苏州地铁联络通道加固方式比选研究

第一篇：苏州地铁联络通道加固方式比选研究

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摘 要:联络通道施工是盾构隧道施工中的事故多发阶段，如何选择合理的周边土体加固方式是保证联络通道施工安全的关键环节。本文介绍了联络通道的结构形式和常见的施工方法，详细比较了各种加固方式的利弊。结合苏州地铁一号线各个联络通道所处地层情况，给出了各个联络通道拟采用的加固方式。实践证明采用水平冻结加固方式，可以保证联络通道施工的安全。最后给出了几点体会与建议。

关键词:苏州地铁 联络通道 加固方式 比选研究

城市地铁联络通道一般位于各段区间盾构隧道的中部，常与集水、排水泵站合并修建。其位置应选在地面交通量和地下管线较少处。其断面尺寸一般为跨度2.0 ～ 3.0 m，墙高 2.5 ～ 3.5 m，可以做成矩形，也可做成圆形和直墙拱型。为使结构受力合理、节约工程造价、降低施工难度，联络通道断面一般采用直墙拱型。苏州地铁一号线联络通道断面都为直墙拱型。在一号线修建时，风险较大的关键工程有许多，联络通道施工为其中之一。如何选择安全的联络通道加固方式、提高土体强度、降低土层渗透性等是需要解决的关键课题［1-2］。

1常见联络通道施工方法

联络通道常用施工方法为明挖法、暗挖法和先明挖后暗挖法［3］。当联络通道埋深较浅且场地周围环境允许，可采用明挖法施工。由于地铁线路所经地区通常交通繁忙、商业繁华，故在城市中修建地铁联络通道一般采用暗挖法。联络通道暗挖法施工可划分为以下几类: ①采用搅拌桩(或旋喷桩)在地面加固，隧道内矿山法开挖构筑;②隧道内先采用冻结法加固土体，再用矿山法开挖构筑;③从盾构隧道内采用顶管法开挖构筑;④管棚法。先明挖后暗挖法是新近出现的联络通道施工方法，也叫竖井暗挖法，该法是在两条主隧道中间的加固土体上方采用人工挖孔桩的方法或者其他支护方法施工一个竖井至联络通道设计高程，由竖井分别向两条主隧道方向采用矿山法掘进施工形成联络通道，再打开主隧道中封口的钢管片。待 联络通道施工完成后，回填竖井，或将竖井改造为排风、排水通道。

城市地铁联络通道修建时，在市郊场地开阔地段，可采用深层搅拌桩或注浆加固矿山法施工，而市区施工场地狭小，又不允许阻碍交通和对环境造成影响，应选用冻结法和顶管法。联络通道常用施工方法综合比较如表 1 所示。

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2常见联络通道加固方式

城市地铁联络通道开挖前一般应在地面或隧道内对通道周围土体进行地层加固。常见联络通道加固方式有地面加固法、隧道内注浆加固法和冻结加固法3 种。

地面加固法是指在场地地面环境允许的情况下，采用深层搅拌桩或旋喷桩从地面对联络通道周围地层进行加固。该法较成熟，加固效果易保证，费用也相对较低。隧道内注浆加固是指在盾构隧道即将开口部位打设注浆加固管，对周围地层进行加固。从目前的施工技术看，对于饱和砂性地层，洞内注浆效果不稳定，质量不容易保证。隧道内冻结法加固在技术上是一种比较成熟的地层加固法，其加固对象是含水介质，尤其适合于饱和砂层和淤泥等含水率高的不稳定地层。在［4］全国地铁的施工中，冻结法都得以应用，基本上是成功的。这 3 种加固方式技术经济比较见表 2。

3苏州地铁联络通道所处地层及加固方式

苏州地铁一号线全线共有 24 座车站，全部为地下车站。各区间均设一座联络通道(其中星港街站 ～ 会展中心站区间设置 2 座联络通道)，加上车辆段站 ～木渎站区间盾构法施工段设置的一个联络通道及排水泵房，共有 25 个联络通道。

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在这 25 个联络通道的施工中，除华池街站 ～ 星湖街站区间的联络通道采用明挖法施工外，剩下的 24 个联络通道均采用暗挖法施工，均需对联络通道周围土体进行加固，以确保联络通道的施工安全。

苏州地铁一号线 24 个暗挖法施工的联络通道覆土深度在 11 ～ 16 m。联络通道所处地层多为粉质黏土和粉砂，其所处地层孔隙率比较大、含水丰富、承载力低、容易压缩、在动力作用下易流变，开挖后天然土体本身难以自稳，多数区域内地下水具微承压性或承压性，土层含水多、水压大、渗透性好，容易引起突水涌砂［5-6］。

水平冻结技术有许多成功应用的先例。综合对比表 1 和表 2 可知，在苏州地铁联络通道施工中隧道内水平冻结加固将是一个相对优化的方案。根据苏州地铁一号线沿线的工程地质、水文地质、周围环境、现场施工条件等因素，拟决定将这 24 个联络通道主要采用冻结法加固周围土体。所有联络通道所处地层与拟选加固及开挖方式分类如表 3。

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4结语与建议

目前为止，苏州地铁一号线大部分联络通道都已顺利竣工。实践证明，苏州地区盾构隧道联络通道采用水平冻结法加固时，能够形成自立性和抗渗透性较好的加固区，起到很好的止水和稳定地层的作用，从而保证了联络通道施工的安全性。

根据现场实际情况，结合一号线施工经验，提出几点建议:

1)所有联络通道加固方案均应通过专家评审。

2)为了确保联络通道施工的安全，在即将修筑联络通道时，应该召集建 使命：加速中国职业化进程

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设、施工、设计、监理、质检等单位，召开联络通道施工节点验收专题会。

3)采用冻结法施工时应委托具有资质的第三方实施对冻结系统和周围环境的监测，采用地层冻结实时监测系统，自动定时检测冻土帷幕温度和冻结系统运转状况。

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第二篇：地铁区间联络通道冻结加固的风险管理

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摘 要:本文分析了冻结法在联络通道施工过程中的风险要点，重点阐述了施工过程中风险管理的应急处理措施和对策，以规避施工风险，达到安全施工的目的。关键词:隧道地铁联络通道冻结加固风险管理

冻结法基本不受支护范围和支护深度的限制，以及能有效防止涌水和城市挖掘、钻凿施工中相临土体变形，是城市地铁施工的重要方法之一。其具有安全可靠性好、适应性庄灵活性好、可控制好、污染小、经济合理等优点，在我国城市地铁施工中得到越来广泛的应用，并取得大量成熟经验和研究成果。由于地下工程的复杂性和冻结法施工的特殊性，在施工中常会遇到一些险情，除对冻结理论进行系统研究、严格各个环节的施工工艺外，还需对施工过程中进行风险分析，并采取相应的对策和处理措施，以将施工过程中的安全隐患消除在萌芽状态。

1施工总体方案

天津地铁某区间联络通道所穿越土层孔隙较大、含水丰富、承载力低、容易压缩、在动力作用下易流变，开挖后天然土体本身难易自稳，容易引起水、砂突涌。根据工程地质条件及其它施工条件，确定采用“隧道内钻凿，布设水平孔、近水平孔冻结临时加固土体，矿山法暗挖构筑”的施工方案，即:在隧道内利用水平孔和部分倾斜孔冻结加固地层，使联络通道及集水井外围土体冻结，形成强度高，封闭性好的冻土帷幕，然后根据“新奥法”的基本原理，在冻土中采用矿山法进行联络通道及泵站的开挖构筑施工。

联络通道冻结加固施工主要技术指标:(l)冻结盐水温度:积极期:一30一犯℃，维护期:一22一28℃。(2)冻土墙平均温度:镇一10℃。(3)冻土强度:单轴抗压3.6MPa，抗折ZMPa，抗剪1.SMPa。(4)冻土墙厚度:1.6m。

联络通道地层冻结的冷冻机组布置在地面，通过冷冻管输送至隧道内冻结加固，开挖构筑施工在区间隧道内进行，施工总工期在90一110d。其主要施工顺序为:

施工准备一冻结孔施工(同时安装冻结制冷系统，盐水系统和检测系统)一进行隧道支撑一积极冻结一探孔试挖一拆钢管片一联络通道掘进与临时支护一联络通道永久支护一泵站开挖与临时支护一泵站永久支护一结构注浆一进行融沉注浆充填。

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2工程风险分析

基于隧道联络通道的地质条件和结构特点，采用冻结法施工，施工过程中存在如下工程风险: 2.1冻结孔施工过程中的特殊风险点

(l)由于联络通道所处位置的工程地质状况，若冻结孔施工不当，易造成孔口涌砂、冒水，进而引起地面的沉降。(2)冻结孔施工质量直接影响到下一步的冻土帷幕质量，给开挖和结构构筑带来风险。(3)冻结管连接强度不够，造成开挖过程中冻结管断裂。2.2冻结施工过程中的风险点

(1)冻胀对隧道结构的影响:由于冻结工法特点，冻胀会对隧道结构造成一定的影响，使隧道产生冻胀变形，严重时可能造成管片的破坏及较大的冻胀变形，还可能会造成联络通道结构的渗漏，所以在运转过程中，采取控制冻结技术，控制冻结产生的冻胀。(2)冻结设备损坏，维修不及时造成冻土融化风险。(3)冻土结构和隧道两侧管片胶结强度不够造成接触面漏水。

2.3开挖和结构施工过程中的风险点

(l)冻结帷幕质量不好。(2)冻结帷幕变形过大。(3)施工过程中的停电、机器发生故障使冻结机组停止运转超过规定时限，冻结过程中断。(4)开挖过程由于冻结帷幕局部薄弱漏水、漏砂。(5)排水管敷设中的突发涌砂涌水现象。

3冻结孔施工风险处理措施

3.1冻结孔施工中涌砂、冒水风险处理措施

冻结孔在打设过程中，由于所处地质富含丰富的地下水，有涌砂、冒水可能，相应的风险处理措施:

(l)正式开孔前，施工现场要配备Φ125mm、Φ109mm等规格的木楔、2m3在砂袋和6T水泥(含IT速凝水泥)及注浆设备。(2)冻结孔开孔分一、二次控制泥浆涌出。首先孔位避开硅管片内受力主筋，然后用开孔器(配金刚石钻头取芯)按设计角度开孔，开孔直径130mm，预留不小于100mm的管片厚度时停止取芯钻进，安装带填料密封盒的孔口管，通过管侧的Φ40mm旁路阀门，防止孔口喷砂;其次将孔口管固定、密封好，并装上DN125闸阀;最后将闸阀打开，用开孔器从闸阀内二次开孔，开孔直径为108mm，一直将硅管片开穿，出现涌 使命：加速中国职业化进程

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砂就及时关闭闸门。(3)在二次开孔后，若出现大量涌砂，通过孔口管的旁路阀门对地层注双液浆封堵，必要时用木塞封堵钻杆管口。(4)在孔口管装置脱落时，立即在冻结管上加焊挡环，用管锤或钻机将孔口管顶住，然后通过孔口管侧的旁路阀门注双液浆封堵，再用膨胀螺栓将孔口管重新固定在隧道管片上。(幼在未进人承压水层时，采用强力水平钻机无泥浆钻进。(6)对旁通道所在地面进行观测，若钻进时出现大量涌砂、涌水事件，须加大地面的监测频率，出现单次沉降3mm及以上，立即对地面的注双液浆充填。(7)为防止开孔及钻进期间涌水、涌砂现象的发生，还须采取以下措施:A、加大钻具推力，强行顶人套管;B、利用原钻具系统注人1:1的水泥一水玻璃双液浆;C、必要时压紧孔口管密封装置，封闭该孔。3.2冻结管渗漏或断裂风险处理措施

(l)发生冻结管渗漏或断裂时，停止作业(必须正常运转的设备和系统除外)，立即逐级汇报，采取下放套管、关闭孔口阀、压紧孔口装置、实施注浆等措施。(2)现场采取妥善地保护措施，防止事态扩大。

4冻结施工风险处理措施

(l)开机前对各系统进行严格调试，在开机前做到设备正常运转。为保证冻结和开挖期间冻结运转的连续，冻结系统设备采用新型冻结设备，并准备一套备用设备，当一台设备出现故障时，启用另一台设备运转，保持冻结的连续进行。同时，对故障设备进行维修，确保始终有一套设备备用。(2)预备二路供电电源(备用发电机);预备备用冷冻机和相关备件;安装各类计量和检测仪表并预留备件;盐水正常循环前进行管路施压渗漏检测，清洗后用橡塑材料保温;做好冻结管的打压试验;在左线和右线隧道管片内侧铺设冷冻板和保温层，确保冻土帷幕不存在薄弱环节。(3)按照方案及时对冷冻各系统参数进行监测，并保持记录，做到每天一测，关键参数多次监测，发现问题立即处理。(4)每班测量冻结孔系统供液情况，确保每组冻结孔盐水流量)5m3/h，否则通过手动调节;每天对盐水去回路温度进行监狈(，去回路温差在冻结壁交圈后小于1.5℃。(幼准备冲孔的必需设备，保持卸压孔的畅通。(6)利用泄水压孔每天放水泄压，逐渐将联络通道开挖土体内水放出，消除冻结对隧道管片和临近建筑物的冻胀影响。

5联络通道开挖条件验收

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5.1联络通道地面环境验收

(l)联络通道所在地面的建筑物和管线是否稳定。(2)联络通道所在的地质及开挖地层否含承压水。5.2冻结效果验收

(l)设计积极冻结时间为45d。积极冻结7天盐水温度降至一18℃以下;积极冻结15d盐水温度降至一24℃以下;开挖时盐水温度降至一28℃以下。(2)各冻结孔组的去、回路盐水温差不大于1.5℃。(3)检查冻结孔盐水流量情况:要求冻结孔单孔流量不小于5m3/h，每米冻结管(包括冷冻排管)的设计散热量不应小于100kcal/h，盐水系统循环总流量在积极冻结期间达到设计值。如盐水温度和盐水流量达不到设计要求，应延长积极冻结时间。(4)泄压孔压力上涨超过7d，或打开泄压孔阀门确认无泥水流出。(幼联络通道冻土厚度大于1.6m的设计厚度，开挖区外围冻结孔布置圈上冻结壁与隧道管片交接面处温度不高于一5℃，冻结壁有效土平均温度要达到一10℃以下;并进行探孔测温检测。根据测温孔测温结果计算，冻土帷幕的平均温度和厚度达到设计值。(6)在钢管片打开前，先在冻结可能存在有最薄弱部位打几个探孔，以确定冻土强度是否达到设计值，并无水砂流出即可正式开挖。如果达不到开挖条件，应组织有关专家、技术人员等进行现场分析研究，找出原因合理延长冻结期，待冻结壁完全达到设计厚度方可正式开挖。5.3开挖时其他条件验收

(l)通信系统安装完毕。整个施工期间，在施工现场安装直拨电话，并安排专人进行线路维护，便于对施工现场的监督和管理。(2)防护门安装完毕。防护门安装在联络通道开挖侧，门框直接焊接在预留洞口钢管片上，在门框与门边接触处设置密封橡胶条。同时确认防护门启闭功能正常，接好供气管。(3)完成隧道支撑加固。(4)冷冻机等机电设备及电源等完好的检查报告。(幼对开挖作业人员进行了安全教育培训和安全技术交底工作。(6)抢险物资和施工材料准备就绪并运到现场，包括:砂袋、水泥、钢支撑、支护木背板、木楔等。

6开挖施工处风险理措施 6.1应急液氮

在联络通道附近储备移动式液氮罐的连接管路和保温材料，并与厂商签订协议，保证液氮在12h内连续供应至工地。

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6.2开挖面渗水风险处理措施

开挖过程中，开挖面有水渗出时，立即停止施工。第一时间由当班工长通知值班管理人员，同时对渗水点进行处理。如果出水量小，只是滴漏，未形成线流，利用快干水泥或注人聚氨醋封堵。如果渗水量大，利用液氮进行快速冻结。

冷冻站人员及时对渗水点观察，立即查找原因，调整冻结参数。6.3涌水、涌砂风险处理措施

开挖时出现涌水、涌砂等情况时，用砂袋和粘土袋压住出水点，封闭通道，上报项目总工和经理。(2)当出现无法控制的突发局面时，重要电机设备立即进行转移，同时迅速组织人员撤离现场，关闭防护门。同时，对地面沉降情况进行检测。并分析原因，制订措施报请业主、监理和总包单位审批后实施。6.4停水、停电风险处理措施

(l)在积极冻结期间突然停电，冻结帷幕不会很快融化，对冻结效果影响也不大;如停电时间较长，应增加积极冻结时间，直到冻结帷幕完全交圈为止。(2)在开挖期间突然停电，立即停止掘进，把暴露的土体用保温材料完全覆盖，进行保温。现场人员及时通知供电部门，排查故障原因，在30min内供电正常对旁通道的冻结及开挖没有影响。如不能及时恢复供电，立即启用备用发电机，保证冷冻站冻结系统正常工作。(3)冻结补充水每天补充一次，断水24h一般不影响冻结;冻结时保证清水箱充满水。另外在停水后，可以从别处运水补充至清水箱或在车站端头井蓄水，紧急时抽水至清水箱，保证冻结系统的正常运转。6.5工作人员打破冻结管风险处理措施

施工人员在开挖至冻结管附近时，由冻结值班人员向其标识冻结管的具体位置。如出现打破冻结管的情况，停止开挖，并通知冻结维护人员关闭盐水阀门，防止盐水外流融化冻土，由电焊工焊及时对冻结管补焊后继续施工。6.6冻结管去、回路盐水温差大于1.SOc风

险处理措施在开挖和结构施工期间，保证每组盐水的进、回路流量，一旦发现盐水的去、回路温差大于1.5℃，应及时调整该组盐水管路的流量，保证各个冻结管盐水流量均衡，使冻结管去、回路盐水温差满足要求。6.7开挖工作面化冻风险处理措施

掘进施工人员如果发现已开挖的暴露面不断有土块掉下，且影响面积较大，而且周围 使命：加速中国职业化进程

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土体有松动现象，立即通知冻结施工人员，由冻结施工人员根据判断情况，加强冷冻，同时做好开挖面的保温工作。6.8承压水不良作用风险处理措施

按不利原则分别考虑高、低水位，微承压含水层呈带状不连续分布。因此制定本处理措施:

(l)冻结过程中，针对不安全部位多布置测温孔加强温度监测，及时对所测数据分析和统计，对冻结帷幕的发展状况做出相应的预计。(2)开挖前对开挖条件严格把关，一旦发现有不合格条件，及时进行分析和排查，确实是冻结问题，采取加大局部冻结孔的流量，增加冻结时间，以提高局部冻结质量，直至满足所有开挖条件才可开挖。(3)开挖过程中，派专人对开挖工作面的冻土质量及温度进行监测，一旦发现问题及时土报给项目经理，经核查后启动涌水处理措施。

6.9排水管预留洞口处风险处理措施

敷设排水管时，预留洞口处已失去通道防护门的保护，如出现突发的涌水、涌砂现象，除关闭通道防护门外，洞口处也要封闭。具体的操作方法如下:可采用与通道防护门相似的做法，即在穿过的钢管片隔腔处设置一可关闭的小型防护门，以增加洞门的密闭性，如出现突发现象，立即关闭此门，并加以固定。6.10其它处理措施

(l)做好信息化处理，通过监测指导施工。A、位移的监测工作在冻结孔施工前，建立监测原始基准数据，冻结孔施工时，开始第一天监测，直至冻结帷幕融化后。B、冻结系统及冻结壁的温度等指数监测，自冻结运转开始，直至冻结停冻。C、(3)测温孔温度监测，冻结开机后每天监测一次。D、监测的各种数据及时反馈分析处理，以便指导施工，采取措施。(2)为了控制支架间冻结帷幕的变形，减少冻结帷幕冷量损失，所有钢支撑架后采用木背板密背，背板必须同冻结壁紧贴，尽量减少支护间隙，木背板不能松动，当支护间隙较大时，可增加背板厚度和木撅子，以提高支护效果。(3)开挖过程中，如发现土体加固强度不够，影响正常掘进时，可以采取缩短进尺加强支护等措施处理。(4)成立抢险领导小组和救援队伍，抢险领导小组轮流值班，当现场出现紧急情况时，能及时并有效不紊的实施工程抢险。

7配备应急材料及设备

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现场需配备的应急材料及设备包括:(l)水泥(包括速凝水泥)、水玻璃、粘土袋、砂袋、方木、木楔等常用材料;(2)冻结备用设备(包括冷冻机、盐水泵和清水泵)、双液注浆泵、空压机、混凝土喷射机、千斤顶、电锯、手拉葫芦、电焊机等设备。

8结语

冻土是对温度十分敏感且性质不稳定的土体，施工过程中重点做好循环盐水的温度和流量、冻土墙的温度、开挖期冻土墙体的变形量、地面冻胀和融沉量的监测，及时掌握施工质量。由于地下工程的复杂性，及时发现施工过程中存在的隐患，根据制定对策和措施采取正确的方法，才能堵绝事故苗头，确保施工安全。

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第三篇：地铁联络通道冻结法施工技术

联络通道冻结法施工技术

摘要:结合上海地区地铁所处地层的特点,对联络通道的冻结施工作了详细的分析。对水平冻结工艺、冻结施工、冻土开挖、冻胀融沉等几方面提出了有参考价值的施工参数及控制措施。最后对施工的一些安全问题提出建议。关键词:轨道交通;联络通道;冻结法;施工

上海市地铁区间隧道所处地层常常遇到松软含水地层,稳定性差,因此,在联络通道土体开挖前,必须对周围土体进行加固。用冻结法加固土体具有强度高、封水性好、安全可靠等优点,特别适用此类工程。由于传统的垂直钻进冻结孔在城市中施工缺乏打钻空间,故以采用水平冻结[1,2]为宜。

1、联络通道施工

联络通道及泵站常设在地铁区间隧道的最低点。其由与上、下行线正交的水平通道和通道中部的集水井组成。通道为直墙圆弧拱结构,集水井为矩形结构。

在冻结法施工过程中[3],通常用“隧道内钻孔,冻结临时加固土体,矿山法暗挖构筑”的施工方案,即:在隧道内利用水平孔和倾斜孔冻结加固地层,使联络通道及泵站外围土体冻结,形成强度高、封闭性好的冻土帷幕,然后根据“新奥法”的基本原理,在冻土中采用矿山法进行联络通道及泵站的开挖构筑施工。地层冻结和开挖构筑施工均在区间隧道内进行。

2、水平冻结工艺 2.1冻结帷幕设计

冻土帷幕厚度设计,通常根据类似工程施工经验和设计试算,然后采用有限元对冻土帷幕受力与变形进行验算,直到满足要求。2.2冻结孔的设置

根据冻结帷幕设计及联络通道的结构,冻结孔按上仰、近水平、下俯3种角度布置在联络通道和泵站的四周,在通道下部布置2排冻结孔,加强通道冻结效果,把泵站和通道分为2个独立的冻结区域。通常冻结孔的布置根据管片配筋情况和钢管片加强筋位置,在避开主筋的前提下可适当调整。2.3制冷设计 1)确定冻结参数。

(1)设计盐水温度为-25～-30℃。

(2)冻结孔单组流量≥3 m3/h。

(3)冻结孔应避开管片接缝、螺栓、主筋和钢管片肋板,开孔位置误差≤100 mm。

(4)通常设置4个对穿孔,用于冷冻排管和冻结孔供冷。

(5)冻结孔有效深度(管片表面以下冻结管循环盐水段长度)不小于冻结孔设计深度,冻结管管头碰到冻结站对侧隧道管片的冻结孔,不能循环盐水的管头长度≤150 mm。

(6)冻结孔最大允许偏差150 mm,冻结帷幕交圈时间为18~22 d,达到设计厚度时间为40 d。

(7)积极冻结达到开挖时间一般取为40 d,维护冻结时间为30 d。

(8)分别在通道内外和两侧隧道内布置18个测温孔(深2～6 m),其中对侧隧道布置8个;在冻结帷幕中间布置4个泄压孔(上、下行线各2个,利用管片上预留注浆孔)。

2)用式⑴计算出的冻结需冷量为14 878 kJ/h。

Q=1.2·π·d·H·K(1)式中:d为冻结管直径,0.089 m;H为冻结总长度;K为冻结管散热系数,71.7 kJ/(h·m2)。

3)选用JYSLGF300Ⅱ型螺杆机组2台套(1台备用),设计单台机组工况制冷量为21 000 kJ/h,电动机功率为110 kW。

3、冻结施工 3.1 冻结孔施工

1)为了保证联络通道及泵站开挖时的安全,通常采用在2条隧道分别钻孔的方案。冻土帷幕拱顶布置3排冻结孔(喇叭口上方有2排冻结孔),集水井底部用“V”字形布孔方式,即在另一条隧道底部打2排孔,将联络通道和泵站封闭。

2)布置冻结孔位的管片在开孔前,监理需对每个孔位进行确认(混凝土管片内外层主筋不会被打断,确保管片结构的安全)。3)冻结孔施工工序为:定位开孔→孔口管及孔口装置安装→钻孔→测量→封闭孔底部→打压试验。

4)采用经纬仪和水准仪监测开孔前和钻孔时的上下仰俯角及方位角,钻孔的偏斜应控制在0.8%以内,在确保冻土帷幕厚度的情况下,终孔偏斜≤150 mm。采用每钻进3 m后测量1次偏斜(如偏斜大,应进行纠偏;如偏斜超过设计要求,应根据地层情况及时拔除冻结孔,重新钻孔,直到满足设计要求;考虑地压大、摩擦力大等因素,若冻结孔无法拔出时,应在超设计孔的偏斜间距间补打1个孔,以保证终孔间距不大于设计要求)。3.2 冷冻站安装

1)占地面积约80 m2的冻结站设置在隧道内,站内设备主要包括冷冻机、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及配电控制柜等。

2)管路用法兰连接。隧道内的盐水管用管架敷设在隧道管片斜坡上,以免影响隧道通行。盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温,保温层厚度为50 mm,保温层的外面用塑料薄膜包扎。

3)在盐水管路和冷却水循环管路上要设置伸缩接头、阀门和测温仪、压力表、流量计等测试组件。

4)集配液圈与冻结管的连接用高压胶管,每根冻结管的进出口各装1个阀门,以便控制流量。联络通道四周主冻结孔为2个串联在一起,其他冻结孔为3个串联在一起。

5)冷冻机组的蒸发器及低温管路用棉絮保温,盐水箱和盐水干管用50 mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保温。考虑两侧喇叭口冻结的效果以及管片的散热,对上下行线隧道管片内侧安装冷冻板,来加强冻结。

6)设备安装按使用说明书的要求进行,考虑冷冻机运转的连续性,不能停机检修,在运转前应联系厂家来人检修冷冻机,以保证冷冻机可靠、连续运转。3.3 冻结系统试运转

设备安装完毕后进行调试和试运转。在试运转时,要随时调节压力、温度等各状态参数,使机组在有关工艺规程和设备要求的技术参数条件下运行。在冻结过程中,定时检测盐水温度、盐水流量和冻土帷幕扩展情况,必要时调整冻结系统运行参数。冻结系统运转正常后进入积极冻结。3.4 冻结效果的监测

1)在积极冻结过程中,要根据实测温度数据判断冻土帷幕是否交圈和达到设计厚度。

2)积极冻结期间内,盐水去路温度应稳定地保持在-25～-30℃以下;运转时间应保证超过30 d。

3)各冻结孔组的回路温差≤1.2 K,盐水循环系统去回路温差≤2 K;盐水系统循环总流量达到设计值;联络通道冻土有效厚度>1.6 m,通道冻结壁有效冻土平均温度要达到-10℃及以下。3.5 试挖与维持冻结

1)测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度后再进行探孔试挖;开挖前先在钢管片上开一探测观察口,判定水和泥从有到无,确认冻土帷幕内土层无流动水后(饱和水除外)再进行正式开挖。

2)泄压孔达到升压条件,进行放压观测试验。

3)正式开挖后,根据冻土帷幕的稳定性,以及保证联络通道的开挖安全,不提高盐水温度,进入维持的积极冻结,盐水温度仍保证在-25～-30℃。

4、冻土开挖及构筑施工

开挖施工之前,需在隧道的联络通道开口处搭设工作平台,利用隧道作为排渣及材料运输通道。4.1简易预应力隧道支架安装

1)积极冻结期间,需在联络通道开口处两侧隧道中设置简易预应力隧道支架,以减轻联络通道开挖构筑施工对隧道产生的不利影响。简易预应力隧道支架为矩形支架形式,上下行线联络通道开口两侧各架2榀钢支架(组合结构),间距为2.4 m。

2)2榀钢支架在联络通道两侧沿隧道方向对称布置,安装在联络通道预留洞两侧的第一条管片环缝处,偏离管片环缝截面的距离≤20 mm。架设时要有专人负责指挥,拼装时螺栓必须拧紧。

3)每榀支架有8个支点,由6个50 t螺旋式千斤顶提供预应力。高处千斤顶应系在主架上,防止脱落。施加预应力时,每个千斤顶要同时慢慢地平稳加压,每个千斤顶以压实支撑点为宜。4)安装好预应力支架后,顶实千斤顶,但每个千斤顶的顶力≤100 kN,且各个千斤顶的顶力要基本均匀。根据实测隧道收敛变形调整各个千斤顶的顶力,收敛大的部位要求千斤顶力大,不收敛的部位千斤顶不加力,隧道收敛达到报警值10 mm时,千斤顶顶力达到设计最大值500 kN。如千斤顶顶力达到设计最大值后隧道仍继续收敛,则应采取其他措施加强隧道支撑。4.2 防险门设计与安装

为保证联络通道施工安全,预防突发事件的发生,在积极冻结期间,在联络通道口加设安全防险门。

1)防险门为普通碳素钢结构,安装在开挖侧隧道预留洞口上;配备风量≥6 m3/min的空压机给防险门供气。防险门安装完毕,应开关灵活可靠,并便于人工操作,且不影响施工。

2)安装好防险门后进行气密性试验,要求在不停空压机时,试验气压能保持在设计值;开管片前应作一、二次演习,保证防险门的安全正常使用。

3)在集水井开挖前,在通道底板加预留(埋)件,对集水井另加工安装1套防险门。4.3 开挖

1)经探孔试挖确认可以进行正式开挖后,打开钢管片,然后根据“新奥法”的基本原理,进行暗挖法施工。由于冻土强度较高,冻结壁承载能力大,因而开挖时(除喇叭口侧墙和拱顶外)可以采用全断面一次开挖。

2)开挖掘进采取分区分层方式进行[4]。其施工顺序:先开挖通道,再开挖喇叭口,最后开挖集水井。

3)人工开挖的工具根据土体强度,可用风镐或手镐。开挖步距视土体加固情况而定,一般控制在0.5 m左右,特殊情况下最大不超过0.8 m。

4)开挖时,集水井外围冻结孔不割除,内部只需割除4根冻结管(位于中部),以确保冻土的强度及安全。

5)由于通道中冻土温度较低,风镐内空气中的水会凝结成冰屑,积集在管子的接头或进风口处,堵塞管路,故需将风管悬吊起来,每隔1～2 h向风管内注入酒精,防止冰屑的出现,以保证施工顺利进行。6)开挖断面严格按照施工图进行,尽量避免超挖(控制在30 mm以内);开挖中心线偏差≤20 mm。喇叭口处考虑到断面较大,而且一端冻结管分布较为密集,另一端冻土强度相对较弱,故该处采取分断面开挖,缩短支护时间。4.4 支护

1)联络通道和泵站开挖后,地层中原有的应力平衡受到破坏,引起通道周围地层中的应力重新分布。这种重新分布的应力不仅使上部地层产生位移,而且会形成新的附加荷载作用在已加固好的冻土帷幕上。当冻土帷幕墙所承受的压力超过冻土强度时,冻土帷幕及冻结管会产生蠕变。为控制这种变形的发展,冻土开挖后要对冻结壁进行及时的支护,确保施工安全。

2)联络通道开挖及支护完成后,为减少混凝土施工接缝,通道混凝土结构应一次性连续浇筑,而通道顶板内的混凝土因浇筑困难,可分段浇筑,必要时可采用喷浆机对浇筑空隙进行充填。

3)上部结构施工完成以后,混凝土强度达到设计值的60%以上,才可开挖集水井。泵站开挖到设计深度,首先对泵站底板进行封底浇筑,然后一次性完成泵站的钢筋混凝土浇筑施工。根据设计要求采用商品混凝土,考虑到混凝土处于低湿环境中,必要时加入防冻剂等,以缩短混凝土凝固时间。

5、地层跟踪注浆

1)联络通道结构完成后,冻土在融化的过程中,会引起土体下沉。为控制融沉,必须对地层跟踪压密注浆,加固土体,减小对隧道的不利影响。

2)根据监测反馈的信息,利用管片压浆孔对隧道管片底部、喇叭口部位进行补压浆;通过联络通道衬砌中的预埋注浆管进行跟踪注浆,以补偿融沉。结构层施工结束、强度达到80%时,用J-200金刚石钻机在结构层中和隧道管片钻孔至冻结帷幕外围,埋设注浆管,从冻结帷幕外围进行跟踪注浆,控制融沉。

3)注浆顺序:管片底部→喇叭口处→通道及集水井。每一注浆段中应遵循先下部、后上部的原则,使加固的浆液逐渐向上扩展,避免死角。

4)为了增强压浆的可注性,开始时可注黏土—水泥浆;二次补浆选用水泥—水玻璃浆液。

5)为了防止隧道管片及联络通道结构受到影响,拟选用小压力、多注次的方式;注浆压力一般控制在0.2～0.5 MPa。6)根据经验,融沉注浆量一般控制在冻土体积的15%左右。

6、结语

冻结法施工工艺在我国城市地铁工程联络通道建设上应用不少。由于联络通道结构的复杂性和冻结法施工技术的特殊性,在施工中常常会遇到一些意外险情,因此必须对冻结理论等作进一步深入、系统的研究。为此,在工程施工中要做好各个施工环节,同时还应制订一套完善的应急预案,以将施工险情消灭于萌芽状态。

第四篇：应用冻结法加固地铁工程的结构施工研究

应用冻结法加固地铁工程的结构施工研究

摘要:主要介绍了上海地铁明珠线蓝村路站-浦东南路站区间隧道联络通道、泵站采用水平冻结加固情况下,隧道支护及结构施工过程,分析了隧道内矿山法施工旁通道对地表及隧道结构产生的影响及解决措施,指出了矿山法施工技术在市政及地铁工程施工中的技术可行性。

关键词:水平冻结;隧道支护;结构施工 1 前言

由于受城市地面道路、建筑和地下管线的影响,在地铁隧道施工中,传统的明挖施工技术受到挑战,而隧道暗挖施工技术,因其很少占用地面施工场地、无环境污染、施工安全性高等优势,在北京、广州、上海等城市地铁施工中得到推广应用。2002年6月至11月上海地铁明珠线蓝村路站-浦东南路站区间隧道联络通道、泵站工程采用全断面水平冻结法加固、矿山法开挖支护施工顺利完成。2概述 2.1工程内容

上海地铁明珠线二期蓝村路站—浦东南路站区间隧道旁通道及泵站(以下简称旁通道)位于两站区间隧道中部。旁通道由与左右线隧道正交的水平通道及通道中部的集水井组成(图1)。按设计,旁通道位置上、下行线隧道的中心标高分别为-15.007m和-15.806m,上、下行线隧道中心线间距13481.9mm。通道为直墙圆弧拱结构,集水井为矩形结构,通道和集水井均采用两次衬砌,其中初衬厚度为200mm,通道墙、拱和集水井内衬厚度为400mm,通道底板和通道与隧道连接处(喇叭口)内衬厚度为1000mm。通道的开挖轮廓高约4.23m,宽3.2m,局部(喇叭口处)高4.83m,宽4.4m;泵站开挖轮廓长4.2m,宽3.2m,深2.2m。

2.2 工程地质条件

旁通道位置地面标高为4m左右,隧道上覆土层厚度按19m考虑。根据附近地层情况,旁通道施工范围内土层主要按灰色淤泥质粘土、灰色粘土和灰色粉质粘土考虑,具有孔隙比大、含水丰富、承载力低、容易压缩和在动力作用下易流变的特点,开挖后天然土体本身难以自稳。2.3 工程难点

① 地质条件差,淤泥质粘土承载力低,含水率高,易流变;② 在盾构区间隧道内施工,施工点距区间隧道两端车站均有1km左右的距离,施工场地狭小;③ 工程地处浦东新区东方路,通道上方地面为一栋二层楼的超市,通道开挖引起的地表沉降量必须严格控制,不能超过30mm。

因此,在该地层内开挖构筑旁通道,需要先对施工影响范围内的土体进行稳妥、可靠的加固处理。经反复论证决定采用水平冻结法加固。该工法具有安全性好,不污染环境等优点。因此本工程设计包括旁通道周围土层的冻结加固和开挖构筑施工两部分内容。设计地层冻结加固体积约为2100m3,挖掘土方和浇注混凝土体积分别为220m3和120m3。采用这种加固方法就要求旁通道及泵站结构施工中的开挖工艺、支护参数等与之相适应。3 施工方法与施工工序

根据上述施工条件,并结合上海地铁二号线旁通道施工经验,拟采用“隧道内水平冻结加固土体,隧道内开挖构筑”的全隧道内施工方案。即:在隧道内采用冻结法加固地层,使旁通道外围土体冻结,形成强度高、封闭性好的冻土帷幕,然后在冻土帷幕中采用矿山法进行通道及泵站的开挖构筑施工。

水平地层加固和开挖构筑的主要施工工序:施工准备→隧道管片开孔和安装孔口管→冻结孔钻进,安装冻结器与冷板,同时安装冻结制冷系统→安装冻结盐水系统和检测系统→冻结运转,同时进行隧道支撑→探孔试挖,拆钢管片→通道掘进与初衬→通道防水层施工与内衬→泵站开挖与初衬→泵站防水层施工与内衬→停止冻结,封孔→壁后充填注浆。冻结孔施工和旁通道初衬施工为本工程的关键工序,防水层和旁通道内衬施工为特殊工序。4 联络通道临时支护参数

由于冻土具有明显的蠕变特性,特别是粘性土层,这种特征更加明显,随着旁通道的掘进施工,冻结壁被暴露在空气中,冻土的蠕变随时间的延长而增加。为控制冻结壁的变形,要对冻结壁采取有效的临时支护,以免冻结壁变形破坏。

将旁通道的支护结构简化成由三段简支梁组成的一个半封闭结构。由于拱顶部分的冻结壁较厚,冻结壁变形较小,作用在支架上的荷载主要作用在支架两侧的柱腿上。假设作用在支架腿上的载荷为均布荷载,最大弯距发生在柱腿中部,根据变形协调条件,柱腿中部的挠度f同冻结井壁的允许变形相等,即:

ua=f=5qL4/381EI

（1）

式中:ua为冻结壁的变形量;E为支架的材料弹性模量;I为支架惯性矩;L为支架柱腿的长度;q为作用在支架腿上的均布荷载,q值可根据式

ua=(1+u)(p-pi)a/A(t×τ)确定。

式中:τ为冻土的侧压力系数;A为冻土的弹性模量;p为作用在冻土外侧的压力;pi为支架对冻土壁的反力;a为旁通道宽度的一半;t为冻结壁的温度系数;u为支架的间距。

已知ua=2cm=0.02m,u=1/2=0.5,A=40MPa,p=20×1.8×104=3.6×105Pa;a=1.7m Pi=P-A·Ua(t×τ)/α(1+u)=4.6×104Pa设支架的排间距为0.5m,则每个支架上的荷载为

q=pi/2=2.3×104Pa 由式(1)得

I=5qL4/381UaE

L=3.8m,q=2.3×104Pa,E=2.1×105MPa,Ua=0.02m代入上式得:

I=1498cm4

根据工字钢的转动惯量可知

I16=1130cm4 I18=1660cm4>1498cm4

故选用18号工字钢作为支架的支护材料,考虑到支架的刚度及稳定性,每个支架加有中梁及底梁。5旁通道开挖构筑工艺

旁通道的开挖从占用隧道一侧向另外一侧隧道进行水平暗挖,根据冻土的发展规律,同时考虑工期、隧道占用时间等因素,旁通道的开挖构筑施工应尽量同冻结孔施工占用同侧隧道。旁通道的开挖构筑在一个完全封闭的冻土帷幕内进行,冻土帷幕为一个底部较厚的直墙圆拱形,冻土墙设计厚度1.2m,冻土强度4～6MPa,旁通道及泵站的施工采取全断面开挖。

在打开钢管片前应对各种量测资料及测温孔中测得的冻结壁发展情况、冻结时间等进行综合分析,当分析结果同设计基本相符时,即可进行试开挖。由于冻土强度较高,冻结壁本身起着临时支承作用,开挖过程中为避免冻结壁暴露后产生蠕变,造成冻结管断裂,在掘进过程中要及时对冻结壁进行临时支护,并对冻结壁及时封闭,减少冷量损失。旁通道的开挖构筑要充分利用冻土的强度特点,经过科学施工,严格管理,将加固地层自身的稳定性与合理的临时支护有机的结合起来,控制开挖步距,加强工程监测, 将整个通道的开挖及临时支护完成之后,一次进行防水层和结构混凝土浇筑施工。这样不仅简化了旁通道及泵站开挖构筑施工工艺,缩短了工期,加快了施工速度,而且提高了工程质量。上海轨道交通明珠线二期蓝村路站-浦东南路站区间隧道旁通道及泵站施工情况

上海轨道交通明珠线二期蓝村路站-浦东南路站区间隧道旁通道及泵站开挖构筑工作自2002年10月6日开始施工,10月11日旁通道部分采用矿山法开挖挖通,11月17日整个旁通道及泵房结构施工完毕。监测结果显示地表最大沉降量为16mm,隧道内管片最大沉降量为6mm。这说明采用冻结法加固的情况下,用矿山法开挖地铁旁通道对周边环境的影响完全处在安全范围内。该旁通道工程的成功实施,为上海市区建筑物下地铁隧道施工及过江隧道施工积累了有益的经验,是冻结法加固地层矿山法开挖在市政工程中的一次成功实践。参考文献: [1]陶龙光,巴肇伦.城市地下工程[M].北京:科学技术出版社,1999.[2]孙钧.地下工程设计理论与实践[M].上海:上海科学技术出版社,1996.[3]陈仲颐,周景星,王洪瑾.土力学[M].北京:清华大学出版社,1997.

第五篇：卷烟机下烟通道的改进方式研究的论文

下烟流动理论分析

往复转动的搅动辊将烟支导入下烟通道的同时，对烟支施加有作用力。由于搅动辊为棱柱设计，当烟支脱离搅动辊向下时，与烟支接触的棱柱面角度随机出现，故此作用力的方向亦具有不确定性。烟支在重力和作用力的共同作用下，下落时呈现加速、或减速、或斜向左、或斜向右的多样化运动状态，而烟支下烟通道的间距略大于烟支直径，故烟支在通道内的下落过程并不是有序的自然降落，而是不断地与通道侧壁发生碰撞、反弹和摩擦，产生跳跃式下降，在烟支刚刚进入下烟通道时此现象尤为明显。随着烟支逐渐下落，下烟通道的间距也逐渐变窄，同时受到上方烟支的重力挤压作用，使烟支的下落运动趋于平稳。根据烟支下落时的运动状态，可将下烟通道内的烟支流动情况简化为流体流动模型。根据流体力学原理，若通道断面面积一定，湿周最小时，流量最大［7］。由此可以看出，减少接触面积，即理论意义上的湿周，可以有效减少下烟通道壁板对烟支的粘滞作用，提高烟支的下落速度，同时也可降低因下烟导板壁粘滞导致烟支下落不平衡的概率。

改进方法

分析烟支下落情况及通道结构可知，在下落过程中，烟支的圆周面和烟支两端面与下烟通道接触的零部件，主要有与烟支圆周接触的两侧下烟导板、与烟支烟丝端接触的连接板及下挡板、与烟支滤嘴端接触的前部有机玻璃门板。综合考虑，仅对烟支圆周和烟丝端的接触面进行了改进。

1改进连接板和下挡板

连接板是安装下烟导板的基板，同时也是烟支在上半下烟通道中长度方向上的定位板。下挡板则是烟支在下半通道中长度方向上的定位板。由于连接板与烟支的烟丝端相接触，因此在保证连接板定位作用下尽可能减少接触面积，同时在保证下烟通道对烟支的导向作用下，适当扩大下烟通道宽度。图2可见，对应于每一条下烟通道，在连接板上增加宽度为b，深度为t1，的槽，槽的方向与下烟通道方向即烟支流动方向一致，槽中心线与下烟通道中心线重合，图中阴影区域即为烟支烟丝端与连接板接触的区域。开槽参数是关键，开槽宽度应使烟支在槽两侧均能与连接板接触，从而保证连接板的定位作用不致使烟支歪斜，并且要保证烟支最小接触面积，使烟支定位稳定。此外，将连接板和下挡板由分体设计改为连体设计，便于零件安装定位及保证精确度。增加的槽切口不仅能起到减少烟支与连接板接触面积的作用，使烟支下落顺畅，且为烟支尾部脱落的烟丝提供了较大的下落空间，烟丝从槽切口落下，在连接板的导向作用下落入烟丝回收盒，可降低烟丝进入烟支模盒的概率。

2改进下烟导板和底板

下烟导板是下烟通道的主要零件，主要起烟支左右定位作用。在工作状态下，烟支沿下烟导板侧壁快速下落，下烟导板两侧面分别与左右两边的烟支圆周面相接触，两者之间的相互作用贯穿于烟支从进入下烟通道到下落至底板的整个过程，对烟支下落流动情况影响较大。因此，需要对整个下烟导板两侧面进行改进，在保证下烟导板侧边定位导向作用下尽可能减少接触面积。下烟导板的基本形状为楔形，从结构上考虑，在每片下烟导板的两侧分别增加变截面槽切口，改进前后下烟导板起始端槽切口截面形状及参数见图3，图中粗线为烟支圆周与下烟导板接触的区域。根据下烟导板的楔形变化，在下烟导板末端，槽切口截面收缩为一段线段，中间截面呈线性变化。槽切口的增加使下烟导板侧面由完整的支撑面转变为只有两个支点的支撑架。与连接板的改进要求相似，下烟导板的槽切口应使烟支与导板接触面积尽量小，但又要保证有一定的接触面积使烟支定位稳定；两个支点的位置及大小的选取应满足烟支下落的平衡性，结构上还应考虑导板的强度及安装要求。此外，在原下烟通道部件中，每组下烟通道的下烟导板是近似等高的，导板最底部到底板上平面的距离略大于烟支直径。改进后下烟通道底部结构见图4，将中间的下烟导板加长，可将落在底板上的烟支分为两组，使底板上面的一排烟支更好地定位，从而有效降低在夹烟、推烟过程中出现的烟支歪斜现象。

改进效果

烟支直径D=7.7～7.9mm，烟支长度L=70～100mm，对应下烟通道入口宽度B1=9.0～9.2mm，出口宽度B2=8.65～8.85mm。对烟支参数取中间值，即直径D=7.8mm，L=84mm进行改进。对于连接板槽切口，按式（1）取适当放大的下烟通道入口宽度B1=9.45mm，槽宽系数取0.6，计算可得开槽宽度b=4.95mm，取5mm；开槽深度t1取3mm。计算可得烟支与连接板的接触面积减少约70%，同时下烟通道入口宽度B1由9.1mm放大至9.45mm，出口宽度B2由8.75mm放大至9.15mm，通道面积增加约4.4%，有利于烟支的顺畅下落。对于下烟导板槽切口，按式（2）分别取导板宽度L2=75mm，支点跨距L3=60mm，支点长度l=4mm，槽切口起始深度t2=2.3mm。计算可得烟支与下烟导板的接触面积减少约90%；同时加长中间下烟导板，以增加下烟、夹烟、推烟的稳定性。改进设计后的下烟通道见图5。改进后的下烟通道在出口印度尼西亚的ZB45型硬盒硬条包装机组上进行了试验，机器运行状况良好，与原设计相比较，烟支下落顺畅度及稳定性有较大提高。在规定实物试车时间内，因下烟不畅问题导致的停机时间减少了约36%，整机运行效率提高了约3%，提升了卷烟包装质量。