富水砂層交疊聯絡通道凍結設計方案研究

石立民, 葉玉西, 杜有超, 董世卓

(1. 中交第一航務工程局有限公司, 天津 300450; 2. 北京中煤礦山工程有限公司, 北京 100013; 3. 礦山深井建設技術國家工程研究中心, 北京 100013)

0 引言

由于人工凍結法具有加固土體強度高、封水效果好、結構形式靈活等優點,已經成為富水軟土地層地鐵聯絡通道[1-2]、端頭井[3-4]加固施工的主要工法之一。隨著城市地下空間的拓展,較大體量、大斷面、非常規的通道、隧道、換乘通道,甚至地下車站等地下工程開始采用凍結法施工[5-6]。聯絡通道是2條地鐵區間隧道之間按照一定距離設置的緊急疏散通道,通常還具有匯集排水、防火功能。常規地鐵聯絡通道、端頭井凍結工程,凍結體量通常較小,凍結設計相對簡單。王書磊等[7]從設計角度,對聯絡通道凍結加固專項設計中的風險進行分析并提出管控措施。楊超等[8]對上海長江隧道常規聯絡通道進行現場實測,分析凍結溫度場演化規律,并以凍結效率為考察指標,對凍結設計進行了優化。

對于非常規聯絡通道的研究,目前主要集中在距離長、地層條件差及位置特殊等方面。王書磊等[9]系統介紹了復雜工況條件下超長聯絡通道設計與施工中的關鍵技術;朱澤萱等[10]對66 m 超長聯絡通道凍結設計和施工遇到的系列技術難題進行研究,設計采用雙集水井結構、減小聯絡通道尺寸等優化措施;宋杰[11]介紹了停機坪下富水卵礫石地層聯絡通道施工技術措施;張明等[12]基于富水卵石地層聯絡通道凍結法設計和施工的工程實踐,提出了大流速、強透水砂卵石地層凍結施工保障措施;胡雙平等[13]對富水卵礫石地層凍結壁的受力狀態進行研究,得到以強度控制標準為前提條件的地鐵聯絡通道凍結壁厚度設計計算公式。

對異型聯絡通道凍結的相關研究中,黃浩斌[14]、王超[15]以武漢市軌道交通7號線香港路站—三陽路站區間聯絡通道為例,基于單一凍結方案,研究了錯落區間通過上下疏散平臺與斜向通道連接的結構形式下,異型聯絡通道凍結溫度場分布規律及施工過程中隧道、聯絡通道、凍結壁的受力變形規律。馬俊[16]以常州地鐵1號線翠竹站—常州火車站區間平面斜交聯絡通道為例,研究了在水平面內傾斜31.2°的聯絡通道凍結溫度場發展規律及凍脹引起的地表位移變化規律,并采用數值模擬方法對該工程凍結溫度分布規律、開挖應力場及位移場進行三維數值模擬研究。

隨著城市軌道交通的快速發展,大量的地鐵區間隧道在城市核心區域建設。軌道交通線路選擇過程,不可避免地與既有建構筑物基礎發生沖突,使得平行的雙線隧道變成上下疊落區間。疊落區間交疊聯絡通道結構形式與水平區間聯絡通道結構形式差異較大,采用凍結法施工時,其凍結孔布置、凍結壁形式、凍結工序銜接均與常規不同。

本文依托哈爾濱地鐵3號線2期工程河山街站—河松街站疊落區間交疊聯絡通道工程,結合地勘資料、現場實際條件,依據現場取樣土體的低溫物理力學參數試驗結果,對凍結方案進行設計研究,得到滿足施工安全高效且經濟合理的交疊聯絡通道凍結設計方案。

1 依托工程背景

哈爾濱市軌道交通3號線2期工程河山街站—河松街站區間(河河區間),部分隧道沿高架橋走向布置,自河山街站的雙線平行區間,至河松街站變為完全疊落區間,疊落長度為405.256 m,豎向距離為2.1～6.1 m。在區間內設置1處外掛聯絡通道兼泵房,由2條水平交疊通道及垂直豎井聯絡通道組成(以下簡稱交疊聯絡通道)。水平通道長度為13.53 m,上層水平通道頂覆土厚度約為16.3 m,下層水平通道頂覆土厚度約為27 m,結構底板埋深34.256 m;通道寬度為4.2 m,豎井段寬度為6.7 m,高度為18.68 m。豎井段設置外徑900 mm、壁厚20 mm出地面的新風井。經多次論證,交疊聯絡通道采用凍結法加固、暗挖構筑施工。交疊聯絡通道結構形式見圖1。

圖1 交疊聯絡通道結構形式(單位: m)

交疊聯絡通道距離松花江僅1.5 km,所處地層地下水位受季節影響,最淺水位約為2 m,聯絡通道主要處于飽和砂層中,聯絡通道地層情況見圖1。

交疊聯絡通道位于前進路與鋼鐵街交叉口的三角空地內,正上方有φ200 mm鑄鐵給水管、φ150 mm銅供電管和300 mm×150 mm銅供電管、φ800 mm混凝土污水管;通道距離錦江綠色家園15#樓約8.79 m,該建筑為框架剪力墻結構,1層地下室深3.8 m,振動灌注樁基礎,樁長11.5～18.6 m。周邊環境與工程相互影響大,破壞后果嚴重。

2 設計方案研究

2.1 凍結壁厚度設計

在沒有進行凍土物理力學試驗情況下,凍結設計通常取-10 ℃條件下凍土單軸抗壓強度不小于4.0 MPa,彎折強度不小于1.8 MPa,抗剪強度不小于1.5 MPa。本次凍結設計之前,自施工現場取土,送至礦山深井建設技術國家工程研究中心凍土實驗室進行土體低溫物理力學試驗,得到-10 ℃情況下各土層低溫狀況下的力學試驗結果,見表1。根據凍土低溫力學試驗結果并結合類似設計經驗,凍結設計取凍土力學試驗偏于安全的-10 ℃凍土強度指標,具體為: 單軸抗壓強度3.53 MPa,抗折強度2.03 MPa,三軸抗剪強度1.51 MPa。

表1 交疊聯絡通道層位凍土低溫力學試驗結果

凍土壁承載力驗算采用許用應力法,通道頂部及側墻凍結帷幕厚度為3.0 m,集水井底部凍結壁厚度為4.0 m,平均溫度為-10 ℃,強度檢驗安全系數取:抗壓強度2.0,抗折強度3.0,抗剪強度2.0。采用有限元軟件計算,計算模型見圖2。按照最不利工況進行計算,凍土帷幕頂部荷載按靜止土壓力計算,靜止側壓力系數取0.49,平均重度取20.0 kN/m3,考慮聯絡通道上方地面環境,頂部超載取為 20 kPa。計算結果顯示,凍結壁強度和位移均符合規范,能夠滿足施工要求,計算結果見圖3和表2。

圖2 聯絡通道三維計算模型

(a) 最大主應力

(b) 剪應力

表2 凍土帷幕應力、位移計算值及安全系數

2.2 凍結孔設計

根據交疊聯絡通道結構形式,采用“地面垂直+洞內水平凍結”加固方式設計。交疊聯絡通道頂部、底板及兩側采用洞內水平孔形成凍結帷幕包裹,頂部風井管后端及豎井封端采用垂直孔凍結,凍結孔布置見圖4和圖5。圖中D1—D38為側墻凍結孔,ZA1—ZA3、ZB1—ZB22為地面垂直凍結孔。

2.3 泄壓孔及測溫孔設計

由于凍結壁距離最近的建筑物僅有4.56 m,為避免施工過程中的凍脹對建筑物造成過大影響,在上下通道鋼管片開口環各布置泄壓孔4個,分別為SX1—SX4,見圖4;在地面布置垂直泄壓孔6個,分別為X1—X6,見圖5。施工過程中確認凍結壁交圈之后洞內泄壓孔應及時進行泄壓,避免凍脹力影響隧道安全。

(a) 凍結孔布置剖面

(b) 凍結孔開孔位置

圖5 上通道凍結孔布置平面圖

為了判斷凍結壁發展狀態,在地面布置2個測溫孔、上下通道各布置8個測溫孔,孔內根據需要每1.5～2 m布置1個測點。為了確保風井位置凍結帷幕完整,在風井后側布置3個加強孔,深度與風井管等長。

2.4 主要凍結參數要求

地層主要凍結參數和指標有:

1)垂直凍結管采用φ108 mm×5 mm、水平凍結管采用φ89 mm×8 mm的20#低碳無縫鋼管;共設計垂直凍結孔25個,總長度為920.75 m;水平凍結孔229個,總長度為2 895.96 m。

2)垂直凍結孔主要采用雙供液管方式,聯絡通道結構上部3 m以上范圍采用局部凍結方法。

3)設計積極凍結時間為50 d左右,根據現場監測情況確定。

4)凍結7 d鹽水溫度達-18 ℃以下,凍結15 d鹽水溫度降至-24 ℃以下,最低鹽水溫度為-28～-30 ℃。

5)凍結孔單孔流量不小于5 m3/h。

6)增加隧道支撐數量,數量由普通聯絡通道的總計4榀增加至12榀,在洞門開口環兩側各安裝隧道支撐3榀。

7)在上下通道與隧道連接處均設置變形縫,減少聯絡通道結構可能產生的差異沉降對隧道結構的影響。

8)鄰近建筑物位置設計6個地面垂直泄壓孔,用以釋放凍脹力,減少對相鄰建筑物的影響。

9)為了避免大體量凍結同時開機制冷產生較大凍脹,上下通道分期分區凍結,下通道首先開機凍結,上通道滯后25 d開機。

3 凍結施工情況

交疊聯絡通道下通道自2022年11月19日開機凍結,下通道泄壓孔初始壓力為0.25～0.26 MPa,至2022年12月12日泄壓孔開始漲壓,3#泄壓孔最高漲至0.438 MPa后開始泄壓,見圖6;上通道泄壓孔初始壓力為0.14～0.16 MPa,2023年1月1日泄壓孔開始漲壓,壓力最高漲至0.455 MPa后開始泄壓,泄壓后泄壓孔壓力快速上漲,說明凍結壁交圈良好。

圖6 下通道泄壓孔壓力變化曲線

下通道開挖條件驗收后開始拉管片,開挖過程中開挖面凍結效果良好。至2023年6月6日,交疊聯絡通道主體結構施工完成,開挖構筑施工期間凍結壁土體穩定,凍結效果滿足設計要求。

項目凍結施工期間持續對地表、周邊建筑物進行監測,監測點布置見圖7。圖中,圓點為建筑物變形監測點,三角形點為地表變形測點,部分地表測點垂直位移變化見圖8。監測結果顯示,凍結期間地表最大凍脹量為8.59 mm,凍脹量可控。

圖7 地面監測點布置圖(單位: m)

圖8 部分地表測點垂直位移變化曲線

4 結論與建議

以哈爾濱地鐵3號線2期河山街站—河松街站區間聯絡通道為例,研究得到了適用于交疊聯絡通道的凍結設計方案。依據該設計,實現了交疊聯絡通道凍結安全、施工高效的目的,確保了開挖構筑安全。

4.1 結論

1)根據對應土樣低溫物理力學試驗結果進行驗算,通道頂部及側墻凍結帷幕厚度為3.0 m,集水井底部凍結壁厚度為4.0 m,平均溫度為-10 ℃,能夠滿足施工要求。

2)采用“地面垂直+洞內水平凍結”方式,即洞內水平凍結包裹交疊聯絡通道上下及左右,垂直孔進行豎井段凍結壁封底,凍土進開挖荒徑少,凍土鑿除工作量小,開挖效率高,工期進度可控,經濟性好。

3)方案實施結果顯示,通過分區分期凍結、垂直凍結孔局部凍結,地面設置垂直泄壓孔并配合洞內水平泄壓孔及時泄壓,施工期間地表最大凍脹量為8.59 mm,有效控制了凍脹對地面建筑物的影響。

4)通過增加隧道支撐數量,結合洞內及時泄壓,凍結及開挖構筑期間隧道結構處于穩定安全狀態。

5)由于交疊聯絡通道項目開挖體量大、工期長,采用分期分區凍結方式有利于控制凍結壁發展過大。河河區間交疊聯絡通道上通道滯后下通道25 d開機,下通道施工完成后,上通道凍結效果滿足設計要求。

4.2 建議

1)交疊聯絡通道上下通道通過豎井連通,對于首例全暗挖垂直聯絡通道,偏于安全考慮,凍結壁設計中未考慮上下通道凍結壁厚度差異,下一步可在監測的基礎上進行上通道凍結壁厚度優化。

2)疊落區間交疊聯絡通道凍結體量大,上通道凍結延后下通道一段時間凍結,延長時間可根據下通道開挖構筑時間、上通道凍結孔成孔間距等綜合確定。本文未對上下通道開機間歇時間進行研究,下一步可進行深入研究,以指導類似工程施工。同時,凍結帷幕壁融沉效應亦是大體量凍結項目的控制重點,后期可對凍結溫度場融化規律,融沉對周邊環境、隧道結構的影響及控制措施進行進一步研究。