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水平凍結(jié)法施工超大斷面隧道的技術(shù)研究與應(yīng)用

2016-12-23 14:19張明陳軍浩
關(guān)鍵詞:凍土鹽水斷面

張明 陳軍浩

摘要:人工凍結(jié)法施工技術(shù)在一些困難地層、復(fù)雜地下結(jié)構(gòu)施工中得到了廣泛的應(yīng)用,與其他工法相比,具有很多獨特優(yōu)點和可靠性。以廣州地鐵六號線大坦沙站方向與車站對接段隧道加固為工程背景,針對超大斷面和復(fù)雜的條件,提出采用人工凍結(jié)法施工。首先基于熱力學(xué)原理,推導(dǎo)了巖土凍結(jié)過程的水熱力耦合控制微分方程組,并采用有限元軟件對水平凍結(jié)過程進行了數(shù)值模擬,優(yōu)化了設(shè)計參數(shù)。結(jié)果表明:積極凍結(jié)45天時有效凍結(jié)壁平均溫度、有效凍結(jié)壁厚度、開挖產(chǎn)生最大變形均滿足設(shè)計要求,最大變形位于凍土底板中間位置;表明采用的人工凍土雙屈服面本構(gòu)模型及水熱力耦合控制方程是可行的。同時根據(jù)本工程特點,提出了施工技術(shù)難點與控制要點,保證了工程順利實施,研究結(jié)果具有一定的實用價值。

關(guān)鍵詞:人工凍結(jié);水熱力耦合;富水地層;地鐵隧道

中圖分類號:TU445

文獻標志碼:A

文章編號:1672-1098(2016)04-0027-06

近年來,隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展,城市規(guī)模不斷擴大,人工凍結(jié)法施工技術(shù)在一些困難地層、復(fù)雜地下結(jié)構(gòu)施工中得到了廣泛的應(yīng)用,與其他工法相比,具有很多獨特優(yōu)點和可靠性。

1940年,前蘇聯(lián)學(xué)者B.H.Bey hopr首先研究了土中的冰對凍土力學(xué)性質(zhì)的影響;H.A.UBITOBHч揭示了凍土中存在未凍水的事實,并說明了未凍水含量直接與負溫條件有關(guān)。H.A.TюTюHOB(1947)在他的博士論文中肯定了不只是正凍土中有水分遷移。H.A.ЦbITOBич和C.c.BядOB于1955年解釋了凍土流變?yōu)殡S時間變化的一個物理過程。HarLan R.L(1973),Taylor C.S.等提出了飽和正凍土水熱耦合模型;Hopke s.w.(1980)第一個考慮外載作用的凍脹模型;2001年李洪升等提出了土體在凍結(jié)過程中水熱力三場耦合一般數(shù)學(xué)模型;文獻[6]等通過凍結(jié)模型試驗獲得了凍結(jié)溫度場、水分場和凍結(jié)應(yīng)力場的特征。

廣州地鐵六號線大坦沙站至如意坊站區(qū)間暗挖段隧道凍結(jié)加固工程位于大坦沙站側(cè),為與車站對接段隧道,為雙線矩形斷面。對接段隧道長度約為13米、高7.45米、寬12米;埋深距地面僅4.43米。原設(shè)計采用明挖法施工,因施工段中部地面上有廣茂鐵路客運線穿過,同時,隧道與車站對接段有近10米的長度在5號線地鐵車站的正下方,地下污水、雨水等管線交叉穿梭。受此影響,現(xiàn)階段不方便組織明挖法施工?,F(xiàn)采用水平凍結(jié)孔凍結(jié)加固土體,礦山暗挖法施工。為此,本論文對水平凍結(jié)法施工廣州地鐵超大斷面隧道進行了技術(shù)研究。

1.人凍結(jié)水熱力多場耦合力學(xué)模型

1.1基本假定

假設(shè)土體為均質(zhì)連續(xù)、各向同性的粘彈塑性材料。研究的土體位于地下水位以下,認為土體是飽和的多孔介質(zhì)材料,并忽略氣相遷移;水分遷移主要是由溫度梯度引起的,無溶質(zhì)遷移;在飽和土中除凍結(jié)管提供的熱源外,沒有其它熱源或熱匯。假設(shè)水和土的熱動態(tài)平衡是瞬時發(fā)生的,即土粒骨架和周圍流動的水具有相同的溫度。

1.3人工凍土屈服面本構(gòu)模型

西源模型能反映材料的粘彈塑性質(zhì),本文以西源模型為基礎(chǔ),對其中的粘塑性項進行改進,以適用于凍土的復(fù)雜變形性質(zhì)。根據(jù)人工凍土室內(nèi)試驗分析提出了一個新的適合凍土的粘彈塑性本構(gòu)模型,如圖1所示。

2.水平凍結(jié)方案

2.1工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

根據(jù)勘察資料,本區(qū)段場地較平坦,起伏不大,砂層分布廣泛,厚度較大,地下水豐富,暗挖隧道埋深較淺,隧道結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)主要為<2-2>淤泥質(zhì)粉細砂層,結(jié)構(gòu)下部為<4-1>粉質(zhì)粘土層,結(jié)構(gòu)上部為人工填土。地下水水位埋藏較淺,穩(wěn)定水位埋深為0.00~4.80m。凍結(jié)加固范圍內(nèi)土層主要為<2-2>淤泥質(zhì)粉細砂。

2.2水平凍結(jié)設(shè)計方案

考慮本工程的特殊性和安全要求,凍結(jié)帷幕設(shè)計厚度為2.0m,平均溫度不高于-10°C,采用水平凍結(jié),側(cè)墻和頂部單排凍結(jié)孔,底板雙排凍結(jié)孔,暗挖段端頭用雙排垂直孔封堵,凍結(jié)管規(guī)格為ω108×8的20#低碳鋼無縫鋼管。凍結(jié)孔成孔間距控制在1.3m以內(nèi)(底部雙排孔控制間距不大于1.6m),總凍結(jié)孔個數(shù)為120個,測溫孔10個,卸壓孔8個。設(shè)計最低鹽水-溫度為-28~-30~C,凍結(jié)7天鹽水溫度達一20%以下,單孔鹽水流量5~7m3/h。根據(jù)本工程超大斷面的特性,采取分區(qū)開挖,中間部位水平凍結(jié)孔先開機凍結(jié),垂直凍結(jié)孔及兩側(cè)凍結(jié)孔延后10-15天開機凍結(jié)。凍結(jié)施工過程中為減小對上部既有結(jié)構(gòu)的影響,凍結(jié)施工前應(yīng)通過上部卸壓(注漿)孔XTl~XTl3對5號線車站下方、暗挖通道上方土體進行卸壓,壓力不易卸除時可通過泥漿循環(huán)將泥土帶出,以減少凍結(jié)期間凍脹對上部站臺結(jié)構(gòu)的破壞作用。開挖期間根據(jù)地面沉降情況對上部卸壓(注漿)孔XTl~XTl3進行適當(dāng)注漿,開挖結(jié)束后根據(jù)地層沉降情況對上部卸壓(注漿)孔XTl~XTl3和通道內(nèi)預(yù)埋注漿管進行注漿。凍結(jié)孔和測溫孔平面布置和立面布置如圖2所示。

3.凍結(jié)過程水熱力耦合分析

3.1計算參數(shù)

由于工程影響范圍不大,假設(shè)工程所在位置計算范圍內(nèi)各地層均水平分布。凍結(jié)加固范圍內(nèi)土層主要為<2-2>淤泥質(zhì)粉細砂,根據(jù)凍土實驗報告,取土層對應(yīng)的物理參數(shù)。計算時,凍結(jié)前初始地溫和空氣溫度取25°C,空氣對流系數(shù)為5.0W/m2·℃,結(jié)冰溫度取-0.6℃,-10%時凍土強度指標取抗壓6.4MPa,抗折3.0MPa,抗剪5.5MPa,凍土的彈性模量和泊松比分別取210MPa和0.23。模型材料的計算參數(shù)如表1所示,鹽水溫度降溫計劃如表2所示。

3.2計算結(jié)果及分析

(1)凍結(jié)溫度場計算結(jié)果

通過有限元計算,說明凍結(jié)交圈時間為15~20天左右;積極凍結(jié)45天后,首先開挖的左上部臺階位置凍土,頂部有效凍結(jié)壁厚度可達2.7m,側(cè)墻達到2.3m,有效凍土平均溫度達到-11.1℃;“田”字形凍土體中間土體不會凍結(jié),開挖邊界溫度約為-7.5℃,凍結(jié)溫度場云圖如圖3所示。

根據(jù)溫度場計算,設(shè)計積極凍結(jié)時間為45天;考慮維護結(jié)構(gòu)散熱影響,設(shè)計有效凍結(jié)壁平均溫度-10℃,有效凍結(jié)壁厚度為2.0m??煽紤]分區(qū)開始凍結(jié),中間位置凍結(jié)孔比周邊孔先開機凍結(jié),左上部分區(qū)凍結(jié)45天后可開始開挖左上部通道,此時右下部通道最薄處凍土墻為右下側(cè),凍土厚度為1.9m,開挖到此處時可以達到設(shè)計參數(shù)。

(2)凍土結(jié)構(gòu)計算結(jié)果凍結(jié)壁力學(xué)分析水平通道外圍凍結(jié)壁有效厚度為2.0m,凍結(jié)壁平均溫度為不高于-10℃。凍土壁承載力驗算采用許用應(yīng)力法,根據(jù)《旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程》中的Ⅲ類凍結(jié)壁強度檢驗,同時考慮本工程安全I生質(zhì),安全系數(shù)?。嚎箟?.0,抗折3.0,抗剪3.0。凍結(jié)壁頂面所受土壓力根據(jù)開挖向下變形特性按主動土壓力計算,側(cè)面承受水土壓力取靜止側(cè)壓力系數(shù)0.7計算,土的平均重度取18.5kN/m3,計算結(jié)果如圖4所示。

從計算結(jié)果可以看出,計算的應(yīng)力值小于強度值,凍結(jié)壁的總體承載能力可以滿足施工要求。開挖產(chǎn)生最大變形位于凍土底板中間位置,最大達65mm,開挖時需要采取措施以減小凍土變形。

根據(jù)底部開挖附加變形過大的問題,設(shè)計采取分區(qū)分斷面開挖,中間布置兩排凍結(jié)孔,形成兩排凍土立柱,開挖斷面大致分為三個區(qū)。施工過程中先開挖中間區(qū)域部分,保留兩側(cè)凍土立柱,中間部分初襯和二襯做完后,再開挖兩側(cè)部分,兩側(cè)部分應(yīng)先施工底部初襯和二襯,再施工上部初襯和二襯,施工過程中應(yīng)制定詳細的工藝流程、開挖步驟,做到隨挖隨撐,加強監(jiān)測控制好凍土底板變形。

4.主要施工技術(shù)難點及控制要點

根據(jù)廣州地區(qū)地層凍結(jié)法設(shè)計和施工經(jīng)驗以及該工程所處位置的自身特點,存在以下主要技術(shù)難點

(1)結(jié)構(gòu)所處的土層為砂性土,含水量高,滲透性強,為透水土層,本段砂層分布廣泛,且厚度大,連通好,和地表水水力聯(lián)系密切,富水性強。在鉆孔和開挖時,易發(fā)生涌水坍孔等事故。

(2)凍結(jié)施工地點離兩側(cè)珠江水系較近,有500多米。易受江面潮水起落影響,引起地下水的流動,造成一定的冷量損失。

(3)凍結(jié)地層離地面較近,頂板凍結(jié)邊線離地面只有約2.4米,廣州的氣溫較高,氣溫對地面的溫度影響對凍結(jié)帷幕不利,以及積極凍結(jié)期主要位于雨季,可能對凍結(jié)效果影響比較大。凍結(jié)期澆筑混凝土,可能對混凝土本身的強度造成一定影響。

(4)地面有正在運營的地鐵5號線,凍結(jié)區(qū)域離站廳較近,凍脹力釋放控制不當(dāng)容易引起車站站棚變形。同時凍結(jié)體頂板處有排水管路,凍結(jié)過程中很容易對管路造成凍脹擠壓破壞,施工過程中需采取有效措施減小凍脹對附近構(gòu)筑物的影響。

針對以上技術(shù)難點,施工過程中應(yīng)做好以下技術(shù)要點的控制

(1)凍結(jié)施工前,應(yīng)對該地層進行適當(dāng)?shù)母牧夹宰{,以減小流動性雨水、地下水等對凍結(jié)壁的影響,同時減小施工過程中的凍脹以及后期的融沉。

(2)鉆孔時,采取二次開孔,首先將車站結(jié)構(gòu)和連續(xù)墻開孔開通,在孔口安裝專門的密封裝置,再進行鉆孔施工。采取跟管法鉆進,凍結(jié)管兼做套管,一次性成孔,減少水土流失,控制對地層的擾動。控制凍結(jié)孔施工質(zhì)量,在凍結(jié)孔長度、偏斜和密封性能上保證100%合格。

(3)凍結(jié)制冷量保留較大富余,設(shè)備考慮一定量的備用,以保證凍結(jié)施工的連續(xù)性,確保加固質(zhì)量和施工安全。

(4)在地面站廳和凍結(jié)線位置施工一定量的水平卸壓孔,安裝壓力表,進行動態(tài)監(jiān)測,并結(jié)合沉降及變形監(jiān)測情況及時進行卸壓,控制凍脹力對周邊環(huán)境的影響。

(5)開挖過程中采用分區(qū)、分臺階法、小斷面、短步距的開挖方式,并及時進行臨時支護,為減小開挖面凍結(jié)壁散熱以及低溫凍土對新澆筑混凝土的影響,初襯采用鋪設(shè)木背板加型鋼后噴射混凝土支護。隨著開挖暴露面不斷增大,必要時采取鋪設(shè)保溫層等保溫措施。

(6)加強凍結(jié)過程中對鹽水箱液面的測量,一旦發(fā)現(xiàn)鹽水泄漏,及時匯報,并及時對現(xiàn)場所有鹽水管路進行檢查,首先判斷是因凍結(jié)管斷裂或焊接質(zhì)量有問題出現(xiàn)的鹽水泄漏(此鹽水漏人凍結(jié)土體內(nèi)),還是從凍結(jié)膠管或是鹽水干管及閥門中泄漏的(此鹽水未漏人凍結(jié)土體內(nèi))。若鹽水漏人凍結(jié)土體外,直接根據(jù)情況及時修復(fù),再恢復(fù)凍結(jié);若鹽水漏入凍結(jié)土體內(nèi),則要用排除法進一步確定是哪些組出現(xiàn)了問題,最后確定到具體的凍結(jié)管,采用下套管的方法,再恢復(fù)凍結(jié)。

在施工過程中,加強對地面、地層壓力、土體溫度、地層沉降進行監(jiān)測,為指導(dǎo)施工。為減少融沉對結(jié)構(gòu)的影響,在結(jié)構(gòu)上預(yù)埋注漿管,施工結(jié)束后,進行跟蹤注漿施工,控制融沉量,直至穩(wěn)定。

本工程冷凍機于2012年3月23日開始正式運轉(zhuǎn),5月13日所有凍結(jié)孔開始凍結(jié),6月16中間區(qū)域正式開挖,9月19日完成整個暗挖段二襯結(jié)構(gòu),施工取得了圓滿成功。并且在此施工過程中所有監(jiān)測數(shù)據(jù)正常,均在允許范圍內(nèi),對周圍構(gòu)筑物及環(huán)境未造成任何重大影響。5結(jié)論

本文以廣州地鐵六號線大坦沙站方向與車站對接段加固隧道為工程背景,針對超大斷面和復(fù)雜的工程地質(zhì)條件,開展凍結(jié)法施工技術(shù)研究,獲得以下幾點結(jié)論:

(1)基于熱力學(xué)原理,推導(dǎo)巖土凍結(jié)過程的水熱力耦合控制微分方程組,獲得適用于人工凍土的雙屈服面本構(gòu)模型,通過工程實例驗證了模型的正確性。

(2)采用有限元軟件對水平凍結(jié)過程凍結(jié)壁水熱力耦合進行數(shù)值模擬,得出開挖產(chǎn)生最大變形位于凍土底板中間位置,根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果,進一步優(yōu)化了凍結(jié)設(shè)計參數(shù)。

(3)根據(jù)廣州地區(qū)人工凍結(jié)法施工經(jīng)驗以及本工程所處位置的自身特點,指出大斷面隧道凍結(jié)法施工的技術(shù)難點,并提出相應(yīng)控制要點,在工程中得到較好應(yīng)用,保證了工程順利實施,相關(guān)技術(shù)可供類似工程參考。

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