南京地铁试验段联络通道及排水泵房冻结加固施工技术及分析.pdf

7 0 探矿工程( 岩土钻掘工程 ) 2 0 0 8年第 9期 南京地铁试验段联络通道及排水泵房 冻结加固施工技术及分析 陈裕康 ， 何 立军 ( 1 ． 上海隧道工程股份有限公司， 上海 2 0 0 0 3 0 ； 2 ． 上海申元岩土工程有限公司， 上海 2 0 0 0 1 1 ) 摘要： 结合南京地铁试验段联络通道及排水泵房冻结法施工， 分析总结了冻结法在冻结管施工、 冻结 、 开挖构筑 等阶段的施工技术难点及对策， 同时， 对施工监测进行分析， 探讨了冻结过程中温度、 地面变形、 冻胀压力等的变化 规律， 可以为今后南京地铁旁通道冻结法施工及监测提供一定的参考。 关键词： 南京地铁； 隧道； 冻结法； 温度； 冻胀； 旁通道 中图分类号 ： U 4 5 5 ． 4 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2— 7 4 2 8 ( 2 0 0 8 ) 0 9— 0 0 7 0—0 6 Te c h n o l o g y a n d An a l y s i s o n Fr e e z i n g Co n s o l i d a t i o n Co n s t r u c t i o n i n S i d e Ch a n n e l s a n d P u mp i n g S t a ti o n o f t h e T e s t S e c t i o n o f N a n j i n g S u b w a y ／ C H E N Y u — k a n g ，H E L i -j u n ( 1 ． S h a n g h a i T u n n e l E n g i n e e ri n g C o ．L t d ，S h a n g h a i 2 0 0 0 3 2 ，C h i n a ； 2 ． S h a n g h a i S h e n y u a n G e o t e e h n i e a l E n g i n e e r i n g ， S h a n g h a i 2 1 0 0 1 1 ，C h i n a ) A b s t r a c t ： C o m b i n i n g t h e f r e e z i n g m e t h o d c o n s t r u c t i o n o f s i d e c h a n n e l s o f t h e t e s t s e c t i o n o f N a n j i n g s u b w a y ．t h e p a p e r g a v e t h e an a l y s i s a n d s u mma r y f o r s o me t e c h n i c a l p r o b l e ms a n d c o u n t e r me a s u r e s o f t h e f r e e z i n g me t h o d i n d i f f e r e n t c o n — s t r u c t i o n s t a g e s s u c h a s c o n s t ruc t i o n o f f r e e z i n g p i p e s ， f r e e z i n g ，e x c a v a t i o n a n d S O f o r t h，d i s c u s s i o n wa s ma d e o n t h e v a r i a — t i o n r u l e s o f t he t e mpe r a t u r e i n t he f r e e z i n g，de f o r ma t i o n o f t h e g r o u nd s u r f a c e a n d s t r e s s o f f r o s t u ph e a v a l ，t h e c o n c l u s i o n c a n b e r e f e r e n c e f o r f u t u r e f r e e z i n g m e t h o d c o n s t ruc t i o n a n d mo n i t o r i n g o f s i d e c h a n n e l s i n N a n j i n g s u b w a y ． Ke y wo r d s ：N a n j i n g s u b w a y ；t u n n e l ； f r e e z i n g m e t h o d ； t e mp e r a t u r e ； f r o s t u p h e a v a l ； s i d e c h ann e l 1 工程概况 双线地铁隧道长度 >1 k m 时， 一般需要 在上 、 下行隧道之 间设置联络通道和泵站 ， 用于意外事故 时人员疏散和渗漏水排放。地铁 联络通道 、 泵站施 工是软土隧道设计 、 施工的难点 ， 也是影响工程工期 的关键节点之一。 南京地铁试验段在里程 l ( 5+4 3 8 ． 6 6 1处两条 隧道间设置联络通道及排水泵房即在原南京搪瓷厂 厂房( 已空置待拆迁 ) 以南的人行道 、 机动车道 以及 某汽车修理厂空场地进出道底下( 见图 1 ) 。隧道中 心埋深 1 3 ． 1 3 3 m。联 络通道及排水泵房工程结构 由 2个与隧道相交 的喇叭 口、 通道及集水井等组成 。 由于处于人行道 、 机动车道下 ， 为了减少对交通 的影响 ， 结合工程地质条件及其它施工条件 ， 确定采 用“ 隧道内钻孔冻结加 固， 矿山法暗挖构筑” 的施工 方案 ， 即： 在隧道内利用水平孔和部分倾斜孔冻结加 固地层 ， 使联络通道及集水井外 围土体冻结 ， 形成强 度高 ， 封闭性好 的冻土帷幕 ， 然后根据“ 新奥法 ” 的 基本原理， 在冻土中采用矿山法进行联络通道及泵 图 1 试验段联络通道及泵房位置示意图 站的开挖构筑施工 ， 地层冻结和开挖构筑施工均在 区间隧道 内进行。 2 工程地质概况 南京地铁试验段地貌隶属于岗前洪积扇 一 古秦 淮河冲积漫滩平原 ， 经人类长期堆填 ， 除秦淮河岸边 场地外 ， 现地势较为平坦 。 根据地质勘察报告 ， 联络通道及泵房所处位置 的土层为粉土②。 ， 层、 粉质粘土② 一 层、 游泥质 收稿 日期： 2 0 0 8一 O 3—1 8 作者简介 ： 陈裕康 ( 1 9 7 5一)， 男( 汉族 ) ， 浙江缙 云人 ， 上海隧道工程股份有 限公 司第一项 目管理部副总工 程师 、 上海轨 道交通 7号 线常熟路 站项 目常务 副经理兼项 目总工程师 ， 工程师 ， 地质工程专业 ， 工学硕士 ， 从事地下工程施工方面的技术工作 ， 上海市卢湾区龙华东路 6 6 0号 8号 楼 四层 ， g h o s t c h y k @1 6 3 ． c o m。 2 0 0 8年第 9期 探矿工程( 岩土钻掘工程 ) 7 1 粉质粘 土② 一 。 一 层 、 粉砂 ② 一 出层 、 粉 土② 一 层。土层透水性差 ， 是旁通 道冻结施工较为有利的 土层 。各土层的物理力学性质如表 1 所示 。 表 1 联 络通道及 泵房 土层物理 力学性质指标 土层性质 ／ k Pc k ) a ／ ( 1 渗透 0- 6 c 系数 m~ _ I )凝眭 3 联络通道及泵房结构 介绍 联络通道结构 由通道及泵房组成 ， 通道与隧道 钢管片接 口处为喇叭 口形状 。结构组成为 2 0 c n l 的 喷锚混凝土保护层 、 E V A防水层 、 4 0 c m的钢筋混凝 土结构。见图 2 。 F行线 J‘ 线 街 站 盾 构推进 力 i 街站 一—— ‘ } ‘ 一 ⋯一一 一 — } — ‘— ～ — } J 华门站 I } r 华 门站 l l 图 2 联 络通道及泵房 结构示 意图 4冻结 法加 固施 工 4 ． 1 冻结帷幕设计 4 ． 1 ． 1 联络通道冻结帷幕 4 ． 1 ． 1 ． 1 断面 、 荷载及冻土厚度 根据地质资料 ， 地面标高为 +1 0 ． 5 m， 隧道 中心 埋深 1 3 ． 1 3 3 m， 按公式 P=1 3 H( k P a ) 计算 的旁通道 上部荷载和侧向荷载， 则旁通道冻结 帷幕结构荷载 如图 3所示。计算模型采用矩形刚架( 冻结孔布置 按矩形布置) ， 设冻土帷幕 厚度为 1 ． 6 i n ， 通道 开挖 轮廓高为 4 ． 2 4 n l ， 宽 3 ． 2 0 1 T I ， 计算该结构内部 的弯 矩和轴力 ， 进而求得截面内的压应力 、 拉应力的剪应 力 。 4 ． 1 ． 1 ． 2 各截面的弯矩及轴力 联络通道中部冻土结构的弯矩及轴力见 图4 。 4 ． 1 ． 1 ． 3 喇叭 口冻结帷幕 联络通道两端的喇叭口冻结帷幕断面形状与联 络通道类似 ， 经同样设计步骤 ， 得到冻土结构的断面 应力状况 ， 在图 4所示 中截面 4和 5处要求冻土厚 度为 2 ． 0 i n 。由于截面 4和 5为喇叭 口底部 的角点 的中点 ， 所 以该处冻土厚度可由倾斜孑 L 得到加强。 I l ， T—七 。 l I 三_--,1 l E I 3 。 J ： 耋 f I - ： I z ● r_ 一 4踟 O f 1 f ● ^ 卜 图 3 冻土帷幕受力简 图 ＼ ＼ 截 3＼ ／ 截 i面 4／ 删 ／ — ／ I J l J l I l ／ ／截而5／I 图 4 冻 土结构 各截 面承受的弯矩及轴力 4 ． 1 ． 1 ． 4 泵房冻结帷幕 泵站集水井为矩形断面深约 3 ． 4 m。经计算需 要的冻结帷幕为 1 ． 8 m。其角点应力集 中， 在 布孔 时可采取加强措施。 4 ． 2 冻结孔布置 根据冻结帷幕设计及联 络通道 的结构 ， 冻结孔 按上 仰 、 近水平 、 下俯 3种角度布置。开孔间距为 0 ． 6～ 0 ． 7 m， 冻结孔数 5 8个。冻结孔的布置及钻进 参数详见图 5 、 表 2和图 6 。 隧道 穰 毽 且 鼐 号 【 ． 3 2 00X2 1 X22 X 23 X2 4 X 25 二 依 次 是 ： 、 、 、 、 ， }— — X3l 、 X 32、 X 33、 X3 4、 X 35、 X36， X41 、 X 4 2 X 4 3 X 4 4 ， X 4 5 ， X 51 X 5 2 ， X 5 3 X 5 4 、X 5 5 ， X 5 6 图 5 冻 结孔布置 图 警 至 7 2 探矿工程( 岩土钻掘工程 ) 2 0 0 8年第 9期 表 2 冻结孔钻进参数表 冻结孔孔N／ m m 仰角／( 。 ) 冻结孔 孔深／ ram 仰角／ ( 。 ) s 21一s 2 6 2 5 4 5 1 9 ． 0 Z 7． Y7 7 7 9 3 —6 Sl 1～S 1 6 9 3 01 4 Z 8． Y8 8 3 3 3 —4 Z1， Y1 9 3 01 4 Z 9， Y9 9 5 6 5 —6 75 2， Y2 8 3 4 0 3 X1 l～X1 6 9 5 6 5 —6 Z 3， Y3 7 8 2 1 1 X21～X2 6 8 5 41 —1 5 Z 4． Y4 7 4 1 1 0 X3l～X3 6 8 8 4 9 —2 4 7 5 ． Y5 7 3 6 1 —1 X41～X4 5 7 5 1 3 —3 6 Z 6， Y6 7 4 9 3 —2 X51～X5 6 5 5 0 7 —51 图6 冻结孔剖面布置 图 ( 1 ) 钻孔开孔直径 1 1 0 m m， 下冻结管直 径 9 5 mm， 开孔劈开钢管片肋板 ； ( 2 ) 终孔间距 ≯1 0 0 0 m m； ( 3 ) 图5中钻孔深度从隧道 内表面算起至管端 止 ， z 2一Z 8和 Y 2～ Y 8钻孔深度 以钻头碰到对面隧 道为准 ， 其中z 5和 z 6为透孔 ， 每个钻孔还应向北偏 斜 1 ． 7 。 ； ( 4 ) 严格控制钻孔漏泥漏水 ， 对地层影 响符合 市政要求。 4 ． 3 制冷设计 4 ． 3 ． 1 冻结参数确定 ( 1 ) 设计盐水温度为 一 2 8一一3 0℃。 ( 2 ) 冻结孑 L 单孔流量 4 ： 4 m ／ h 。 ( 3 ) 冻结孔终孔 间距 L ≤1 0 0 0 m m， 冻结帷幕 交圈时间为 2 0天， 达到设计厚度时间为 3 O天 。 ( 4 ) 积极冻结 时间为 3 O天 ， 维 护冻结时 间 3 5 天 。 ( 5 ) 测温孔 1 O个( 3个兼作卸压孔 ) ， 具体位置 视现场情况而定。 4 ． 3 ． 2 需冷量和冷冻机选型 冻结需冷量 ： q=1 ． 3 1 r d H K= 4 7 7 2 2 k e a l ／ h 式中： 冻结管直径 ； H -冻结总长度 ； K —— 冻结管散热系数。 选用 Y S L G F 3 0 0 1 1型螺杆机组一 台套 ， 设计 工 况制冷量为 8 7 5 0 0 k c a l ／ h ， 电机功率 1 1 0 k W。 4 ． 3 ． 3 冻结系统辅助设备 ( 1 ) 盐水循环泵选用 I S 1 2 5—1 0 0—2 0 0型 2台 ， 流量 2 0 0 m ／ h ， 电机功率 4 5 k W， 其中一台备用 。 ( 2 ) 冷却水循 环选用 I S 1 2 5—1 0 0～2 0 0 C型 2 台， 流量 1 2 0 m ／ h ， 电机功率3 0 k W， 其中一台备用。 冷却塔选用 N B L一1 0 0型一 台， 补充新鲜水 1 5 m ／ h。 4 ． 3 ． 4 管路选择 ( 1 ) 冻结管选用 0 9 5 m m6 m m， 2 0低碳无缝 钢管 。 ( 2 ) 测温孑 L 管选用 0 9 5 m m x6 l l l m， 2 0低 碳无 缝钢管 。 ( 3 ) 供液管选用 2 i n ( 1 i n=2 5 ． 4 m m) 钢管 ， 采 用焊接连接。 ( 4 ) 盐水干管和集配液圈选用 ~ 0 1 5 9 mm x 6 m m 无缝钢管。 ( 5 ) 冷却水管选用 0 1 3 3 m m x4 ． 5 m m无缝钢 管。 4 ． 3 ． 5 用 电负荷 用电负荷约 2 0 0 k W／ h 。 4 ． 3 ． 6 其它 ( 1 ) 冷冻机油选用 N 4 0冷冻机油。 ( 2 ) 制冷剂选用氟立昂 R一 2 2 。 ( 3 ) 冷媒剂选用氯化钙溶液。 4 ． 4 冻结施工技术要点 在该地层冻结工程 中， 由于其特殊施工条件与 要求 ， 需采取特别工艺与技术措施 ， 以控制冻结孔钻 进 、 地层冻胀和融沉等对 隧道 的影响。根据 国内外 最新研究成果和施工经验 ， 提出 以下冻结施工技术 措施 。 ( 1 ) 在已贯通的隧道钻冻结孔 ， 根据联络通道 的结构 ， 采用上仰 、 近水平和下俯 3种成孔角度 。 ( 2 ) 由于冻 土抗拉 强度低 ， 因此 除设计 中尽量 降低冻土帷幕所承受 的拉应力外 ， 主要做好冻结和 开挖的配合工作 ， 要求及时封闭薄弱的冻结壁 ， 并根 据开挖后冻 结帷幕变形情况及 时调整开挖构筑工 艺 。 ( 3 ) 为减／ b~层冻胀 ， 隧道上下对称布置 冻结 孔 ， 在适当部位设卸压孔 ， 并采用小 开孔距 ， 较低盐 水温度 ， 较大盐水流量 以加快冻结速度。 ( 4 ) 为了加强上行线( 图 6中的右侧隧道 ) 一侧 冻结帷幕的交圈效果 ， 两个冻结孔水平穿透两条隧 道并在上行线一侧围绕联络通道口设置冻结管路使 7 4 探矿工程( 岩土钻掘工程 ) 2 0 0 8年第 9期 程中温度变化可以非常明显地区分为 2个 阶段 ( 见 图 9 、 1 0 ) 。 ＼ 螂 赠 20 1 5 1 0 p 5 ＼ 0 赠 一 5 — 1 O 一 1 5 — 2 0 - ‘ ⋯ 一0 l o ＼ 、 、2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 s ＼ 时间 ／ d - ＼ 。 ＼ 图 9测温孔 6测点 1温度变化曲线 一 ⋯⋯ 一‘ 图 1 0 测温孔 2测点 1 温 度变化 曲线 ( 1 ) 温度剧烈变化期。在土体温度下降至 0 o C 前 ， 土体的温度下降较快 ， 最大下降幅度达到 2℃／ 天 。 ( 2 ) 温度下降缓 和期。随着土体温度继续下降 到 0 ℃左右， 土体开始冻结 ， 直至交圈形 成冻土墙 ， 在此阶段冻土的温度下降逐渐趋缓， 平均下降幅度 约为0 ． 5℃／ 天 ， 进入维护冻结期后 ， 为了保证开挖 构筑施工安全 ， 冷冻机一直维持运行 ， 冻土温度持续 下降， 最低处土体温度下降至约 一 3 0℃。 6 ． 2 地面隆沉监测分析 6 ． 2 ． 1 地面隆沉测点布置 为了了解冻结孔施工 、 积极冻结及开挖构筑各 个阶段地面隆沉情况 ， 在旁通道上部布置了 8个变 形测点( 见图 1 1 ) 。 图 l 1 地面隆沉测点布置图 6 ． 2 ． 2 地面隆沉检测结果分析 从图 1 2 、 图 1 3中可以看出 ， 地面变形可根据施 工过程 明显地分为 4个 阶段 。 2 5 2 ( ) 1 5 量 1 0 碹。 O r 。 1 0 n八 L 、 ^ l l l ／i l l l I l 0 [ _ 、l 0 2 0 3 0 # 4 0 j O 6 O 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 _ _ 、 时间 ／ d 图 1 2测点 t 地面变形 曲线 | 。 — V_ J ， ． ． ．／ _ ， ． ． ． ． ． ． ． 、 。 嚣 一一㈩∞ 图 l 3 测点 2地面变形曲线 ( 1 ) 每一阶段 ： 是冻结孑 L 施工 阶段 ( 共 2 1天) ， 特征主要表现为地面发生沉降， 沉降量不大 ， 最大值 为 5 m m。主要是因为在冻结孔施工过程中， 有部分 水土流 出冻结孑 L ， 地层产生 了一定的损失 。后期为 了减少地面变形 ， 在每个冻结孔施工完成后进行 了 注浆 ， 平均每孑 L 注浆用水泥约 为 0 ． 5 t ， 注浆压力控 制在 0 ． 2～ 0 ． 3 M P a之间， 这样有效地控制 了地面沉 降。 ( 2 ) 第二阶段 ： 主要是冻结管施工 完成 后的积 极冻结阶段( 共 4 1天) 。这一阶段 的主要 特征表现 为开始一段时间 ( 约为 1 O天) 地层变形平缓 ， 主要 是因为土体温度处于下降阶段， 但还未冻结。随着 土体温度的进一步下降至 0℃以下 ， 土体发生冻结 ， 伴随着土中水分及迁移过来 的水 的冻结 ， 土体的体 积发生膨胀 ， 引起了地面的迅速隆起 。 ( 3 ) 第三阶段 ： 主要是积极冻结完成 后的开挖 阶段 ( 共 8天) ， 这一阶段 的主要特征是地面隆起速 率变小 ， 几乎 为 0 。主要是因为在开挖过程 中采取 了及时支护。 ( 4 ) 第四阶段 ： 主要是 开挖完成后的结构构筑 阶段( 共 3 2天) ， 这个 阶段冻结继续进行 ， 土体温度 持续下降 ， 但 由于开挖完成后进行了及时支护 ， 土体 发生融变变形不大， 地面变形继续表现为缓慢的隆 起 ， 直至结构施工完成。结构施工完成后 ， 进入了解 冻阶段 ， 为了防止解冻造成地面的较大沉降 ， 利用预 趵 5 0 ∞ ∞ 差 毛 _三 ∞ O 山 山 ＼ 2 0 0 8年第 9期 探矿工程( 岩土钻掘工程 ) 7 5 埋注浆管进行 了注浆处理 ， 由于采取了这一措施 ， 解 冻阶段地面未发生大的沉降。 6 ． 3 冻胀压力检测结果分析 6 ． 3 ． 1 测压孔布置( 见图 7 ) 6 ． 3 ． 2 冻胀压力检测结果分析 根据图 1 4及图 l 5可知 ， 冻胀力在冻结初 期几 乎未发生变化 ， 随着土体 温度 的下 降， 土体进 入冻 结 ， 冻胀力迅速增 大。冻胀力的发展大部分发生在 积极冻结期间。在开挖 、 构筑阶段冻胀力有一定的 发展 ， 但发展趋势趋缓 。在构筑完成后 ， 冻胀力发展 到最大值。 图 1 4测压孔 1测点 2冻胀压力 曲线 降 ， 至 0 o C以下 ， 冻结管周围土体发生冻结 ， 冻胀压 力开始迅速增大， 随着温度的进一步下降， 增长率减 小 ， 冻胀压力 的发生主要是在土体温度下 降至 一1 0 q c 之前完成 。 J‘ ， 一 ．～ 一 ／ 一 霎 8 一 l ， 0．6 0．4 当 0 2 l 厂 温度 ／ ℃ 图 1 6 测温孔 3与测压孔 1温度 一冻胀压力曲线 ^ 1 一 厂 1 2 一 ／ 1 ． 0 一 ／ 0 ．8 厂 √ ． ． 0 ．6 耍 0 ．4 O2 1 0 0 l 0 —2 0 — 30 温度 ／ ℃ 测温孔 2与测压孔 3温度 一冻胀压 力曲线 7 结语 旁通道的施工包括冻结孔施工 、 冻结施工 、 开挖 构筑等许多阶段。只有针对各个阶段的特点及可能 出现的问题采取相应 的措施 ， 同时， 要对温度 、 地面 变形、 冻胀压力等进行监测， 用以指导施工， 才能保 证旁通道冻结法施工的安全 。 图 测压孔 测点 冻 胀压力曲线 参考文献 ： 6 ． 3 ． 3 温度与冻胀压力的关系 [ 1 ] H ． 崔托维 奇． 冻土力 学[ M ] ． 北京： 科学出 版牡， 1 9 8 5 ． 测压孔 1 与测温孔 3是共用 一孔 的， 测压孔 3 [ 2 ] 周希圣 城市软土冻结加固技术[ M ] ． 中 州煤炭⋯ ． 1 9 9 7 ， 2 与测温孔 2也是共用一孔的。根据图 1 6及 图 l 7可( S l J ： 2 6 知， 冻胀力在温度 > 0 o C时几乎为 0 。随着温度 的下 — 一十 ”—+ -一+ —+ _一— — -+”+“+一 ( 上接第 6 9页) 能取得较高的技术 经济指标。此外 ， 岩体结 构面与 钻孔的相对空间关系对爆破破碎效果也会产生重要 影响 ， 不 同的空间关系对加载的响应是不同的 ， 如果 在考虑岩体结构的前提下 ， 以孔 内微差 为基础并结 合聚能装药的使用 ， 在孔 内取得较好 的岩矿石综合 爆破破碎效果是完全可能的。 参考文献 ： [ 1 ] 王清明． 欧美国家水溶采矿发展的历史概况[ J ] ．盐业史研 究 ， 2 0 0 1 ， ( 4 ) ： 4 5— 4 7 ． [ 2 ] 王文龙． 钻眼爆破[ M] ． 北京： 煤炭工业出版社。 1 9 8 4 ． [ 3 ] 陈仕 海 ， 林 从 谋． 水 压爆 破 岩石 的破 坏 特征 [ J ] ． 煤 炭学 报 ， 1 9 9 6， 2 1 ( 1 ) ： 2 4— 2 9 ． [ 4 ] 张明． 湿喷稠流混凝土技术研究 [ D] ． 北 京 ： 中 国地质 大学( 北 京 ) ， 2 0 0 3 ． [ 5 ] 周家汉． 第七届 国际岩石爆 破破碎学 术会议 概述 [ J ] ． 工 程爆 破 ， 2 0 0 3 ， 9 ( 1 ) ： 5 3— 6 0 ． [ 6] 李 夕兵 ， 等． 常规炸 药与不同岩体匹配的可能途径 [ J ] ． 矿 冶工 程 ， 1 9 9 4 ， 1 4( 1 )： 1 7—2 0 ． [ 7] 宗琦 ， 盂 德君 ． 炮孔 不同装药结 构对爆破能量 影响的理论探讨 [ J ] ． 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 3 ， 2 2 ( 4 ) ： 6 4 1— 645 ． O 8 6 1 2 0 2 0 0 0 0 O 毛 r r 当蜷