地铁隧道与旁通道冻结帷幕平行施工工法

PAGEPAGE5地铁区间隧道与旁通道冻结法平行施工工法1.前言由于城市特殊的地面环境位置，地下轨道交通—地铁，占据轨道交通的较大比例。地铁隧道区间设计有旁通道及泵站（在区间隧道的中间），起着两条隧道安全互通、集中排水的重要作用。在软土地层中，旁通道及泵站工程的施工，是地铁区间隧道施工中的难点及重大危险源。采用冻结法施工技术，可做到开挖施工滴水不漏，保证了地铁隧道的安全，具有传统施工方法无法比拟的优点。该工法在上海、南京、杭州、天津等地得到了广泛应用，实践证明该施工工法先进、安全、可靠，社会效益和经济效益显著。该工法中的关键技术于2008年12月通过中国煤炭建设协会鉴定，结论为国内领先，并获得某集团科技进步二等奖。2.工法特点2.1该工法采用在两条隧道内分别钻孔，保证冻结帷幕的完整不破坏；2.2旁通道施工与隧道推进、铺轨安装平行作业，有效减少施工工期；2.3采用泄压及融沉注浆等技术措施，有效地控制冻胀和融沉对环境造成的危害2.4施工全过程进行温度、环境监测，开挖与构筑施工采用“新奥法”的基本原理，边开挖边支护，同时采用木背板进行开挖面保温；2.5采用新型预应力隧道专用支架，满足了旁通道施工与隧道施工平行作业的技术需求。3.适用范围我国大中城市相继开始建设地铁隧道工程，但许多城市地处软土地层，含水量多，城市高楼林立，特别是区间隧道旁通道工程风险较高，冻结法施工工法适用于位于软土含水地层区间隧道联络通道及泵站的施工，流砂地层采用冻结法施工能有效的保证工程进度，避免旁通道区间隧道工程施工风险。此外盾构进出洞地基加固，出入口施工地基加固工程等也适合采用冻结法施工，社会、经济效益明显。4.工艺原理地铁隧道旁通道及泵站冻结法施工技术，采用“隧道内钻孔，冻结临时加固土体，矿山法暗挖构筑”的施工方案，即：在隧道内利用水平孔和倾斜孔冻结加固地层，使旁通道及泵站外围土体冻结，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旁通道及泵站的开挖构筑施工。地层冻结和开挖构筑施工均在区间隧道内进行。地铁隧道与旁通道冻结法平行施工技术，在旁通道冻结施工的同时，可保证区间隧道继续进行盾构推进施工和隧道铺轨施工，缩短地铁建设周期。5.施工工艺流程及操作要点5.1隧道与旁通道冻结平行施工工艺流程见图5-1。图5-1工艺流程图5.2操作要点轨道交通区间隧道旁通道位于两站区间隧道之间，旁通道及泵站采取合并建造模式。其结构为隧道管片相接的喇叭口、直墙圆弧拱结构的通道及中部矩形集水井三个部分组成。本工法的主要内容如下：冻结法施工方案设计；开挖与构筑施工方法；旁通道与隧道推进、铺轨安装平行作业施工方法；工程监测技术；冻胀融沉对地面环境及隧道带来的影响及控制方法。5.2.1冻结法施工方案设计（1）、旁通道冻结帷幕厚度确定隧道中心埋深Hm，旁通道垂直土压力（P）和侧向上、下荷载（Ps、Px），按下式计算：P=γ·H+Po(kPa)Pcs=ξ·Ps=ξ·γ·(Ho-Hs)(kPa)Pcx=ξ·Px=ξ·γ·(Ho+Hx)(kPa)式中：γ——土的容重，约为18kN/m2；H——计算点的土的埋深；Ho——旁通道中心埋深；Hs、Hx——旁通道上部、下部冻结管到旁通道中心线的距离；ξ——侧压力系数，取0.7；Po——地面动载荷（地面外加载荷）设冻土帷幕厚度为Ho，通道开挖轮廓高为Lm，宽hm，计算该结构内部的弯矩和轴力，进而求得截面内的压应力、拉应力和剪应力。（2）、冻结帷幕设计主要参数冻土强度的设计指标（以上海地区为例）为：单轴抗压3.6Mpa，抗折2.1Mpa，抗剪1.5Mpa（－10℃）。设计的冻结帷幕的有效厚度为Ho。设计积极冻结时间为一般为40-50天。要求冻结孔单孔流量不小于5m3/h；积极冻结7天盐水温度降至－18℃以下；积极冻结15天盐水温度降至－24℃以下，去、回路盐水温差不大于2℃；开挖时盐水温度降至－28℃以下。如盐水温度和盐水流量达不到设计要求，应延长积极冻结时间。每米冻结管（包括冷冻排管）的设计散热量不应小于100kcal/h。开挖区外围冻结孔布置圈上冻结壁与隧道管片交接面处温度不高于－5℃～－7℃。其它部位设计冻结壁平均温度为－10℃。（3）、冻结孔布置根据冻结帷幕设计及旁通道的结构，冻结孔按上仰、近水平、下俯三种角度布置在旁通道和泵站的四周，在通道及泵站之间布置一排冻结孔（3～5个），加强通道冻结效果，把泵站和通道分为两个独立的冻结区域。见冻结孔布置示意图5-2。（4）、制冷设计冻结参数的确定：①设计盐水温度为-25℃～-30℃②冻结孔单组流量不小于5m3/h；③冻结孔开孔位置误差不大于100mm，应避开管片接缝、螺栓、主筋和钢管片肋板；④设4个对穿孔用于冷冻排管和冻结孔供冷；⑤冻结孔有效深度（管片表面以下冻结管循环盐水段长度）不小于冻结孔设计深度。冻结管管头碰到冻结站对侧隧道管片的冻结孔，不能循环盐水的管头长度不得大于150mm；⑥冻结孔最大允许偏差150mm，冻结帷幕交圈时间为18～25天，达到设计厚度时间为40～50天；⑦积极冻结达到开挖时间为40～50天，维护冻结时间为30天；⑧测温孔8～12个，分别布置在通道内外和两侧隧道内，其中对侧隧道布置4～6个。深度26m；泄压孔布置4个，布置在冻结帷幕中间，上、下行线各两个（或者利用管片上预留注浆孔）。需冷量和冷冻机选型，冻结需冷量由下式计算：Q=1.3·π·d·H·K式中:H—冻结总长度；d—冻结管直径K—冻结管散热系数冻结系统辅助设备包括盐水泵、冷却水泵、冷却塔以及新鲜水的补充。管路选择：①冻结管采用20＃（Q235B）钢材的Ф89×8mm的低碳无缝钢管。冻结管耐压不低于0.8Mpa，并且不低于冻结工作面盐水压力的1.5倍。②冻结站对侧隧道上沿通道外围冻结壁敷设5排冷冻排管，排管间距为400mm；冷冻排管采用Ф45×4无缝钢管。排管敷设应密贴隧道管片，排管与管片间隙用湿粘土充填。③测温孔管选用Φ32×3mm,20#低碳无缝钢管。④供液管选用1.5″钢管，采用焊接连接。⑤盐水干管和集配液圈选用Φ159×6mm无缝钢管。⑥冷却水管选用Φ127×4.5mm供水钢管。其它：①冷冻机油选用N46冷冻机油。②制冷剂选用氟利昂R-22。③冷媒剂选用氯化钙溶液。5.2.2施工内容及方法（1）、施工准备内容包括：进场前的三通一平工作；冻结管等加工件，应在钻孔前准备完成；做好人员需求计划，设备及材料进场计划。（2）、钻孔施工冻结孔的布置原则：应躲开手孔、环缝、避开管片主筋，严禁钻破管片间密封垫。布置冻结孔时首先确定旁通道施工轴线即钻孔施工方位角。对每个冻结孔钻进时，安装孔口密封装置，选用锚杆钻机，注水钻进，利用小阀门的开关控制出浆量；选用夯管锤进行无水施工冻结孔。冻结孔施工工序为：定位开孔及孔口管安装→孔口装置安装→跟管钻孔（钻头逆止阀）→孔斜测量→封闭孔底部（下丝堵）→打压试验。钻孔质量监测：开孔误差、钻孔测斜、孔深、打压试漏，并对以上资料做隐蔽工程验收，资料报审。5.2.3土体开挖与永久结构施工旁通道开挖构筑施工占用一侧隧道，在旁通道开口处搭设工作平台，利用隧道作为排渣及材料运输通道。根据“新奥法”的基本原理，进行暗挖法施工。（1）、拉管片钢管片可以用千斤顶及手拉葫芦拉开。拆除顺序与安装顺序相反(2)、土体开挖及临时支护土体开挖：其开挖顺序为先挖通道，在扩刷喇叭口，临时支护，做永久结构；后开挖集水井、临时支护，做结构的工序。开挖步距视土体加固情况，控制在0.5-0.8m。开挖断面严格按照结构施工图进行，严禁超挖。临时支护：临时支护采用型钢支架和木背板进行支护，另加挂网喷射C20混凝土。为增加通道支架的稳定性，相临两排支架间用支撑杆相互连接。泵站的临时型钢支架为矩形，且上下支架用Φ16螺纹钢吊挂。考虑开挖面与木背板之间的空隙，背板后应采用黄砂或砂浆充填密实。(3)、防水施工防水材料选用EVA或PVC板（外加土工布），防水层紧贴临时支护结构内侧，铺平之后，用射钉将其固定，在用手工焊上EVA或PVC板，具体按结构防水设计图的要求施工防水层。(4)、钢筋施工钢筋间排距应严格按结构设计图纸进行绑扎，钢筋搭接部分应调直理顺，绑扎牢固，搭接部分长度应符合设计要求，在结构砼与钢管片接触部位应按规定焊接锚筋，且纵筋与钢管片搭接处应采用T形焊接。按结构层施工顺序先扎通道墙部钢筋，再扎顶板钢筋。绑扎钢筋时，先扎外筋，再扎底板内筋。严格按照设计施工图进行钢筋制作。(5)、安装模板施工模板一般选用钢模，模板就位前，应在模板上均匀涂刷脱模剂。立模时净宽放大10mm，净高放大20mm以防下沉。严格按线立模，误差控制在±3mm以内，不能小于设计，检查模板的垂直度、水平度、标高、钢筋保护层的厚度及结构内层尺寸，校正合格后将模板用支架固定牢固，浇筑砼时应安排专人查看，防止模板位移。(6)、结构混凝土浇筑旁通道永久支护为钢筋砼结构，选用商品砼，为减少砼施工接缝，旁通道开挖及临时支护完成后，一次连续进行浇筑；按照设计混凝土强度要求，将砼送入支好的模内并用插入式振捣棒反复均匀振捣；通道顶板内的混凝土浇筑采用分段浇筑泵送混凝土的施工方式，采用外部振捣，以提高工作效率，确保砌筑质量。每部分施工用的混凝土都用试模制成标准试块，让有资质的检测单位检测混凝土抗压强度及抗渗性。(7)、充填注浆：主体工程砌筑完成，底板砂浆找平之前，对结构施工过程中产生的空隙，即冻结帷幕与永久结构之间的空隙，进行壁后充填注浆。施工时在予留注浆导管上安装孔口连接装置和控制阀。先试压观察畅通及连通情况，注浆时先内后外先下后上，最后顶部。充填注浆采用1：1单液水泥浆，注浆压力不大于静水压力。要求该注浆节点时间为结构施工结束冷冻机停机后3-7天内完成。5.2.4融沉注浆施工融沉主要是冻土融化时疏水固结引起的，滞后于冻土的融化，冻土融化时的沉降量与冻土厚度、融沉土的特性有关，根据施工经验和土工试验，冻土融化后，其地层标高可能略低于原始地层的标高。为减少融沉量，除冻结施工中尽量减少冻土体积外，解冻后，根据地面沉降观测，地面沉降超出规范值，可在隧道内或旁通道地面进行适当的跟踪注浆，减少融沉对周围环境的影响。(1)、充填注浆结束后，根据地层沉降监测情况进行冻结壁融沉补偿注浆，融沉补偿注浆过程中应遵循多点、少量、多次、均匀的原则。对注浆孔注浆采取先里后外，先下后上的顺序进行。(2)、注浆孔的布置按旁通道长度约1.5米布置一个注浆断面，每个注浆断面布置四个孔，即顶板一个孔，两帮各一个孔，底板一个孔。集水井四个侧墙靠底部一米的位置及集水井底板应布置注浆孔，集水井共布置6～8个注浆孔。设备选用：SYB50-45-Ⅱ型液压双液注浆。(3)、融沉补偿注浆浆液采用水泥-水玻璃双液浆。水泥-水玻璃双液浆配比为：水泥与水玻璃溶液体积比为1：1，其中水泥浆水灰比为1：1。水玻璃溶液采用B35~B40水玻璃。注浆压力不大于0.5MPa。注浆范围为整个冻结区域，注浆量约为冻土体积的15%。(4)、注浆频率：一天地层沉降大于0.5mm，或累计地层沉降大于3mm时应进行融沉补偿注浆；地层隆起达到3mm时应停止注浆。5.3工期安排与劳动组织旁通道冻结共施工钻孔62个（525米），测温孔8个（24米），泄压孔4个（6米），累计完成钻孔进尺555米。旁通道开始冻结钻孔施工至旁通道主体结构开挖并浇筑完工，施工工期97天。旁通道施工安全、无事故。后转入融沉注浆阶段，控制地面沉降，到工程全部结束，旁通道所在地层隧道和地表沉降都在允许范围内。旁通道主体结构完成，上行线隧道盾构推进完成、且铺轨施工已完成到旁通道位置，下行线隧道铺轨施工也已铺到旁通道位置。实际工期见图5-3施工进度横道图。劳动力配备计划表见表5-1。表5-1劳动力配备计划表工种人数工种人数打钻工15辅助工4冻安工9技术人员2掘进工36管理人员3机修工3电工3合计75图5-3施工进度横道图序号施工工序天数1020304050607080901001101单面钻孔142对面钻孔53冷冻安装294积极冻结415维护冻结276结构施工277上行线隧道推进、进洞8上行线隧道单向铺轨9下行线隧道单向铺轨10主体工期976.材料与设备冻结施工主要设备及材料用量见表6-1表6-1旁通道冻结施工主要设备及材料编号项目单位数量备注1JYSGF300IID/110螺杆冷冻机组台JYSGF300III/110螺杆冷冻机组台2IS150-125-400水泵台23IS150-125-315水泵台24真空泵（或抽氟机）台15测温仪台16KST-80RT冷却塔台27MD-50钻机台MD-60钻机台8安全门套19预应力支架1套榀4可通轨道车（已加工好）预应力支架1套榀4常用10喷浆机台111提升架台1126m3台1V-3m3台2W-1m3台413双液注浆泵台1单液注浆泵台17.质量控制7.1地面沉降及隧道变形监测7.1.1测点布设(1)、基准点布设：在联络通道50m以外的稳定区域分别布设水平位移监测基准点和两个垂直位移监测基准点（其中一个作为复核点）。(2)、地面沉降点布设：地面应在旁通道所处位置上部周围50m（方圆）范围内布置监测点监测地面沉降。(3)、隧道内沉降点布设：在通道两侧20m范围内对隧道水平及垂直方向的收敛变形及施工影响范围内的隧道整体进行监测。沉降监测点布设在隧道底环片上，测点间距为2m，测点用道钉打入环片内牢固。(4)、位移点布设：位移监测点布设在隧道两肩的环片上，测点间距为2m，测点用道钉打入环片内牢固。(5)、隧道收敛监测点布设：监测点布设在上、下、左、右隧道壁上。用红漆做好标记。7.1.2仪器设备(1)、LEICANA2型水准仪及附设精度：±0.3mm/Km(2)、J2型经纬仪精度：测角±2"(3)、特制直尺：长度5米精度：±0.5mm(4)、数据处理：SHERPPC-E500电子手簿及台式电脑。7.2质量控制措施7.2.1建立健全旁通道施工质量管理机构及质量保证体系7.2.2冻结施工质量保证措施用经纬仪精确确定开孔孔位；准确丈量钻杆尺寸控制钻进深度；按要求钻进、用灯光测斜，偏斜过大则进行纠偏；成孔后用水压试漏；用优质焊接材料保证焊接质量，并责任到人；选择合适的泥浆性能参数及合理的钻具组合；加强温度场测试，积极制冷降温，合理分配流量(总流量计)，控制冻土的发展速度，准确分析冻结实况，适时组织开挖。。7.2.3融沉注浆是对旁通道冻结法施工冻胀融沉对周围环境产生不利影响最有效的保护措施，保证融沉注浆质量，就是保护了周围环境。因此融沉注浆应严格按照多点、均匀、少量、多次的注浆原则及融沉注浆方案措施的要求进行注浆，确保施工质量。8.安全措施8.1安全门设计安全门防护门的作用为当连接通道开挖过程中突发涌砂冒水无法堵住情况下，采取关闭防护门方式密闭连接通道，然后通过在门上加压气平衡水土压力防止连接通道坍塌破坏。利用结构力学中的简支梁作用与验算，进行安全门设计计算。通道开挖设置通道安全门，集水井开挖设置集水井安全门。8.2隧道预应力支架设计地铁区间盾构隧道旁通道主体结构，采用水平冻结法加固地层，矿山法暗挖施工。为减少旁通道施工过程中冻涨融沉对隧道变形的影响，保证隧道安全，在上、下行线隧道旁通道口两侧各架2榀预应力隧道支架，2榀钢支架间距2.40m，在旁通道两侧沿隧道方向对称布置。每榀支架有8个支点，有6个OLD50螺旋千斤顶提供预应力，施加预应力最大为500KN。设计计算分析采用中国建筑科学研究院PKPM系列STS钢结构CAD软件。9.环保措施旁通道施工位于地下十多米处,为防止施工时对地面周边建筑、地下管线、民用及公共设施带来不良影响，必须制定严格的保护措施。9.1场地清洁、消防器材齐全到位，从技术上采取切实可行的措施，消除或减少施工可能造成的环境污染及扰民现象。9.2必须选用无污染、效率高、安装运输方便的螺杆冷冻机组作为制冷系统的主机。避免挥发性气体污染环境。9.3施工之前必须认真查清地面建筑、地下管线、民用及公共设施的具体情况，针对性制定具体保护措施。9.4施工过程中旁通道中心线的地面沉降和隆起量应控制在规范要求以内。9.5旁通道施工全过程中，沿旁通道两侧隧道设立沉降观测点，对隧道进行监测保护,监测频率以监测方案为准。9.6加强冻胀与融沉监测，在旁通道位置地面、地面管线、建构筑物设置监测点，发现冻胀影响到建筑物和地下管线，通过打卸压孔减小冻胀或打冻结孔加热循环，进行