地層凍結(jié)法在地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工中應(yīng)用

中國(guó)礦礦業(yè)大大學(xué)建建筑工工程學(xué)學(xué)院中國(guó)礦礦業(yè)大大學(xué)深深部巖巖土力力學(xué)與與地下下工程程國(guó)家家重點(diǎn)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室岳豐田田地層凍凍結(jié)法法在地地鐵聯(lián)聯(lián)絡(luò)通通道施施工中中應(yīng)用用1凍結(jié)法法概述述人工凍凍結(jié)的的應(yīng)用用和研研究是是以天天然凍凍結(jié)條條件下下凍土土的物物理力力學(xué)性性質(zhì)研研究為為基礎(chǔ)礎(chǔ)，隨隨著人人工凍凍結(jié)鑿鑿井逐逐步發(fā)發(fā)展起起來(lái)的的。凍凍結(jié)法法是利利用人人工制制冷技技術(shù)，，使地地層中中的水水凍結(jié)結(jié)，把把天然然巖土土變成成凍土土，增增加其其強(qiáng)度度和穩(wěn)穩(wěn)定性性，隔隔絕地地下水水與地地下工工程的的聯(lián)系系，以以便在在凍結(jié)結(jié)壁的的保護(hù)護(hù)下進(jìn)進(jìn)行隧隧道、、立井井和地地下工工程的的開(kāi)挖挖與襯襯砌施施工技技術(shù)。。其實(shí)實(shí)質(zhì)是是利用用人工工制冷冷技術(shù)術(shù)臨時(shí)時(shí)改變變巖土土的狀狀態(tài)以以固結(jié)結(jié)地層層。1862年，英英國(guó)首首次在在南威威爾士士的建建筑基基坑中中使用用了凍凍結(jié)法法；1880年，德德國(guó)工工程師師F．H．Poetch在國(guó)際際上首首次提提出并并獲得得人工工凍結(jié)法法專(zhuān)利利；1962年，日日本從從開(kāi)始始在巖巖土工工程中中應(yīng)用用人工工地層層凍結(jié)結(jié)技術(shù)術(shù)，隨隨后20年中約約施工工了250個(gè)凍結(jié)結(jié)工程程；20世紀(jì)70～～80年代，，前蘇蘇聯(lián)應(yīng)應(yīng)用凍凍結(jié)法法施工工城市市地鐵鐵、礦礦井和和其它工業(yè)業(yè)建筑筑的大大型工工程達(dá)達(dá)200余項(xiàng)。。1凍結(jié)法法概述述20世紀(jì)中中葉，，波蘭蘭、德德國(guó)、、法國(guó)國(guó)、加加拿大大等國(guó)國(guó)家相相繼開(kāi)開(kāi)展了了人工工凍結(jié)結(jié)技術(shù)術(shù)的應(yīng)應(yīng)用研研究；；近年來(lái)來(lái)，美美國(guó)、、日本本、南南韓等等國(guó)正正在研研究將將人工工凍結(jié)結(jié)技術(shù)術(shù)用于于核核廢廢料處處理工工程中中；1955年，我我國(guó)首首次在在開(kāi)灤灤林西西風(fēng)井井使用用鹽水水凍結(jié)結(jié)法鑿鑿井并并獲得得成成功功；80年代，，隨著著我國(guó)國(guó)地下下工程程的增增多，，逐漸漸由礦礦山工工程，，向城城市各各類(lèi)類(lèi)工程程推廣廣應(yīng)用用，完完成了了北京京、上上海地地鐵的的多項(xiàng)項(xiàng)隧道道水平平凍凍結(jié)工工程，，尤其其2000年以來(lái)，凍凍結(jié)法在上上海得到大大規(guī)模應(yīng)用用。迄今為止，，各國(guó)凍結(jié)結(jié)井最大深深度分別為為：英國(guó)930m，美國(guó)915m，波蘭860m，加拿大634m，比利時(shí)638m，前蘇聯(lián)620m，德國(guó)531m，法國(guó)550m，中國(guó)702m。1凍結(jié)法概述述凍結(jié)法的優(yōu)優(yōu)點(diǎn):1安全可靠性性好,可有效的隔隔絕地下水水；2適應(yīng)面廣。。適用于任任何含一定定水量的松松散巖土層層，在復(fù)雜雜水文地質(zhì)如軟土土、含水不不穩(wěn)定土層層、流砂、、高水壓及及高地壓地地層條件下凍結(jié)技技術(shù)有效、、可行；3靈活性好。?？梢匀藶闉榈乜刂苾鰞鼋Y(jié)體的形形狀和擴(kuò)展展范圍，必必要時(shí)可以繞過(guò)地地下障礙物物進(jìn)行凍結(jié)結(jié)；4可控性較好好。凍結(jié)加加固土體均均勻、完整整；5污染性小。?！熬G色色”施工方方法，符合合環(huán)境巖土土工程發(fā)展展趨勢(shì)；6經(jīng)濟(jì)上合理理。凍結(jié)法的缺缺點(diǎn):1凍脹和和融沉；2對(duì)土體體加固為臨臨時(shí)性質(zhì)，，不能長(zhǎng)期期起作用。。2凍結(jié)原理鹽水循環(huán)------鹽水吸吸收地層熱熱量，在鹽鹽水箱內(nèi)將將熱量傳遞遞給蒸發(fā)器器中的液氨氨；氨循環(huán)------液氨變?yōu)闉轱柡驼魵鈿獍?，再被被氨壓縮機(jī)機(jī)壓縮成過(guò)過(guò)熱蒸氣進(jìn)進(jìn)入冷凝器器冷卻，高高壓液氨從從冷凝器經(jīng)經(jīng)貯氨器，，經(jīng)節(jié)流閥閥流入蒸發(fā)發(fā)器液氨在在蒸發(fā)器中中氣化吸收收周?chē)}水水的熱量；；冷卻水循環(huán)環(huán)--------冷卻水在在冷卻水泵泵，冷凝器器和管路中中的循環(huán)叫叫冷卻水循循環(huán)。將地地?zé)岷蛪嚎s縮機(jī)產(chǎn)生的的熱量傳遞遞給大氣。。2凍結(jié)原理氨（氟利昂昂）－鹽水水凍結(jié)系統(tǒng)統(tǒng)原理圖3技術(shù)指標(biāo)制冷溫度：：-10℃～～-35℃℃土層：：任何含含水地層地下水流速速：υ≤5．7﹡10-5m/s冷量估算：：Q=1.3.π.d.H.K制冷效率：：30%~50%凍土速度：：2cm/d4工程概況上海海市市M8線(xiàn)成成山山路路站站～～楊楊思思站站區(qū)區(qū)間間隧隧道道，，采采用用盾盾構(gòu)構(gòu)法法施施工工，，襯襯砌砌采采用用預(yù)預(yù)制制鋼鋼筋筋混混凝凝土土管管片片，，通通縫縫拼拼裝裝。。管管片片內(nèi)內(nèi)徑徑：：5500mm；管管片片外外徑徑：：6200mm；管管片片厚厚度度：：350mm；管管片片寬寬度度：：1200mm；管管片片混混凝凝土土強(qiáng)強(qiáng)度度C55；隧隧道道底底板板埋埋深深約約14.9～21.6m，底底板板標(biāo)標(biāo)高高約約為為-10.2～-16.4m。聯(lián)聯(lián)絡(luò)絡(luò)通通道道所所在在位位置置較較淺淺，，聯(lián)聯(lián)絡(luò)絡(luò)通通道道施施工工涉涉及及土土層層主主要要為為淤淤泥泥質(zhì)質(zhì)粘粘土土和和粉粉土土，，且且有有微微承承壓壓水水，，工工程程風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)險(xiǎn)較較大大，，確確定定采采用用““隧隧道道內(nèi)內(nèi)鉆鉆孔孔，，凍凍結(jié)結(jié)臨臨時(shí)時(shí)加加固固土土體體，，礦礦山山法法暗暗挖挖構(gòu)構(gòu)筑筑””的的施施工工方方案案，，即即：：在在隧隧道道內(nèi)內(nèi)利利用用水水平平孔孔和和部部分分傾傾斜斜孔孔凍凍結(jié)結(jié)加加固固地地層層，，使使聯(lián)聯(lián)絡(luò)絡(luò)通通道道及及集集水水井井外外圍圍土土體體凍凍結(jié)結(jié)，，形形成成強(qiáng)強(qiáng)度度高高，，封封閉閉性性好好的的凍凍土土帷帷幕幕，，然然后后根根據(jù)據(jù)““新新奧奧法法””的的基基本本原原理理，，在在凍凍土土中中采采用用礦礦山山法法進(jìn)進(jìn)行行聯(lián)聯(lián)絡(luò)絡(luò)通通道道及及泵泵站站的的開(kāi)開(kāi)挖挖構(gòu)構(gòu)筑筑施施工工，，地地層層凍凍結(jié)結(jié)和和開(kāi)開(kāi)挖挖構(gòu)構(gòu)筑筑施施工工均均在在區(qū)區(qū)間間隧隧道道內(nèi)內(nèi)進(jìn)進(jìn)行行。。4工程程概概況況聯(lián)絡(luò)絡(luò)通通道道處處上上、、下下行行盾盾構(gòu)構(gòu)中中心心間間距距為為12.80m，上上行行線(xiàn)線(xiàn)隧隧道道中中心心標(biāo)標(biāo)高高－－13.712m，下下行行線(xiàn)線(xiàn)隧隧道道中中心心標(biāo)標(biāo)高高－－13.738m，聯(lián)聯(lián)絡(luò)絡(luò)通通道道對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)地地面面標(biāo)標(biāo)高高為為4.17m。喇叭叭口口開(kāi)開(kāi)挖挖尺尺寸寸為為：：1.458m(長(zhǎng))××4.40m(寬)××4.844m(高)通道道開(kāi)開(kāi)挖挖尺尺寸寸為為：：5.13(長(zhǎng))××3.30m(寬)××4.244m(高)集水水井井開(kāi)開(kāi)挖挖尺尺寸寸為為：：4.80m(長(zhǎng))××3.30m(寬)××4.20m(高)防火火門(mén)門(mén)尺尺寸寸為為1.40m××2.05m。襯砌砌采采用用二二次次襯襯砌砌方方式式，，所所有有臨臨時(shí)時(shí)支支護(hù)護(hù)層層厚厚度度均均為為200mm；結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)層層為為400mm厚的的現(xiàn)現(xiàn)澆澆鋼鋼筋筋混混凝凝土土，，通通道道底底板板結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)層層為為1000mm厚的的現(xiàn)現(xiàn)澆澆鋼鋼筋筋混混凝凝土土。。臨臨時(shí)時(shí)支支護(hù)護(hù)層層和和結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)層層之之間間安安裝裝防防水水層層4工程程概概況況圖1聯(lián)絡(luò)絡(luò)通通道道結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)剖剖面面示示意意圖圖5凍結(jié)結(jié)帷帷幕幕計(jì)計(jì)算算根據(jù)據(jù)地地質(zhì)質(zhì)資資料料，，聯(lián)聯(lián)絡(luò)絡(luò)通通道道底底板板埋埋深深18.572m，凍凍結(jié)結(jié)帷帷幕幕中中心心的的埋埋深深為為18.572m+0.8m=19.372m。按按靜靜止止土土壓壓力力計(jì)計(jì)算算旁旁通通道道的的上上部部荷荷載載和和側(cè)側(cè)向向荷荷載載（（如如圖圖2所示示））。。設(shè)設(shè)凍凍土土帷帷幕幕厚厚度度為為1.6m，通通道道開(kāi)開(kāi)挖挖輪輪廓廓高高為為4.24m，寬寬3.20m，計(jì)計(jì)算算該該結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)內(nèi)內(nèi)部部的的彎彎矩矩和和軸軸力力，，進(jìn)進(jìn)而而求求得得截截面面內(nèi)內(nèi)的的壓壓應(yīng)應(yīng)力力、、拉拉應(yīng)應(yīng)力力的的剪剪應(yīng)應(yīng)力力。。圖2凍土土帷帷幕幕受受力力簡(jiǎn)簡(jiǎn)圖圖5凍結(jié)結(jié)帷帷幕幕計(jì)計(jì)算算表中中的的安安全全系系數(shù)數(shù)K是由由凍凍土土強(qiáng)強(qiáng)度度與與其其相相應(yīng)應(yīng)的的凍凍土土結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)相相關(guān)關(guān)位位置置的的應(yīng)應(yīng)力力比比值值。。由由于于聯(lián)聯(lián)絡(luò)絡(luò)通通道道斷斷面面的的土土層層以以粉粉砂砂土土為為主主，，故故凍凍土土強(qiáng)強(qiáng)度度以以?xún)鰞鐾镣疗狡骄鶞販囟榷葹闉?10℃℃時(shí)的的粉粉土土強(qiáng)強(qiáng)度度為為準(zhǔn)準(zhǔn)，，σ壓=4.0Mpa,σσ拉=2.0Mpa,σσ剪=1.7Mpa。從從數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)可可見(jiàn)見(jiàn)，，各各截截面面的的壓壓應(yīng)應(yīng)力力安安全全系系數(shù)數(shù)K>2.19，拉拉應(yīng)應(yīng)力力安安全全系系數(shù)數(shù)K>1.94，剪剪應(yīng)應(yīng)力力安安全全系系數(shù)數(shù)K>3.64，安安全全儲(chǔ)儲(chǔ)備備較較大大。。6凍結(jié)結(jié)孔孔布布置置根據(jù)據(jù)凍凍結(jié)結(jié)帷帷幕幕設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)及及聯(lián)聯(lián)絡(luò)絡(luò)通通道道的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，，凍凍結(jié)結(jié)孔孔按按上上仰仰、、近近水水平平、、下下俯俯三三種種角角度度布布置置。。凍凍結(jié)結(jié)孔孔數(shù)數(shù)55個(gè)。。凍凍結(jié)結(jié)孔孔的的布布置置詳詳見(jiàn)見(jiàn)下下圖圖。。圖3凍結(jié)結(jié)孔孔布布置置展展開(kāi)開(kāi)圖圖6凍結(jié)結(jié)孔孔布布置置7制冷冷設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)計(jì)計(jì)算算凍結(jié)結(jié)需需冷冷量量由由下下式式計(jì)計(jì)算算：：Q=1.3.ππ.d.H.K；式中中:H——凍結(jié)結(jié)總總長(zhǎng)長(zhǎng)度度；；d——凍結(jié)結(jié)管管直直徑徑；；K——凍結(jié)結(jié)管管散散熱熱系系數(shù)數(shù)。。將上上述述參參數(shù)數(shù)代代入入公公式式得得：：Q=1.3.ππ.d.H.K=58169Kcal/h=67.6KW/h根據(jù)據(jù)冷冷量量計(jì)計(jì)算算，，選選用用YSKF212.5型螺螺桿桿機(jī)機(jī)組組2臺(tái)套套，，單單臺(tái)臺(tái)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)工工況況制制冷冷量量44.2KW，機(jī)機(jī)組組外外型型尺尺寸寸：：長(zhǎng)長(zhǎng)×寬×高=4××1.8××2.0m，電電機(jī)機(jī)功功率率57.2kw。凍結(jié)結(jié)管管選選用用Φ95××8mm,20#低碳碳無(wú)無(wú)縫縫鋼鋼管管,絲扣扣連連接接,單根根長(zhǎng)長(zhǎng)度度1m或1.5m,總長(zhǎng)長(zhǎng)度度約約650m。測(cè)測(cè)溫溫管管選選用用Φ32××3mm,20#低碳碳無(wú)無(wú)縫縫鋼鋼管管。。供供液液管管選選用用″鋼管管，，采采用用焊焊接接連連接接8凍結(jié)結(jié)施施工工技技術(shù)術(shù)要要點(diǎn)點(diǎn)在該該地地層層凍凍結(jié)結(jié)工工程程中中，，由由于于其其特特殊殊施施工工條條件件與與要要求求，，需需采采取取特特別別工工藝藝與與技技術(shù)術(shù)措措施施，，以以控控制制凍凍結(jié)結(jié)孔孔鉆鉆進(jìn)進(jìn)，，地地層層凍凍脹脹和和融融沉沉等等對(duì)對(duì)隧隧道道的的影影響響，，根根據(jù)據(jù)國(guó)國(guó)內(nèi)內(nèi)外外最最新新研研究究成成果果和和施施工工經(jīng)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)，，提提出出以以下下凍凍結(jié)結(jié)施施工工技技術(shù)術(shù)措措施施：：（1）在在已已貫貫通通的的隧隧道道鉆鉆凍凍結(jié)結(jié)孔孔，，根根據(jù)據(jù)聯(lián)聯(lián)絡(luò)絡(luò)通通道道的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)采采用用上上仰仰、、近近水水平平和和下下俯俯三三種種成成孔孔角角度度。。（2）由于凍土抗抗拉強(qiáng)度低，，因此除設(shè)計(jì)計(jì)中盡量降低低凍土帷幕所所承受的拉應(yīng)應(yīng)力外，主要要做好凍結(jié)和和開(kāi)挖的配合合工作，要求求及時(shí)