CN108457307B - 一种用于4/6/8导洞pba工法的先行导洞竖直侧壁水平造底盆形冻结止水工法 - Google Patents

一种用于4/6/8导洞pba工法的先行导洞竖直侧壁水平造底盆形冻结止水工法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于4/6/8导洞PBA工法的先行导洞竖直侧壁水平造底盆形冻结止水工法，主要包含竖井、横通道及先行导洞、竖直冻结管、增挖竖井、增挖横通道、水平冻结管、冻结网络、形成冻结壁等施工步骤，与PBA工法进行有效整合，借助先行导洞，在先行导洞内施工竖直冻结孔，在车站底板下布置水平冻结管，形成盆底结构，如此形成盆形施工区域，能够有效隔绝开挖区域内外的水力联系，达到止水目的。横通道与后期主体结构施工的出土通道合二为一，先行导洞能够作为冻结施工期间的专用检修洞。不影响关键工期，具有地下水零抽取，零污染，零外放，适应性强、施工灵活、绿色无污染等优点。

Description

一种用于4/6/8导洞PBA工法的先行导洞竖直侧壁水平造底盆 形冻结止水工法
技术领域
本发明涉及城市深部地下空间开挖支护技术领域，特别是涉及一种城市敏感区域PBA车站的冻结止水施工工艺。
背景技术
随着城市现代化进程的发展，公共交通仅仅依靠地面空间已经无法满足需要，修建地下铁道是城市发展的必然结果，更是缓解交通拥堵，鼓励公交出行的必要措施。
截至目前，我国已经有30多个城市修建了地铁，随着地铁里程的不断增加，在深度方向上也在不断的发展。随着开挖深度的逐渐增加，土体赋存条件、土层性质、受力状态不断变化，地下水也逐渐成为一个影响施工的重要因素，如何有效的处理施工过程中遇到的地下水问题是城市地铁建设过程中亟待解决的问题。
现代城市中，地上建筑物密集，地下各类管线密集，采用人工降水的方法会对建筑物和管线造成巨大的影响，不仅如此，由于城市政策的原因，许多城市如北京，施工过程中大量抽取地下水会造成巨额的经济损失，此外，面对现在城市水资源缺乏的现状，人工降水的方法也会造成水资源的浪费。同时，随着深部地下空间的不断开发，传统的降水措施已经不能满足日益加深的降水要求。基于此，人工冻结技术成为合理解决城市地铁建设中的地下水问题的有效途径。
冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行井筒或地下工程掘砌施工的特殊施工技术。最早用于俄国金矿开采，后由德国工程师用于煤矿矿井建设获得专利技术趋于成熟，现在已广泛应用于深基坑、矿井建设等工程中。具有有效隔绝地下水、适应性强、施工灵活、绿色无污染等优点。由此可见，将冻结法引入城市隧道建设中，合理解决地下水问题，在技术上是可行的。
但是目前没有一种行之有效的针对城市敏感区域PBA车站的冻结施工工法，也没有与PBA车站的施工相结合，冻结效果不理想，不能形成一个封闭或半封闭的冻结壁结构，无法形成一个有效的冻结施工区域，冻结效率低，工期长，且容易因冻结施工而造成窝工现象。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提出一种先行导洞竖直侧壁水平造底的PBA盆形冻结止水工法，可以有效形成冻结结构隔绝开挖区域内外的水力联系，达到止水目的。同时先行导洞能够便于冻结施工期间冻结管路的检修维护。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于4/6/8导洞PBA工法的先行导洞竖直侧壁水平造底盆形冻结止水工法，包含如下步骤：
(1)竖井冻结管及竖井施工：施工竖井冻结管，竖井冻结结构形成后向下进行竖井开挖，并对水位线以下的竖井内壁加做防水结构；
(2)横通道及先行导洞施工：在地下水位线以上，竖井开挖至预定位置，在竖井内向地下结构一侧施工横通道，横通道施工完成后，在横通道内地下结构两侧，开挖两个耳洞作为先行导洞；
(3)竖直冻结管施工：在耳洞内向下施工竖直冻结孔，在孔内插入竖直冻结管；
(4)增挖竖井施工：在施工步骤(2)或步骤(3)之前、同时或之后，由竖井继续向下开挖至结构底板以下，形成增挖竖井，并对增挖竖井内壁加做防水结构；
(5)增挖横通道冻结管及增挖横通道施工：在增挖竖井内向地下结构一侧施工增挖横通道冻结管至设计长度，增挖横通道冻结结构形成后，由增挖竖井向地下结构一侧开挖增挖横通道，并对增挖横通道的内壁加做防水结构；
(6)水平冻结管施工：在增挖横通道内向地下结构延伸的方向施工水平冻结孔，在孔内插入水平冻结管；
(7)冻结网络施工：在竖直冻结管和水平冻结管内布设并连接冻结管路，纵横冻结管形成冻结网络，并开启制冷站试运行；
(8)形成冻结壁：启动制冷站，进行冻结施工，竖直冻结管冻结形成竖直侧壁，水平冻结管冻结形成水平造底，如此形成盆形施工区域。
优选地，步骤(1)中施工竖井冻结管为：由地面向下施工竖井周边冻结管至设计深度，向下进行竖井开挖，开挖至接近地下水位线时，在竖井内施工竖井底层冻结管至设计深度。
优选地，进行水位线以下竖井开挖时，对水位线以下的竖井底层冻结管进行切割。
优选地，步骤(2)之前还具有如下步骤：上层横通道及上层导洞施工：竖井开挖至预定位置，在竖井内向地下结构一侧施工上层横通道，上层横通道施工完成后，在上层横通道内施工上层导洞，上层导洞的高度位置高于所述先行导洞。
优选地，所述先行导洞距地下结构侧壁一定距离，即两先行导洞之间的距离大于上层导洞的两个边导洞之间的距离。
优选地，步骤(5)中增挖横通道顶部与地下结构底板之间预留一定厚度的覆土层。
优选地，步骤(5)中增挖横通道冻结管施工包括从增挖竖井内向地下结构一侧施工增挖横通道周边冻结管和增挖横通道端面冻结管，周边冻结管用于形成周边冻结壁，端面冻结管用于形成端面冻结壁，周边冻结壁和端面冻结壁共同构成增挖横通道施工区域。
优选地，步骤(6)中水平冻结管施工一排、两排、三排或更多排。
优选地，步骤(8)中冻结施工使用的冷媒为低温CaCl2溶液、液氮或冷却水。
优选地，还具有步骤(9)，冷媒回收及冻结管处理：地下结构施工完成后，抽取冻结管内的冷媒，封堵冻结管管口，并对冻结孔孔口进行回填和封堵。
本发明的优点和产生的有益效果：
(1)该工法与PBA工法进行有效整合，在向下施工竖井以便施工上层导洞时“顺便”施工横通道和先行导洞，在先行导洞内施工竖直冻结孔，如此无需占用上层导洞的施工作业面，不影响关键工期。
(2)先行导洞能够作为冻结施工期间的专用检修洞，用于进行冻结管路的施工操作，以及在需要检修维护冻结管路时提供检修工作面，不受土体开挖等作业的影响。
(3)由于先行导洞距主体结构侧壁一定距离，盆形施工区域内主体结构开挖区域距冻结壁一定距离，避免开挖冻土，能够与现行常用的8导洞、6导洞、4导洞PBA工法通用。
(4)施工水平造底时，借助PBA工法已形成的竖井，充分利用现有条件，不会增加太多的工程量，且在地下结构底板以下形成水平造底的封水结构，前期的冻结施工以及后期形成的冻结结构不干涉开挖作业，后期也无需切割冻结管，节省了工期。
(5)施做先行导洞所开挖的横通道与后期主体结构施工的出土通道合二为一，做到物尽其用，省去了中间出土通道的开挖，能够节省工期。
(6)增挖横通道与结构底板之间设置覆土层，可以有效防止冻结影响主体开挖区域，不需要开挖冻土，不需要采用冬季施工措施，同时覆土层增强了冻结底板的抗浮性。
(7)冻结管留在土体内作为群锚，起到加固地层的作用，废物利用，一举两得。
(8)该工法结合PBA工法以冻结为主，具有地下水零抽取，且大部分冻结施工工序都是在地下进行，具有零污染，零外放，适应性强、施工灵活、绿色无污染等优点。
附图说明
图1是本发明施工过程示意图一；
图2是本发明施工过程示意图二；
图3是本发明施工过程示意图三；
图4是本发明施工平面布置图；
图5是本发明竖井冻结施工平面布置图；
图6是本发明施工流程图。
图中：1.竖井；2.横通道；3.先行导洞；4.竖直冻结管；5.竖直侧壁；6.增挖竖井；7.增挖横通道；8. 水平冻结管；9.水平造底；10.上层导洞；11.覆土层；12.下层导洞；13.地下结构外轮廓；14.竖井周边冻结管；15.竖井底层冻结管；16.周边冻结壁；17.底层冻结壁；18.先行导洞外轮廓。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
还需要说明的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。
下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。
参见附图1-5，本发明的一种用于4/6/8导洞PBA工法的先行导洞竖直侧壁水平造底盆形冻结止水工法，包含如下步骤：
(1)首先施工竖井冻结管，然后向下进行竖井1的开挖。
具体参见附图5，上述施工竖井冻结管为：由地面向下施工竖井周边冻结管14至设计深度，向下进行竖井开挖，开挖至接近地下水位线时，在竖井内施工竖井底层冻结管15至设计深度，竖井周边冻结管14 用于形成竖井周边冻结壁16，竖井底层冻结管15用于形成竖井底层冻结壁17，借助周边冻结壁16和底层冻结壁17，形成一个封闭的筒型壁，该筒型壁能够阻断竖井内外水力联系，从而提供一个安全的竖井施工区域。
由于竖井周边冻结壁在后期施工下层横通道时会被破坏，导致涌水，因此对水位线以下的竖井内壁加做防水结构。
在水位线以下继续向下进行竖井开挖时，竖井底层冻结管15妨碍开挖，对水位线以下的竖井底层冻结管进行切割，边切割边进行开挖作业。
(2)横通道及先行导洞施工：在地下水位线以上，竖井开挖至预定位置，在竖井内向地下结构一侧施工横通道2，横通道施工完成后，在横通道内地下结构两侧，开挖两个耳洞作为先行导洞3；
此外，在施工横通道2及先行导洞3之前，先行施工上层横通道和上层导洞10，参见图6，上层导洞作为后期地下结构施工的作业面，上层横通道作为地下结构施工时的上层出土通道，上层导洞10的高度位置高于所述先行导洞3。
该工法与PBA工法进行有效整合，在向下施工竖井以便施工上层导洞时“顺便”施工横通道和先行导洞，无需占用上层导洞的施工作业面，不影响关键工期，并且先行导洞的位置具有一定的灵活选择性，能够与现行常用的8导洞、6导洞、4导洞PBA工法通用。
由于上层导洞和上层横通道在初期施工后要进行回填，因此本方案开辟先行导洞，能够作为冻结施工期间的专用检修洞，用于进行冻结管路的施工操作，以及在需要检修维护冻结管路时提供检修作业面，不受土体开挖等作业的影响。同时，横通道与后期地下结构施工的出土通道合二为一，做到物尽其用，无需再另行开挖该位置的出土通道。
所述先行导洞3距地下结构侧壁一定距离，即两先行导洞3之间的距离大于上层导洞10的两个边导洞之间的距离，如此使得盆形施工区域内主体结构开挖区域距冻结壁一定距离，在有效隔绝开挖区域内外的水力联系，达到止水目的的同时，能够避免开挖冻土。
(3)竖直冻结管施工：在耳洞内向下施工竖直冻结孔，在孔内插入竖直冻结管4；
竖直冻结管伸入导洞内预留一定长度用于布置冻结管线和进行冻结施工，必要时可采取合适的管线保护措施。
(4)增挖竖井施工：由竖井继续向下开挖至结构底板以下，形成增挖竖井6，并对增挖竖井内壁加做防水结构；增挖竖井6的施工与前述横通道、先行导洞以及竖直冻结管的施工不冲突，可跟现场情况灵活进行，为了节省工期，最优方式是如图6，增挖竖井6、增挖横通道7的施工与横通道、先行导洞以及竖直冻结管的施工同步进行。
增挖竖井完成后，由于增挖竖井周边冻结壁在后期打增挖横通道冻结管时会被破坏，导致涌水，因此对增挖竖井内壁加做防水结构。
(5)增挖横通道冻结管及增挖横通道7施工：在增挖竖井内向地下结构一侧，穿过增挖竖井防水结构和增挖竖井周边冻结壁，施工增挖横通道冻结管至设计长度，增挖横通道冻结结构形成后，由增挖竖井向地下结构一侧开挖增挖横通道。
增挖横通道冻结管施工包括从增挖竖井内向地下结构一侧施工增挖横通道周边冻结管和增挖横通道端面冻结管，周边冻结管用于形成周边冻结壁，端面冻结管用于形成端面冻结壁，周边冻结壁和端面冻结壁共同构成增挖横通道施工区域。
由于增挖横通道处于地下水位线以下，增挖横通道施工完成后，后期打设水平冻结管会破坏周边冻结壁，导致涌水，因此对增挖横通道的内壁加做防水结构，以满足地下水位线以下的施工要求。
增挖横通道顶部与结构底板之间预留一定厚度的覆土层11，通过在主体开挖区域与水平造底之间保留覆土层，可以有效防止水平冻结形成的水平造底厚度影响主体开挖区域，不需要开挖冻土，不需要采用冬季施工措施，同时覆土层的存在还能够很好地增强水平造底的抗浮性。
(6)水平冻结管施工：在增挖横通道内向地下结构延伸的方向施工水平冻结孔，在孔内插入水平冻结管8。
现有的盆形冻结止水措施是在地下结构开挖区域周边冻结形成帷幕，即侧壁冻结壁，同时在地下结构开挖区域范围内打设密布的竖直冻结管，由竖直冻结管冻结形成具有一定厚度的底部封水结构，如此形成侧壁和底部封闭的冻结止水结构，但这种结构需要在开挖区域内冻结施工，在冻结施工时开挖区域的开挖作业应当停止，这必然导致耽误地下结构区域内土体的正常开挖，更影响地下结构的正常施工，且冻结结构形成后继续向下开挖施工时，必然要随着开挖的进行而同步对冻结管进行切割作业，这也一定程度延长施工工期。本发明在地下结构开挖区域以下施工水平冻结管，冻结结构与开挖区域互不干涉，有效避免了冻结施工过程以及冻结结构形成后对地下结构施工的影响。
其中水平冻结管施工一排或多排，这取决于盆底所需要的冻结厚度，通常情况下，单排冻1.5米，两排冻3米左右，三排冻结4米厚，在确保对冻结效果的要求和综合考虑施工成本的前提下，优选水平冻结孔施工两排或三排。
参见附图4，冻结管的布置在横向和纵向上要全面覆盖地下主体结构的区域，即要覆盖地下结构外轮廓13，地下结构为地下车站，并且应当比地下主体结构所在的区域向横向和纵向外延一定范围，如此确保满足地下结构施工范围的要求，同时又能避免冻结区域延伸至结构施工的区域，避免开挖冻土和冬季施工。
(7)冻结网络施工：在竖直冻结管和水平冻结管内布设并连接冻结管路，纵横冻结管形成冻结网络，并开启制冷站试运行；其中布设冻结管路具体为：在已经施工的冻结管内插入进液管和回液管，进液管的一端连接配液管，配液管连接制冷站；回液管的一端连接集液管，集液管连接所述制冷站，配液管、进液管、回液管、集液管、制冷站形成闭合的冻结回路，竖直冻结管和水平冻结管共同形成冻结网络。
(8)形成冻结壁：启动制冷站，进行冻结施工，竖直冻结管4冻结形成竖直侧壁5，水平冻结管8冻结形成水平的冻结底板，即水平造底9，如此形成盆形施工区域。
冻结壁形成后，进行边桩施工，8导洞边桩采用人工挖孔作业，6导洞、4导洞采用机械成孔，以及进行地下水位以下土体开挖、下层导洞12以及主体结构施工，下层导洞根据8导洞、6导洞、4导洞PBA 工法确定，6导洞PBA则不存在下层边导洞，4导洞PBA则下层无导洞。
冻结施工具体为：对冻结管进行气密性检查，检查合格后启动制冷站，使冷媒在所述冻结管内循环，通过测定和分析预先埋置的测温管和水文管数据，确定冻结壁平均温度和厚度，直至满足设计要求。
所述冷媒为低温CaCl2溶液、液氮或冷却水。
地下结构施工完成后，可采用自然解冻或人工快速解冻的方案恢复地下水流动，抽取冻结管内的冷媒，封堵冻结管管口，并对冻结孔孔口进行回填和封堵。冻结管留在土层内，与土体共同作用，能在后期起到加固地层的作用。
地下结构施工完成后，进行必要的回填处理措施，如封堵导洞，回填横通道，回填竖井，如此完成整个地下结构的施工。
以上实例，仅用为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不仅限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员，在本发明披露的技术范围内，可想到的变化或等同替换，都应涵盖在本发明的保护范围之中。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于4/6/8导洞PBA工法的先行导洞竖直侧壁水平造底盆形冻结止水工法，其特征在于包含如下步骤：
（1）竖井冻结管及竖井施工：施工竖井冻结管，竖井冻结结构形成后向下进行竖井开挖，并对水位线以下的竖井内壁加做防水结构；
（2）横通道及先行导洞施工：在地下水位线以上，竖井开挖至预定位置，在竖井内向地下结构一侧施工横通道，横通道施工完成后，在横通道内地下结构两侧，开挖两个耳洞作为先行导洞；
（3）竖直冻结管施工：在耳洞内向下施工竖直冻结孔，在孔内插入竖直冻结管；
（4）增挖竖井施工：在施工步骤（2）或步骤（3）之前、同时或之后，由竖井继续向下开挖至结构底板以下，形成增挖竖井，并对增挖竖井内壁加做防水结构；
（5）增挖横通道冻结管及增挖横通道施工：在增挖竖井内向地下结构一侧施工增挖横通道冻结管至设计长度，增挖横通道冻结结构形成后，由增挖竖井向地下结构一侧开挖增挖横通道，并对增挖横通道的内壁加做防水结构；
（6）水平冻结管施工：在增挖横通道内向地下结构延伸的方向施工水平冻结孔，在孔内插入水平冻结管；
（7）冻结网络施工：在竖直冻结管和水平冻结管内布设并连接冻结管路，纵横冻结管形成冻结网络，并开启制冷站试运行；
（8）形成冻结壁：启动制冷站，进行冻结施工，竖直冻结管冻结形成竖直侧壁，水平冻结管冻结形成水平造底，如此形成盆形施工区域。
2.根据权利要求1所述的冻结止水工法，其特征在于，步骤（1）中施工竖井冻结管为：由地面向下施工竖井周边冻结管至设计深度，向下进行竖井开挖，开挖至接近地下水位线时，在竖井内施工竖井底层冻结管至设计深度。
3.根据权利要求2所述的冻结止水工法，其特征在于，进行水位线以下竖井开挖时，对水位线以下的竖井底层冻结管进行切割。
4.根据权利要求1所述的冻结止水工法，其特征在于，步骤（2）之前还具有如下步骤：上层横通道及上层导洞施工：竖井开挖至预定位置，在竖井内向地下结构一侧施工上层横通道，上层横通道施工完成后，在上层横通道内施工上层导洞，上层导洞的高度位置高于所述先行导洞。
5.根据权利要求4所述的冻结止水工法，其特征在于，所述先行导洞距地下结构侧壁一定距离，即两先行导洞之间的距离大于上层导洞的两个边导洞之间的距离。
6.根据权利要求1所述的冻结止水工法，其特征在于，步骤（5）中增挖横通道顶部与地下结构底板之间预留一定厚度的覆土层。
7.根据权利要求1所述的冻结止水工法，其特征在于，步骤（5）中增挖横通道冻结管施工包括从增挖竖井内向地下结构一侧施工增挖横通道周边冻结管和增挖横通道端面冻结管，周边冻结管用于形成周边冻结壁，端面冻结管用于形成端面冻结壁，周边冻结壁和端面冻结壁共同构成增挖横通道施工区域。
8.根据权利要求1所述的冻结止水工法，其特征在于，步骤（6）中水平冻结管施工一排、两排、三排或更多排。
9.根据权利要求1所述的冻结止水工法，其特征在于，步骤（8）中冻结施工使用的冷媒为低温CaCl2溶液、液氮或冷却水。
10.根据权利要求1所述的冻结止水工法，其特征在于，还具有步骤（9），冷媒回收及冻结管处理：地下结构施工完成后，抽取冻结管内的冷媒，封堵冻结管管口，并对冻结孔孔口进行回填和封堵。
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