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1、1.月JJ司J刁可润琪 地下铁道文集 “ 复 八， 线“ 大 热” 区 间 含 水 粉 细 砂 地 层 水平冻结的隧道施工技术 贺长俊，王伟周晓 敏，苏立凡郭建国 北京市 城建集团)(煤炭科学 研究总院北京建井 研究所) ( 北京地下铁道总公司 1 .工程概况 北京地铁 “ 复一 八” 线大北窑一热电 厂区间隧道地处繁华的交通要道下面， 采用浅埋暗挖法 施工。 隧道断面为五心圆 拱形断面，支护形式为复合衬砌结构 大北窑一热电 厂区间有南北两条东西走向的隧道。其中， 南隧道自 大北窑车站( B 2 4 7 + 3 7 . 0 8 ) 向 东至区间隔 断门( B 2 4 8 + 1 2 . 0 8
2、 ) ， 长 7 5 m ， 恰位于 东西向 大 北窑 桥和南北向 国贸 桥正 下 方。自 区 间隔断门向西施工时 遇到饱和状态的自 稳能力极差的粉细砂层，经扰动即 成流砂状。该段地铁隧 道水文 地质条件异常复杂，隧道施工部位主要有上层滞水和潜水;隧道结构拱部 需要通过饱和状 态的粉细砂层，其水 源主要来自 地下管线的渗漏水补给，要切断处于 一 饱和状态的粉细砂层的补给 水流 需改移上部管线， 但没有改移的条件。 通过施工降水可以降低中层的 潜水位， 但粉细砂中 的饱和水不能解决施工还需要考虑以下 问题: ( 1 )地面交通 该段隧道地处繁华的交通要道下面，正处于大北窑桥和国贸桥桥下，地面道路
3、 上车辆川 流不息，行人拥挤，交通繁忙 ( 2 )上部地下管线该 段区问隧道的 拱顶上部主 要有以下管线: P 1 8 0 0 m m 的污水管线，埋深8 m ， 距拱项2 m ,南北走向与线路正 交 ( 2) 6 0 0 0 m m X 2 2 0 0 二的雨汽水方沟， 埋深8 m , 距拱顶2 m ，南北走向与 线路正交。 ( 3D (D 1 5 0 0 。 的 污水管线，埋深7 m , 距拱顶3 m ，南北走向与 线路正交。 ( 4 ) q) 1 2 0 0 m m 雨水合流管线，理深5 m ，距拱顶5 m ，东西走向，在拱顶南侧3 . 5 m . - 一几 一 二 卜“ 次 干 乃 气
4、 里 认 士 枯 划 Pt钻 士 的 Jl。翔 3 6 0 地 F 铁道文集 以上管线年久失修，严重漏水，是使粉细砂处于饱和状态的重要原因。施工中必须保障管线 的安全 2 .施工方法的比选 在含水砂层中开挖地铁隧道， 主要是固砂堵水，以保证地层的稳定，同时严格控制地表沉降 按照这一原则，进行了 地面垂直注浆、拌和桩加旋喷加固地层、垂直冻结、 大管棚和小导竹注浆 加固 地层、 水平冻结法等多个方案的设 计，并从可靠性、可 实施性、 经济效益和社会效益等多方 面分析，进行了多种方案的比较和选择 1 . 1 地面加固地层的方法 在地面采用垂直注浆或采用拌和桩加旋喷加固 地层，或采用垂直冻结方 法，这
5、样就必然中断 交通 由于该地段处于重要的交通要道，地面车辆异常繁忙，交通不能中断，而 且在管线的四周存 在加固盲 区，小能解决管线的渗漏水问题。故此两种加固方 法未被采用 1 . 2 洞内 预支 护、预 注浆的方法 采用大管 棚和小导管注浆加固 地层的办法。 由干 此种施工方法安全度次于冷冻法，故未被采 用 1 .3 水平冻结法 由于这种施工方法能够确保大北宁和国贸桥的安全确保地而交通畅通无阻， 地下管线绝对 安全不受影响， 井使地铁区间隧道安全稳妥地施一， 确保 I . 程质量和工程进度， 此外工 程费用受 到严格控制，其额度应不高于其它施工方法 经专 家会议研究。决定采用水平冻结法施工，
6、3 .冻结方案和工艺参数设计 目前我国各地采用的冷冻法施_ !几 ，一般都是根据地质条件采用垂直 冻结施工 ，即使是水平冻 结法，施工也是短距离、小面积( 冻结范围不大、 ，针对地铁隧道施丁 _ 的特点和流砂段的现状，查 阅了土海、山东、北京等有关单位的冻结资料，经综合分析，反复对比，最后确定采用月前国内 还没有先例的4 5 m 超长即离的 水平冻结法 施Le 围从南隧道R h i 断门向 西4 5 m 重点解决隔断门 前 方 1 6 m 处直径 上 . 8 m 污水管和 前方 3 6 - - 4 2 m 处的污水万沟 在隔断门上 部向西沿隧道拱顶周围 进行水平钻孔， 冻结加固项部 流砂f :
7、 ,与F 部粘土层闭合，冻结壁呈半圆拱形，形成坚固的隔水 结构。 冻结管布置呈曲 线形，见图t o 冻结工艺参数为:冻结孔开孔间距 6 8 0 m m .冻结孔距结构开挖轮廓线 6 0 0 m m ，终孔控制间距 4 0 0 - 1 2 0 0 m m ， 冻结壁平均 温度一 l o -C ， 冻结壁厚度 1 2 0 0 m m ， 积极冻结时间2 5一 2 8 d ,维护冻结时 间4 5 d ， 粉细砂冻土积极扩展速度2 8 - 3 0 m m / d ,积极冻结盐水温度- 2 4 - - - - 2 6 C ， 维护冻结盐水温 度- 1 8 - - - 2 0 0C 。对冻结壁的厚度和强度
8、验算说明，以 几 设计可以满足施工要求 对地层冻结的估算结果表明， 冻土锋面最大冻胀量为 2 2 . 8 m m ,融沉量为 5 . 了 3 m m ， 均满足要 求 4地层冻结 4 .1 设备 材料的选择 水平冻结孔施工设备选用N K - 5 型坑道钻机。 ( 1 )冻结设各选用冷冻机组Y S L C F 3 0 0 , ; 青 水泵 T S 1 5 0 - 1 2 5 - 2 5 0 .豁水泵I S 1 0 0 - 6 5 - 2 0 0 ( 2 ) 选用直径1 0 8 o u n , 带带厚S m m 无缝钢份作冻结管，井 兼作钻杆 !j晒闷摺润州J刊习迷污 地下铁道文集 4 . 2 水
9、 平钻孔的试验 水平冻结孔的钻进长度、偏斜精度是决定水平冻结施工的关键要素之一 。 在类似水平钻孔的 工程中， 有锚杆施工钻孔，长度一般在 1 5 -2 5 m ，一般采用专业的锚 杆钻机， 有的采用坑道钻机 等。 但此类工程水平钻机的长度有限，而且没有精度要求。用于地下 管线施工的 有免开挖钻机， 反拉铺管施工技术，但测斜和控斜方面不能满足水平冻结孔施工的需要 为了解决 4 5 。水平冻结孔的成孔技术，确保水平冻结的一次成功，必须首先进行现场试验， 在取得第一手试 验数据的前 :P, 下， 针对冻结施工组织设计的 基本 要求， 确立正 确的 水平冻结 施工 方案。首先在 “ 大 热”区间北正
10、线进行了水平钻孔试验，后又在南正线流砂段进行了水平钻孔 试验。 通过水平钻孔试 脸说明:所使用 M K - 5型钻孔机械设备进行坑道水平钻孔， 达到 4 0 - 5 0 m 是可行的。水平钻孔的精度( 水平及垂直偏斜) 可以达到 5 % 。 的水平，完全满足冷冻法施工的要 求。 这就对水平冻结法的实施提供了可靠的技术保证。 4 . 3 水平钻孔的施1 . 利用冻结管作为钻杆， 在钻进过程中进行冻结管的安 装，这样省去了把冻结管放入孔内的工 序， 也解决了水平钻孔的护壁问 题。 但必须解决的lu7 题是钻杆的连接密封要绝对可靠， 钻孔的偏 斜也 应控制在一 定的范围内 ， 否则 将造成 钻孔报废
11、 和延误工期。 冻结器的密 封首先 是钻 杆的 连接 密封，钻杆一般是丝扣连接，冻结管一般是焊接。丝扣连接的密封效果和可靠性比 焊接差。而焊 接的同心度较差，会导致钻孔偏斜。 为此采用丝扣加焊接的方法， 以确 保钻杆的同 心和密封质量; 其次冻结器在钻杆的前端即钻头部分需要密封。在钻进过程中因采用泥浆循环排渣，钻头对外敞 开，因此在施工结束后需 将钻头封堵 为此设计了 一种机械式的可封堵的组合钻头。 通过以上 技术改进，根据冷冻断面的设计要求，沿拱部均匀布设冻结孔。布置 8 个冻结孔， 孔距0 . 6 8 m , 2 个观测孔。实际共钻孔 1 1 个，其中冻结孔 9 个( 有 1 个误差偏大，
12、后又补一个钻 孔) ，观测孔 2个。 钻孔的精度水平 最大偏差为 3 8 6 m m ， 最大偏斜率为 9 . 7 %,垂直最大偏差为 2 0 0 m m ，最大偏斜率为 5 % - 在钻设冻结孔的过程中采用灯光测斜技术。运用电 磁原理进行随钻 探测是不行的，水平孔陀螺测斜国内 外还未见报道，唯一现实可行的测斜方法就是利用光学原理 测斜 灯光一 经纬仪测斜技术在垂直孔测斜施工中已得到普遍应用，但是测斜的长度一般在 4 0 m 以内，此钡 ( 斜方法同样能应用水平冻结孔 5 .隧道拱部水平冻结壁的形成及测控 水平冻结孔施 _ 完成后，安 装冻结设备， 对地层进行冷冻，1 9 9 8 年 1 月1
13、 9日 开始冻结至2 月2 2 日 ，工 期为3 5 d ,实际冷冻运行为2 8 d ， 地层冻结盐水温度己降 低到一 2 4 0C . 达到设计值。 5 . 1 冻结过程中 低温盐水 供冷分析 1 9 9 8 年1 月1 9 日1 0 : 0 0 开冻， 至2 月2 6 日 开挖， 进入维护冻结， 4 月1 0日 停冻， 冻结段 隧道贯通结束。根据盐水降温过程，地层的冻结可以分为以下三个阶段: ( 1 ) 地层的速降温段。 此时冻结管四周的地层处于正 温度区，冻土尚未形成， 此时盐水的 降温速度较快，平均为 1 . 5 C / h ，此段冻结过程与井筒封闭的冻结过程相似。盐水的去回路温差 在
14、4 -6 C .盐水零度的稳定时间为2 . 5 h , ( 2 ) 地层冻结渐稳段。冻结管四周冻结柱开始向四周发展，盐水 温度以A 4 -1 ) C / d的 速 度下降，盐水温度下降速度与 冷却水温度、冷冻机的能量的开启度直接相关，但盐水渴 I lk 的去回 地下铁道文集 路的温差为2 C 。 盐水从0 降至设计温度- 2 4 0C . 所需时间为1 8 d ( 3 ) 地层冻结稳定段。 此阶段各冻结柱开始交圈，冻结壁开始形成，盐水温度去回路温差 在 1 -1 . 2 之间 5 . 2 冻结壁温度发展及形成分析 在封闭性冻结壁形成过程中， 测温孔是报道地层冻结壁交圈的 个指标 对于敞开的冻结
15、壁， 冻结壁的形成主要通过测温孔温度发展曲线分析 5 . 2 . 1 冻土的扩展速度 冻结壁的发展是一 个不稳定的 温度场， 场内 温度随着时间不断地发生变化，温度场计算是一 个复杂的理论问 题，加上缺乏士 工热力参数，必须用实测数据来掌握冻结壁的发展 根据冻上实 际发展的位置来掌握整个冻结壁的情况。冻土的发展速度与冻土半 径的大小有关:冻上的发展速 度随着半径的增加而逐渐趋向于零，对于小距离冻结孔冻结，冻结孔之间的间距是影响冻土发展 的因素之一。 测温孔1 孔距离冻结管较近，冻土达到的时间较短 5 . 2 . 2 实 测冻结壁结构的形 状 通过隧道开挖，J 乍 实测冻结壁的形状和厚度，可知冻
16、上形状和冻结器的位置直接关系:在东 侧冻结壁拱形结构较规整，随着向 两的推进， 冻结孔钻孔的偏斜， 冻结壁进入隧道升挖线的侵入 量增加 冻结壁的拱顶厚度较拱脚位置厚， 反映出小间距冻结时冻结孔之间的相互 作用，加快了 冻土 的发展 5 . 3 冻结壁厚度的 有效 控制 实测冻结壁在2 月1 4日 达到设计厚度，隧道计划2 月2 2日 开始试挖，但实际开挖时间要延 期4 d ，根据实测速度推测冻结壁达到2 . 4 。以上，是设计冻结壁厚的2 倍。为了 控制冻结土的进 一步扩展，与 隧道掘进相配合，为此采取了以F3 项措施 5 .3 .1 短期停冻限制冻结壁的发展 停冻时，冻土柱内冻土的温度在停冻初期温度上升较快，并逐渐减慢。比较各测点的温度上 升情况，距离冻结壁越近，温度N J 升的幅度越大，回升的
