饱和粉砂地层中地铁车站交叉穿越冻结法施工技术.doc

饱和粉砂地层中地铁车站交叉穿越冻结法施工技术
摘　要:简要介绍了上海地铁明珠线上体场车站穿越原地铁一号线上体馆站段(简称穿越段)冻结施工情况。在穿越段施工中,根据工程特点,采用了水平冻结孔施工技术和地层冻胀融沉控制技术,并采取了在冻结壁易散热界面上现场喷涂聚胺脂泡沫层和敷设冷冻排管等保温与加强冻结措施来保证冻结壁质量,取得了良好效果,保证了安全顺利施工,同时确保了穿越段上方地铁一号线车站结构稳定及地铁运营安全。　　
关键词:饱和粉砂;地铁车站;冻结法;水平冻结孔;冻胀变形

1 穿越段工程概况
      上海地铁明珠线上体场车站穿越原地铁一号线上体馆站段(以下简称穿越段)由上行线隧道和下行线隧道组成,隧道断面尺寸6.16ｍ×6.38ｍ(高×宽),长22.6ｍ。穿越段与地铁一号线斜交成79°,方向为由东向西。穿越段东端与明珠线上体场站相连,西端为明珠线区间隧道盾构工作井。
      穿越段附近地面绝对标高+4.19ｍ。穿越段结构顶面标高为-10.08ｍ,紧贴地铁一号线车站底板。穿越段结构底面标高为-15.82ｍ。穿越段所处地层主要为饱和灰色淤泥质粘土和砂质粉土,地下水位与地面接近。穿越段施工采用冻结法加固地层,矿山法开挖的方案。
      穿越段工程施工难度及风险均较大,主要原因一是穿越段上方为地铁车站和城市干道立交桥,周边有多幢住宅和重要公共建筑;二是穿越段结构紧贴地铁一号线车站底板,同时开挖范围内有近4ｍ厚的超细粉砂地层,且地下水水压较高;三是穿越段需穿透两道厚0.8ｍ的原地铁一号线车站结构围护地下连续墙,开挖跨度较大。
2 冻结施工方案设计
      由于穿越段开挖范围内有近4ｍ厚的超细粉砂层,且地下水水压较高,施工时很容易发生水砂突出灾难性事故。尤其是穿越段上方紧挨原地铁车站,要求施工引起的原地铁车站结构沉降要控制在毫米级以内,对施工方案选择提出了很高的要求。根据以往施工经验,目前在隧道工程施工中经常采用的降水、注浆、管棚以及顶管等工法在该工程中都难以实施,或存在极大的风险,因而必须寻找一种新的施工方法,以彻底解决堵水、加固和有效控制周围地层及建筑物变形的难题。
      地层冻结法是用人工制冷的方法使含水地层冻结,形成冻土,从而提高地层稳定性和止水性的地层加固方法,适用于饱和砂土、淤泥等各种复杂地层加固。地层冻结法技术可靠,对施工条件要求宽,国际工程界认为它是在其他地层加固方法难以应用时的最终解决方案。
      尽管地层冻结法有很多优点,但根据分析,在穿越段工程中应用该项技术还存在一些技术难题。首先是地层冻结时会产生冻胀变形,最大冻胀量可以达到冻土体积的7%以上,而冻土解冻时又会发生收缩融沉,且收缩量可以超过冻胀量,从而使周围地层出现明显隆起和沉降现象,引起周围建筑物移位或产生变形破坏。其次是穿越段工程冻结边界条件极为复杂,冻结区与地铁一号线车站底板、围护地下连续墙等易散热物体直接接触,使得接触面处特别容易出现冻结薄弱区,从而影响冻结维护结构的强度与封水性。第三是在拟开挖隧道周围施工冻结钻孔和安装冻结管难度较大,钻孔时容易发生水砂突出事故。
      下行线隧道与上行线隧道均采用“田”字形断面的冻结壁形式,冻结设计参数见附表。冻结系统设计最低盐水温度为-28～-30℃,维护冻结盐水温度为-20℃,单孔盐水流量为5～7ｍ3/ｈ。每条隧道计算需冷量为470ＭＪ/ｈ,实际装机制冷量为700ＭＪ/ｈ。

3 冻结施工关键技术
3.1 水平冻结孔施工技术
      (1)采用二次开孔工艺,以防钻透地下连续墙时大量出泥出水。一次开孔采用金刚石取心钻在地下连续墙上钻进300ｍｍ深左右,不钻透连续墙。一次开孔钻进完毕,下入孔口管并安装阀门,接着进行二次开孔钻进,直至钻透连续墙。连续墙钻透后,立即退出开孔钻头,关闭阀门。
      (2)用夯管法下冻结管,夯管和钻进时安装类似轴封的孔口止水装置。对于需要穿透对侧地下连续墙的冻结孔,则先用夯管法下套管(套管下至对侧连续墙墙面),然后用钻机在套管中钻透对侧连续墙,再用夯管法下入冻结管。钻进对侧地下连续墙时,钻头部位安装逆止阀和岩心管。
      (3)下完冻结管后,对冻结管与孔口管及套管间的间隙和孔口附近地层进行注浆充填。
      (4)下泄压管(滤水管)时,在泄压管内装满三合土,以防夯进泄压管时出水,影响施工。
      (5)确保冻结孔定位准确。冻结管夯进时,预设朝隧道外结构面法向的外偏角为0 .5～1°,以防冻结孔太靠近开挖面,影响冻结壁有效厚度。
3.2 地层冻胀和融沉控制技术
      (1)在冻结壁内未冻土中设泄压孔,通过放水、排泥来减小冻结壁内的水土压力和消散作用在地铁一号线上体馆站底板上的冻结附加力。泄压孔采用Φ140ｍｍ以上的钻孔。泄压孔滤管不包纱网,以便在冻胀引起地层压缩时,可从泄压孔泄水或排除部分土体。施工中可根据车站结构及地层变形监测结果和泄压孔中的水压变化情况进行泄压。
      (2)在地铁一号线上体馆站底板附近增设冻结孔和加热孔各1个,加热孔兼作测温孔。根据工程监测结果,合理调整冻结孔的供冷量。在特殊情况下,还可通过在加热孔中循环热水来迅速提高冻结壁温度,使冻结壁软化,从而减小冻胀力。在采取上述措施的同时,还注意控制好上体馆站底板附近冻结孔的盐水流量,使车站底板下边的温度处在-5～-10℃之间,实现了在保证冻土强度的情况下,尽量减小车站底板温度应力的目的。
      (3)合理安排冻结顺序,减小冻胀引起的地层变形。根据不同位置冻结壁受力分布情况以及不同位置地层的冻胀和强度特性变化,分5步进行冻结。其中一号线上体馆站底板下第2、第3个冻结孔晚开冻7ｄ,以便形成缓冻层,减小冻胀力。
      (4)在积极冻结过程中,待地铁一号线车站底板隆起接近警戒值时,立即减少车站底板下1～2ｍ范围内冻结孔的供冷量,使冻土温度升高,利用高温冻土在荷载作用下容易蠕变和应力松弛显著的特点,迅速减小冻结壁作用在车站底板上的冻胀力,从而达到减小车站底板隆起量的目的。

      (5)在靠近上体馆车站底板附近冻结壁墙界面上水平布置冻胀变形释放孔。根据车站底板变形监测情况,必要时可拔出冻胀释放孔内的钢管,使土体内的冻胀力得到释放。
      (6)对冻结过程中车站结构的变形或受力变化情况进行监测,分析冻结施工对车站结构的最终影响,为调整冻结施工参数提供依据通过调整盐水流量和盐水温度来控制冻结壁厚度,使其保持在设计值左右。
      (7)由于冻结壁解冻时有少量收缩,从而使地层产生融沉,可能给上部一号线上体馆站带来不良影响。为此,施工时在隧道衬砌上预留注浆管,在冻结壁化冻过程中进行注浆,以补偿地层融沉。
      (8)停冻后采取强制化冻措施,以尽快化冻,恢复穿越段附近地层的水土压力,减小地铁一号线车站底板沉降,缩短融沉补偿注浆工期。
4 冻结壁质量保证措施
      (1)冻结壁边界保温。穿越段顶部和东西两侧均为原地铁车站混凝土结构,属易散热体。为了保证冻结壁质量,施工中对这3侧混凝土结构暴露面采用现场喷涂聚胺脂泡沫层的方法保温 收到了较好效果。
      (2)在冻结壁两端处的地铁一号线车站地下连续墙表面敷设冷冻排管,以加强冻结壁与连续墙交界面处的冻结。
      (3)控制冻结孔与地铁一号线车站底板间的距离。由于混凝土散热比土层要容易得多,会严重影响车站底板和地下连续墙附近土层的冻结速度和冻土强度,进而影响冻结壁的整体稳定性和封水性。为此,设计要求位于地铁一号线车站底板下的冻结孔要尽量靠近底板布置,并在车站底板下挨近底板布置两个冻结孔,确保车站底板下的冻结壁厚度与温度达到设计要求。
      (4)为了确保冻结壁与对侧地下连续墙之间没有影响安全的薄弱环节,穿越段外围冻结壁侧墙和底板的主冻结孔必须穿透对侧地下连续墙,同时冻结管进入对侧地下连续墙内不得小于400ｍｍ。
      (5)加强冻结过程中的检测和控制。通过检测和控制各冻结孔的盐水流量和盐水温度,使冻结壁快速均匀发展。在穿越段开挖过程中,通过对冻结壁暴露面和支护层的温度、变形以及地铁一号线上体馆站结构变形等的监测,判断冻结壁质量是否满足设计要求,冻结施工是否会对地铁一号线上体馆站的正常运行和穿越段开挖造成不良影响,并根据具体情况,及时调整冻结时间、冻结盐水温度和盐水流量,确保开挖施工安全顺利。
5 结 语
      (1)穿越段冻结施工中提出的“田”字形冻结壁设计,夯管法与钻进法相结合的冻结孔施工技术,控温冻结与间歇冻结相结合的冻胀控制技术, 以及冻结壁界面处加强冻结措施,符合工程特点,地层加固效果好,为穿越段安全顺利施工创造了良好条件,同时确保了穿越段上方地铁一号线车站结构稳定及地铁运营安全。
      (2)采用夯管法结合钻进法的冻结孔施工技术,解决了在流砂地层中施工冻结孔时(尤其是穿透对侧地下连续墙时)容易发生水砂突出的问题;并且施工工艺简单,效率较高,施工质量完全能满足冻结施工安全的需要。
      (3)实测显示,冻胀引起的地铁一号线车站底板隆起主要发生在冻结壁交圈期间;车站底板冻胀隆起总量在3ｍｍ以内,与预计值接近,未超过规定值。这表明控温冻结和间歇冻结等抑制冻胀的措施对控制地层冻胀隆起具有明显的作用。
      (4)施工中合理布置冻结孔,同时采取在冻结壁易散热界面上喷涂聚胺脂泡沫层和敷设冷冻排管等保温与加强冻结措施,使冻结壁与老结构之间基本不存在冻结薄弱区,对保证施工安全具有重要意义。
      (5)隧道开挖时,开挖区地层已基本冻实,开挖面稳定,冻结壁具有足够的承载力,可保证施工安全。开挖时实测的冻结壁变形量不超过2ｍｍ,初期支护承受的压力也不大。
      (6)下行线隧道停冻后的监测表明,由于冻结壁解冻时采取尽快化冻,恢复水土压力和融沉补偿注浆等措施,地层冻融引起的地铁一号线车站底板基本上未发生沉降。