地下长距离水平冻结加固及开挖清障技术_赵培.pdf

20231Building Construction130地下长距离水平冻结加固及开挖清障技术赵培上海市机械施工集团有限公司 上海 200072摘要：受施工环境、技术和装备水平的影响，目前盾构机直接穿越重要构筑物基础和围护结构难度极大。通过采用地下长距离水平冻结加固及开挖清障技术，在软土地层距运营地铁站底板下2.209 m，穿越4道地下连续墙（含斜向）和8根格构柱，实现42 m单向高精度水平穿障钻孔；通过运营地铁车站下方大体量冻胀控制、冻结断管修复和免拔技术，保证了直径7.9 m、长38 m的隧道安全及盾构机的顺利穿越，减少了对环境的影响，实现了浅覆土大断面长距离轨交隧道区间和车站的暗挖建造。关键词：长距离水平冻结；地下连续墙清障；暗挖支护；大体量冻胀；断管修复中图分类号：TU99 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)01-0130-05 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.01.034Long Distance Horizontal Freezing Reinforcement and Excavation Obstacle Removal TechnologyZHAO PeiShanghai Mechanized Construction Group Co.,Ltd.,Shanghai 200072,ChinaAbstract:Affected by the construction environment,technology and equipment level,it is very difficult for shield machine to directly pass through the foundation and support of important structures.Through the adoption of underground long distance horizontal freezing reinforcement and excavation and obstacle removal technology,the 42 m one-way high-precision horizontal obstacle drilling is realized by crossing 4 underground continuous walls(including inclined)and 8 lattice columns at 2.209 m under the floor of the operating subway station in the soft soil layer.Through the large volume frost heave control,freezing broken pipe repair and pull-out free technology under the operating subway station,the safety of the tunnel with a diameter of 7.9 m and a length of 38 m and the smooth passage of the shield machine are ensured,the impact on the environment is reduced,and the construction of the shallow covered large-span long-distance rail transit tunnel section and the station is realized.Keywords:long distance horizontal freezing;removal of diaphragm wall;underground excavation and support;large volume frost heave;broken pipe repair本区间隧道上下行线自东向西需依次穿越新建18号线国权路车站主体围护结构（A墙）、10号线国权路车站东侧主体围护结构（B墙）、10号线国权路车站西侧主体围护结构（C墙）以及10号线国权路车站4号出入口围护结构（D墙，其中上行线为斜交）。A墙、B墙、C墙及D墙均为地下连续墙，A墙厚度为1 200 mm，A墙后存在850 mm的TRD加固区，其余墙厚度为800 mm，均采用C30S8水下混凝土，相对位置如图2、图3所示。轨交10号线国权路车站轨交10号线国权路车站新建轨交18号线区间新建轨交18号线区间30.0 m30.0 m新建工作井新建工作井图2 区间隧道与10号线国权路车站位置关系立面施工区域主要穿越土层有灰色淤泥质黏土、1-1灰1 工程概况上海轨道交通18号线一期工程16标为“一站三区间”，其中，国权路车站与运营中的上海轨道交通10号线国权路车站相交并可进行换乘，两线的位置关系如图1、图2所示。新建18号线国权路站图1 新建18号线与运营10号线国权路站位置示意基金项目：上海建工集团重点科研课题（16JCSF-14）。作者简介：赵 培（1989），女，硕士，工程师。通信地址：上海市静安区洛川中路701号（200072）。电子邮箱：收稿日期：2022-10-27市政工程MUNICIPAL ENGINEERING建筑施工第45卷第1期131TRD工法槽壁加固冻结壁初期支护ABCD下行线上行线旋喷加固区柱底标高19.00 mP2P3P4P5P6P86 80819 2228 510801801图3 区间隧道穿越4堵墙示意色黏土及1-2灰色粉质黏土层。对本工程设计及施工有影响的是浅部土层的潜水。本工程特点、难点如下：1）冻结暗挖紧贴运营中的10号线地铁车站底板2.209 m，冻胀和融沉对运营车站的影响较大；同时暗挖施工会对周边产生不同程度的扰动，冻土帷幕容易发生蠕变变形，对周边环境保护要求极高。2）单向水平冻结钻孔距离长达42 m，需穿越10号线国权路车站底部存在较多障碍物，钻孔难度大，钻孔精度控制难。3）冻结体量大，冻结周期长，冻胀控制难：本次冻结体量达到了3 715 m3，相当于14个地铁旁通道的冻结量；冻结时间7个月以上，且冻土与车站底板直接接触；同时拟建区间隧道所处土层冻胀率较大，冻胀控制难度大。4）开挖断面大、跨度长，冻结壁变形控制要求高：水平冻结暗挖段开挖直径达到7.9 m，面积达49 m2，开挖断面大；开挖长达38 m；上下行双线冻土开挖量3 724 m3，相当于50个旁通道开挖量，冻结壁变形控制要求高。2 技术路线2.1 设备改造方案为磨削地下连续墙、桩等钢筋混凝土结构，拟考虑对盾构机刀盘刀具进行改造加强，使其具备足够的磨削能力。方案1是在刀盘上加装贝壳刀并配以先行刀磨削桩基，而本工程主要为磨削钢筋混凝土地下连续墙，一方面利用刀具大面积磨削钢筋混凝土存在极大的不确定性，另一方面，由于隧道管片顶部距离运营中的10号线国权路车站底板仅2.209 m，施工中的不确定性可能会严重影响甚至威胁上部运营中地铁车站安全，故该方案未采用。方案2是在盾构机刀盘上增设高压水力切削装置，利用高压“水刀”将钢筋磨削成小段排出，但缺乏实例，需要先进行试验验证方案的可行性，还需试验论证刀盘上高压水力切削装置的布置位置、数量、角度、压力以及设备运行的可靠性等诸多问题，再对现有盾构设备进行改造，周期长、难度大，不能满足工程建设的需要，故该方案也未采用。2.2 长距离水平冻结暗挖方案结合以往的暗挖施工案例，考虑施工方案可实施、风险可控等因素，采用水平冻结暗挖清障充填泡沫混凝土方案，即先采用水平冻结法加固盾构穿越区域，再采用矿山法开挖土体，回筑初衬结构，然后清除障碍物，充填泡沫混凝土，最后将盾构推进穿越，拼装管片作为永久结构。本工程开挖长度长，结合开挖过程，将水平冻结分为一次冻结和二次冻结。1）根据冻结设计结果，一次冻结冻结孔布置如图4所示。下行线孔位布置为：外圈孔39个，内圈孔14个，加强孔9个，测温孔11个，温控孔7个，内部泄压孔8个，外部泄压孔9个，设计累计97个，实际补孔4个，累计钻孔101个。上下行线累计钻孔共计203个。图4 一次冻结冻结孔布置2）二次冻结。当第1段、第2段开挖完成后，拟进行二次冻结，将原来泄压孔下套管改成冻结孔，将开挖第1、第2段割除的冻结孔恢复冻结。3 长距离水平穿障钻进及精度控制技术3.1 单向长距离穿障钻进技术针对水平钻进区域障碍物多，钻进过程中软硬土质结合，情况复杂，钻孔施工难度大的特点，摒弃传统钻孔方式，改用双重套管跟管钻进的钻孔工艺，解决不同情况下的钻孔偏斜问题。一次钻孔利用172 mm钻头168 mm岩心管钻进导孔，取出地下连续墙岩心，采用跟管钻进法下153 mm 6 mm的无缝钢管作为套管，布设深度为穿透B墙10.5 m或者穿入桩内。套管下放至设计位置后，开始二次钻孔。二次钻孔采用130 mm钻头114 mm的岩心管在一次套管内钻进导孔，不仅要将153 mm6 mm冻结管前段6 mm闷板及单向阀（89 mm）钻头取出，而且要将剩余的地下连赵培:地下长距离水平冻结加固及开挖清障技术20231Building Construction132续墙全部取芯后，利用跟管钻进法下108 mm10 mm的无缝钢管为冻结管，双重套管钻孔如图5所示。19 m10.5 m图5 双重套管钻孔示意3.2 单向长距离钻进精度控制技术水平冻结孔偏斜是指冻结孔成孔轨迹与设计轨迹的偏离，用偏距和偏角来表示。本次单向水平钻孔长度长达42 m，偏斜控制要求高，终孔最大偏斜不大于1%，偏斜不超过30 cm，邻近两孔间距不大于1 400 mm。通过与实测值比较，采用灯光测斜比较准确，但灯光测斜受钻孔深度限制；后采用灯光测斜陀螺测斜相结合的比对测斜方法后，绝大多数偏差为100200 mm。4 运营地铁车站下方大体量冻胀控制技术4.1 冻结壁边界温控技术冻胀量的大小与冻结体量成正比，因此在冻胀集聚区设计温控孔来限制冻结壁的扩展。温控区域泄压孔下方设置测温孔及解冻孔，确保泄压孔周边土体不被冻结，保证泄压孔有效性。通过对测温孔的观测，一旦测温孔温度降至0 以下，通过解冻孔进行人工强制解冻。4.2 泄压技术根据不同的施工阶段，提出并采用了直接泄压、水及气冲洗泄压以及螺旋钻杆取土泄压3种泄压技术。直接泄压：此种泄压技术为直接打开泄压孔阀门，使其泄压孔内的水、污泥等自行流出的泄压方式。适用于冻结前期，即泄压孔内的水、污泥等还未凝结阶段。水及气冲洗泄压：随着冻结的持续进行，当泥浆较黏稠，采用直接泄压泄不出来水或泥浆时，采用水及气冲洗泄压孔泄压，适用于全部泄压孔。螺旋钻杆取土泄压：当冻结到一定程度，泄压孔中的水泥浆已冻结，采用水管冲洗泄压方法泄压速度较慢，且容易对土体注入水时，则采用此种方法，如图6所示。图6 钻杆取土泄压5 长距离冻结清障及支护施工技术5.1 分段分步分台阶开挖法根据地下连续墙位置，将冻结暗挖段分为6个开挖段，开挖顺序，如图7所示。上部和下部均采用正台阶法开挖，上部开挖步距1.6 m，空顶距2.2 m；下部开挖步距0.6 m，空顶距1.5 m。1 200 6 662 80080018 4003 4311 4438 42618号线车站防护门1开挖3层平台楼梯开挖1层平台渣土管开挖2层平台未冻土未冻土未冻土A墙B墙C墙D墙未开挖区域未开挖区域图7 开挖顺序示意1）上部端墙凿除及开口段施工。2）上部隧道内人工布鲁克机器人开挖施工。3）液压升降台车进行顶部圆弧支撑安装。4）下部端墙凿除及开口段施工，分台阶如图8所示，利用上部位横撑，安装1 t葫芦，结合平台吊运上部圆弧支撑，如图9所示。7 9007 9005 0002 250 2 0001 0001 0005 9001 t葫芦木板10a槽钢10 mm10 mm角钢防护门1 5001 0001 000