聯絡通道施工技術在國內外的應用狀況 進入 21 世紀, 隨著地下空間的不斷開發, 地鐵隧道已成為國際大都市的重要標志, 地鐵在人們日常生活中越來越發揮著不可替代的作用。聯絡通道及泵站因其緊急疏散和匯集、排放區間積水的雙重功能而被相輔應用。在地鐵修建 100 a 來, 區間聯絡通道因不同地質及施工要求, 隨之產生許多施工方法。當前聯絡通道施工方法主要以頂管法、礦山法、管棚法、類礦山法等為主。其技術最早被應用于少數幾個工業發達的國家, 如19 世紀的英國、德國和 20 世紀的德、日、美、法等國。我國聯絡通道施工技術受經濟發展的限制, 一直缺少實施的隧道載體工程, 發展較為緩慢, 應用也相當有限。進入 20 世紀 90 年代后,我國開始大規模地引進、應用國際先進的盾構施工技術和設備, 地鐵工程在一些城市得到了快速建設, 為之所涵蓋的聯絡通道工程也相應得以快速發展。 天津首次將盾構區間應用于地鐵 1 號線施工中, 聯絡通道工程亦在天津首次建設, 多種聯絡通道施工方案究竟哪一種最適宜天津地層, 有進行方案研究和比選的必要, 也有必要將原有的成熟技術進行研究和改進。 凍結法施工技術的應用比選分析 天津市區地質簡述 簡而言之, 天津市區巖土層情況從上到下主要為第四系全新統人工填筑的素填土; 全新世海陸交互相沉積層( 含 5 個亞層:〈2- 1A〉淤泥層、〈2- 1B〉淤泥質土層、〈2- 2〉淤泥質粉細砂層、〈2- 3〉中粗砂層、〈2- 4〉層粉質粘土、粘土層) ; 晚更新世沖洪積砂層( 土性以中粗砂為主, 局部為礫砂) ; 晚更新世坡積土層 ( 土性主要為粉質粘土) ; 殘積土層 ( 為 4 個亞層:〈5- 1〉可塑粉質粘土層、〈5Z- 1〉可塑砂質粘性土、粘性土層、〈5- 2〉 硬塑粉質粘土層、〈5Z- 2〉 硬塑砂質粘性土、粘性土層) 等。 埋深多位于 9～30 m 之間的聯絡通道, 地層多為粉質粘土、粘土、粉土及細砂, 其所處地層孔隙比較大、含水豐富、承載力低、容易壓縮、在動力作用下易流變, 開挖后天然土體本身難以自穩, 多數區域內地下水具微承壓性或承壓性, 土層含水多、水壓大、滲透性好, 容易引起水、砂突涌。 凍結法的應用可行性比選分析 目前, 國內外聯絡通道施工方法取得成功應用的主要有頂管法、管棚法、礦山法和類礦山法( 冰凍法是其中一種) 等, 類礦山法根據其地層加固的施工工藝不同主要分為水平凍結法和旋噴樁加固、深層攪拌樁加固等采用水泥系加固方法。幾種方法方案在應用中各有其優勢與不足, 對不同地層的適應性也各有不同。各類方案的對比分析見表 1。 水平凍結法施工技術不僅有許多成功應用的先例, 而且通過表 1 的綜合對比可知, 在天津地鐵聯絡通道施工中將是一個相對較為優化的方案, 其優勢明顯。 ( 1) 采用凍結法施工的凍土帷幕強度較高, 土體強度可達8 MPa 以上, 具有很強的抗坍塌能力, 施工安全性能高且具有不透水的優點, 特別適合在天津這類含水豐富、穩定性差的地層中應用。 ( 2) 水平凍結法可以不占用地面, 在單側隧道內施工, 占用場地小、布置靈活; 免除封路和地面建筑拆遷, 減少環境污染、不影響城市的正常生活與生產活動。 ( 3) 凍結法施工時只短期改變地層的溫度, 而不改變地層的化學成分, 對地層無污染, 尤其是不會污染容易擴散的地下水, 屬環保型工法。 凍結法技術難點分析與工藝研究 難點技術與對策性措施 ( 1) 凍土帷幕薄弱點的控制 a 難點分析。由凍結孔布置斷面圖 1 可以看出, 呈射線狀分布的凍結孔, 即靠近開挖面一側隧道處的通道喇叭口處和集水井的角部凍結孔分布相對較為薄弱, 而另一側孔位又相對分散, 通道喇叭口和集水井的角部為凍土帷幕的薄弱點。 b 對策性措施。設計增設短距離凍結管, 增強喇叭口和集水井角部的凍土厚度。控制凍結孔的偏斜率, 確保凍結孔的終孔間距。在開挖通道喇叭口處和集水井角部時, 采取分斷面開挖, 縮短支架間距, 及時支撐, 縮短時間。 ( 2) 開挖條件的判斷 a 難點分析。正確判斷凍土帷幕是否交圈及凍土強度、厚度, 確認聯絡通道是否具備開挖的條件, 是水平凍結法施工的關鍵性難點技術之一。 b 對策性措施。聯絡通道開挖條件的判斷, 應依據凍土交圈的規律和特性實施分析、計算和觀察: 根據測溫孔實測數據, 推算凍土發展速度, 并算出交圈時間和凍結帷幕厚度; 利用卸壓孔所顯示的壓力數值, 根據相近土質的凍結實踐, 判斷凍結帷幕交圈情況, 一般說來, 卸壓孔的數值交圈前后打開卸壓閥卸壓再關閉后差別為 0.1～0.2 MPa; 開挖前進行探孔檢查,探孔應打在凍結帷幕薄弱處, 探孔處無涌沙突水現象( 該處會有稀泥因凍脹壓力的作用而緩慢流出, 流量穩定, 此為釋放壓力屬正常現象) ; 根據鹽水去回路溫差進行判定, 倘若某一時期鹽水去、回路溫差( 其它凍結參數不變) 突然變小或鹽水溫度在某一階段徘徊數天后突然下降, 則可初步判定已經交圈,此現象可作判斷交圈的參考。 ( 3) 重大事故應急控制 a 難點分析。在凍結孔施工過程中, 孔口出水、出泥, 甚至有可能造成噴砂失控, 隧道破壞和地面坍塌的惡性事故。同樣,在開挖、支護施工中, 凍土帷幕發生“開窗”漏水, 凍土帷幕融化, 也是類似上海軌道交通 4 號線的災難事故。 b 對策性措施。現場預備砂袋、水泥、水玻璃和鋼支撐等應急材料以及雙液注漿設備, 一旦發生凍結管斷裂漏砂或出現孔口管脫落現象, 利用二次開孔裝置封閉, 并進行水泥—水玻璃注漿封堵; 在鋼管片開孔處, 預先安裝應急防護門, 遇有突發事故難以控制, 可快速關閉防護門, 從防護門預留孔內注漿填充和封閉。 工藝研究與技術改進 ( 1) 改進凍結孔檢測方法 凍結管鉆孔偏斜率控制直接關系到凍土帷幕交圈質量。目前, 在聯絡通道施工中, 一般采用地質羅盤儀進行凍結孔定位和孔位偏斜檢測, 地質羅盤儀檢測角度的精度為±0.5 °, 很難保證凍結孔偏斜不超過 1 °。鑒于此, 我們自行設計制作了經緯儀檢測臺架, 采用經緯儀進行凍結孔定位和檢測, 將測角精度提高到 6 〃以內, 很大程度地提高了凍結孔施工精度, 確保了檢測工作的準確性。 ( 2) 鉆孔孔口密封控制 在進行鉆孔施工中, 當鉆機鉆透隧道管片時和夯管錘夯管時, 孔口很可能出現涌水涌砂現象, 若出現嚴重的涌水涌砂現象, 將引起嚴重的地層沉降, 影響到地面建筑的安全。 為此, 在施工中研究開發并采用二次開孔方法開孔并安裝孔口密封裝置, 以防止鉆透隧道管片和夯管時孔口涌水涌砂,詳見圖 2。 ( 3) 改進臨時支護方式 在天津地鐵 1 號線聯絡通道及泵站工程設計中, 聯絡通道及集水井臨時支護采用格柵支護。但通過研究和結合類似施工的成功經驗及水平凍結法施工工藝的特點, 我們采用鋼支架加木背板的支護方式, 外掛鋼絲網再噴混凝土支護找平, 使施工工藝更加簡單、安全、可靠、快速, 木背板不但能起到初期支護的作用, 而且能延緩水化熱的傳遞, 減少開挖凍土暴露后的收斂變形。 ( 4) 優化鉆孔設備選型 在水平凍結法施工的鉆孔施工中, 一般選擇水平鉆機進行鉆孔, 在天津地鐵 1 號線聯絡通道及泵站工程中, 除對穿孔外,其它凍結孔均采用了夯管錘進行凍結孔施工。 針對凍結孔的施工特點以及施工場地的限制, 采用了煤炭科學研究總院自行研制的 MK- 5S 型水平孔鉆機及 H190 型夯管錘。設備體積要小, 搬運靈活。 鉆桿采用 Φ 89 mm 無縫鋼管, 鉆頭系自行研制的高精度機械式組合鉆頭, 鉆桿即凍結管, 實施跟管鉆進。 夯管法工藝簡單、無需后背力; 施工方法安全, 無需排土,地層泥土不流失、地表沉降容易控制; 遇到特殊的土質, 如鵝卵石、流沙、地下水等, 對夯管施工基本沒有影響等優點。 應用效果分析 工程應用效果 通過對國內外聯絡通道施工所采用的礦山法、頂管法、管棚法和類礦山法( 包括凍結法、水泥攪拌加固法和旋噴加固法3 種) 進行技術可行性、經濟合理性、質量性能、環境安全性能等進行比選、論證, 確立了水平凍結法聯絡通道施工技術在天津地鐵的可應用地位, 并通過實施多項技術難點的應對措施及工藝研究, 使水平凍結法在天津地鐵 1 號線的 3 個區間聯絡通道得以成功應用。 社會效益和科技效益 水平凍結法施工技術在天津的應用尚屬首次, 本文所闡述的聯絡通道比選研究及其技術難點與工藝研究成果均通過專家評審驗收, 成果達到國內先進水平。研究成果很大程度地提升了天津市聯絡通道施工的技術水平, 為今后天津地鐵聯絡通道的施工提供了技術支持與借鑒, 具有很好的應用前景, 獲得了良好的社會和科技效益。 信息來源于：中國城市軌道交通網