广州市轨道交通三号线天河客运站折返线冷冻法施工摘要:简要介绍广州地铁天河客运站折返线采用冷冻法的具体施工技术方案,为特殊地质条件下冷冻法的应用提供了一些成功的经验。关键词:花岗岩残积土;冷冻;冻胀;融沉;施工监测1工程概况 广州市轨道交通三号线天河客运站折返线位于广州市天河广汕公路地面以下,双线隧道净断面呈马蹄形,隧道净高9.15m,净宽11.4m。初期支护采用350mm厚的C20网喷混凝土,内衬采用450mm厚的C20、S8模筑钢筋混凝土。 该折返线所处岩土层自上而下分别为:①人工填土层;②粗砂层;③粉质粘土层;④淤泥质土层;⑤花岗岩残积土层:天然状态下具有良好的力学性质,压缩性中等偏高,遇水易软化和强度降低,泡水后甚至出现塌方和流砂;⑥全风化花岗岩:呈中密～密实,透水性较强,遇水易软化崩解,局部夹强风化花岗岩碎块,平均厚度7.89m,最大厚度19.7m。 折返线隧道在天然状态下的涌水量为1801m3/d,稳定水位埋深1.25～3.1m,平均1.76m。2 暗挖冻结法施工方案的确定2.1 该折返线斜穿广汕公路和沙河立交桥,该区段道路两侧地下管线纵横交错且数量较多,路面交通繁忙,无法封路施工。
2.2不良地质 隧道主要穿越的地层是花岗岩残积土,裂隙发育,遇水后易崩解,在地下水作用下强度大幅降低,甚至易发生坍塌现象,遇水软化崩解是花岗岩风化残积土和全风化带的典型特点。鉴于此,隧道经多方案比选,决定采用水平冻结法加固地层,浅埋暗挖法开挖主衬砌。折返线双线隧道地层冻结长度约为138.8m,采用全断面帷幕冻结施工方案。3隧道暗挖冻结法施工工艺3.1隧道暗挖冻结法施工方法 先在隧道周围布置水平冻结孔,并在孔中循环低温盐水,使冻结孔附近的含水地层结冰,形成强度高、封闭性好的冻结壁即冻土帷幕,然后在冻结壁的保护下运用矿山法进行隧道开挖与构筑施工。 隧道开挖开挖采用CRD法,采用复合式衬砌,初期支护由喷射混凝土、钢筋网和格栅钢架组成,二衬采用模筑钢筋混凝土。3.2冻结施工工艺 施工准备→冻结孔施工,同时安装冻结制冷系统→安装冻结盐水系统和检测系统→积极冻结→试挖→隧道掘进与初衬施工,维护冻结→停止冻结。折返线隧道全长138.8m,均分为南、北两段,每段长71.9m,保证末端搭接冻结范围在5m以上。4冻结施工4.1主要施工技术参数 冻结壁厚度为2.0m,冻土帷幕平均温度为-8℃,冻土抗折强度和抗剪强度分别取1.6MPa和1.8MPa,单轴抗压强度为5.0MPa。4.2水平冻结孔的布置冻结孔的开孔布置 如图1,单断面孔数为46个,选用f108×8低碳钢无缝钢管,采用丝扣连接,冻结孔开孔布置轴线距隧道开挖边缘设计为1.0m,南、北端面冻结孔位为错位布置。4.3测温孔、水文孔和卸压孔的布置 隧道每断面设长测温孔2个,L=75m;短测温孔2个,L=20～30m,分别布置在隧道冻结壁的内外侧; 隧道两端设水文孔和卸压孔各4个,深约2～8m,孔口安装泄压阀和压力表,均选用f108×8低碳钢无缝钢管,水文孔主要报导冻结帷幕是否交圈,卸压孔的目的是消除冻结过程中的冻胀水压力。4.4冻结制冷施工 ⑴冻结最大需冷量及冻结设备选择 考虑广州地区平均气温较高,施工中冷量损耗较大,故采用1.3倍的制冷系数,确保冻结过程足够的需冷量和降温速度。 Qmax=1.3pLq=43.8×104kcal/h(冻结管最大散热系数q=300kcalh-1m-2)(单站冻结制冷量)。 制冷设备选择氟利昂螺杆式冷冻机组,南段和北段冷冻站选择标准制冷量分别为50×104kcal/h和25×104kcal/h的冷冻机组各2台,以确保冻结连续运转和快速降温。 ⑵盐水系统 盐水选用CaCl2盐水溶液为冷媒剂,溶液比重控制在1260kg/m3范围,凝固点为-38.6℃,循环量为220m3/h。 ⑶冷却水循环系统 每端安装6台LBN-100型玻璃钢冷却塔,单台循环水量为100m3/h,冷却水总循环量W=W1+W2=448m3/h(W1、W2分别为冷冻机的冷却水需用量和冷凝器的实际需水量)。5 冻结施工与隧道掘砌施工的配合 5.1为了避免冻结时间过长,冻土进入开挖端面过多,一方面要避免冻结孔距开挖区太近,另一方面又可考虑开挖过程中调整盐水循环量或采用间歇式冻结,控制冻土发展速度,提高挖土速度。 5.2严格控制开挖进度和冻结壁暴露时间,采用小断面和小步距及时跟进钢格栅支护和喷射混凝土,喷射混凝土中适量掺入早强和抗冻添加剂,控制混凝土入模温度,确保冻结壁和初衬的稳定。 5.3高温混凝土喷射到冻结壁上,会使冻结壁表面出现一定厚度的融冻层,再次回冻后会产生一定的冻胀力,初支强度应考虑冻胀力的影响,确保冻结壁和初支喷射混凝土的安全,并铺设保温层。6 施工监测 在隧道开挖过程中,对隧道及其周边设施采取了全方位的监测,主要项目包括:冻结壁断面内水文卸压孔压力变化;开挖后冻结壁表面温度,地面的沉降位移;隧道的水平及垂直方向的收敛变形;冻结器的去、回路盐水温度、却循环水进、出水温度等。 监测结果显示,隧道经5个月的积极冻结后,冷冻壁实现交圈,交圈厚度最小为4.0m,满足设计要求。隧道开挖过程中隧顶沉降最大值小于2cm,路面及其周边设施处于完全状态,确保了隧道开挖及衬砌的顺利施工。7结语 7.1在隧道开挖过程中,根据冻结及地层情况,合理控制掘砌步长,步长距离宜控制在0.5～1.0m,以免步距过大引起冻结壁变形造成地表沉降。 7.2根据测温孔温度、水文泄压孔水位及温度等多项指数的综合分析,判定冻结壁确已交圈,且已达到设计要求的强度和厚度,才可进行隧道试挖。 7.3为防止土层中的水结冰膨胀而引起冻胀,可采取以下措施:加强冻结壁温度、厚度监测,及时调节冻结盐水温度和冻结时间,采用间隔制冷冻结措施;在开挖断面内施工泄压孔,减少冻胀压力;加强内衬结构强度,防止冻胀对结构产生破坏影响。 7.4为防止冻土融化后土中的水分因自重作用渐小,融土在围岩压力及土颗粒自重作用下体积压缩而引起融沉,可在隧道开挖过程中,在软土、粘土中预埋注浆孔,在冻结壁融化时,视融沉的发展情况及时跟踪压密注浆来加以控制。
2.2不良地质 隧道主要穿越的地层是花岗岩残积土,裂隙发育,遇水后易崩解,在地下水作用下强度大幅降低,甚至易发生坍塌现象,遇水软化崩解是花岗岩风化残积土和全风化带的典型特点。鉴于此,隧道经多方案比选,决定采用水平冻结法加固地层,浅埋暗挖法开挖主衬砌。折返线双线隧道地层冻结长度约为138.8m,采用全断面帷幕冻结施工方案。3隧道暗挖冻结法施工工艺3.1隧道暗挖冻结法施工方法 先在隧道周围布置水平冻结孔,并在孔中循环低温盐水,使冻结孔附近的含水地层结冰,形成强度高、封闭性好的冻结壁即冻土帷幕,然后在冻结壁的保护下运用矿山法进行隧道开挖与构筑施工。 隧道开挖开挖采用CRD法,采用复合式衬砌,初期支护由喷射混凝土、钢筋网和格栅钢架组成,二衬采用模筑钢筋混凝土。3.2冻结施工工艺 施工准备→冻结孔施工,同时安装冻结制冷系统→安装冻结盐水系统和检测系统→积极冻结→试挖→隧道掘进与初衬施工,维护冻结→停止冻结。折返线隧道全长138.8m,均分为南、北两段,每段长71.9m,保证末端搭接冻结范围在5m以上。4冻结施工4.1主要施工技术参数 冻结壁厚度为2.0m,冻土帷幕平均温度为-8℃,冻土抗折强度和抗剪强度分别取1.6MPa和1.8MPa,单轴抗压强度为5.0MPa。4.2水平冻结孔的布置冻结孔的开孔布置 如图1,单断面孔数为46个,选用f108×8低碳钢无缝钢管,采用丝扣连接,冻结孔开孔布置轴线距隧道开挖边缘设计为1.0m,南、北端面冻结孔位为错位布置。4.3测温孔、水文孔和卸压孔的布置 隧道每断面设长测温孔2个,L=75m;短测温孔2个,L=20～30m,分别布置在隧道冻结壁的内外侧; 隧道两端设水文孔和卸压孔各4个,深约2～8m,孔口安装泄压阀和压力表,均选用f108×8低碳钢无缝钢管,水文孔主要报导冻结帷幕是否交圈,卸压孔的目的是消除冻结过程中的冻胀水压力。4.4冻结制冷施工 ⑴冻结最大需冷量及冻结设备选择 考虑广州地区平均气温较高,施工中冷量损耗较大,故采用1.3倍的制冷系数,确保冻结过程足够的需冷量和降温速度。 Qmax=1.3pLq=43.8×104kcal/h(冻结管最大散热系数q=300kcalh-1m-2)(单站冻结制冷量)。 制冷设备选择氟利昂螺杆式冷冻机组,南段和北段冷冻站选择标准制冷量分别为50×104kcal/h和25×104kcal/h的冷冻机组各2台,以确保冻结连续运转和快速降温。 ⑵盐水系统 盐水选用CaCl2盐水溶液为冷媒剂,溶液比重控制在1260kg/m3范围,凝固点为-38.6℃,循环量为220m3/h。 ⑶冷却水循环系统 每端安装6台LBN-100型玻璃钢冷却塔,单台循环水量为100m3/h,冷却水总循环量W=W1+W2=448m3/h(W1、W2分别为冷冻机的冷却水需用量和冷凝器的实际需水量)。5 冻结施工与隧道掘砌施工的配合 5.1为了避免冻结时间过长,冻土进入开挖端面过多,一方面要避免冻结孔距开挖区太近,另一方面又可考虑开挖过程中调整盐水循环量或采用间歇式冻结,控制冻土发展速度,提高挖土速度。 5.2严格控制开挖进度和冻结壁暴露时间,采用小断面和小步距及时跟进钢格栅支护和喷射混凝土,喷射混凝土中适量掺入早强和抗冻添加剂,控制混凝土入模温度,确保冻结壁和初衬的稳定。 5.3高温混凝土喷射到冻结壁上,会使冻结壁表面出现一定厚度的融冻层,再次回冻后会产生一定的冻胀力,初支强度应考虑冻胀力的影响,确保冻结壁和初支喷射混凝土的安全,并铺设保温层。6 施工监测 在隧道开挖过程中,对隧道及其周边设施采取了全方位的监测,主要项目包括:冻结壁断面内水文卸压孔压力变化;开挖后冻结壁表面温度,地面的沉降位移;隧道的水平及垂直方向的收敛变形;冻结器的去、回路盐水温度、却循环水进、出水温度等。 监测结果显示,隧道经5个月的积极冻结后,冷冻壁实现交圈,交圈厚度最小为4.0m,满足设计要求。隧道开挖过程中隧顶沉降最大值小于2cm,路面及其周边设施处于完全状态,确保了隧道开挖及衬砌的顺利施工。7结语 7.1在隧道开挖过程中,根据冻结及地层情况,合理控制掘砌步长,步长距离宜控制在0.5～1.0m,以免步距过大引起冻结壁变形造成地表沉降。 7.2根据测温孔温度、水文泄压孔水位及温度等多项指数的综合分析,判定冻结壁确已交圈,且已达到设计要求的强度和厚度,才可进行隧道试挖。 7.3为防止土层中的水结冰膨胀而引起冻胀,可采取以下措施:加强冻结壁温度、厚度监测,及时调节冻结盐水温度和冻结时间,采用间隔制冷冻结措施;在开挖断面内施工泄压孔,减少冻胀压力;加强内衬结构强度,防止冻胀对结构产生破坏影响。 7.4为防止冻土融化后土中的水分因自重作用渐小,融土在围岩压力及土颗粒自重作用下体积压缩而引起融沉,可在隧道开挖过程中,在软土、粘土中预埋注浆孔,在冻结壁融化时,视融沉的发展情况及时跟踪压密注浆来加以控制。
