天津地鐵1號(hào)線下瓦房—白樓旁通道凍結(jié)帷幕的設(shè)計(jì)與施工重點(diǎn)分析摘　要:從煤礦建井施工法到公共建筑施工方法互相采用是目前各不同行業(yè)間施工技術(shù)相互滲透、相互影響的結(jié)果。文章針對(duì)地鐵工程中聯(lián)絡(luò)通道采用凍結(jié)施工法進(jìn)行施工給予了從設(shè)計(jì)到施工重點(diǎn)的細(xì)致論述,探討了適合北方地鐵凍結(jié)施工的工法。　關(guān)鍵詞:凍結(jié)施工法;聯(lián)絡(luò)通道;隧道;帷幕　　天津地鐵1號(hào)線工程下瓦房-小白樓聯(lián)絡(luò)通道施工,是天津市在地鐵盾構(gòu)區(qū)間首次采用的凍結(jié)施工法,雖然該方法在煤礦中廣泛應(yīng)用,但在北方地鐵,特別是天津地鐵還是首次。由于該方法施工成本較低,質(zhì)量易于保證,因此,將其成熟的支護(hù)、開挖技術(shù)應(yīng)用到北方地鐵是極其重要的。做為凍結(jié)法中關(guān)鍵工序及控制點(diǎn):凍結(jié)帷幕的質(zhì)量關(guān)系到整個(gè)工程的質(zhì)量與安全,筆者將已完成的下瓦房-白樓聯(lián)絡(luò)通道有關(guān)凍結(jié)帷幕的設(shè)計(jì)和施工的重點(diǎn)進(jìn)行分析,共同探討適合北方地鐵凍結(jié)施工的工法。1工程概況 該聯(lián)絡(luò)通道工程位于天津市河西區(qū)下瓦房-小白樓區(qū)間隧道的中部,即ＤＫ16+400.000ｍ處,通道為直墻圓弧拱結(jié)構(gòu),集水井為矩形結(jié)構(gòu),通道和集水井均采用兩次襯砌,結(jié)構(gòu)襯為鋼筋混凝土,結(jié)構(gòu)底部埋深約22ｍ,設(shè)計(jì)加固地層體積約為2100ｍ3,采用凍結(jié)法支護(hù)、開挖。 聯(lián)絡(luò)通道由與左、右線隧道正交的水平通道及通道中部的集水井組成(見圖1)。 工程地質(zhì)條件:聯(lián)絡(luò)通道位置地面標(biāo)高為+2.2ｍ左右,隧道上覆土層厚14.6ｍ。聯(lián)絡(luò)通道施工范圍內(nèi)土層主要為第四系全新統(tǒng)中組相層粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和第四系上更新統(tǒng)三組相層粉質(zhì)粘土,其土層土質(zhì)松軟、結(jié)構(gòu)松散、孔隙比大、含水豐富、承載力低、容易壓縮和在動(dòng)力作用下易流變,開挖后天然土體本身難以自穩(wěn)。因此,在該地層內(nèi)開挖構(gòu)筑聯(lián)絡(luò)通道前,凍結(jié)帷幕的質(zhì)量尤為重要。2 凍結(jié)帷幕方案設(shè)計(jì)2.1 凍結(jié)帷幕方案設(shè)計(jì) 凍結(jié)帷幕方案設(shè)計(jì)的基本原則是:①凍結(jié)帷幕方案設(shè)計(jì)必須滿足聯(lián)絡(luò)通道施工的安全和質(zhì)量要求,即保證凍土帷幕有足夠的強(qiáng)度,凍結(jié)帷幕水平孔(斜孔)布設(shè)合理,滿足施工及規(guī)范要求,在設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮聯(lián)絡(luò)通道頂部薄弱部位。②凍結(jié)帷幕水平孔(斜孔)凍結(jié)方案應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,便于隧道開挖和支護(hù),施工安全、可靠,施工費(fèi)用低,施工工期短。③設(shè)計(jì)應(yīng)考慮對(duì)凍脹、融沉的防范措施。2.2 凍結(jié)帷幕厚度設(shè)計(jì) 根據(jù)在部分地鐵工程聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式:ｔ=Ａｌｎ(ｒ/Ｅ)式中　ｒ———計(jì)算點(diǎn)到凍結(jié)管距離,ｍ;　 Ｅ———凍結(jié)帷幕外側(cè)厚度,ｍ;　 Ａ———經(jīng)驗(yàn)參數(shù),取Ａ=19 69;　 Ｔ———計(jì)算點(diǎn)凍結(jié)帷幕溫度,℃。凍結(jié)帷幕內(nèi)側(cè)厚度Ｅ′=1 .4Ｅ,凍結(jié)帷幕平均厚度1. 4ｍ。 由于聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)復(fù)雜,土層條件差,考慮到工程的安全及質(zhì)量等,對(duì)凍土帷幕采用有限元分析軟件ＡＮＳＹＳ進(jìn)行了應(yīng)力場(chǎng)分布和位移場(chǎng)分布情況的三維有限元數(shù)值分析,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了強(qiáng)度驗(yàn)算,確定設(shè)計(jì)凍土帷幕厚度為:嗽叭口1.6ｍ,聯(lián)絡(luò)通道1.4ｍ,集水井1. 2ｍ。2.3凍結(jié)帷幕交圈計(jì)算 凍結(jié)前,同一深度的地層具有相同的原始溫度,凍結(jié)開始后,通過凍結(jié)管把冷量傳給地層,在凍結(jié)管周圍產(chǎn)生降溫區(qū),形成以凍結(jié)管為中心的凍結(jié)圓柱,并逐漸到相鄰的凍結(jié)圓柱連接形成封閉的凍結(jié)圓筒,形成冷凍結(jié)層,即為凍結(jié)帷幕交圈。 凍結(jié)帷幕交圈時(shí)間主要與凍結(jié)孔間距、鹽水溫度、土層性質(zhì)、凍結(jié)管直徑、地層原始溫度、以及凍結(jié)器環(huán)形空間內(nèi)鹽水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等因素有關(guān)。凍結(jié)帷幕交圈時(shí)間計(jì)算公式為:2 .5 凍結(jié)孔布置及制冷設(shè)計(jì)2 .5 .1 凍結(jié)孔的布置 根據(jù)凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)及聯(lián)絡(luò)通道的結(jié)構(gòu),凍結(jié)孔沿通道四周布置,按上仰、近水平、下俯三種角度布置。凍結(jié)孔采用上下各三排,左右各一排布置,凍結(jié)孔共設(shè)77個(gè),開孔間距為0 .5～1 .2ｍ,利用水平孔和部分傾斜孔凍結(jié)加固地層,使聯(lián)絡(luò)通道及集水井外圍土體凍結(jié),形成強(qiáng)度高,封閉性好的凍土帷幕。 在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作中,可根據(jù)鉆機(jī)情況、管片配筋情況和聯(lián)絡(luò)通道擬開管片的實(shí)際位置等,對(duì)鉆孔孔位作少量調(diào)整,但最大間距不得大于1 .0ｍ。2 .5 .2　制冷設(shè)計(jì)2. 5. 2. 1　凍結(jié)參數(shù)確定 1)設(shè)計(jì)鹽水溫度為-28～-30℃。 2)積極凍結(jié)時(shí)間為30ｄ,維護(hù)凍結(jié)時(shí)間為35ｄ。 3)測(cè)溫孔和卸壓孔分別為8個(gè)和4個(gè)。 4)凍結(jié)管總長度為785ｍ。2 .5 .2. 2　需冷量和冷凍機(jī)選取型凍結(jié)需冷量:Ｑ=1 2·ｄ·Ｈ·Ｋ式中　Ｈ———凍結(jié)總長度,ｍ;　 ｄ———凍線管直徑,ｍ;　Ｋ———凍結(jié)管散熱系數(shù),ｋｃａｌ/ｍ2·ｈ。 將上述參數(shù)代入公式得Ｑ=65813ｋｃａｌ/ｈ,考慮到其它因素設(shè)計(jì)工況制冷量為87500ｋｃａｌ/ｈ。3方案設(shè)計(jì)、施工技術(shù)要點(diǎn)分析及措施 凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)及施工過程有方案設(shè)計(jì)、施工準(zhǔn)備、冷凍系統(tǒng)安裝等工序組成,見圖2。 由于該聯(lián)絡(luò)通道位于鬧市區(qū)地下,地面有天津圖書大廈、建行大廈等重要建筑設(shè)施,且所處地層主要為粉質(zhì)粘土,含水量高,因此,在地層凍結(jié)施工中必須采取切實(shí)可靠的技術(shù)措施,以確保聯(lián)絡(luò)通道施工和地面建、構(gòu)筑物和交通安全。根據(jù)地鐵聯(lián)絡(luò)通道的施工經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn),我們?cè)谠O(shè)計(jì)及凍結(jié)施工過程中對(duì)以下方面進(jìn)行了分析和控制:3.1凍土帷幕強(qiáng)度問題 凍土帷幕的關(guān)鍵點(diǎn)在其拱部,在聯(lián)絡(luò)通道頂部設(shè)三排凍結(jié)孔,以加大凍土帷幕拱部厚度,并使聯(lián)絡(luò)通道頂部的一排凍結(jié)孔穿越對(duì)面隧道頂部管片,確保凍土帷幕拱部與隧道管片間的有足夠大的接觸面積;為了確保凍土帷幕強(qiáng)度和穩(wěn)定性,在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),選擇比較安全的平面彈性計(jì)算模型,適當(dāng)加大安全系數(shù),并用三維有限單元計(jì)算進(jìn)行校核,在工藝設(shè)計(jì)時(shí),取較大的備用系數(shù),即實(shí)際加固范圍要比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大。3.2凍土帷幕與隧道管片間的密封 根據(jù)地鐵聯(lián)絡(luò)通道和隧道出洞地層凍結(jié)施工經(jīng)驗(yàn),由于混凝土和鋼管片相對(duì)于土層要容易散熱得多,會(huì)嚴(yán)重影響隧道管片附近土層的凍結(jié)速度和凍結(jié)強(qiáng)度,從而影響凍土帷幕的整體穩(wěn)定性和封水性。為此,設(shè)計(jì)及施工過程中,采用在對(duì)面隧道管片內(nèi)側(cè)敷設(shè)冷管和保溫層等措施,以確保凍土帷幕不存在影響安全的薄弱環(huán)節(jié)。3.3凍結(jié)孔施工安全與孔口密封 用金剛石取芯鉆開孔,跟管鉆進(jìn)法下凍結(jié)管。凍結(jié)孔開孔前,在布孔范圍內(nèi)打若干小口徑鉆孔,探測(cè)地層穩(wěn)定情況。如發(fā)現(xiàn)砂層,先進(jìn)行水泥-水玻璃雙液壁后注漿,以提高孔口附近地層的穩(wěn)定性,然后再鉆進(jìn)凍結(jié)孔。凍結(jié)施工結(jié)束后,孔口管管口焊上鋼板,以免工程結(jié)束后鉆孔孔口漏水。3.4凍結(jié)過程檢測(cè)與控制 在凍土帷幕內(nèi)布置測(cè)溫孔和壓力釋放與觀測(cè)孔,以便正確測(cè)定凍土帷幕厚度和判斷凍土帷幕是否交圈。對(duì)側(cè)隧道管片附近土層的凍結(jié)情況將成為控制整個(gè)凍土帷幕安全的關(guān)鍵,為此,在對(duì)側(cè)隧道管片上沿凍土帷幕四周安裝測(cè)溫孔,以全面監(jiān)測(cè)凍土帷幕的形成過程,當(dāng)泄壓孔波動(dòng)較大,凍結(jié)溫度停止在某個(gè)區(qū)域范圍內(nèi),應(yīng)加強(qiáng)檢測(cè),以確定帷幕是否交圈。凍結(jié)孔施工質(zhì)量的檢驗(yàn)與控制方法見表1,凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)與凍土墻壁形成質(zhì)量檢驗(yàn)方法見表2。3.5地層凍脹的控制和土層融沉補(bǔ)償控制 在凍結(jié)帷幕內(nèi)設(shè)泄壓孔,凍結(jié)開始后根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行泄壓以減小土層凍脹及其對(duì)隧道的影響,保證聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量,并在聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)中預(yù)埋注漿管,利用隧道或聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)的注漿孔跟蹤注漿加以補(bǔ)強(qiáng),以補(bǔ)償土層融沉,控制地表變形,防止凍脹和融沉對(duì)隧道及地面的影響。3.6通道開挖工程中的凍土帷幕安全監(jiān)控 由于凍土的蠕變性很好,凍土帷幕在破壞前必然有一個(gè)較大的蠕變過程,可以通過檢查開挖過程中的凍土帷幕變形情況判斷其安全性。為此,在開挖過程中必須及時(shí)進(jìn)行凍土帷幕變形和溫度觀測(cè),如遇凍土帷幕有明顯變形,立即用鋼支架背板支撐,調(diào)整開挖構(gòu)筑工藝,并同時(shí)加強(qiáng)凍結(jié),或在薄弱處凍土帷幕表面,噴灑低溫氮?dú)狻? 結(jié)　語 小白樓站～下瓦房站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道工程自2004年8月11日實(shí)施凍結(jié),9月6日左右凍結(jié)帷幕交圈,形成凍結(jié)帷幕,9月20日達(dá)到凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)厚度,由于嚴(yán)格按照方案進(jìn)行施工,并加強(qiáng)了以上各點(diǎn)的控制,從現(xiàn)場(chǎng)開挖看,凍結(jié)帷幕凍結(jié)均勻,凍結(jié)質(zhì)地堅(jiān)硬,各項(xiàng)指標(biāo)與設(shè)計(jì)基本相符,達(dá)到設(shè)計(jì)等控制目標(biāo)。