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城轨-大断面浅埋隧道冻结暗挖施工工法.docx

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城轨大 断面 隧道 冻结 施工
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1大断面浅埋隧道冻结暗挖施工工法中铁十一局集团城市轨道工程有限公司刘涛 雷泽鸿 戚仁勇 赵国玉 杨关军1.前言上世纪 50 年代以来,冻结法在我国市政工程中得到越来越广泛的应用。一般用于矿井工程、联络通道工程、基坑工程、盾构进出洞、盾构对接、地基托换、大直径围堰、废弃物掩埋等领域。在大断面平顶结构、埋深浅、地下水位变化大、地面建筑物对沉降隆起变形要求极为严格的情况下实施难度极大。主要表现为冻土帷幕在成型过程中受外部气温、地下水位变化等不确定因素,将会直接影响冻结效果,以及开挖过程中由于地层应力变化导致冻结帷幕变形,可能引起冻结管断裂,从而造成坍塌、漏水事故,且冻胀融沉对浅埋深隧道上方建筑物影响较大,地表变形不易控制。为保障大断面浅埋隧道的开挖安全和控制冻结施工过程地表变形,中铁十一局集团有限公司广州轨道交通六号线【大坦沙站-黄沙站】区间冻结暗挖工程,采用水平垂直结合分区冻结、上层冻结壁上方注入惰性浆液隔离地下水、地表温度和冻胀融沉微扰动控制技术,成功完成了大断面浅埋冻结暗挖隧道施工,现将施工实践加以总结形成本工法。2.工法特点2.1 水平冻结和垂直冻结相结合,既确保了暗挖段前方土体稳定,又形成了封闭的冻结帷幕。冻结加固体强度高,防水效果好,洞内施工环境较好。2.2 采用分区冻结开挖形式,各分区形成独立的受力结构,有效降低大断面开挖施工安全风险,各项工序分区施工,进展较快。2.3 在隧道顶部通过钻孔注入惰性浆液(水泥+膨润土),隔离地表温度及地下水对冻土帷幕发展的直接影响,保证冻结帷幕按期形成。2.4 通过卸压孔和注浆孔综合调控的微扰动技术,冻结阶段通过卸水卸砂释放冻胀压力,融沉阶段通过注浆补充地层中融沉产生的空隙,对地层形成的微扰动远小于变动允许值。3.适用范围本工法适用于断面较大、埋深较浅、地面沉降控制要求较高的富含水软弱地层暗挖法隧道施工。4.工艺原理隧道开挖面设置水平冻结管结合封堵墙处垂直冻结管,通过积极冻结期的冻结后,形成强度高,封闭性好的全封闭冻结帷幕,在冻结帷幕内进行土体开挖。针对浅埋深地层特点,上层冻结壁受地表温度及地层中水流影响,冻结效果易受到干扰的问题,通过注浆层隔离地面流动水和地表温度,使冻结壁交圈形成冻结帷幕。针对大断面采用分区冻结、使冻结区域形成具有相对独立的受力结构,冻结加固土体强度高,止水效果好,洞内施工环境较好,安全性高。开挖分区开挖,最大程度降低开挖过程中风险。根据监测数据冻结过程中通过卸压孔卸水卸砂密切调控冻胀压力,解冻过程中通过注浆孔补充地层中融沉产生2的空隙,对地面形成的微扰动远小于变动允许值。5.施工工艺流程及操作要点5.1 冻结暗挖法施工工艺流程:冻结法地层加固的主要施工顺序为:施工准备——— 冻结孔施工,同时安装冻结制冷系统——— 安装冻结盐水系统和监测系统———积极冻结 ———试挖———隧道掘进与临时支护、维护冻结———永久支护———停止冻结。施工准备 施工机房、基础冻结站安装集配液圈安装 盐水系统安装、保温 冻结器安装充 R22、化 CaCl2、试运转设备检修保养 正常运转 微扰动技术控制开 挖结构施做融沉注浆拆 除图 5.1 冻结施工流程图5.2 施工操作要点5.2.1 冻结帷幕的区域划分采用水平冻结结合垂直冻结加固土体,冻结孔施工需在地面及坦尾车站内分别进行,使其整个冻结帷幕呈口袋状;水平冻结的整个冻结帷幕又分为一、二、三区,即被冻结管分为三个区块,二、三两区块又各自由冻结管分为上下两个块;以上这些冻结区块的划分及冻结帷幕的设计,为后期土体的分部开挖及其构筑施工带来极大地安全保障。3图 5.2.1 暗挖通道冻结帷幕平、剖面图5.2.2 冻涨微扰动控制为防止冻结过程中土中水的冻结和冰体的增长引起土体膨胀、引起浅埋隧道上方站厅地表不均匀隆起,导致冷冻区域上方站厅结构在地下土体膨胀作用下开裂。冻涨压力的控制为本冷冻法施工的关键控制要点之一。主要通过卸压孔对冻涨压力进行控制(1)在冻结帷幕内部未冻土区的设置 8 个卸压孔 X1-X8。在冻结过程中,如果冻结帷幕内部压力超过原始地压 0.1MPA 时,立即进行卸压以减少冻胀对冻结帷幕质量和车站悬翘板等结构的影响。(2)在冻结帷幕上部设置 13 个卸压孔 XT1-XT13。孔间距在 1.5m,参见图 5.2.2 冻结孔布置图。在冻结前和冻结期间根据上部结构受力特征进行卸压,以防冻胀对地面车站建筑结构影响,同时在开挖构筑完成后兼做注浆孔,控制融沉对车站建筑结构影响。(3)调整冻结管的冻结顺序和时间,控制冻结力发展和释放方向。冻结管开冻顺序应和开挖顺序对应:冻结孔 D1~D10、D19~D23、D62~D66、D69~D73、D79~D80 首先开机冻结;开机冻结 4 天后冻结孔 D23~D25、D33~D40、D48~D55、D67、D68 开始冻结;开机冻结 7 天后冻结孔 D11~D18、D26~D30、D74~D78、D81~D82 开始冻结;其余冻结孔在开机冻结 10 天后开始冻结。(4)通过调整盐水流量和盐水温度,控制冻结帷幕厚度保持在设计值附近。4图 5.2.2 卸压孔布置平面图5.2.3 冻结效果分析冻结效果根据土体测温孔温度、土体压力、盐水温度等综合判断。主要依据土体温度进行冻结壁的厚度和平均温度计算。冻结帷幕厚度采用作图法进行计算,要求冻结壁达到2m;冻结壁平均温度采用成冰公式进行计算,要求平均温度不高于-10℃。5.2.4 冻结开挖由于土体采用冻结法加固,冻土强度较高,同时受施工空间的限制,采用人工风镐开挖。开挖过程中底部将有部分冻结管被暴露,首先关闭该组冻结管的去、回路阀门,将内部的盐水放空再进行割除。为了提高掘进效率,加快施工进度,缩短冻土暴露时间,风镐尖做淬火处理。因掘进环境温度在 0℃以下,输风管路及风镐中的冷凝水容易结冰,需进行除湿处理,一方面把风管悬吊起来,另外每隔 1~2 小时向风管内注入酒精,防止冰屑的出现。并要求每个掘进班配备 5~6 把风镐,以避免不正常工作而影响施工进度。在掘进施工中根据揭露土体的加固效果,以及监控监测信息,及时调整开挖步距和支护强度,确保安全施工。在开挖过程中,还要及时对暴露的冻结帷幕进行保温。 随着土方开挖的进程,安设型钢支架。支架间距为 0.6m,为增加支架的稳定性,相临两排支架间用钢筋 Φ12@1m 焊接相互连接。开挖技术要求:1)每个块开挖步距为 0.5m。2)开挖断面超挖不大于 30mm;开挖中心线偏差不大于 20mm。3)冻结帷幕暴露时间不大于 24 小时。土方开挖同步进行钢架格栅支护,喷射初衬混凝土。4)支架间距偏差不大于 20mm。5)支架垂直度不大于±2°6)钢架需固定在底板上,不得在浮渣上。7)钢架与开挖面之间揳紧,相邻钢架之间应连接牢靠。5图 5.2.4 型钢支架图5.2.5 融沉微扰动控制因冻结区域上方为既有五号线车站,周围地表环境要求较高,故采取较为稳妥的自然解冻方法,结合信息化监测系统监测土体温度、沉降变化,利用浅部注浆管和深部注浆管进行压密注浆。立足信息化施工,根据监测反馈及时跟踪注浆。按底板 →侧墙→顶部的顺序进行注浆施工。(1)注浆管的布置1)在结构上预埋注浆管,按长度方向上分 6 个注浆断面,每个断面布置 18 个孔。孔间距 1.8m~2.0m,如下图所示。2)预埋管选用 2 寸的焊接管,顶端接带螺纹的管箍,并用丝堵封闭。图 5.2.5 注浆管布置图(2)注浆工艺浆液为双液浆,材料为水泥与水玻璃双组分混合料。配合比为水泥浆:水玻璃溶液=1:1。水泥浆的配比为水:水泥=1:1。注浆以少量多次均匀为原则。单孔一次注浆量控制在约 0.5 m3,最大不超过1m3。注浆前,将待注浆的注浆管和其相邻的注浆管阀门全部打开,注浆过程中,当相邻孔连续出浆时关闭邻孔阀门,定量压入惰性浆后即可停止本孔注浆,关闭阀门,然后接着对邻孔注浆。遇到注浆管内窜浆固结而引起堵管时,需用加长冲击钻头通管。注浆压力不超过2倍的静水压力。(3)注浆施工过程的监测控制地面的沉降变形是注浆的目的。因此,解冻过程中,要加强地面变形监测、冻土6温度监测、冻结壁后水土压力监测。另外,注浆施工过程中,浆液的压力可以通过在相邻注浆孔安装压力表来反映。以上综合监测数据是注浆参数调整的依据。 (4)结束融沉注浆融沉注浆的结束是以地面变形稳定为依据。根据对五号线车站内及周边监测点进行监测,在连续一个月每半个月地面沉降量保持在 0.5mm 以内,累计沉降量小于 1mm 后,结束融沉注浆。5.3.6 施工监测冻结加固体离地面距离较近、地表上方有出入口、雨棚,还有较多的管线,冻结过程中所产生的冻胀和后期的融沉对站厅影响很大,须在施工过程中采取可行措施进行控制,并对这些对象进行监测,以确保施工安全。监测内容及方法(1)冻结系统序号 监测内容 方 法1 冻结器去/回路盐水温度 测温仪2 冷却循环水进/出水温度 测温仪3 盐水体积 木尺4 冷冻机吸/排气温度 压力表5 清水泵/盐水泵工作压力 压力表6 冷冻机吸/排气压力 压力表(2)冻结帷幕序号 监测内容 方 法1 冻结帷幕温度场 测温仪2 开挖面温度 测温仪3 开挖面位移 收敛仪(3)临时支架序号 监测内容 方 法1 钢支架的支撑轴力 应力计(4)地面和建筑物序号 监测内容 方 法1 地面的隆沉变形 水准仪2 雨棚的隆沉变形 水准仪(5)地下管线序号 监测内容 方 法1 电力管线 压力计2 通讯管线 压力计3 雨水管、污水管 压力计4 自来水管 压力计76.材料与设备根据工程实际情况,设备选型如下表所示。编号 项目 型号 单位 数量1 螺杆冷冻机组 TBS-470J 台 32 螺杆冷冻机组 TBS-370J 台 23 盐水泵 IS150-125-315 台 34 清水泵 IS150-125-315 台 35 抽氟机 2F6.3 台 16 冷却塔 KST-80 台 67 钻机 XY-2 台 18 钻机 MD-80A 台 29 泥浆泵 BW250 台 410 电焊机 BX1-400 台 411 提升机 台 112 土方车 辆 213 木工圆锯机 ф500,1.5Kw 台 214 木工平刨床 ф300,1.1Kw 台 215 钢筋切断机 GJ5-40,1.1Kw 台 216 钢筋弯曲机 WJ40-1,3Kw 台 217 砼振捣器 1.1kW 台 518 砼搅拌机 J1-400,11 KW 台 219 砂浆搅拌机 HJ-325 台 220 混凝土喷射机 台 121 空压机 GR200-20 台 122 手动葫芦 3t 套 623 电动试压泵 2.5MPa 台 224 角向磨光机 个 825 潜水泵 1.1kW 台 526 平板振动器 LZF-15 台 127 注浆机 SYB 50-45II 台 187.质量控制表 7.1 冻结孔施工质量控制序号 检测内容 设计要求 检验与控制方法1 冻结孔孔位偏离设计孔位不大于5cm以隧道中心线和隧道轨面(或腰线)为基准,用钢卷尺测量放孔位。安装孔口管和成孔后对孔位进行复核。2 冻结孔深比冻结长度大0.5m~1.5m钻进时丈量钻杆或跟管钻套管长度。成孔后下 1 寸钢管复测孔深。3 冻结孔偏斜 不大于 8‰用陀螺测斜仪测斜,开孔段用经纬仪灯光测斜校核。钻进时每隔 10~20m 测量一次钻孔偏斜,并将测斜结果绘制在控制图上。下冻结管后复测偏斜,并绘制钻孔偏斜透视图。施工完所有冻结孔后绘制冻结壁交圈图。钻孔偏斜超标时下扶正器纠斜。4冻结孔终孔间距 不大于 2m按冻结孔测斜资料计算终孔间距。为了控制冻结孔最大孔间距,应先隔一个冻结孔钻进,然后根据这两孔的偏斜情况,适当调整中间冻结孔的钻进偏斜。5 冻结管规格规格与钢号与设计一致检查出厂合格证和检验报告。6 冻结管长度不小于设计冻结深度0.5m施工时对每截冻结管材进行丈量、编号。成孔后下 1 寸钢管复测孔深。7 冻结管耐压 在 0.8~1.2Mpa 压力下稳压 30min 用泥浆泵或手压泵注水大压。为了保证冻结管的密封性,在冻结管丝扣处涂抹密封剂。8 供液管规格 规格与设计一致 检查出厂合格证和检验报告。9 供液管长度不小于冻结管长 0.5m 供液管下到冻结管管底。下供液管时用钢卷尺丈量供液管长度。10 冻结管充填充填量不小于冻结管内体积的 80%冻结结束后要对冻结管进行充填,以免冻结管锈蚀后导水。充填用水泥浆或水泥砂,直接用砂浆泵从供液管泵入。充填量按泵量计算。表 7.2 冻结系统运转与冻结壁形成控制序号 检测内容 设计要求 检验方法1 冻结制冷系统运转制冷系统运转正常,系统状态参数符合设备要求检测去、回路盐水温度、流量和冷却水温度,检查冷冻机上的控制仪表读数。2 盐水温度设计最低盐水温度-24~-28,开冻 7 天达到-20℃用精度为±0.3℃的精密温度计检测去路干管盐水温度3 冻结壁交圈时间 冻结壁交圈时间≤30d观测水文孔水压,压力明显上升时为冻结壁交圈。4冻结壁达到设计厚度时间达到冻结壁设计厚度时间为35 天根据测温孔测温数据确定。5 冻结管工作状态 冻结管无断裂通过监测盐水箱液面与冻结器回液软管积霜检查冻结管是否漏盐水。98.安全措施8.1 按照安全管理组织要求,明确各岗位人员的安全责任制,明确每个人员的责、权、利关系,做到安全管理不留死角,做到全方位的管理。8.2 严格按照建筑施工安全检查标准贯彻执行 JGJ59-99 设置安全标志和警示牌。8.3 凡施工人员上岗均应执行安全培训,持证上岗,作业时必须事先检查身体,健康合格后方可上岗。8.4 项目部安全管理组负责安全管理的日常工作,监督检查与安全生产相关的各项工作的准备情况、落实情况、执行情况,对违规违章者发出整改指令,建立安全管理的各类台帐,全面收集、整理安全信息,及时反馈主管领导掌握情况,以便采取必要的措施。8.6 设立专职安全员,跟踪各工序的安全施工执行情况,及时禁止野蛮施工,杜绝违章施工,对安全生产中的各类信息负责上传下达、下收上报。施工班组不能解决的安全问题,应及时上报项目部处理,对上级发出的安全整改指令,应积极响应完成,不得拖延,决不允许存在侥幸心理,做到整改彻底,整改及时。8.7 确定施工现场安全施工区域界线,设立范围警示牌,无关人员不得进入安全施工区域界限。8.8 以“TQC”方法推行全员、全面、全过程的安全管理,健全安全保证体系,坚决做到没有安全目标、安全措施和安全内容的生产计划不下达,生产合同不成立,工程项目不开工。否则,以违犯安全生产规定追究责任。8.9 为保证过往行人的安全,在每个工地出入口安排交通联络员负责指挥车辆及行人按规定流动。9.环保措施9.1 按照施工屏幕布置图合理布置施工场地,冻结站内钻孔、冻结设备,规范各项操作程序,地面冻结站施工场地进行围蔽,保护自然环境。9.2 吊运土方、材料、设备时,指挥人员要使用哨或旗,严禁使用带火药和油类燃烧料等工具发出指挥信号,以免产生有毒气体或引起火灾。9.3 建筑垃圾运至有关部门指定的碴土场;施工废水经过沉淀后,方可排入污水管线。10.效益分析本工程隧道位于全断面富水沙层中,由于受已运营 5 号线车站影响,对接段有近 10 米的长度在 5 号线地铁车站站厅出入口、雨棚及闸机的正下方,故常规暗挖施工的安全风险极大。采用本工法,解决了因场地上方建筑限制无法进行地面注浆加固的问题,隧道通过5 号线车站时地面沉降变形控制在允许范围之内,成功的保障了 5 号线的正常运营,同时冻结暗挖段不受广茂铁路桥改线工期制约,大大节约了工期和投资。通过对大断面浅埋隧道冻结暗挖工法的成功尝试,妥善解决了大断面浅埋地铁隧道施工时地表变形难以控制的难题,如期顺利施作了位于地铁站下方的大断面浅埋深隧道。避免了因站厅出入口、雨棚及闸机的拆除对运营地铁站的影响。在全国各地大兴地铁建设的今天,为类似情况开创了一个良好的适用工法,在施工过程中引来了许多同行公司现场观摩学习, 南方都市报对该工法进行了独家报道。同时凭借这一技术,填补了我公司在该工法领域内的空白,受到了业主及社会各界的一致好评。11.应用实例10广州地铁六号线大坦沙站至如意坊站区间暗挖段隧道,开挖深度范围内为淤泥质粉细砂层,结构底板下部为粉质粘土层,上部为人工填土层。中铁十一局城市轨道有限公司采用冻结法加固地层形成冻结帷幕、矿山法开挖构筑施工,有效地保证了工程质量和安全,在工期紧迫的情况下,其冷冻法施工质量好,速度快,不仅确保了冻结施工效果,且为后续工程质量提供了有力保障,在施工过程中引来了许多同行公司现场观摩学习, 也受到业主及社会各界的好评。
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