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技术文章
 
 

越江隧道联络通道冻结法信息化施工技术

2016-3-18 点击次数：[796]
 
    随着我国经济高速发展以及城市化进程的加速，为满足交通需求，许多城市都兴起了轨道交通建设的热潮。越来越多的越江及越海隧道将会修建，冻结法作为地层加固的一种方法在止水效果上有着明显的优势，因此冻结法广泛应用于修建区间隧道联络通道、盾构进出洞止水加固地层、隧道修复等工程。然而，冻结法在发挥其独特优越性的同时，由于其施工工艺的特殊性，施工中如果不能及时掌握现场的量测信息，不仅对冻结施工起不到指导作用，很有可能导致工程的失败，甚至造成灾难性的后果。
    1 ·信息化监测
    人工地层冻结信息化施工就是在施工过程中，通过设置各种测量元件和仪器，实时收集现场温度场、应力场、位移场等实际数据并加以分析，根据分析结果对原设计和施工方案进行必要的调整，并反馈到下一施工过程，对下一阶段的施工过程进行分析和预测，从而保证工程施工安全、经济地进行。因此，要进行信息化施工，应当具备一些条件: 1) 有满足检测需要的测量元件及仪器;2) 可实时检测; 3) 有相应的分析预测模型和方法; 4) 应用计算机。具体主要包括三个方面: 信息采集、信息处理和信息反馈。
    1． 1 信息采集
    人工地层冻结工程信息可分为施工前地质勘测信息和相应土层冻融状态下土工参数及热物理参数信息的采集、施工过程中的信息采集以及施工过程中地质信息的采集。施工前地质勘测信息的采集包括工程地质、水文地质信息等，土层冻融状态下土工参数及热物理参数信息的采集包括土层含水量、结冰温度、导热系数、比热、热容量等。冻结阶段的信息采集主要包括冻结系统的运行参数、冻土帷幕的温度场及由冻结引起的应力场、位移场变化情况等; 开挖阶段的信息采集除包含冻结阶段的信息外，还包括开挖面温度、冻结壁变形情况等。
    1． 2 信息处理
    信息处理是将施工监测中采集到的信息按照相关理论进行分析处理，其目的是把分析处理的结果反馈到施工、设计中去，对施工、设计提出改进性意见或修改方案，从而达到指导施工和完善设计的目的。对于冻结施工，现阶段一般采用“多点多线式”或基于离散点的“一线总线式”量测技术，这些方法获得的都是离散点的温度信息，不能测量整个待测区域的温度，供推断冻结壁发展情况的信息量相对较少。因此，在温度信息的处理分析时，需要由局部信息及时推断整个待测区域的温度情况，确保工程施工安全。随着数值模拟技术及反分析技术研究的不断深入，依据离散点的温度信息采用有限元分析软件反推冻土的热物理指标，再根据反分析获得的冻土的热物理指标，采用有限元计算方法，推求整个待测区域的温度信息并确定冻土帷幕的性状( 有效厚度和平均温度) ，同时预测下一阶段冻土帷幕的性状。
    1． 3 信息反馈
    信息反馈是将采集到的信息经处理后及时有效的反馈到设计、施工中去，一方面，做到完善设计、指导施工，确保工程安全、经济的进行; 另一方面，可以为类似地质条件的工程提供第一手可靠的经验资料。冻结孔施工阶段，主要反馈冻结孔的成孔信息，根据这些信息为冻结孔的成孔质量做出评价; 冻结施工阶段，主要反馈温度信息及因冻胀引起的应力、变形信息，通过这些信息指导工程施工; 开挖构筑施工阶段，主要反馈冻土帷幕的温度信息、开挖面的温度信息及冻土帷幕变形信息，通过这些信息及时调整开挖的施工工艺。
    2 ·工程实例
    2． 1 工程概况
    武汉市轨道交通2 号线一期工程江汉路站—积玉桥站越江区间隧道，区间长3 092． 543 m( 右线) ，采用盾构法施工。为了满足区间防灾和排水要求，区间内共设置5 条联络通道。其中1 号、4 号联络通道分别设于汉口、武昌风井内。2 号联络通道里程右DK12 + 800 ( 左DK12 + 800) ，3 号联络通道与泵房合建，里程右DK13 + 382． 849( 左DK13 + 382． 849) ，均位于长江下。5 号联络通道里程右DK14 + 340( 左DK14 + 363． 867) ，位于武昌风井与积玉桥站之间。2 号、3 号和5 号联络通道均采用洞内冻结法加固地层，采用矿山法施工。其中，3号联络通道施工难度大，危险系数高，因此本文以3 号联络通道为例，介绍冻结法信息化施工技术。
    2． 2 水文地质条件长江河床地层岩性自上而下为: 粉细砂( ②-1) ，厚约6． 2 m ～7． 3 m; 中砂( ②-2) ，分布不连续，厚度变化较大，一般2． 9 m ～13． 2 m，下伏基岩为志留系中统坟头群泥岩、泥质粉砂岩。拟建场地的地下水类型为孔隙潜水，赋存于长江河床部位第四系全新统粉细砂、中粗砂层中，孔隙水压力大，与长江水有直接水力联系。
    3· 信息处理与反馈
    3． 1 冻结孔成孔
    冻结孔成孔是冻结工程成败的关键因素之一，有效控制冻结孔成孔质量对于施工工期和工程节能效果明显。根据现场记录和测量监测发现，部分冻结孔未达到设计长度，鉴于均打入注浆层，且偏差值不大，经分析演算可不进行补救措施。其中D25 号冻结孔距离设计值偏差3 907 mm，且D25 孔比较重要，所以在左线增设补孔补1、补2。经过打压测试所有冻结孔密闭性均满足冻结要求。
    3． 2 冻结帷幕
    1) 冻结孔温度。3 号联络通道测温孔右行线4 个，左线8 个，共计12 个，孔深为2． 0 m。在冻结帷幕易出现薄弱的地方附近的测温孔C1 和C8 埋设10 个温度热电偶，测温深度为0． 45 m， 0． 6 m，0． 7 m，0． 8 m，之后每隔0． 2 m 设置一个。其他测温孔内设3 个测温点，测点深度分别为0． 45 m，0 ． 8 m，2 ． 0 m 不等。从测温孔各测点温度随时间变化的曲线看出各测温孔温度逐渐下降，积极冻结初期下降较快，积极冻结后期下降较慢，维护时期降温很慢，冻结效果良好。冻结过程中盐水流量均衡，离冻结孔越近降温越快。
    2) 冻胀压力。为了了解冻结过程中，冻结帷幕对隧道管片产生冻胀压力的变化情况，掌握冻结帷幕发展状况，在开挖范围内靠近冻结帷幕边缘的位置布置土压力计，监测冻胀压力。压力盒的位置见表1。
             
    初始低压为0． 5 MPa 左右，冻结第16 天，压力表显示开始涨压。冻结18 d，压力开始剧烈上涨，说明冻结帷幕已经交圈。冻结21 d，将泄压孔泄压后，压力盒降到0． 5 MPa 后压力继续剧烈增长，冻结32 d，将各卸压孔半打开，压力盒读数维持在0． 5 MPa，与泄压的变化基本相同。土压力盒随时间的变化曲线见图1。
             
    3． 3 泄压孔压力
    泄压孔的作用主要有两个: 1) 通过和原始地压的比较，可以作为判断冻结壁是否交圈的依据; 2) 通过及时泄压，可以减少土体冻胀对结构的不利影响。3 号通道共布置了2 个泄压孔，右线泄压孔为X1，左线泄压孔为X2，泄压孔深度均为2 m，均布置在开挖断面内。X1 和X2 泄压孔压力随时间变化曲线见图2。由图2 可知，泄压孔的初始压力为0． 4 MPa，冻结16 d 压力表开始发生变化，压力开始剧烈上涨，在冻结18 d 达到0． 7 MPa 以上，为了冻结壁安全进行开闸泄压，压力下降到0． 2 MPa 上下，泄压后压力继续上升。冻结32 d，为了降低冻胀，将泄压孔打开，泄压孔一直处于半泄压的状态。冻结41 d，在联络通道左右行线开挖断面未冻区内各施工一个探孔，没有发现涌砂、涌水现象，说明冻结效果良好。
              
    3． 4 预应力支架轴力
    通过安装在隧道预应力支架千斤顶上的轴力计，来监测千斤顶对隧道施加的预应力是否满足设计值要求，保证不对隧道的管片造成破坏。在冻结过程中，通过监测预应力支架的轴力变化来监测冻胀力的作用，预测隧道的变形趋势。同时，必要时根据预应力轴力的变化来调整冻结施工，保证隧道在整个冻结期间的安全。在3 号联络通道的两端选择1 榀预应力支架上各布置3 个轴力计，每个联络通道布置6 个轴力计。通过监测轴力计的读数可知千斤顶对隧道施加的预应力满足要求，开挖期间轴力计的读数整体变化幅度很小，可知千斤顶对隧道的压力基本保持恒定，隧道变形较小。
    4· 结语
    通过对冻结孔成孔情况的监测，及时找出薄弱区域进行补孔，消除了冻结过程中的隐患，在开挖范围内靠近冻结帷幕边缘的位置布置土压力盒，及时了解冻胀压力，掌握冻结过程中冻结帷幕的交圈情况，合理安排开挖时间。由安装在隧道预应力支架千斤顶上的轴力计，来监测千斤顶对隧道施加的预应力是否满足设计值要求，保证了隧道管片变形在允许范围内。通过对冻结过程中的信息化监测，及时获得冻结过程中的有效数据，为科学决策、科学施工提供了有利保证，大大降低了冻结过程中的盲目性，同时降低了工程施工成本和安全隐患，保证了江底3 号联络通道顺利完成，为今后我国类似工程的冻结法施工提供宝贵的经验。
 
 
 
 
 
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