凍結法土體暗挖地鐵串聯(lián)通道的風險分析

凍結法土體暗挖地鐵串聯(lián)通道的風險分析

采用冷凍法廣泛應用于上海地鐵和其他項目。由于在市中心的地下挖掘和建設中的風險，項目面臨很大風險。我公司通過多年從事此類工程監(jiān)理，總結出了有效的風險控制對策。本文以上海地鐵M線Ⅳ標（鞍山路站—江浦路站）區(qū)間隧道聯(lián)絡通道為例，進行簡要介紹。1纖維錨索結構層描述上海地鐵M線Ⅳ標（鞍山路站—江浦路站）聯(lián)絡通道上、下行線隧道中心設計標高：-12.381m（上行線），-12.387m（下行線）。上下行線隧道中心線距離為15.20m。通道底板頂面標高為-13.787m。內(nèi)壁凈寬度為2000mm；內(nèi)壁凈高度為2443.3mm（直墻高2140.0mm、圓拱高303.3mm）。聯(lián)絡通道鋼筋混凝土結構為：半圓拱厚度400mm，邊墻厚度450mm，底板厚度500mm，臨時支護素混凝土厚度200mm，支護層和結構層之間安裝防水層。本區(qū)間聯(lián)絡通道地質(zhì)處于第(4)層灰色淤泥質(zhì)黏土，下臥層為(5)1a灰色黏土及(5)1b灰色粉質(zhì)黏土。受地面條件制約，采用凍結法工藝實施。2聯(lián)絡通道與泵站在隧道內(nèi)利用近水平管和部分傾斜管凍結加固地層，使聯(lián)絡通道外圍土體凍結，形成強度高、封閉性好的凍土帷幕（圖1為聯(lián)絡通道及泵站凍結方案示意圖）。然后，在凍土中采用礦山法進行聯(lián)絡通道及泵站的開挖和構筑施工，地層凍結和開挖構筑施工均在區(qū)間隧道內(nèi)進行。水平地層加固和開挖構筑的主要施工工藝及順序如下：3凍結幕墻效果尚需半定量推上海地下土層土質(zhì)復雜，地質(zhì)資料難以完全反映施工區(qū)域地質(zhì)情況，凍結帷幕質(zhì)量和效果尚處于半定量推算。凍結帷幕的失敗會導致整個區(qū)間連續(xù)性破壞的后果。凍結法聯(lián)絡通道施工是區(qū)間隧道單位工程中最大的風險點。4風險分析4.1凍結質(zhì)量原因1）凍結區(qū)地層存在暗泉水流，使凍結帷幕難以緊密閉合。2）鉆孔遇有承壓水的流沙土地層，如不安裝防噴裝置，將引起大量冒沙。3）凍結管鹽水泄漏，造成凍土軟化。4）凍結管長度、角度誤差超標，使凍結狀況存在薄弱處。5）開挖后，如制冷機電設備故障排除不及時，會削弱凍結帷幕強度。6）對開挖過程中土體異常跡象不能及時發(fā)現(xiàn)和分析。4.2隧道誤操作在上海軟土地層條件下，凍結帷幕一旦失穩(wěn)，發(fā)生地下水或流沙穿漏，凍土強度會發(fā)生擴散性下降，導致采用盾構法混凝土管片襯砌而成的隧道發(fā)生連續(xù)性破壞，造成極大的工程事故，風險強度十分高。5風險控制對策5.1專業(yè)不強、參保不嚴格、方案能力要求要審查承擔凍結帷幕設計和施工單位的資質(zhì)情況，而且其質(zhì)保體系和安保體系運轉(zhuǎn)必須良好。特別要嚴格審查專業(yè)分包單位的資質(zhì)條件以及其在同類工程施工中的業(yè)績情況。要求必須由具有同類施工經(jīng)驗的單位承擔施工任務。5.2凍結壁設計厚度的確定要根據(jù)情況進行計算聯(lián)絡通道施工段的地質(zhì)勘察報告要有詳細交底記錄。對施工段的地質(zhì)特殊情況，如流沙土地層、承壓水地層、地下流動水可能性和暗浜等要有明確的交底。施工圖交底要突出明確對地質(zhì)條件、隧道結構保護、環(huán)境保護等問題有針對性要求。應由專業(yè)技術人員定量驗算凍結壁設計厚度，帷幕結構受力最不利點的抗彎、抗剪和拉應力等數(shù)據(jù)，建立計算模型，并在《凍土帷幕強度計算報告》中詳細闡述。聯(lián)絡通道施工組織設計中，應有在鉆孔、拉開鋼管片、土體開挖等過程中突發(fā)意外情況的詳細應急預案闡述，確保應急預案的可行性和有效性。5.3地表、地下管線及建筑物沉降數(shù)據(jù)分析聯(lián)絡通道開始鉆孔、布管前，施工方和監(jiān)理方必須掌握作業(yè)場地中心30～40m范圍的地表、地下管線和建筑物沉降數(shù)據(jù)情況。在聯(lián)絡通道開始鉆孔、布管前，布設好地表、地下管線、建筑物沉降測控網(wǎng)、隧道內(nèi)沉降點收斂的監(jiān)測點。聯(lián)絡通道精確定位嚴格執(zhí)行施工測量放樣復核、監(jiān)理再復核的制度。5.4施工設備檢查施工前應對制冷設備、鉆孔設備、各類管道管線等進行嚴格檢查。在開始制冷前應進行試運轉(zhuǎn)，檢查設備狀況和管道耐壓情況等，并有檢查記錄。5.5積極凍結施工1）鋼管片接縫焊接應在鉆孔前完成。焊接應對稱地進行，嚴禁同一環(huán)縫一圈焊成而造成應力積累。2）檢查隧道預應力支架應有足夠的剛度（每個支點有承受50t的能力）。3）鉆孔前應將作業(yè)區(qū)域地層的情況在施工班組內(nèi)作好詳細的交底。對流沙土層、承壓水地層等地質(zhì)情況，事先要有相應的施工準備。4）鉆孔中嚴格按照施工組織中的防泥水流失措施進行施工，遇漏泥漏沙應及時封堵。5）凍結管的施工應嚴格按照標定位置鉆孔。復測偏差應不大于1%，并且最大管間距離不大于1m。6）鋼管焊接應保證密封性能。下管前要嚴格檢查，確保凍結管耐壓性能（壓力控制在0.8MPa穩(wěn)定30min不變）和凍結帷幕均勻。7）制冷機電設備經(jīng)維護保養(yǎng)調(diào)試合格后方能投入使用。各個儀表反應正確靈敏。有關的管路連接整齊，分組編號明了。8）積極凍結過程中，要每日觀察土體溫度下降情況和卸壓表的變化等情況。及時預測凍結發(fā)展情況，對異常情況及時分析排除。9）在確保凍結帷幕穩(wěn)定性為前提下維持凍結，隨時觀察鹽水溫度（不應高于-24℃）和流量。5.6凍結土體溫度t1）根據(jù)經(jīng)驗定性分析，一般經(jīng)過35～40d的積極冷凍過程，凍結帷幕能達到開挖要求。2）根據(jù)測溫數(shù)據(jù)半定量推算土體凍結發(fā)展速度和帷幕厚度。(1）算出凍結管和各測溫孔達到0℃時的凍結平均發(fā)展速度υ式中：υ為測溫孔達到0℃時由凍結管至測溫孔的凍結平均發(fā)展速度，mm/d;L為測溫孔中心至凍結管中心的距離，mm;D為積極冷凍開始至測溫孔達到0℃時的天數(shù)，d。(2）分析、排除不正常情況后，取凍結平均發(fā)展速度υ的參考值。推算出鞍山路站—江浦路站聯(lián)絡通道達到凍結厚度（邊界溫度為0℃）的天數(shù)n（估算結果見表1）。式中：n為達到凍結厚度（邊界溫度為0℃）的天數(shù)，d;Lw為施工組織確定的凍結帷幕中心至邊界的厚度（邊界溫度為0℃），mm；υ1為凍結平均發(fā)展速度υ的參考值，mm/d。3）根據(jù)泄壓數(shù)據(jù)定性分析。在積極凍結一段時間后（一般約20d），卸壓孔壓力明顯上升，若泄壓后壓力再升高，說明凍結帷幕已經(jīng)交圈封閉。本工程凍結管最大孔間距1106mm(L=553mm),2004年1月30日泄壓表指示壓力明顯上升（D=22d），用參考值推算：L=27.6mm/d×22d=607mm，其值>553mm可得出各凍結管外的凍土已疊合的結論。4）用凍結帷幕平均溫度復核。凍結帷幕土體平均溫度計算公式式中：tc為帷幕凍結壁有效厚度的平均溫度；tn為鹽水溫度，取-31℃；L為凍結孔間距，取0.85m;E為凍結壁厚度，取1.9m;TB為邊界溫度，取-4℃。將以上數(shù)據(jù)代入式（3):tc=-10.21℃從計算可知，凍結帷幕土體平均溫度低于施工組織設計的-10℃要求。5.7凍土結霜原因分析土方暗挖作業(yè)必須24h連續(xù)有序進行，隨時觀察凍土結霜情況。對任何水跡、土色改變、土體硬度異常、凍結壁位移異常和尺寸丈量異常等情況均要及時分析，找出原因。鋼結構支護按步距及時支撐牢固。5.8隧道管片應力土體過分凍結使凍結區(qū)擴大，隧道所受膨脹應力劇增。輕則增加后期融沉，重則引起隧道管片應力破壞。確定凍結帷幕達到要求后應調(diào)整制冷，進行維持性冷凍，以防止土體過分凍結。5.9隧道內(nèi)沉降監(jiān)測在聯(lián)絡通道兩側(cè)20m范圍內(nèi)，對隧道內(nèi)的水平及垂直方向的收斂變形、沉降變形、防水滲漏和地表沉降沉降進行監(jiān)測。地表沉降日變量報警值（±10mm）和累計變量報警值（+10、-30mm）的設立，應考慮盾構推進已對地表造成的沉降量。設立隧道內(nèi)沉降監(jiān)測日變量報警值（±3mm）、累計變量報警值（±10mm）和收斂累計報警值（±10mm）。監(jiān)測頻