地鐵隧道凍結(jié)法施工關(guān)鍵問題分析

1、成績評閱人日期中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院20142015學(xué)年度第二學(xué)期地鐵與輕軌課程論文號級名力學(xué)與建筑工程學(xué)院教學(xué)管理辦公室地鐵隧道凍結(jié)法施工關(guān)鍵問題分析（中國礦業(yè)大學(xué)孫越崎學(xué)院越崎1202周桂平）摘要：在地鐵隧道的施工過程中，通常會遇見含水量較多的不良地質(zhì)，這時，通 常 采用一種人工制冷的方法，將隧道周圍的不穩(wěn)定地層和含水層凍結(jié)成不透水且 能抗 地壓、水壓的圍巖體以暫時加固和改良地層，然后在圍巖體的保護(hù)下進(jìn)行開挖工作。凍結(jié)的圍巖體是通過在隧道周圍打一定數(shù)量的凍結(jié)孔， 孔內(nèi)安裝凍結(jié)管， 以輸送冷媒介質(zhì)吸收熱量，使之降溫而形成的。要想合理正確地在地鐵隧道施工中 運用凍結(jié)法，那么，對凍結(jié)法施

2、工中常見的關(guān)鍵問題進(jìn)行整理和分析，這是很重要的。關(guān)鍵詞：地鐵隧道，凍結(jié)法，關(guān)鍵問題，分析Abstract: In the process of subway tunneling construction,we usually meet the unfavorable geology with major moisture content.At this moment,a method of artificial refrigeration will be adopted,it will make the unstrable strata and the water bearing stratu

3、m around the tunnel to be frozen into an surrounding rock that is impermeble and can be able to resist the earth pressure and water gage to rein force and improve the formatio n temporarily,the n we can excavate unde the portection of the surrounding rock.The freezing surrounding rock' forma -ti

4、on is through making a certain number of freezing holes around the tunnel, the holes are in stalled with the brine in take to deliver the cold medium quality to absorb heat.To properly and correctly use the freezing process in the constr uction metro tunnel,it is important to collate and analyze the

5、 key issues in the con struct ion.Key Words: subway tunnel;freezing process;the key issues;analyze;1刖言凍結(jié)技術(shù)來自于天然凍結(jié)現(xiàn)象，1862年在英國威爾士的建筑基礎(chǔ)中首次使用了 這種人工制冷技術(shù)來加固土壤；1880年德國工程師F.H.Poetch提出了人工 凍結(jié)法 原理，并于1883年在德國阿爾巴里煤礦中采用凍結(jié)法建筑井筒。凍結(jié)法 誕生100多 年以來，已廣泛應(yīng)用于礦山、地鐵、隧道、基坑、邊坡等許多工程建 設(shè)中，顯示出 其獨特的截水性和可靠性。我國采用凍結(jié)法施工技術(shù)至今也已有40多年的歷史，主

6、要用于煤礦井筒開挖施工，其中凍結(jié)最大深度達(dá)435m凍結(jié)表土層最大厚度達(dá)375m自1992年起，凍結(jié)法工藝被廣泛應(yīng)用于上海、北京、深 圳、南京等城市地鐵工程施工中。隨著城市化進(jìn)程的加快，人們對地下空間的開發(fā)和利用是越發(fā)的重視。對于 地下空間各種復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件（如軟土、含水不穩(wěn)定層、流砂、高 水壓及高地壓地層）,在如此復(fù)雜的環(huán)境下施工，就經(jīng)常使用凍結(jié)法技術(shù)。凍結(jié)法的定義是利用人工制冷技術(shù)，通過埋設(shè)在在地層中的凍結(jié)管帶走地層中 的熱量，使地層中的水結(jié)冰，天然巖土變成凍土，形成具有較高強(qiáng)度和穩(wěn)定性的凍 土帷幕以隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系，以便在凍土帷幕的保護(hù)下進(jìn)行地下工程掘砌施工的特殊施

7、工方法。2基本原理及其特點2.1凍結(jié)法基本原理使用凍結(jié)法來加固地層主要是利用了凍土具有強(qiáng)度高、 可隔水的性質(zhì)。在含 水土體中將低溫的制冷介質(zhì)送入人工埋設(shè)的凍結(jié)管，在凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)冷媒劑，通過 熱質(zhì)交換帶走土體中熱量，使地層中分散的顆粒水凍結(jié)凝聚，將天然巖石中的顆粒 水凝聚而逐漸形成擁有一定耐受力的凍土壁，在隧道周圍，封閉而介質(zhì)連續(xù)的凍土在冷凝中逐漸形成型，對隧道周圍土體在施工期間的彈性模量和土體應(yīng)力情 況有了改善，對其土體的力學(xué)性能如抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和穩(wěn)定持續(xù)性進(jìn)行了優(yōu) 化，以抵抗土體側(cè)向的動荷載和土體中不均勻力導(dǎo)致的側(cè)向壓縮，并將地層中的水與導(dǎo)挖土層剝離開，起到承受荷載和封閉防水作用，在凍土

8、壁的維護(hù)下提供了 進(jìn)行地下空間安全施工的條件。2.2凍結(jié)法特點在地鐵隧道的施工中，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的評估和解析都是作為安全設(shè)計中 最為重要的，因為地下工程的設(shè)計和施工都必須依賴于地質(zhì)勘察說明書；而在地下的安全系數(shù)和土樣的環(huán)境數(shù)據(jù)未知的情況下，凍結(jié)法對于土質(zhì)的含水量標(biāo)準(zhǔn)幾 乎沒有要求，而在含水量相對飽和的土層中，凍結(jié)法的效率與其他支護(hù)形式相 比， 就有了比較明顯的優(yōu)勢。凍結(jié)法具有適應(yīng)性強(qiáng)、安全可靠、無污染的優(yōu)點；能夠適 應(yīng)各種復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)，其凍結(jié)管布置具有任意性，用作地層加固時， 凍土壁形狀不受加固場合的限制。同時，凍結(jié)法也存在以下缺點：(1)凍結(jié)時引起地層脹起，融化時引起地層沉陷

9、；(2)當(dāng)?shù)叵滤}量過高及地下 水流 速過快時，難以凍結(jié)；(3)需要較大功率的電源；(4)工期較長，造價相 對較高 等；其中特別是凍土在融化時因排水固結(jié)引起的融沉，會對環(huán)境帶來較大 危害。由于在一般情況下，凍結(jié)法采用室外砂漿砌筑的方法，其砂漿不摻外加劑，砂 漿在有一定強(qiáng)度后砌體很快凍結(jié)，融化后砂漿強(qiáng)度接近于零，當(dāng)氣溫升高轉(zhuǎn)入正溫 后砂漿的強(qiáng)度繼續(xù)增加。由于砂漿經(jīng)過了凍結(jié)、融化、再硬化的三個階段，其強(qiáng)度 會降低，同時也減弱了砂漿與磚石砌體的粘結(jié)力。結(jié)構(gòu)在砂漿融化階段的變形也較 大，嚴(yán)重的影響砌體的穩(wěn)定性。故規(guī)范規(guī)定在下列工程不允許采用凍結(jié) 法施工：(1)空斗墻；(2)毛石砌體；(3)磚薄殼、雙曲磚拱、筒式拱及承受側(cè)壓力的砌 體；(4)在解凍期間可能受到振動或其他動力荷載的砌體；(5)在解凍時，砌體 不允許產(chǎn)生沉降的結(jié)構(gòu)；3施工中的關(guān)鍵問題及其分析凍結(jié)法在地鐵隧道工程的運用中，常遇見凍結(jié)管管壁破壞、地鐵隧道管片損 壞、凍土帷幕故障、凍脹和融沉等情況；要想合理安全地運用凍結(jié)法，解決上面的 關(guān)鍵問題是最為重要的。3.1凍結(jié)管管壁破壞冷凝管