第6卷 第2期 地下空间与工程学报V o.l6 2010年4月 Ch i nese Journa l o f U nderg round Space and Eng ineer i ng A pr.2010地铁隧道冻结法施工融沉控制方案及实施*曹红林(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)摘 要:人工冻结法开始逐步被应用于城市地下工程的开挖和支护以来,以其对各种地层的适应性强,对环境影响小等特点,较其他地基处理工法显示了较大的优势,但冻结引起的土体冻胀融沉对环境产生了负面影响,制约了冻结法在对环境要求高的地方的应用。
为了减缓融沉对环境造成的影响,一般工程中采用注浆补偿的方法,在冻结后开始解冻时配合注浆来控制冻土的融化沉降。
作者结合具体工程实例介绍了冻结法施工融沉控制方案及实施要点,给出了融沉注浆的施工工艺的原则和主要施工参数,该工程实践对以后类似工程的实施具有一定的指导和参考价值。
关键词:地铁隧道;冻结法施工;注浆;融沉控制中图分类号:TU472.9 文献标识码:A 文章编号:1673-0836(2010)02-0387-04Thaw i ng Settle m ent Control of Subway TunnelConstructi on by Artificial Ground Freezi ngCao H ong li n g(Ch i an R ail way S i yuan Survey an d D esign G roup Co.,L t d.,W uhan430063,China) Ab stract:A rtific i a l freezi ng me t hod is w i dely used i n t he c i v il underground excava ti on and suppo rti ng pro jects t hese years,it i s super i or to othe r g round treat m ent me t hods because it i s we ll suit for a l m ost a ll k i nds of l ayers and has l ess i m pac t on env iron m en t.H owever,t he frost heave and tha w i ng settle m en t exert bad i nfl uence on surround i ngs so tha t th i s me t hod is no t adopted i n pro j ects w here t here i s h i gh environment pro tecti on requ irem ent.In order to reduce the infl uence of t ha w i ng settl em ent on environm ent,the m ethod o f grouti ng and compensati on w hen thaw i ng is adopt i n gene ra l pro jects.T his text comb i nes a concrete eng i nee ri ng exa m ple tha t t he m easures and sche m es of t haw i ng se ttle m ent contro l are i ntroduced,and puts f o r w ard techno l og ical pr i nciples of tha w subsidence and its m ai n constructi on param eters,prov idi ng hi gher gu i dance and va l uable reference for si m ilar pro j ects i m p l em entation henceforth。
K ey w ords:underg round ra il w ay tunne;l construction by artificial ground freezi ng;grouting;thaw ing settle m en t contro l1 引言人工冻结法是利用人工制冷技术,使地层中的水冻结,把天然岩土变成冻土,增加其强度和稳定性,隔绝地下水与地下工程的联系,以便在冻结壁的保护下进行隧道、竖井和地下工程的开挖与衬砌施工的特殊施工技术。
我国于1955年首次在开滦林西风井使用盐溶液冻结法凿井并获成功,之后便在全国推广使用。
我国冻结法的应用已有50年的成熟经验,已建成400余项冻结立井工程,总延米*收稿日期:2009 11 24(修改稿)作者简介:作者简介:曹红林(1972-),男,安徽泾县人,硕士,工程师,主要从事隧道及地下工程方面的设计工作。
E ma i:l tsych@l163.co m超过67km。
从20世纪80年代中期开始,随着我国地下工程的增多,冻结维护技术逐渐从矿山推广到各类市政工程的应用中,完成了如北京和上海的一些隧道水平冻结工程。
发挥了该工法的优势和特点,取得了良好效果。
同时,随着城市地铁建设的兴起,人工冻结技术已开始逐步被应用于地铁隧道施工中,在北京、广州、上海和南京等地的地下铁道建设过程中,已经分别采用了垂直孔冻结技术和水平孔冻结技术,并取得良好的效果。
然而,人工冻结法在作为一种有效的临时加固措施的同时,也存在着一些缺点:(1)冻结引起地层胀起,融化时引起地层沉陷;(2)地下水含盐量过高及地下水流速度过快,难以冻结;(3)需要较大功率的电源;(4)工期较长,造价相对较高等,其中特别是冻土在融化时排水固结引起的融沉,会对环境带来较大危害。
本文以广州地铁施工中的一典型工程为例,介绍了冻结法融沉控制的工艺及实施过程。
2 工程概况及地质情况广州市轨道交通三号线天河客运站折返线及风道位于广州市天河区广汕公路。
折返线斜穿广汕公路和沙河立交桥,风道在折返线北端。
附近有新天河商贸城和天河汽车客运站。
由于该区段道路两侧地下管线较多;其次,广汕公路是连接广州与汕头、增城之间的重要交通干道,交通繁忙,不能封路施工,因此考虑采用暗挖法施工。
折返线设计起始里程为SK0+102.60,终点里程支SK0+250. 40,长为147.8m。
折返北端暗挖风道长23.68m。
除公路外地面多为建筑商铺。
折返线段隧道顶面距离地表最小约为8m,最大开挖跨度约为13.4 m,断面形式为马蹄形,隧道临时支护为厚350的C20网喷混凝土,内衬为C30厚450mm的S8模筑钢筋混凝土。
折返线隧道拱部围岩主要为:<3-2>冲积-洪积砂层、<4-1>粉质粘土层、<5H-1>花岗岩残积砂质粘性土层,边墙及底部围岩主要为< 5H-2>花岗岩残积砂质粘性土层、砂层密实度较差,富水性较强,稳定性差。
花岗岩风化残积土因含砂量较多,遇水和扰动易软化崩解,水浸泡易发生崩解和流砂,甚至塌方。
砂层为饱水层,透水性强,渗透系数为15m/d,花岗岩风化残积土层<5H -1>、<5H-2>和全风化岩<6H>,饱水性较好,为弱透水层。
综合评价地质条件很差。
根据以往工程经验,在这样的地层中采用矿山法及常规辅助工法修建隧道,施工难度大,进度缓慢且工程投资难以控制,借鉴国内其他地区水平冻结的施工经验,经多方研究确定,折返线暗挖隧道采用水平冻结法预加固围岩及止水辅助施工,见图1所示。
图1 暗挖隧道冻结孔口布置图F ig.1 Sectiona l v ie w o f freezi ng ho les o fm i ned t unne l然而在折返线初期支护完毕后,冷冻站停机,外围冻结帷幕开始自然解冻将产生融沉,会引起地面及隧道沉降,危及到地面建筑物和管线的安全,为此,需要进行融沉的控制。
3 融沉控制总体方案根据以往冻土解冻的经验,结合本工程的特点,采用自然解冻措施,在自然解冻的同时及时对冻土进行跟踪注浆,见图2所示。
注浆的主要措施是根据在自然解冻期间监测反馈的信息进行地层跟踪注浆压密加固土体,具体方法为:图2 暗挖隧道注浆孔布置剖面图F i g.2 Secti onal v i ew of grouti ng ho l es of m ined tunne l388地下空间与工程学报 第6卷(1)隧道地面融沉控制采用地面注浆的方式进行,对于非车行道部分,考虑从地面打管注浆,打管时避开地下管线的位置,对于车行道部分,由于冻结冻胀胀幅度过长,广汕路路面及地下管线均进行修复,为此,融沉的治理工作安排在路面及管线恢复施工期间利用占道范围进行分期地面注浆;(2)隧道仰拱部位融沉控制采取衬砌中的预埋注浆管进行跟踪注浆,位置是在初期支护及冻土之间埋设注浆管,深度进入冻土10c m,以补偿融沉,为了保证及时均匀的填充冻土融化所产生的空隙,采用分层注浆,即由于浆液扩散面积有限,当隧道结构内预埋的注浆孔一次性注满时,随冻土解冻过程用钢筋或电钻穿透注浆层,在此注浆层外围进行再次注浆。
依次类推,直至将融化的冻土填充完毕,控制好融沉现象;(3)通过隧道衬砌中的预埋的注浆管进行冻结帷幕外围深层跟踪注浆,位置是在初期支护及冻土之间埋设注浆管,深度进入冻土10c m,隧道结构层施工结束后,利用J-200金刚石钻机在结构层预埋的注浆管中施工深层注浆孔,深层注浆孔孔深至冻结帷幕外围,然后从冻结帷幕外围进行注浆,填充、改良土体,防止冻结帷幕外围土体随着冻土融化产生的空隙而下沉。
4 施工技术措施4.1 注浆管的布设结合本工程隧道内注浆管布置重点为隧道的的仰拱部位。
4.1.1 在隧道施工初期支护、结构层时预埋注浆管。
(1)在隧道底部两端各0.5m起分28个断面预埋注浆管,每个断面宽度为5m,每个断面预埋4个注浆管。
共112个注浆管;(2) 区和 区两个断面注浆管采用梅花式错开布置;(3)结构层施工结束后,利用J-200型钻机在已预埋好注浆管中施工深层注浆孔,穿透冻结帷幕;4.1.2 预埋注浆管结构(1)注浆管选用6.66c m的镀锌管,顶端接带螺纹的外管箍,并用内丝堵封闭,管长按照结构施工调整;(2)距注浆管端部250mm处设置一道止水钢板,增加防水效果。
见图3所示。
图3 镀锌管和止水钢板示意图F i g.3 Sketch o f galvan i zed tube and steel water stop str i p4.1.3 注浆管固定浇筑混凝土前将其焊接在临时支护的主钢筋上,注浆管外口离模板约3c m,管口另一端进入冻土10c m。