交叉施工条件下超长盐水管路输送联络通道冻结加固监测数据分析

作者：戴小松徐林有张凯

单位：中建三局基础设施建设投资有限公司

摘要：以某联络通道冻结加固工程为背景, 详细介绍了盾构掘进与联络通道冻结加固交叉施工条件下, 在隧道外车站中板设置一个冻结站, 通过1条超长管路输送低温盐水同时冻结2条联络通道, 施工中降低交叉施工干扰并提高土体冻结加固效果的控制措施。并以1号联络通道的冻结施工监测数据为例, 通过对盐水温度的监测分析冻结设备运转及土体冻结过程中盐水温度变化规律, 利用测温孔和卸压孔监测数据分析出深厚富水砂层冻结帷幕的发展及冻结帷幕的交圈等。

关键词：地下工程联络通道冻结加固监测数据分析

作者简介：戴小松, 高级工程师, E-mail:332163848@qq.com
基金：中建三局科技研发课题 (CSCEC3B-2016-12)

联络通道往往设置在地铁隧道的最低处, 承担集、排水及紧急情况下疏散乘客的功能^[1,2,3]。尤其在软弱地层中, 联络通道施工难度大, 存在坍塌危险, 很多工程由于技术上的失误在开挖联络通道时造成了重大损失^[4,5]。因此, 在联络通道施工前, 须对其周围地层进行加固, 而冻结法是一种安全可靠、适应性强、绿色环保的地层加固技术, 目前广泛运用于复杂地层地铁联络通道的土体加固施工中^[6,7]。国内外很多专家针对人工地层冻结在市政工程中的应用进行研究^{[8,9,10,11,12]}。目前, 国内外地铁联络通道的冻结加固施工基本都是在隧道贯通后才进行的。但随着城市地铁的快速发展, 需要在保证冻结施工质量的前提下尽可能缩短工期, 所以盾构掘进与联络通道冻结就不可避免地出现交叉施工的情况。

本文以此为背景, 在前人研究的基础上, 对百步亭花园路站—新荣站超长盐水管路输送联络通道冻结加固施工中降低交叉施工干扰措施及冻结施工过程中的盐水温度、冻土温度、卸压孔压力等进行了分析。

1 工程概况

武汉地铁21号线百步亭花园路站—新荣站区间地面标高20.770m, 冻结站设置在百步亭花园路车站中板上, 1号联络通道兼泵房覆土厚19.28m, 线间距13.96m, 距百步亭花园路车站534.637m;2号联络通道覆土厚17.57m, 线间距13m, 距百步亭花园路车站1 005.725m。循环盐水主管路总长约2.2km。两联络通道地处长江Ⅰ级阶地, 全断面处于砂层中, 本层厚度5.3～28.8m, 分布连续, 顶板埋深约10.0～30.0m。含水层顶板标高10.120～17.590m, 含水层厚度20.2～48.4m, 勘察期间实测承压水位14.790～16.650m。

2 冻结加固设计

2.1 关键参数选择

由于1, 2号联络通道为全断面粉砂地层, 且地下水丰富, 联络通道冻结法加固关键参数如表1所示。

表1 主要冻结施工参数

Table 1 Main freezing construction parameters

序号	参数名称	1号	2号
1	冻土帷幕平均温度/℃	≤-10	≤-10
2	积极冻结时间/d	≥55	≥55
3	冻结孔最大间距/mm	1 500	1 500
4	最低盐水温度/℃	-28	-28
5	单孔盐水流量/ (m³·h^-1)	5～7	5～7
6	冻结管规格/mm	ϕ89×8	ϕ108×8

2.2 冻结孔、测温孔及卸压孔布置

为了保证联络通道及泵房开挖时的安全, 1号联络通道采用在2条隧道分别钻孔的方案, 即在2条隧道均打设冻结孔、测温孔及卸压孔, 并在隧道底部打设2排冻结孔, 将联络通道及泵房封闭, 这样泵房内挖不到冻结管, 确保了冻土的强度及安全, 对侧隧道冻结孔通过透孔向其供给盐水, 管内循环至本侧隧道盐水回路管内。冻结孔按上仰、近水平、下俯3种角度布置在联络通道和泵房的四周。在通道下部布置2排冻结孔, 上部布置3排冻结孔, 加强土体冻结效果, 共布置冻结孔73个, 卸压孔4个, 测温孔10个。2号联络通道由于没有泵房, 只在1条隧道内钻冻结孔, 冻结孔按上仰、近水平、下俯3种角度布置在联络通道四周, 上部和下部均布置2排冻结孔, 加强土体冻结效果, 共布置冻结孔42个, 卸压孔4个, 测温孔10个。

3 联络通道冻结施工

冻结孔的施工方法与目前流行的粉砂地层中冻结孔的施工方法基本一致, 混凝土管片冻结孔均采用二次开孔技术。冷冻机组根据规范要求进行计算选型。现针对超长盐水管路输送过程中管路保温与增压施工控制措施及交叉施工相互影响的控制措施进行分析。

3.1 管路保温与增压施工控制措施

1) 盐水管路安装时采用20mm厚聚苯乙烯保温板或棉絮进行双层保温, 保温层的外面用塑料薄膜包扎, 在管路安装完成、试压合格后盐水管路法兰连接处进行保温加强处理。

2) 冻结加固范围内铺设厚度≥30mm的聚苯乙烯泡沫塑胶保温板对管片进行隔热保温, 保证冻土与管片交界面冻结质量。

3) 在去路盐水管与1号联络通道冻结管连接处的后部增设1台离心泵, 保证通往2号联络通道去路盐水管的流量, 并在2号联络通道上部冻结管的去路盐水管上增设离心泵, 保证2号联络通道土体冻结质量。

3.2 交叉施工控制措施

由于存在盾构掘进与联络通道冻结加固的交叉施工, 在实际施工中采取了如下措施控制交叉施工带来的干扰。

1) 根据隧道平纵断面图, 提前在联络通道位置处的盾构施工污水管上增设球阀, 方便冻结孔施工期间废水的排放。

2) 在联络通道一侧设置长20m、宽60cm的材料、机器临时堆放平台。

3) 搭建门式脚手架工作平台, 确保施工联络通道上部及两侧冻结孔时盾构施工的电瓶车编组可以顺利通过。

4) 根据盾构施工安排组织不同部位冻结孔施工, 盾构机正常掘进时施工联络通道上部冻结孔, 盾构停机维保期间根据停机时间对下部冻结孔进行施工。

5) 准备好内径159mm、长200mm的主盐水管路卡箍及内径89mm、长100mm的支管卡箍 (高压橡胶管的直径需要确认) , 保证交叉施工过程中, 盐水管路轻微破损的情况下无需停机快速修复。

4 监测与数据分析

以武汉地铁21号线百新区间1号联络通道为例, 对土体冻结加固过程中的温度、压力监测数据进行分析。

4.1 盐水温度监测数据分析

百新区间盐水输送管路长2.2km, 为保证监测数据可以准确判断联络通道的冻结加固情况, 在联络通道位置处去、回路盐水管上各设置1个测温点, 对进、出联络通道的盐水温度进行监测。1, 2号联络通道盐水温度从2017年4月18日开始监测, 以1号联络通道为例, 去、回路盐水温度监测结果如图1所示。

图1 盐水去回路温度-时间变化曲线

Fig.1 The curve of temperature and time variation

从图1中可以看出积极冻结7d盐水温度降至-18℃以下;冻结15d盐水温度降至-24℃以下;开挖时盐水温度降至-28℃以下, 满足设计要求。积极冻结中前期去、回路盐水温差较大, 随着冻结帷幕逐渐交圈所需冷量减小, 去、回路温差逐渐减小, 最后趋于稳定。

4.2 测温孔监测数据分析

为了解不同部位的冻土温度发展情况, 分别在联络通道的上、下部及两侧布置10个测温孔, 其中盐水主管路一侧布置C1, C2 2个测温孔, 对侧隧道布置C3～C10 8个测温孔。测温孔布置如图2所示。

图2 联络通道开孔布置

Fig.2 Holes layout of contact passage

选取与联络通道两侧透孔基本平行的C5, C6测温孔温度监测数据进行分析, 由于C5, C6测温孔主要受其一侧冻结透孔的影响, 且C6距离冻结孔较近, 以此进行分析可信度高。C5不同深度温度监测数据如图3所示, C5, C6温度监测数据对比分析如图4所示。

图3 测温孔C5的3个测点温度-时间关系

Fig.3 The relationship between temperature and time of measuring points of C5

图4 不同测温孔同一深度测点温度-时间关系 (C5, C6)

Fig.4 Relationship between temperature and time at different temperature measuring holes (C5, C6)

由图3可以看出, 从联络通道开始冻结加固至45d左右, 测温孔的3个测点温度变化趋势基本一致, 45d以后各测点的温度变化趋于稳定。但在整个冻结过程中离管片较近的测点温度总高于离管片较远的测点, 主要是由于离管片较近的测点与外界进行了更多的热交换, 当冻结加固至50d时, 距离管片壁厚150mm处的测点温度才达到设计要求的-8℃, 所以在冻结加固过程中应加强管片的保温, 保证管片-冻土交界面的冻土帷幕温度符合设计要求。

由图4可以看出, 距离冻结孔更近的测温点的温度下降速度更快, 同时也更早趋于稳定, 说明离冻结孔较近的位置冻结帷幕更早交圈, 温度变化趋于稳定。

图5 不同测温孔同一深度测点温度-时间关系 (C2～C6)

Fig.5 Relationship between temperature and time at different depths of different temperature measuring holes (C2～C6)

由图5可以看出, 在联络通道冻结前期, 各测点温度的变化近似呈线性变化且变化量相差不大, 在冻结后期各测点温度变化趋于稳定, 且各测点中受冻结管综合作用越大的测点, 温度变化越早趋于稳定, 所以在开挖前应该重点关注冻结帷幕薄弱处测温管测点的温度, 以判断冻结帷幕的安全性。

4.3 冻土厚度分析

根据各冻结孔不同深度测点的温度对冻结帷幕厚度进行预测, 给出联络通道开挖前冻结帷幕厚度。测温孔C1, C3, C4布置在冻结帷幕的上边界, 用于判断上部冻结帷幕的发展状况;C5～C9用于判断冻结帷幕水平方向的发展;C2, C10设置在冻结帷幕的下部内侧, 用于判断下部冻结帷幕向上的发展。

分析测温孔各测点温度与冻结孔的距离, 通过关键位置测点的温度变化判断冻土的发展从而确定冻土帷幕的厚度。由于土体与管片界面处热交换较大, 为保证管片-冻土交界面冻土帷幕的温度符合设计要求, 每个测温孔均取0.5m处的测点作为冻土帷幕质量的判断依据;取C1深度2.8m的测点、C2深度3.3m的测点、C3及C4深度2.5m的测点、C5, C7～C9距离冻结孔的距离基本一致, 均取深度3m的测点, 以及C10取6.6m处的测点, 通过对以上测点温度的监测判断冻结帷幕是否达到要求。

积极冻结第25天, 结冰温度-2.1℃时各冻结孔温度的最高值及冻土-管片界面附近的温度如表2所示。

表2 积极冻结25d时各关键测点温度

Table 2 Temperature of key measuring points (25d) ℃

孔深	C1	C2	C3	C4	C5	C6	C7	C10
0.5m	-8.2	-4.0	-2.6	-4.0	3.4	-11.3	-4.9	-8.1
其他	-8.8	-7.9	-9.9	-3.6	-4.8	-17.3	-9.0	-2.5

通过对以上温度监测数据分析可以发现, 积极冻结25d时除测温孔C5外其余测温孔所测范围内的土体均已结冰, 但除测温孔C1, C6, C10所测冻土-管片交界面的冻土温度已符合设计要求 (-8℃) 外, 其余测温孔所测冻土-管片交界面的温度均未达到设计要求。

给出积极冻结45d时, 各冻结孔温度的最高值及冻土-管片界面附近的温度, 如表3所示。

表3 积极冻结45d时各关键测点温度

Table 3 Temperature of key measuring points (45d) ℃

孔深	C2	C3	C4	C5	C6	C7
0.5m	-16.4	-15.0	-17.5	-9.7	-17.2	-15.7
其他	-7.9	-15.1	-18.4	-11.6	-17.6	-16.7

通过对以上数据的分析可以发现, 在积极冻结45d时, 各测温孔所测范围内的土体全部冻结且冻土-管片交界面温度全部达到设计要求, 通过对C5测温孔温度的监测可以发现, 积极冻结45d时水平方向的冻结帷幕超过2.2m, 达到设计要求。

同时可根据C1, C3, C4测温孔测点的温度判断联络通道上方的冻结帷幕, C5, C7的温度判断联络通道两侧的冻结帷幕, C2, C10的温度判断联络通道下部的冻结帷幕交圈时间及冻结帷幕的范围是否达到设计要求。

4.4 卸压孔监测数据分析

土体冻结过程中, 由于冻胀作用导致土体内的水分产生迁移, 当冻结帷幕交圈后, 位于冻结帷幕内部的水土由于失去和外部的联系, 其水土压力升高, 且随着内部未冻结土体的体积逐渐减小, 其水土压力增长也将加快, 直至内部冻实为止。为了释放冻结帷幕内部的冻胀压力、保证冻结帷幕内部冻结密实, 同时为了准确掌握冻结帷幕内部冻结情况, 在联络通道冻结帷幕中间 (隧道左、右线) 各布置2个卸压孔, 共4个。图6为开挖前卸压孔X3, X4的压力变化情况。

图6 卸压孔X3, X4压力与时间关系曲线

Fig.6 The relationship between pressure and time of pressure relief hole X3 and X4

联络通道刚开始冻结时, 冻结帷幕未交圈, 卸压孔所测压力只是最初的地应力。随着冻结时间的加长, 冻结帷幕逐渐交圈, 冻结压力迅速增大。为保证冻结帷幕内侧的冻结质量, 在压力增大到0.4MPa左右时主动卸压。随着冻结帷幕不断向内发展, 未冻实区域逐渐减小, 卸压后冻结压力增长速度明显增大。在联络通道准备开挖前卸压孔压力可卸载至0, 说明由于冻结帷幕的存在使得作用在卸压孔测压位置处的地应力极小, 且卸压孔再次封闭后压力基本无增长, 说明联络通道内部已经基本冻实。