地铁隧道水平冻结法施工

1、北京地铁隧道水平冻结法施工Horizontal ground freezing method applied to tunneling of Beijing Underground Railway System周晓敏苏立凡(煤炭科学研究总院北京建井研究所,北京,100013贺长俊关继发(北京城建集团地铁建设指挥部,北京,100000文摘北京复八线地铁“大热”区间南隧道施工时,拱顶遇到饱和含水的粉细砂层,此段隧道地处国贸立交桥下,又有多条地下管线,为了确保地下管线和地面交通的正常使用和安全运行,在国内首次实施了隧道内的水平冻结加固施工。本文论述了该工法的设计、关键技术的处理以及实际取得的效果,探

2、讨了人工地层冻结和浅埋暗挖技术相结合的发展方向。关键词冻结法,水平钻孔,地铁隧道中图法分类号T U472.9,U455,T D265.3作者简介周晓敏,男,1964年生,1985年毕业于山东矿业学院,1994年于中国矿业大学获硕士学位,高级工程师,国内外发表论文12篇,获2项国内专利,1997年获得煤炭部科技进步一等奖,主要从事人工地层冻结技术研究和工程承包。Zhou XiaominSu Lif an(Beijing Research Institute of Mine Construction Central Coal Mining Research Institute,Beijing,10

3、0013He ChangjunGuan Jif a(Railway Engineering General Headquarters Beijing Urban Construction Group Co.Ltd.,Beijing,100081AbstractDuring the construction of the south railway tunnel in Da Re Area of Beijing Underground Railway System,there was a water saturated layer of fine sand on the roof of the

4、tunnel area.The tunnel area is located under the Guomao Overpass and there are several underground pipelines located in the tunnel area.To assure a normal operation and safety of the pipelines and overpass,horizontal ground freezing method was applied to the tunneling for the first time in China.Thi

5、s paper has stated the design,the key technologies and the practical results of this method, and discussed the technical tendency in combination of the ground freezing and the excavation with a shallow depth.K ey wordsfreezing method,horizontal drilling,underground railway tunnel1引言冻结法在我国广泛应用于煤矿井筒施工

6、,是解决淤泥、流砂等不稳定含水表土的可靠技术工法。其方法是在井筒四周布置垂直冻结孔,向地层供冷,进行人工冻结,固结软弱地层,在冻结壁的保护下进行掘进和衬砌。但冻结法在我国隧道施工中还未得到广泛应用,1997年11月至1998年4月,在北京地铁热八线大北窑车站南隧道进行了我国首例水平法冻结施工,水平距离45m。2工程概况北京地铁复兴门至八王坟的南隧道,在由东掘衬至大北窑车站东侧的隔断门(里程为B248+12108时,隧道顶部遇到了粉细砂层,发生坍塌,并造成地表的沉陷,据勘测资料,此段的粉细砂约12m厚,鸡窝状赋存,呈流态,据调查,粉细砂的水饱和与隧道上面的地下排污水管线渗漏有关。此段隧道正处在国

7、贸立交桥下,是长安街和东三环的交叉要道。隧道地质环境条件如图1所示,由地面向下,土层依次为杂填土、轻亚粘土、粉细砂、圆砾砂层、轻亚粘土。隧道顶埋深约10m,拱顶上部主要有以下管线:(1直径118m的污水管道,埋深8m,距离拱顶2 m,距隔断门16m,南北走向与隧道线路正交。(26m宽2m高的污水方沟,距离隔断门约36m 处,埋深8m,距离拱顶2m,在三环高架桥两立柱间,与隧道正交。(3直径114m的污水管道,埋深7m,距拱顶3m,南北走向与线路正交。(4直径112m的雨水合流管线,埋深5m,距拱顶315m,东西走向在拱顶南侧315m。根据上述施工环境和困难的地质条件,经研究认为采用人工地层冻结

8、加固施工最可靠,可以保证地下管线和地面交通安全,其关键是地下水平冻结管的铺设和施工成本的控制。3水平冻结施工设计311水平冻结方案的确定冻结长度考虑两个因素,一是重点保护污水管到稿日期:199*第21卷第3期岩土工程学报Vol.21No.31999年5月Chinese J ournal of Geotechnical Engineering May,1999图1北京地铁“大热”区间隧道水平冻结段纵向剖面图Fig.1Longitudinal section of horizontal ground freezing of the Da-Re Area of Beijing Underground

9、 Railway及方沟为加固区,二是拱顶上方粉细砂层和开挖线的相互位置,确定值为45m。冻结壁形状在隧道拱顶开挖线上方,呈割圆拱型。冻结壁弧长使得冻土和下部粘土层相交,L=7m。冻结壁厚度既符合受力计算安全,又考虑布置钻孔及冻结壁隔离粉细砂等方面的工艺要求。按平面应变的厚壁拱梁计算,S112m。冻结孔布置圈半径R=r+015E=3125m式中r为外衬半径;E为有效冻结壁厚。最大孔间距(终孔间距L maxE=112m;或L max=2vt式中t为积极冻结时间(d;v为冻土扩展速度(m m/d。开孔间距I o=I max-2H=0168mm式中H为冻结孔长度(m;为偏率。设计检测孔2个。隧道断面及

10、冻结孔布置及偏斜见图2。312拱形冻结壁结构和强度设计冻结壁厚112m,平均温度为-10,冻结粉细砂持久抗压强度6MPa,抗弯强度215MPa。按平面应变结构验算。抗弯安全系数达到1183,抗压安全系数达到3106。313冻结施工技术参数采用一台Y S LG F300型螺杆压缩机组,标准制冷量281kW。地层冻结供冷工艺参数和指标如下:积极冻结盐水温度为-24-26;冻结壁交圈时间为25 28d;最早开挖时间为25d;积极冻结时间为2540 d;维护冻结盐水温度为-1820;维护冻结时间为36d 。图2水平冻结管、测温孔布置及偏斜图Fig.2Arrangement&deviation

11、of horizontal freeze pipeand temperature measuring pipe023岩土工程学报1999年 4水平冻结孔的施工411水平冻结孔的施工技术要求和特点水平冻结孔施工是人工地层冻结的关键,一是要控制冻结钻孔的偏斜,二要确保冻结器安装的密封性能达到质量要求。在常规竖井冻结施工规范中,偏率控制取决于深度和岩性,一般要求在表土层内的垂直钻孔偏斜率小于013%,到达基岩段内的钻孔偏斜率为015%,本项目根据工期和安全要求,结合国内目前水平钻孔的技术水平,确立冻结孔偏率控制在017%1%以内,最大相邻孔间距112m,必要时进行补孔。冻结器的耐压要求大于016MP

12、a。钻孔偏斜控制需从钻机选型、钻具组合工艺、冻结管铺设方法等方面综合考虑。冻结孔施工有以下特点:(1水平冻结孔密集、偏率精度要求较高。(2钻孔定位空间小。钻孔均在隧道的边缘,左右上下的操作空间有限,开孔距侧帮的最小空间小于250mm宽。(3需进行盲孔水平钻进和铺管,因此顶钻法、矛夯法、导向反拉水平钻法等施工方法难以实现。(4应选用抗电磁干扰的水平测斜仪器或导向仪,但目前国内还没有适用于水平冻结孔测斜的仪器。412技术方案和措施总体方案是:选用MK-5型水平坑道钻机,采用钻孔和铺管合一的技术方案,钻杆采用(108mm×6 mm无缝钢管,兼作冻结管,螺纹加焊接连接,配用114 mm无芯钻

13、头,泥浆循环钻进。水平钻孔偏斜的原因取决于钻杆受力条件和安装因素。钻杆受压和自重是导致钻孔偏斜和下垂的主要原因。其次是安装和开孔误差因素。为确保钻孔精度采取以下技术措施:(1采用了冻结管兼作钻杆,增加了钻杆的刚度,直径比一般增加了近2倍,抗弯刚度增加近16倍。(2采用螺纹连接确保钻杆连接的同心度,同时接口加焊,既确保密封性能,又增加接口的刚度。(3增加钻机至开口之间的距离,架设孔外导向装置和开孔段导向管。减少开孔误差。(4泥浆循环,起到排渣、护壁、破土、润滑四大作用。(5采用灯光测斜,简易、适用、经济,虽然测斜的距离有限,但精度可信。通过与试验钻孔所掌握的钻孔轨迹和规律,可以指导施工。(6采用

14、新型组合钻头,确保了钻进、测斜、冻结管试漏三项工序的实施。413水平冻结孔的施工结果水平钻孔于1997年9月24日10月31日进行了水平钻试验,11月7日开始正式水平冻结孔的开钻,12月6日结束,工期1个月。除去协调和试验占用的工期外,纯施工速度一般每3d完成2孔,包括钻机的定位,钻进、测斜、密封、打压试漏等5道工序。钻孔垂直和水平偏率一般达到了015%以内,但8号孔水平偏率达到了0197%,主要原因是靠侧墙布孔方位控制难度大,为了控制最大孔间距,增加1个4419m深的补孔。实际完成水平冻结孔9个,2个观测孔。5隧道水平冻结段施工511水平地层冻结冷冻站和管路安装于1998年1月3日开始,1月

15、19日开始制冷运转,运转2d盐水降至-5,10d盐水的供冷温度达到-15,22d到达设计温度-24 -25,图3是C2观测孔内各测点的地层降温曲线。C2开孔距离冻结器布置线0193m,冻结30d孔深20 m以内的地层温度23,说明冻结冻土接近隧道掘砌荒径。1998年3月26日开挖,地层冻结38d。在冻结段掘衬到20m之后,采取维护冻结盐水温度,将由-25升到-18。后又采用间歇式维护冻结 。图3C2孔内地层温度观测曲线Fig.3Curves of temperature surveying in C2hole512隧道掘砌隧道掘衬工艺仍采取分段台阶式施工工艺,分上下两层平行作业。上台阶高度仍是

16、上部三心拱的拱高,台阶的长度由普通暗挖的5m缩小到3m,分区挖掘,先沿着顶和帮挖掘,支护步距由原先的500mm增加到1000mm,每23个步距后挖掘中央留下的土台;下台阶全断面挖掘,每进尺500mm架设反拱。外衬支护采取格栅拱加网喷混凝土施工,格栅间距750mm,采取200mm×200mm钢丝网。冻土帮上喷射的混凝土内加3%复合防冻剂。冻结段的隧道掘衬于1998年4月10日完成。整个阶段施工安全,工序衔接连贯。每日施工进尺稳定。513地层变位观测结果冻结段施工进行了周密的地层观测,一是在隧道的上部地表每隔5m布置1组测点,加密监测地表位123第3期周晓敏等1北京地铁隧道水平冻结法施工

17、图4地层冻结与小导管注浆两种加固的隧道施工阶段地表位移对比曲线Fig.4C omparis on of ground surface displacements in the period of underground tunneling with method of freezing and grouting移情况;二在工作面附近进行隧道收敛等观测,每进尺5m,在拱顶、拱脚部位设置1组监测点。图4是冻结段与相邻的小导管注浆施工段地表位移观测对比结果,可以看出,冻结段在积极冻结期地表略有36mm的隆起,这直接反映人工冻结与冬季两个因素导致的土层冻胀影响,进入开挖阶段,地表转入缓慢下沉阶段,冻结

18、段施工期间的下沉总量只有小导管注浆段施工段的2/3。地表沉降观测可间接反映出隧道开挖过程中冻结壁保护作用下的空间效应。工作面前方35m处只有23mm的沉降,占总位移量的1/10,在工作面后方1020m的范围内的地表沉降一直持续,与其他暗挖区段比较可以看出,工作面前方的开挖空间效应变小和掌子面后地表沉降稳定时间延长,明显反映出冻结壁的超前临时支护作用。开挖阶段,拱脚一般先向外扩张,在下台阶衬砌和上台阶封闭后开始收敛,拱顶和拱脚的位移量均在5mm以内。6结语北京地铁暗挖隧道在大北窑南隧道采用水平冻结法施工,顺利通过了粉细砂困难地段。从水平钻孔试验至隧道贯通,历时5个多月。其中隧道正式开挖前的地层冻结时间是38d,隧道开挖至上台阶贯通时间45d,完成全部外衬是56d。(1通过改制国产MK5钻机,研制钻具组合和导向孔口装置,从钻孔偏