鉆孔設備、各類管道管線等進行嚴格檢查。在開始制冷前應進行試運轉,檢查設備狀況和管道耐壓情況等,并有檢查記錄。5.5凍結帷幕形成過程中的檢查 1)鋼管片接縫焊接應在鉆孔前完成。焊接應對稱地進行,嚴禁同一環縫一圈焊成而造成應力積累。 2)檢查隧道預應力支架應有足夠的剛度(每個支點有承受50t的能力)。 3)鉆孔前應將作業區域地層的情況在施工班組內作好詳細的交底。對流沙土層、承壓水地層等地質情況,事先要有相應的施工準備。 4)鉆孔中嚴格按照施工組織中的防泥水流失措施進行施工,遇漏泥漏沙應及時封堵。 5)凍結管的施工應嚴格按照標定位置鉆孔。復測偏差應不大于1%,并且最大管間距離不大于1m。 6)鋼管焊接應保證密封性能。下管前要嚴格檢查,確保凍結管耐壓性能(壓力控制在0.8MPa穩定30min不變)和凍結帷幕均勻。 7)制冷機電設備經維護保養調試合格后方能投入使用。各個儀表反應正確靈敏。有關的管路連接整齊,分組編號明了。 8)積極凍結過程中,要每日觀察土體溫度下降情況和卸壓表的變化等情況。及時預測凍結發展情況,對異常情況及時分析排除。 9)在確保凍結帷幕穩定性為前提下維持凍結,隨時觀察鹽水溫度(不應高于-24℃)和流量。5.6開挖前對凍結帷幕達到開挖要求的確定(以本工程為例) 1)根據經驗定性分析,一般經過35~40d的積極冷凍過程,凍結帷幕能達到開挖要求。 2)根據測溫數據半定量推算土體凍結發展速度和帷幕厚度。(1)算出凍結管和各測溫孔達到0℃時的凍結平均發展速度VV=L/D (1) 式中:V為測溫孔達到0℃時由凍結管至測溫孔的凍結平均發展速度,mm/d;L為測溫孔中心至凍結管中心的距離,mm;D為積極冷凍開始至測溫孔達到0℃時的天數,d。(2)分析、排除不正常情況后,取凍結平均發展速度!的參考值。推算出鞍山路站—江浦路站聯絡通道達到凍結厚度(邊界溫度為0℃)的天數n(估算結果見表1)。n=Lw/V1 (2)式中:n為達到凍結厚度(邊界溫度為0℃)的天數,d;Lw為施工組織確定的凍結帷幕中心至邊界的厚度(邊界溫度為0℃),mm;V1為凍結平均發展速度V的參考值,mm/d。3)根據泄壓數據定性分析。 在積極凍結一段時間后(一般約20d),卸壓孔壓力明顯上升,若泄壓后壓力再升高,說明凍結帷幕已經交圈封閉。本工程凍結管最大孔間距1106mm(L=553mm),2004年1月30日泄壓表指示壓力明顯上升(D=22d),用參考值推算:L=27.6mm/d×22d=607mm,其值>553mm 可得出各凍結管外的凍土已疊合的結論。4)用凍結帷幕平均溫度復核。 凍結帷幕土體平均溫度計算公式 式中:tc為帷幕凍結壁有效厚度的平均溫度;tn為鹽水溫度,取-31℃;L為凍結孔間距,取0.85m;E為凍結壁厚度,取1.9m;TB為邊界溫度,取-4℃。 將以上數據代入式(3):tc=-10.21℃ 從計算可知,凍結帷幕土體平均溫度低于施工組織設計的-10℃要求。5.7坑道開挖控制 土方暗挖作業必須24h連續有序進行,隨時觀察凍土結霜情況。對任何水跡、土色改變、土體硬度異常、凍結壁位移異常和尺寸丈量異常等情況均要及時分析,找出原因。鋼結構支護按步距及時支撐牢固。5.8防止過分凍結 土體過分凍結使凍結區擴大,隧道所受膨脹應力劇增。輕則增加后期融沉,重則引起隧道管片應力破壞。確定凍結帷幕達到要求后應調整制冷,進行維持性冷凍,以防止土體過分凍結。5.9實時監測 在聯絡通道兩側20m范圍內,對隧道內的水平及垂直方向的收斂變形、沉降變形、防水滲漏和地表沉降沉降進行監測。 地表沉降日變量報警值(±10mm)和累計變量報警值(+10、-30mm)的設立,應考慮盾構推進已對地表造成的沉降量。 設立隧道內沉降監測日變量報警值(±3mm)、累計變量報警值(±10mm)和收斂累計報警值(±10mm)。 監測頻率設為:鉆孔、凍結期間1次/d;開挖、混凝土澆筑期間2次/d;施工結束至穩定期1次/5d。遇特殊情況應增加監測次數。6結語 實踐證明,凍結法施工的風險確實存在,但只要參加建設的各有關方面高度重視,預先找出危險源,設立風險點分析及監控,制訂風險控制對策并認真實施,在軟土地層條件下進行的凍結法施工風險是可被有效地控制的。
水平地層加固和開挖構筑的主要施工工藝及順序如下:3風險點設立 上海地下土層土質復雜,地質資料難以完全反映施工區域地質情況,凍結帷幕質量和效果尚處于半定量推算。凍結帷幕的失敗會導致整個區間連續性破壞的后果。凍結法聯絡通道施工是區間隧道單位工程中最大的風險點。4風險分析4.1風險源 1)凍結區地層存在暗泉水流,使凍結帷幕難以緊密閉合。 2)鉆孔遇有承壓水的流沙土地層,如不安裝防噴裝置,將引起大量冒沙。 3)凍結管鹽水泄漏,造成凍土軟化。 4)凍結管長度、角度誤差超標,使凍結狀況存在薄弱處。 5)開挖后,如制冷機電設備故障排除不及時,會削弱凍結帷幕強度。 6)對開挖過程中土體異常跡象不能及時發現和分析。4.2風險強度 在上海軟土地層條件下,凍結帷幕一旦失穩,發生地下水或流沙穿漏,凍土強度會發生擴散性下降,導致采用盾構法混凝土管片襯砌而成的隧道發生連續性破壞,造成極大的工程事故,風險強度十分高。5風險控制對策5.1對設計和施工單位資質進行嚴格把關 要審查承擔凍結帷幕設計和施工單位的資質情況,而且其質保體系和安保體系運轉必須良好。特別要嚴格審查專業分包單位的資質條件以及其在同類工程施工中的業績情況。要求必須由具有同類施工經驗的單位承擔施工任務。5.2施工前組織設計審查 聯絡通道施工段的地質勘察報告要有詳細交底記錄。對施工段的地質特殊情況,如流沙土地層、承壓水地層、地下流動水可能性和暗浜等要有明確的交底。施工圖交底要突出明確對地質條件、隧道結構保護、環境保護等問題有針對性要求。應由專業技術人員定量驗算凍結壁設計厚度,帷幕結構受力最不利點的抗彎、抗剪和拉應力等數據,建立計算模型,并在《凍土帷幕強度計算報告》中詳細闡述。聯絡通道施工組織設計中,應有在鉆孔、拉開鋼管片、土體開挖等過程中突發意外情況的詳細應急預案闡述,確保應急預案的可行性和有效性。5.3對施工環境調查和布點監測 聯絡通道開始鉆孔、布管前,施工方和監理方必須掌握作業場地中心30~40m范圍的地表、地下管線和建筑物沉降數據情況。在聯絡通道開始鉆孔、布管前,布設好地表、地下管線、建筑物沉降測控網、隧道內沉降點收斂的監測點。聯絡通道精確定位嚴格執行施工測量放樣復核、監理再復核的制度。5.4施工設備檢查 施工前應對制冷設備、鉆孔設備、各類管道管線等進行嚴格檢查。在開始制冷前應進行試運轉,檢查設備狀況和管道耐壓情況等,并有檢查記錄。5.5凍結帷幕形成過程中的檢查 1)鋼管片接縫焊接應在鉆孔前完成。焊接應對稱地進行,嚴禁同一環縫一圈焊成而造成應力積累。 2)檢查隧道預應力支架應有足夠的剛度(每個支點有承受50t的能力)。 3)鉆孔前應將作業區域地層的情況在施工班組內作好詳細的交底。對流沙土層、承壓水地層等地質情況,事先要有相應的施工準備。 4)鉆孔中嚴格按照施工組織中的防泥水流失措施進行施工,遇漏泥漏沙應及時封堵。 5)凍結管的施工應嚴格按照標定位置鉆孔。復測偏差應不大于1%,并且最大管間距離不大于1m。 6)鋼管焊接應保證密封性能。下管前要嚴格檢查,確保凍結管耐壓性能(壓力控制在0.8MPa穩定30min不變)和凍結帷幕均勻。 7)制冷機電設備經維護保養調試合格后方能投入使用。各個儀表反應正確靈敏。有關的管路連接整齊,分組編號明了。 8)積極凍結過程中,要每日觀察土體溫度下降情況和卸壓表的變化等情況。及時預測凍結發展情況,對異常情況及時分析排除。 9)在確保凍結帷幕穩定性為前提下維持凍結,隨時觀察鹽水溫度(不應高于-24℃)和流量。5.6開挖前對凍結帷幕達到開挖要求的確定(以本工程為例) 1)根據經驗定性分析,一般經過35~40d的積極冷凍過程,凍結帷幕能達到開挖要求。 2)根據測溫數據半定量推算土體凍結發展速度和帷幕厚度。(1)算出凍結管和各測溫孔達到0℃時的凍結平均發展速度VV=L/D (1) 式中:V為測溫孔達到0℃時由凍結管至測溫孔的凍結平均發展速度,mm/d;L為測溫孔中心至凍結管中心的距離,mm;D為積極冷凍開始至測溫孔達到0℃時的天數,d。(2)分析、排除不正常情況后,取凍結平均發展速度!的參考值。推算出鞍山路站—江浦路站聯絡通道達到凍結厚度(邊界溫度為0℃)的天數n(估算結果見表1)。n=Lw/V1 (2)式中:n為達到凍結厚度(邊界溫度為0℃)的天數,d;Lw為施工組織確定的凍結帷幕中心至邊界的厚度(邊界溫度為0℃),mm;V1為凍結平均發展速度V的參考值,mm/d。3)根據泄壓數據定性分析。 在積極凍結一段時間后(一般約20d),卸壓孔壓力明顯上升,若泄壓后壓力再升高,說明凍結帷幕已經交圈封閉。本工程凍結管最大孔間距1106mm(L=553mm),2004年1月30日泄壓表指示壓力明顯上升(D=22d),用參考值推算:L=27.6mm/d×22d=607mm,其值>553mm 可得出各凍結管外的凍土已疊合的結論。4)用凍結帷幕平均溫度復核。 凍結帷幕土體平均溫度計算公式 式中:tc為帷幕凍結壁有效厚度的平均溫度;tn為鹽水溫度,取-31℃;L為凍結孔間距,取0.85m;E為凍結壁厚度,取1.9m;TB為邊界溫度,取-4℃。 將以上數據代入式(3):tc=-10.21℃ 從計算可知,凍結帷幕土體平均溫度低于施工組織設計的-10℃要求。5.7坑道開挖控制 土方暗挖作業必須24h連續有序進行,隨時觀察凍土結霜情況。對任何水跡、土色改變、土體硬度異常、凍結壁位移異常和尺寸丈量異常等情況均要及時分析,找出原因。鋼結構支護按步距及時支撐牢固。5.8防止過分凍結 土體過分凍結使凍結區擴大,隧道所受膨脹應力劇增。輕則增加后期融沉,重則引起隧道管片應力破壞。確定凍結帷幕達到要求后應調整制冷,進行維持性冷凍,以防止土體過分凍結。5.9實時監測 在聯絡通道兩側20m范圍內,對隧道內的水平及垂直方向的收斂變形、沉降變形、防水滲漏和地表沉降沉降進行監測。 地表沉降日變量報警值(±10mm)和累計變量報警值(+10、-30mm)的設立,應考慮盾構推進已對地表造成的沉降量。 設立隧道內沉降監測日變量報警值(±3mm)、累計變量報警值(±10mm)和收斂累計報警值(±10mm)。 監測頻率設為:鉆孔、凍結期間1次/d;開挖、混凝土澆筑期間2次/d;施工結束至穩定期1次/5d。遇特殊情況應增加監測次數。6結語 實踐證明,凍結法施工的風險確實存在,但只要參加建設的各有關方面高度重視,預先找出危險源,設立風險點分析及監控,制訂風險控制對策并認真實施,在軟土地層條件下進行的凍結法施工風險是可被有效地控制的。