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1、? 第 6卷? 第 2期? ? 地 下 空 間 與 工 程 學 報Vo. l 6? ?2010年 4月? ?Chinese JournalofUnderground Space and EngineeringApr . 2010?地鐵隧道凍結法施工融沉控制方案及實施*曹紅林(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 武漢 ? 430063)摘? 要: 人工凍結法開始逐步被應用于城市地下工程的開挖和支護以來, 以其對各種地層的適應性強, 對環境影響小等特點, 較其他地基處理工法顯示了較大的優勢, 但凍結引起的土體凍脹融沉對環境產生了負面影響, 制約了凍結法在對環境要求高的地方的應用。為了減緩融沉對環境造2、成的影響, 一般工程中采用注漿補償的方法, 在凍結后開始解凍時配合注漿來控制凍土的融化沉降。作者結合具體工程實例介紹了凍結法施工融沉控制方案及實施要點, 給出了融沉注漿的施工工藝的原則和主要施工參數, 該工程實踐對以后類似工程的實施具有一定的指導和參考價值。關鍵詞: 地鐵隧道; 凍結法施工; 注漿; 融沉控制中圖分類號: TU 472 . 9? ? 文獻標識碼: A?文章編號: 1673- 0836( 2010) 02- 0387- 04Thawing Settle ment Control of Subway TunnelConstruction by ArtificialGround Fr3、eezingCaoHongling(ChianRailway Siyuan Survey and D esign Group Co. , Ltd. , Wuhan 430063, China)Abstract : A rtificial freezing method isw idely used in the civil underground excavation and supporting projectsthese years , it is superior to other ground treat mentmethods because it is well suit for 4、al most all kinds of layers andhas less i mpact on environment . However ,the frostheave and tha w ing settle mentexert bad influence on surroundingsso that this method is not adopted in projectswhere there is high environment protection requirement .In order toreduce the influence of tha w ing sett5、lement on environment ,the method of grouting and compensationwhen thaw ing isadopt in general projects .This text combines a concrete engineering exa mple that the measures and sche mes ofthawing settle ment control are introduced, and puts for ward technological principles of tha w?subsidence and 6、its mainconstruction parameters , providing higher guidance and valuable reference for si m ilar projects i mplementationhenceforth。Keywords :undergroundrail waytunne;lconstructionbyartificialgroundfreezing ;grouting ;thawingsettle ment control1? 引言人工凍結法是利用人工制冷技術, 使地層中的水凍結, 把天然巖土變成凍土, 增加其強度和穩定性, 隔絕地7、下水與地下工程的聯系, 以便在凍結壁的保護下進行隧道、 豎井和地下工程的開挖與襯砌施工的特殊施工技術。我國于 1955年首次在開灤林西風井使用鹽溶液凍結法鑿井并獲成功, 之后便在全國推廣使用。我國凍結法的應用已有 50年的成熟經驗, 已建成 400余項凍結立井工程, 總延米*收稿日期: 2009?11?24(修改稿 )作者簡介: 作者簡介: 曹紅林 ( 1972- ), 男, 安徽涇縣人, 碩士, 工程師, 主要從事隧道及地下工程方面的設計工作。E?mai:l tsych l163 . co m超過 67 km。從 20世紀 80年代中期開始, 隨著我國地下工程的增多, 凍結維護技術逐漸從礦山8、推廣到各類市政工程的應用中, 完成了如北京和上海的一些隧道水平凍結工程。發揮了該工法的優勢和特點, 取得了良好效果。同時, 隨著城市地鐵建設的興起, 人工凍結技術已開始逐步被應用于地鐵隧道施工中, 在北京、廣州、 上海和南京等地的地下鐵道建設過程中, 已經分別采用了垂直孔凍結技術和水平孔凍結技術,并取得良好的效果。然而, 人工凍結法在作為一種有效的臨時加固措施的同時, 也存在著一些缺點: ( 1)凍結引起地層脹起, 融化時引起地層沉陷; ( 2)地下水含鹽量過高及地下水流速度過快, 難以凍結; ( 3)需要較大功率的電源; ( 4)工期較長, 造價相對較高等, 其中特別是凍土在融化時排水固結引9、起的融沉, 會對環境帶來較大危害。本文以廣州地鐵施工中的一典型工程為例, 介紹了凍結法融沉控制的工藝及實施過程。2? 工程概況及地質情況廣州市軌道交通三號線天河客運站折返線及風道位于廣州市天河區廣汕公路。折返線斜穿廣汕公路和沙河立交橋, 風道在折返線北端。附近有新天河商貿城和天河汽車客運站。由于該區段道路兩側地下管線較多; 其次, 廣汕公路是連接廣州與汕頭、 增城之間的重要交通干道, 交通繁忙, 不能封路施工, 因此考慮采用暗挖法施工。折返線設計起始里程為 SK0+ 102 . 60 , 終點里程支 SK0+ 250 .40 , 長為 147 . 8 m。折返北端暗挖風道長 23 . 68m。10、除公路外地面多為建筑商鋪。折返線段隧道頂面距離地表最小約為 8m, 最大開挖跨度約為 13 . 4m, 斷面形式為馬蹄形, 隧道臨時支護為厚 350的C20網噴混凝土, 內襯為 C30厚 450mm的 S8模筑鋼筋混凝土。折返線隧道拱部圍巖主要為: 沖積 -洪積砂層、 粉質粘土層、 花崗巖殘積砂質粘性土層, 邊墻及底部圍巖主要為 花崗巖殘積砂質粘性土層、 砂層密實度較差, 富水性較強, 穩定性差。花崗巖風化殘積土因含砂量較多, 遇水和擾動易軟化崩解, 水浸泡易發生崩解和流砂, 甚至塌方。砂層為飽水層, 透水性強, 滲透系數為 15m /d , 花崗巖風化殘積土層 、 和全風化巖 , 飽水性較好11、, 為弱透水層。綜合評價地質條件很差。根據以往工程經驗, 在這樣的地層中采用礦山法及常規輔助工法修建隧道, 施工難度大, 進度緩慢且工程投資難以控制, 借鑒國內其他地區水平凍結的施工經驗, 經多方研究確定, 折返線暗挖隧道采用水平凍結法預加固圍巖及止水輔助施工, 見圖 1所示。圖 1? 暗挖隧道凍結孔口布置圖Fig . 1? Sectionalvie w of freezing holes ofm ined tunnel然而在折返線初期支護完畢后, 冷凍站停機,外圍凍結帷幕開始自然解凍將產生融沉, 會引起地面及隧道沉降, 危及到地面建筑物和管線的安全,為此, 需要進行融沉的控制。3? 融沉控制12、總體方案根據以往凍土解凍的經驗, 結合本工程的特點, 采用自然解凍措施, 在自然解凍的同時及時對凍土進行跟蹤注漿, 見圖 2所示。注漿的主要措施是根據在自然解凍期間監測反饋的信息進行地層跟蹤注漿壓密加固土體, 具體方法為:圖 2? 暗挖隧道注漿孔布置剖面圖F ig . 2?Sectional view of grouting holes ofmined tunnel388地 下 空 間 與 工 程 學 報? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 第 6卷( 1)隧道地面融沉控制采用地面注漿的方式進行, 對于非車行道部分, 考慮從地面打管注漿, 打管時避開地下管線的位置13、, 對于車行道部分, 由于凍結凍脹脹幅度過長, 廣汕路路面及地下管線均進行修復, 為此, 融沉的治理工作安排在路面及管線恢復施工期間利用占道范圍進行分期地面注漿;( 2)隧道仰拱部位融沉控制采取襯砌中的預埋注漿管進行跟蹤注漿, 位置是在初期支護及凍土之間埋設注漿管, 深度進入凍土 10 cm, 以補償融沉, 為了保證及時均勻的填充凍土融化所產生的空隙, 采用分層注漿, 即由于漿液擴散面積有限, 當隧道結構內預埋的注漿孔一次性注滿時, 隨凍土解凍過程用鋼筋或電鉆穿透注漿層, 在此注漿層外圍進行再次注漿。依次類推, 直至將融化的凍土填充完畢, 控制好融沉現象;( 3)通過隧道襯砌中的預埋的注漿管進14、行凍結帷幕外圍深層跟蹤注漿, 位置是在初期支護及凍土之間埋設注漿管, 深度進入凍土 10 cm, 隧道結構層施工結束后, 利用 J- 200金剛石鉆機在結構層預埋的注漿管中施工深層注漿孔, 深層注漿孔孔深至凍結帷幕外圍, 然后從凍結帷幕外圍進行注漿, 填充、 改良土體, 防止凍結帷幕外圍土體隨著凍土融化產生的空隙而下沉。4? 施工技術措施4 . 1? 注漿管的布設結合本工程隧道內注漿管布置重點為隧道的的仰拱部位。4 . 1 . 1? 在隧道施工初期支護、 結構層時預埋注漿管。( 1)在隧道底部兩端各 0 . 5 m 起分 28個斷面預埋注漿管, 每個斷面寬度為 5 m, 每個斷面預埋 4個注漿15、管。共 112個注漿管;( 2) ?區和 ?區兩個斷面注漿管采用梅花式錯開布置;( 3)結構層施工結束后, 利用 J- 200型鉆機在已預埋好注漿管中施工深層注漿孔, 穿透凍結帷幕;4 . 1 . 2? 預埋注漿管結構( 1)注漿管選用 6 . 66 cm的鍍鋅管, 頂端接帶螺紋的外管箍, 并用內絲堵封閉, 管長按照結構施工調整;( 2)距注漿管端部 250 mm處設置一道止水鋼板, 增加防水效果。見圖 3所示。圖 3? 鍍鋅管和止水鋼板示意圖F ig . 3?Sketch of galvanized tube and steelwater ?stop strip4 . 1. 3? 注漿管固定16、澆筑混凝土前將其焊接在臨時支護的主鋼筋上, 注漿管外口離模板約 3 c m, 管口另一端進入凍土 10 c m。4 . 2? 注漿設計參數4 . 2. 1? 注漿材料選用根據隧道范圍內土層的特性凍土融沉注漿采用單液漿, 及水泥和粉煤灰, 其配比為: 使用水灰比為 2 : 3的水泥漿。最后注漿結束后不再出現融沉時, 采用雙液漿封孔, 封孔選用水泥和水玻璃漿液,水泥漿與水玻璃配比為 1 : 0 . 2 0 . 5 ; 雙液漿初凝時間約為 45 60m in 。4 . 2. 2? 注漿時間控制初期支護施工完畢后, 冷凍機停機, 即進入自然解凍期, 等初期支護混凝土達到一定強度時再進行跟蹤注漿, 注漿17、對于凍結狀態下的土層一般是難以進行的, 只能對融層狀態下的土層注漿才可達到應有的效果, 因此注漿時間控制應以凍結土層開始融化時為準, 一般停機 15 d后開始注漿。融沉注漿時間約為 6個月, 原則上以隧道和地面不再沉降為準。4 . 2. 3? 注漿壓力考慮地面覆土厚度, 為防止隧道結構受到影響, 選用小壓力, 多次注漿的方式, 注漿壓力為 0 . 2 0. 3MPa , 瞬間壓力不超過 0 . 5MPa , 注漿量控制在 10 15 L /m in 。4 . 2. 4? 注漿順序注漿順序, 先隧道底部, 再隧道中部, 每一注漿段中遵循先下部、 后中部的原則, 使加固的注漿液逐漸向上擴展, 避免18、死角, 改善隧道土體, 提高充填效果。4 . 2. 5? 注漿量根據以往經驗, 融沉注漿總量一般為凍土體積的 15% 左右, 經過計算該工程注漿量約為 3340m3, 實際用量以地面及隧道不沉降為準。3892010年第 2期? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 曹紅林: 地鐵隧道凍結法施工融沉控制方案及實施4 . 2 . 6? 注漿結束標準注漿是否結束根據隧道沉降監測反饋的信息和最大注漿壓力控制, 一般情況下注漿結束壓力為0 . 5 0 . 7 MPa , 漿液注入量控制在凍土體積的 15%左右, 地面變形基本穩定在 2 mm 左右。注漿結束后, 要再注入雙液漿封堵注漿管, 并由工人修整19、管口與砌筑面一樣平, 既保證結構強度, 又美觀整齊。4 . 3? 注漿與其它工序交叉施工的協調與組織由于凍土自然解凍的時間較長, 融沉的治理不得不與其他工序交叉進行, 且跨越隧道建設及地鐵的運營期。對于與隧道施工的工序交叉的施工組織: 二襯仰拱基面清理完成后, 將初支預埋的注漿管接長,直到長度露出二襯仰拱回填的混凝土面為止, 防水板鋪設時將注漿管穿透防水板。拱墻襯砌施工完成后啟用預埋的注漿管進行注漿。融沉注漿處理跨越了隧道裝修及機電施工期,所埋設的注漿管的位置應避開軌道的道床排水溝及軌道的鋪設位置, 且注漿管外露的長度不超過軌道道床混凝土面 15 cm, 因折返線隧道短, 軌道鋪設采用人工鋪架20、, 為此融沉注漿施工可與軌道鋪架同時進行, 隧道內強電的施工與仰拱融沉注漿也可同時進行;融沉注漿工作在地鐵運營后, 則安排在每天地鐵停運的時間段進行。5? 施工監測融沉控制應加強地面沉降和隧道內部沉降及變形監測, 隧道內部沉降及變形監測數據及時分析, 根據監測數據分析結果及時跟蹤注漿。( 1)地面沉降監測: 利用折返線隧道范圍內布置地表沉降監測點, 監測隧道施工期間及后期融沉間的地表沉降變化;( 2)隧道內部沉降監測: 對隧道施工范圍內的沉降變化進行監測, 沉降點設置在隧道底板中心線上, 測點間距為 5m。( 3)監測頻率: 在隧道施工期間, 地面監測 2 d一次, 隧道施工結束后為 5 d一21、次, 一個月后改為10 15 d一次。6? 結語廣州市地鐵三號線天河客運站折返線隧道凍結施工于 2005年 7月 10日開始至隧道竣工, 直至三號線通車, 凍結隧道周邊環境、 地面及隧道在凍土自然融化過程中有過凍脹和融沉產生, 但由于在施工過程中及竣工后, 做有相應的應對措施, 融沉等危害得到了有效控制, 沒有對周邊環境、 地面及隧道產生較大的影響。本工程設計與施工的成功實踐表明:( 1)采用自然解凍措施, 在自然解凍的同時及時對凍土進行跟蹤注漿壓密加固融沉土體的方案是切實可行的;( 2)注漿對于凍結狀態下的土層一般是難以進行的, 只能對融沉狀態下的土層注漿才可達到應有的效果, 因此注漿時間控22、制應以凍結土層開始融化時為準;( 3)跟蹤監測、 及時注漿是有效控制地面沉降的保證, 應根據實時監測數據及時進行注漿, 注漿遵循少量多次的原則, 嚴格控制注漿壓力。參考文獻 ( References) 1? 羅俊成, 史海歐. 長距離水平凍結法在廣州地鐵中的應有和實踐 J. 現代隧道技術, 2002 , 39( 2): 22?26.( Luo Juncheng , Shi Haiou .Application of horizontalground freezing method to guangzhou metro J. 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