1、? 第 6卷? 第 2期? ? 地 下 空 间 与 工 程 学 报Vo. l 6? ?2010年 4月? ?Chinese JournalofUnderground Space and EngineeringApr . 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2、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: TU 472 . 9? ? 文献标识码: A?文章编号: 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7、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?mai:l tsych l163 . co m超过 67 km。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8、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9、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 . 8 m。折返北端暗挖风道长 23 . 68m。10、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 . 4m, 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: 冲积 -洪积砂层、 粉质粘土层、 花岗岩残积砂质粘性土层, 边墙及底部围岩主要为 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 、 和全风化岩 , 饱水性较好11、, 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Fig . 1? Sectionalvie w of freezing holes ofm ined tunnel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12、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 ig . 2?Sectional view of grouting holes ofmined tunnel388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13、, 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 10 cm, 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14、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 10 cm, 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 . 5 m 起分 28个断面预埋注浆管, 每个断面宽度为 5 m, 每个断面预埋 4个注浆15、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 . 66 cm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 250 mm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 ig . 3?Sketch of galvanized tube and steelwater ?stop strip4 . 1. 3? 注浆管固定16、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 3 c m, 管口另一端进入冻土 10 c m。4 . 2? 注浆设计参数4 . 2. 1? 注浆材料选用根据隧道范围内土层的特性冻土融沉注浆采用单液浆, 及水泥和粉煤灰, 其配比为: 使用水灰比为 2 : 3的水泥浆。最后注浆结束后不再出现融沉时, 采用双液浆封孔, 封孔选用水泥和水玻璃浆液,水泥浆与水玻璃配比为 1 : 0 . 2 0 . 5 ; 双液浆初凝时间约为 45 60m in 。4 . 2. 2? 注浆时间控制初期支护施工完毕后, 冷冻机停机, 即进入自然解冻期, 等初期支护混凝土达到一定强度时再进行跟踪注浆, 注浆17、对于冻结状态下的土层一般是难以进行的, 只能对融层状态下的土层注浆才可达到应有的效果, 因此注浆时间控制应以冻结土层开始融化时为准, 一般停机 15 d后开始注浆。融沉注浆时间约为 6个月, 原则上以隧道和地面不再沉降为准。4 . 2. 3? 注浆压力考虑地面覆土厚度, 为防止隧道结构受到影响, 选用小压力, 多次注浆的方式, 注浆压力为 0 . 2 0. 3MPa , 瞬间压力不超过 0 . 5MPa , 注浆量控制在 10 15 L /m in 。4 . 2. 4? 注浆顺序注浆顺序, 先隧道底部, 再隧道中部, 每一注浆段中遵循先下部、 后中部的原则, 使加固的注浆液逐渐向上扩展, 避免18、死角, 改善隧道土体, 提高充填效果。4 . 2. 5? 注浆量根据以往经验, 融沉注浆总量一般为冻土体积的 15% 左右, 经过计算该工程注浆量约为 3340m3, 实际用量以地面及隧道不沉降为准。3892010年第 2期? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 曹红林: 地铁隧道冻结法施工融沉控制方案及实施4 . 2 . 6? 注浆结束标准注浆是否结束根据隧道沉降监测反馈的信息和最大注浆压力控制, 一般情况下注浆结束压力为0 . 5 0 . 7 MPa , 浆液注入量控制在冻土体积的 15%左右, 地面变形基本稳定在 2 mm 左右。注浆结束后, 要再注入双液浆封堵注浆管, 并由工人修整19、管口与砌筑面一样平, 既保证结构强度, 又美观整齐。4 . 3? 注浆与其它工序交叉施工的协调与组织由于冻土自然解冻的时间较长, 融沉的治理不得不与其他工序交叉进行, 且跨越隧道建设及地铁的运营期。对于与隧道施工的工序交叉的施工组织: 二衬仰拱基面清理完成后, 将初支预埋的注浆管接长,直到长度露出二衬仰拱回填的混凝土面为止, 防水板铺设时将注浆管穿透防水板。拱墙衬砌施工完成后启用预埋的注浆管进行注浆。融沉注浆处理跨越了隧道装修及机电施工期,所埋设的注浆管的位置应避开轨道的道床排水沟及轨道的铺设位置, 且注浆管外露的长度不超过轨道道床混凝土面 15 cm, 因折返线隧道短, 轨道铺设采用人工铺架20、, 为此融沉注浆施工可与轨道铺架同时进行, 隧道内强电的施工与仰拱融沉注浆也可同时进行;融沉注浆工作在地铁运营后, 则安排在每天地铁停运的时间段进行。5? 施工监测融沉控制应加强地面沉降和隧道内部沉降及变形监测, 隧道内部沉降及变形监测数据及时分析, 根据监测数据分析结果及时跟踪注浆。( 1)地面沉降监测: 利用折返线隧道范围内布置地表沉降监测点, 监测隧道施工期间及后期融沉间的地表沉降变化;( 2)隧道内部沉降监测: 对隧道施工范围内的沉降变化进行监测, 沉降点设置在隧道底板中心线上, 测点间距为 5m。( 3)监测频率: 在隧道施工期间, 地面监测 2 d一次, 隧道施工结束后为 5 d一21、次, 一个月后改为10 15 d一次。6? 结语广州市地铁三号线天河客运站折返线隧道冻结施工于 2005年 7月 10日开始至隧道竣工, 直至三号线通车, 冻结隧道周边环境、 地面及隧道在冻土自然融化过程中有过冻胀和融沉产生, 但由于在施工过程中及竣工后, 做有相应的应对措施, 融沉等危害得到了有效控制, 没有对周边环境、 地面及隧道产生较大的影响。本工程设计与施工的成功实践表明:( 1)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压密加固融沉土体的方案是切实可行的;( 2)注浆对于冻结状态下的土层一般是难以进行的, 只能对融沉状态下的土层注浆才可达到应有的效果, 因此注浆时间控22、制应以冻结土层开始融化时为准;( 3)跟踪监测、 及时注浆是有效控制地面沉降的保证, 应根据实时监测数据及时进行注浆, 注浆遵循少量多次的原则, 严格控制注浆压力。参考文献 ( References) 1? 罗俊成, 史海欧. 长距离水平冻结法在广州地铁中的应有和实践 J. 现代隧道技术, 2002 , 39( 2): 22?26.( Luo Juncheng , Shi Haiou .Application of horizontalground freezing method to guangzhou metro J. 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