軟土地層凍結(jié)法施工地鐵聯(lián)絡(luò)通道風(fēng)險控制摘要:軟土地層條件下,采用凍結(jié)法土體暗挖施工地鐵聯(lián)絡(luò)通道具有大的風(fēng)險。通過對上海地鐵M線工程實例,介紹了凍結(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道的工藝、風(fēng)險點的設(shè)立及風(fēng)險分析,并詳細(xì)敘述了風(fēng)險控制對策。提出了從嚴(yán)選擇設(shè)計施工單位、認(rèn)真檢查施工環(huán)境和設(shè)備、嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求等風(fēng)險控制監(jiān)理對策,得出認(rèn)真實施風(fēng)險控制可有效地控制工程風(fēng)險的結(jié)論。關(guān)鍵詞:隧道;地鐵;凍結(jié)法;凍結(jié)帷幕;危險源;風(fēng)險點 凍結(jié)法施工工藝已被廣泛地應(yīng)用于上海地鐵等工程中,由于在繁華市區(qū)地下暗挖施工,工程存在較大的風(fēng)險。我公司通過多年從事此類工程監(jiān)理,總結(jié)出了有效的風(fēng)險控制對策。本文以上海地鐵M線Ⅳ標(biāo)(鞍山路站—江浦路站)區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道為例,進(jìn)行簡要介紹。1工程概況 上海地鐵M線Ⅳ標(biāo)(鞍山路站—江浦路站)聯(lián)絡(luò)通道上、下行線隧道中心設(shè)計標(biāo)高:-12.381m(上行線),-12.387m(下行線)。上下行線隧道中心線距離為15.20m。通道底板頂面標(biāo)高為-13.787m。內(nèi)壁凈寬度為2000mm;內(nèi)壁凈高度為2443.3mm(直墻高2140.0mm、圓拱高303.3mm)。 聯(lián)絡(luò)通道鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為:半圓拱厚度400mm,邊墻厚度450mm,底板厚度500mm,臨時支護(hù)素混凝土厚度200mm,支護(hù)層和結(jié)構(gòu)層之間安裝防水層。 本區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道地質(zhì)處于第④層灰色淤泥質(zhì)黏土,下臥層為⑤1a灰色黏土及⑤1b灰色粉質(zhì)黏土。受地面條件制約,采用凍結(jié)法工藝實施。2凍結(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道工藝簡介 在隧道內(nèi)利用近水平管和部分傾斜管凍結(jié)加固地層,使聯(lián)絡(luò)通道外圍土體凍結(jié),形成強(qiáng)度高、封閉性好的凍土帷幕(圖1為聯(lián)絡(luò)通道及泵站凍結(jié)方案示意圖)。然后,在凍土中采用礦山法進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道及泵站的開挖和構(gòu)筑施工,地層凍結(jié)和開挖構(gòu)筑施工均在區(qū)間隧道內(nèi)進(jìn)行。
水平地層加固和開挖構(gòu)筑的主要施工工藝及順序如下:3風(fēng)險點設(shè)立 上海地下土層土質(zhì)復(fù)雜,地質(zhì)資料難以完全反映施工區(qū)域地質(zhì)情況,凍結(jié)帷幕質(zhì)量和效果尚處于半定量推算。凍結(jié)帷幕的失敗會導(dǎo)致整個區(qū)間連續(xù)性破壞的后果。凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道施工是區(qū)間隧道單位工程中最大的風(fēng)險點。4風(fēng)險分析4.1風(fēng)險源 1)凍結(jié)區(qū)地層存在暗泉水流,使凍結(jié)帷幕難以緊密閉合。 2)鉆孔遇有承壓水的流沙土地層,如不安裝防噴裝置,將引起大量冒沙。 3)凍結(jié)管鹽水泄漏,造成凍土軟化。 4)凍結(jié)管長度、角度誤差超標(biāo),使凍結(jié)狀況存在薄弱處。 5)開挖后,如制冷機(jī)電設(shè)備故障排除不及時,會削弱凍結(jié)帷幕強(qiáng)度。 6)對開挖過程中土體異常跡象不能及時發(fā)現(xiàn)和分析。4.2風(fēng)險強(qiáng)度 在上海軟土地層條件下,凍結(jié)帷幕一旦失穩(wěn),發(fā)生地下水或流沙穿漏,凍土強(qiáng)度會發(fā)生擴(kuò)散性下降,導(dǎo)致采用盾構(gòu)法混凝土管片襯砌而成的隧道發(fā)生連續(xù)性破壞,造成極大的工程事故,風(fēng)險強(qiáng)度十分高。5風(fēng)險控制對策5.1對設(shè)計和施工單位資質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān) 要審查承擔(dān)凍結(jié)帷幕設(shè)計和施工單位的資質(zhì)情況,而且其質(zhì)保體系和安保體系運轉(zhuǎn)必須良好。特別要嚴(yán)格審查專業(yè)分包單位的資質(zhì)條件以及其在同類工程施工中的業(yè)績情況。要求必須由具有同類施工經(jīng)驗的單位承擔(dān)施工任務(wù)。5.2施工前組織設(shè)計審查 聯(lián)絡(luò)通道施工段的地質(zhì)勘察報告要有詳細(xì)交底記錄。對施工段的地質(zhì)特殊情況,如流沙土地層、承壓水地層、地下流動水可能性和暗浜等要有明確的交底。施工圖交底要突出明確對地質(zhì)條件、隧道結(jié)構(gòu)保護(hù)、環(huán)境保護(hù)等問題有針對性要求。應(yīng)由專業(yè)技術(shù)人員定量驗算凍結(jié)壁設(shè)計厚度,帷幕結(jié)構(gòu)受力最不利點的抗彎、抗剪和拉應(yīng)力等數(shù)據(jù),建立計算模型,并在《凍土帷幕強(qiáng)度計算報告》中詳細(xì)闡述。聯(lián)絡(luò)通道施工組織設(shè)計中,應(yīng)有在鉆孔、拉開鋼管片、土體開挖等過程中突發(fā)意外情況的詳細(xì)應(yīng)急預(yù)案闡述,確保應(yīng)急預(yù)案的可行性和有效性。5.3對施工環(huán)境調(diào)查和布點監(jiān)測 聯(lián)絡(luò)通道開始鉆孔、布管前,施工方和監(jiān)理方必須掌握作業(yè)場地中心30~40m范圍的地表、地下管線和建筑物沉降數(shù)據(jù)情況。在聯(lián)絡(luò)通道開始鉆孔、布管前,布設(shè)好地表、地下管線、建筑物沉降測控網(wǎng)、隧道內(nèi)沉降點收斂的監(jiān)測點。聯(lián)絡(luò)通道精確定位嚴(yán)格執(zhí)行施工測量放樣復(fù)核、監(jiān)理再復(fù)核的制度。5.4施工設(shè)備檢查 施工前應(yīng)對制冷設(shè)備、鉆孔設(shè)備、各類管道管線等進(jìn)行嚴(yán)格檢查。在開始制冷前應(yīng)進(jìn)行試運轉(zhuǎn),檢查設(shè)備狀況和管道耐壓情況等,并有檢查記錄。5.5凍結(jié)帷幕形成過程中的檢查 1)鋼管片接縫焊接應(yīng)在鉆孔前完成。焊接應(yīng)對稱地進(jìn)行,嚴(yán)禁同一環(huán)縫一圈焊成而造成應(yīng)力積累。 2)檢查隧道預(yù)應(yīng)力支架應(yīng)有足夠的剛度(每個支點有承受50t的能力)。 3)鉆孔前應(yīng)將作業(yè)區(qū)域地層的情況在施工班組內(nèi)作好詳細(xì)的交底。對流沙土層、承壓水地層等地質(zhì)情況,事先要有相應(yīng)的施工準(zhǔn)備。 4)鉆孔中嚴(yán)格按照施工組織中的防泥水流失措施進(jìn)行施工,遇漏泥漏沙應(yīng)及時封堵。 5)凍結(jié)管的施工應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)定位置鉆孔。復(fù)測偏差應(yīng)不大于1%,并且最大管間距離不大于1m。 6)鋼管焊接應(yīng)保證密封性能。下管前要嚴(yán)格檢查,確保凍結(jié)管耐壓性能(壓力控制在0.8MPa穩(wěn)定30min不變)和凍結(jié)帷幕均勻。 7)制冷機(jī)電設(shè)備經(jīng)維護(hù)保養(yǎng)調(diào)試合格后方能投入使用。各個儀表反應(yīng)正確靈敏。有關(guān)的管路連接整齊,分組編號明了。 8)積極凍結(jié)過程中,要每日觀察土體溫度下降情況和卸壓表的變化等情況。及時預(yù)測凍結(jié)發(fā)展情況,對異常情況及時分析排除。 9)在確保凍結(jié)帷幕穩(wěn)定性為前提下維持凍結(jié),隨時觀察鹽水溫度(不應(yīng)高于-24℃)和流量。5.6開挖前對凍結(jié)帷幕達(dá)到開挖要求的確定(以本工程為例) 1)根據(jù)經(jīng)驗定性分析,一般經(jīng)過35~40d的積極冷凍過程,凍結(jié)帷幕能達(dá)到開挖要求。 2)根據(jù)測溫數(shù)據(jù)半定量推算土體凍結(jié)發(fā)展速度和帷幕厚度。(1)算出凍結(jié)管和各測溫孔達(dá)到0℃時的凍結(jié)平均發(fā)展速度VV=L/D (1) 式中:V為測溫孔達(dá)到0℃時由凍結(jié)管至測溫孔的凍結(jié)平均發(fā)展速度,mm/d;L為測溫孔中心至凍結(jié)管中心的距離,mm;D為積極冷凍開始至測溫孔達(dá)到0℃時的天數(shù),d。(2)分析、排除不正常情況后,取凍結(jié)平均發(fā)展速度!的參考值。推算出鞍山路站—江浦路站聯(lián)絡(luò)通道達(dá)到凍結(jié)厚度(邊界溫度為0℃)的天數(shù)n(估算結(jié)果見表1)。n=Lw/V1 (2)式中:n為達(dá)到凍結(jié)厚度(邊界溫度為0℃)的天數(shù),d;Lw為施工組織確定的凍結(jié)帷幕中心至邊界的厚度(邊界溫度為0℃),mm;V1為凍結(jié)平均發(fā)展速度V的參考值,mm/d。3)根據(jù)泄壓數(shù)據(jù)定性分析。 在積極凍結(jié)一段時間后(一般約20d),卸壓孔壓力明顯上升,若泄壓后壓力再升高,說明凍結(jié)帷幕已經(jīng)交圈封閉。本工程凍結(jié)管最大孔間距1106mm(L=553mm),2004年1月30日泄壓表指示壓力明顯上升(D=22d),用參考值推算:L=27.6mm/d×22d=607mm,其值>553mm 可得出各凍結(jié)管外的凍土已疊合的結(jié)論。4)用凍結(jié)帷幕平均溫度復(fù)核。 凍結(jié)帷幕土體平均溫度計算公式 式中:tc為帷幕凍結(jié)壁有效厚度的平均溫度;tn為鹽水溫度,取-31℃;L為凍結(jié)孔間距,取0.85m;E為凍結(jié)壁厚度,取1.9m;TB為邊界溫度,取-4℃。 將以上數(shù)據(jù)代入式(3):tc=-10.21℃ 從計算可知,凍結(jié)帷幕土體平均溫度低于施工組織設(shè)計的-10℃要求。5.7坑道開挖控制 土方暗挖作業(yè)必須24h連續(xù)有序進(jìn)行,隨時觀察凍土結(jié)霜情況。對任何水跡、土色改變、土體硬度異常、凍結(jié)壁位移異常和尺寸丈量異常等情況均要及時分析,找出原因。鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)按步距及時支撐牢固。5.8防止過分凍結(jié) 土體過分凍結(jié)使凍結(jié)區(qū)擴(kuò)大,隧道所受膨脹應(yīng)力劇增。輕則增加后期融沉,重則引起隧道管片應(yīng)力破壞。確定凍結(jié)帷幕達(dá)到要求后應(yīng)調(diào)整制冷,進(jìn)行維持性冷凍,以防止土體過分凍結(jié)。5.9實時監(jiān)測 在聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)20m范圍內(nèi),對隧道內(nèi)的水平及垂直方向的收斂變形、沉降變形、防水滲漏和地表沉降沉降進(jìn)行監(jiān)測。 地表沉降日變量報警值(±10mm)和累計變量報警值(+10、-30mm)的設(shè)立,應(yīng)考慮盾構(gòu)推進(jìn)已對地表造成的沉降量。 設(shè)立隧道內(nèi)沉降監(jiān)測日變量報警值(±3mm)、累計變量報警值(±10mm)和收斂累計報警值(±10mm)。 監(jiān)測頻率設(shè)為:鉆孔、凍結(jié)期間1次/d;開挖、混凝土澆筑期間2次/d;施工結(jié)束至穩(wěn)定期1次/5d。遇特殊情況應(yīng)增加監(jiān)測次數(shù)。6結(jié)語 實踐證明,凍結(jié)法施工的風(fēng)險確實存在,但只要參加建設(shè)的各有關(guān)方面高度重視,預(yù)先找出危險源,設(shè)立風(fēng)險點分析及監(jiān)控,制訂風(fēng)險控制對策并認(rèn)真實施,在軟土地層條件下進(jìn)行的凍結(jié)法施工風(fēng)險是可被有效地控制的。
水平地層加固和開挖構(gòu)筑的主要施工工藝及順序如下:3風(fēng)險點設(shè)立 上海地下土層土質(zhì)復(fù)雜,地質(zhì)資料難以完全反映施工區(qū)域地質(zhì)情況,凍結(jié)帷幕質(zhì)量和效果尚處于半定量推算。凍結(jié)帷幕的失敗會導(dǎo)致整個區(qū)間連續(xù)性破壞的后果。凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道施工是區(qū)間隧道單位工程中最大的風(fēng)險點。4風(fēng)險分析4.1風(fēng)險源 1)凍結(jié)區(qū)地層存在暗泉水流,使凍結(jié)帷幕難以緊密閉合。 2)鉆孔遇有承壓水的流沙土地層,如不安裝防噴裝置,將引起大量冒沙。 3)凍結(jié)管鹽水泄漏,造成凍土軟化。 4)凍結(jié)管長度、角度誤差超標(biāo),使凍結(jié)狀況存在薄弱處。 5)開挖后,如制冷機(jī)電設(shè)備故障排除不及時,會削弱凍結(jié)帷幕強(qiáng)度。 6)對開挖過程中土體異常跡象不能及時發(fā)現(xiàn)和分析。4.2風(fēng)險強(qiáng)度 在上海軟土地層條件下,凍結(jié)帷幕一旦失穩(wěn),發(fā)生地下水或流沙穿漏,凍土強(qiáng)度會發(fā)生擴(kuò)散性下降,導(dǎo)致采用盾構(gòu)法混凝土管片襯砌而成的隧道發(fā)生連續(xù)性破壞,造成極大的工程事故,風(fēng)險強(qiáng)度十分高。5風(fēng)險控制對策5.1對設(shè)計和施工單位資質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān) 要審查承擔(dān)凍結(jié)帷幕設(shè)計和施工單位的資質(zhì)情況,而且其質(zhì)保體系和安保體系運轉(zhuǎn)必須良好。特別要嚴(yán)格審查專業(yè)分包單位的資質(zhì)條件以及其在同類工程施工中的業(yè)績情況。要求必須由具有同類施工經(jīng)驗的單位承擔(dān)施工任務(wù)。5.2施工前組織設(shè)計審查 聯(lián)絡(luò)通道施工段的地質(zhì)勘察報告要有詳細(xì)交底記錄。對施工段的地質(zhì)特殊情況,如流沙土地層、承壓水地層、地下流動水可能性和暗浜等要有明確的交底。施工圖交底要突出明確對地質(zhì)條件、隧道結(jié)構(gòu)保護(hù)、環(huán)境保護(hù)等問題有針對性要求。應(yīng)由專業(yè)技術(shù)人員定量驗算凍結(jié)壁設(shè)計厚度,帷幕結(jié)構(gòu)受力最不利點的抗彎、抗剪和拉應(yīng)力等數(shù)據(jù),建立計算模型,并在《凍土帷幕強(qiáng)度計算報告》中詳細(xì)闡述。聯(lián)絡(luò)通道施工組織設(shè)計中,應(yīng)有在鉆孔、拉開鋼管片、土體開挖等過程中突發(fā)意外情況的詳細(xì)應(yīng)急預(yù)案闡述,確保應(yīng)急預(yù)案的可行性和有效性。5.3對施工環(huán)境調(diào)查和布點監(jiān)測 聯(lián)絡(luò)通道開始鉆孔、布管前,施工方和監(jiān)理方必須掌握作業(yè)場地中心30~40m范圍的地表、地下管線和建筑物沉降數(shù)據(jù)情況。在聯(lián)絡(luò)通道開始鉆孔、布管前,布設(shè)好地表、地下管線、建筑物沉降測控網(wǎng)、隧道內(nèi)沉降點收斂的監(jiān)測點。聯(lián)絡(luò)通道精確定位嚴(yán)格執(zhí)行施工測量放樣復(fù)核、監(jiān)理再復(fù)核的制度。5.4施工設(shè)備檢查 施工前應(yīng)對制冷設(shè)備、鉆孔設(shè)備、各類管道管線等進(jìn)行嚴(yán)格檢查。在開始制冷前應(yīng)進(jìn)行試運轉(zhuǎn),檢查設(shè)備狀況和管道耐壓情況等,并有檢查記錄。5.5凍結(jié)帷幕形成過程中的檢查 1)鋼管片接縫焊接應(yīng)在鉆孔前完成。焊接應(yīng)對稱地進(jìn)行,嚴(yán)禁同一環(huán)縫一圈焊成而造成應(yīng)力積累。 2)檢查隧道預(yù)應(yīng)力支架應(yīng)有足夠的剛度(每個支點有承受50t的能力)。 3)鉆孔前應(yīng)將作業(yè)區(qū)域地層的情況在施工班組內(nèi)作好詳細(xì)的交底。對流沙土層、承壓水地層等地質(zhì)情況,事先要有相應(yīng)的施工準(zhǔn)備。 4)鉆孔中嚴(yán)格按照施工組織中的防泥水流失措施進(jìn)行施工,遇漏泥漏沙應(yīng)及時封堵。 5)凍結(jié)管的施工應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)定位置鉆孔。復(fù)測偏差應(yīng)不大于1%,并且最大管間距離不大于1m。 6)鋼管焊接應(yīng)保證密封性能。下管前要嚴(yán)格檢查,確保凍結(jié)管耐壓性能(壓力控制在0.8MPa穩(wěn)定30min不變)和凍結(jié)帷幕均勻。 7)制冷機(jī)電設(shè)備經(jīng)維護(hù)保養(yǎng)調(diào)試合格后方能投入使用。各個儀表反應(yīng)正確靈敏。有關(guān)的管路連接整齊,分組編號明了。 8)積極凍結(jié)過程中,要每日觀察土體溫度下降情況和卸壓表的變化等情況。及時預(yù)測凍結(jié)發(fā)展情況,對異常情況及時分析排除。 9)在確保凍結(jié)帷幕穩(wěn)定性為前提下維持凍結(jié),隨時觀察鹽水溫度(不應(yīng)高于-24℃)和流量。5.6開挖前對凍結(jié)帷幕達(dá)到開挖要求的確定(以本工程為例) 1)根據(jù)經(jīng)驗定性分析,一般經(jīng)過35~40d的積極冷凍過程,凍結(jié)帷幕能達(dá)到開挖要求。 2)根據(jù)測溫數(shù)據(jù)半定量推算土體凍結(jié)發(fā)展速度和帷幕厚度。(1)算出凍結(jié)管和各測溫孔達(dá)到0℃時的凍結(jié)平均發(fā)展速度VV=L/D (1) 式中:V為測溫孔達(dá)到0℃時由凍結(jié)管至測溫孔的凍結(jié)平均發(fā)展速度,mm/d;L為測溫孔中心至凍結(jié)管中心的距離,mm;D為積極冷凍開始至測溫孔達(dá)到0℃時的天數(shù),d。(2)分析、排除不正常情況后,取凍結(jié)平均發(fā)展速度!的參考值。推算出鞍山路站—江浦路站聯(lián)絡(luò)通道達(dá)到凍結(jié)厚度(邊界溫度為0℃)的天數(shù)n(估算結(jié)果見表1)。n=Lw/V1 (2)式中:n為達(dá)到凍結(jié)厚度(邊界溫度為0℃)的天數(shù),d;Lw為施工組織確定的凍結(jié)帷幕中心至邊界的厚度(邊界溫度為0℃),mm;V1為凍結(jié)平均發(fā)展速度V的參考值,mm/d。3)根據(jù)泄壓數(shù)據(jù)定性分析。 在積極凍結(jié)一段時間后(一般約20d),卸壓孔壓力明顯上升,若泄壓后壓力再升高,說明凍結(jié)帷幕已經(jīng)交圈封閉。本工程凍結(jié)管最大孔間距1106mm(L=553mm),2004年1月30日泄壓表指示壓力明顯上升(D=22d),用參考值推算:L=27.6mm/d×22d=607mm,其值>553mm 可得出各凍結(jié)管外的凍土已疊合的結(jié)論。4)用凍結(jié)帷幕平均溫度復(fù)核。 凍結(jié)帷幕土體平均溫度計算公式 式中:tc為帷幕凍結(jié)壁有效厚度的平均溫度;tn為鹽水溫度,取-31℃;L為凍結(jié)孔間距,取0.85m;E為凍結(jié)壁厚度,取1.9m;TB為邊界溫度,取-4℃。 將以上數(shù)據(jù)代入式(3):tc=-10.21℃ 從計算可知,凍結(jié)帷幕土體平均溫度低于施工組織設(shè)計的-10℃要求。5.7坑道開挖控制 土方暗挖作業(yè)必須24h連續(xù)有序進(jìn)行,隨時觀察凍土結(jié)霜情況。對任何水跡、土色改變、土體硬度異常、凍結(jié)壁位移異常和尺寸丈量異常等情況均要及時分析,找出原因。鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)按步距及時支撐牢固。5.8防止過分凍結(jié) 土體過分凍結(jié)使凍結(jié)區(qū)擴(kuò)大,隧道所受膨脹應(yīng)力劇增。輕則增加后期融沉,重則引起隧道管片應(yīng)力破壞。確定凍結(jié)帷幕達(dá)到要求后應(yīng)調(diào)整制冷,進(jìn)行維持性冷凍,以防止土體過分凍結(jié)。5.9實時監(jiān)測 在聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)20m范圍內(nèi),對隧道內(nèi)的水平及垂直方向的收斂變形、沉降變形、防水滲漏和地表沉降沉降進(jìn)行監(jiān)測。 地表沉降日變量報警值(±10mm)和累計變量報警值(+10、-30mm)的設(shè)立,應(yīng)考慮盾構(gòu)推進(jìn)已對地表造成的沉降量。 設(shè)立隧道內(nèi)沉降監(jiān)測日變量報警值(±3mm)、累計變量報警值(±10mm)和收斂累計報警值(±10mm)。 監(jiān)測頻率設(shè)為:鉆孔、凍結(jié)期間1次/d;開挖、混凝土澆筑期間2次/d;施工結(jié)束至穩(wěn)定期1次/5d。遇特殊情況應(yīng)增加監(jiān)測次數(shù)。6結(jié)語 實踐證明,凍結(jié)法施工的風(fēng)險確實存在,但只要參加建設(shè)的各有關(guān)方面高度重視,預(yù)先找出危險源,設(shè)立風(fēng)險點分析及監(jiān)控,制訂風(fēng)險控制對策并認(rèn)真實施,在軟土地層條件下進(jìn)行的凍結(jié)法施工風(fēng)險是可被有效地控制的。
