应用冻结法加固地铁工程的结构施工研究（完整版）

1、应用冻结法加固地铁工程的结构施工研究摘要 :主要介绍了上海地铁明珠线蓝村路站-浦东南路站区间隧道联络通道、泵站采用水平冻结加固情况下 ,隧道支护及结构施工过程 ,分析了隧道内矿山法施工旁通道对地表及隧道结构产生的影响及解决措施 ,指出了矿山法施工技术在市政及地铁工程施工中的技术可行性。关键词 :水平冻结 ;隧道支护 ;结构施工1前言由于受城市地面道路、建筑和地下管线的影响,在地铁隧道施工中 ,传统的明挖施工技术受到挑战 ,而隧道暗挖施工技术 ,因其很少占用地面施工场地、无环境污染、施工安全性高等优势 ,在北京、广州、上海等城市地铁施工中得到推广应用。 2002年 6月至 11月上海地铁明珠线蓝

2、村路站 -浦东南路站区间隧道联络通道、泵站工程采用全断面水平冻结法加固、矿山法开挖支护施工顺利完成。2概述2.1工程内容上海地铁明珠线二期蓝村路站浦东南路站区间隧道旁通道及泵站(以下简称旁通道 )位于两站区间隧道中部。旁通道由与左右线隧道正交的水平通道及通道中部的集水井组成(图 1)。按设计 ,旁通道位置上、下行线隧道的中心标高分别为-15.007m和 -15.806m,上、下行线隧道中心线间距 13481.9mm。通道为直墙圆弧拱结构 ,集水井为矩形结构 ,通道和集水井均采用两次衬砌 ,其中初衬厚度为 200mm,通道墙、拱和集水井内衬厚度为400mm,通道底板和通道与隧道连接处 (喇叭口

3、)内衬厚度为 1000mm。通道的开挖轮廓高约 4.23m,宽 3.2m,局部 (喇叭口处 )高 4.83m,宽 4.4m;泵站开挖轮廓长 4.2m,宽 3.2m,深 2.2m。2.2工程地质条件旁通道位置地面标高为4m左右 ,隧道上覆土层厚度按 19m考虑。根据附近地层情况 ,旁通道施工范围内土层主要按灰色淤泥质粘土、灰色粘土和灰色粉质粘土考虑,具有孔隙比大、含水丰富、承载力低、容易压缩和在动力作用下易流变的特点稳。,开挖后天然土体本身难以自2.3工程难点地质条件差 ,淤泥质粘土承载力低 ,含水率高 ,易流变 ;在盾构区间隧道内施工 ,施工点距区间隧道两端车站均有狭小 ;1km左右的距离 ,

4、施工场地工程地处浦东新区东方路沉降量必须严格控制 ,不能超过 30mm。因此 ,在该地层内开挖构筑旁通道,通道上方地面为一栋二层楼的超市,通道开挖引起的地表,需要先对施工影响范围内的土体进行稳妥、可靠的加固处理。经反复论证决定采用水平冻结法加固。该工法具有安全性好,不污染环境等优点。 因此本工程设计包括旁通道周围土层的冻结加固和开挖构筑施工两部分内容。设计地层冻结加固体积约为 2100m3,挖掘土方和浇注混凝土体积分别为220m和 120m。采用这种加固方33法就要求旁通道及泵站结构施工中的开挖工艺、支护参数等与之相适应。3施工方法与施工工序根据上述施工条件 ,并结合上海地铁二号线旁通道施工经

5、验, 拟采用“隧道内水平冻结加固土体 ,隧道内开挖构筑”的全隧道内施工方案。即 :在隧道内采用冻结法加固地层,使旁通道外围土体冻结 ,形成强度高、封闭性好的冻土帷幕泵站的开挖构筑施工。,然后在冻土帷幕中采用矿山法进行通道及水平地层加固和开挖构筑的主要施工工序:施工准备隧道管片开孔和安装孔口管冻结孔钻进 ,安装冻结器与冷板 ,同时安装冻结制冷系统安装冻结盐水系统和检测系统冻结运转 ,同时进行隧道支撑探孔试挖 ,拆钢管片通道掘进与初衬通道防水层施工与内衬泵站开挖与初衬泵站防水层施工与内衬停止冻结 , 封孔壁后充填注浆。冻结孔施工和旁通道初衬施工为本工程的关键工序,防水层和旁通道内衬施工为特殊工序。

6、4联络通道临时支护参数由于冻土具有明显的蠕变特性,特别是粘性土层 ,这种特征更加明显 ,随着旁通道的掘进施工 ,冻结壁被暴露在空气中 ,冻土的蠕变随时间的延长而增加。结壁采取有效的临时支护 ,以免冻结壁变形破坏。为控制冻结壁的变形 ,要对冻将旁通道的支护结构简化成由三段简支梁组成的一个半封闭结构。由于拱顶部分的冻结壁较厚 ,冻结壁变形较小 ,作用在支架上的荷载主要作用在支架两侧的柱腿上。假设作用在支架腿上的载荷为均布荷载 ,最大弯距发生在柱腿中部 ,根据变形协调条件 ,柱腿中部的挠度 f同冻结井壁的允许变形相等 ,即:4u =f=5qL /381EI（1）a式中:ua为冻结壁的变形量;E为支架

7、的材料弹性模量 ;I为支架惯性矩 ;L为支架柱腿的长度 ;q为作用在支架腿上的均布荷载,q值可根据式式中 :uSUBa=(1+u)(p-p )a/A(ti确定。为冻土的侧压力系数 ;A为冻土的弹性模量 ;p为作用在冻土外侧的压力 ;pi为支架对冻土壁的反力;a为旁通道宽度的一半 ;t为冻结壁的温度系数 ;u为支架的间距。已知ua=2cm=0.02m,u=1/2=0.5,A=40MPa,45p=201.810 =3.610 Pa;a=1.7m4P=P-AU (t )/ (1+u)=4.6Pa 10ia设支架的排间距为 0.5m,则每个支架上的荷载为 4q=p /2=2.3 1 0 Pai4由式

8、(1)得 I=5qL /381U Ea4L=3.8m,q=2.3 1 0 Pa,5E=2.110 MPa,Ua=0.02m代入上式得 : I=1498cm 4根据工字钢的转动惯量可知I =1130cm I =1660cm 1498cm44 416 18故选用 18号工字钢作为支架的支护材料,考虑到支架的刚度及稳定性 ,每个支架加有中梁及底梁。5旁通道开挖构筑工艺旁通道的开挖从占用隧道一侧向另外一侧隧道进行水平暗挖,根据冻土的发展规律 ,同时考虑工期、隧道占用时间等因素 ,旁通道的开挖构筑施工应尽量同冻结孔施工占用同侧隧道。,冻土帷幕为一个底部较厚的直墙圆拱形,冻土墙设计厚度 1.2m,冻土强度 46MPa,旁通道及泵站的施工采取全断面开挖。旁通道的开挖构筑在一个完全封闭的冻土帷幕内进行在打开钢管片前应对各种量测资料及测温孔中测得的冻结壁发展情况、冻结时间等进行综合分析 ,当分析结果同设计基本相符时,即可进行试开挖。由于冻土强度较高 ,冻结壁本身起着临时支承作用 ,开挖过程中为避免冻结壁暴露后产生蠕变,造成冻结管断裂 ,在掘进过程中要及时对冻结壁进行临时支护,并对冻结壁及时封闭 ,减少冷量损失。旁通道的开挖构筑要充分利用冻土的强度特点,经过科学施工 ,严格管理 ,将加固地层自身的稳定性与合理的临时支护有机的结合