地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固技術(shù)研究

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)岳豐田

地鐵聯(lián)絡(luò)通道

凍結(jié)加固技術(shù)研究1概述

人工凍結(jié)是在天然凍結(jié)基礎(chǔ)上，隨著人工凍結(jié)鑿井技術(shù)逐步發(fā)展起來的。凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，使地層中的水凍結(jié)，把天然巖土變成凍土，增加其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系，以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行隧道、立井和地下工程的開挖與襯砌施工技術(shù)。其實(shí)質(zhì)是利用人工制冷技術(shù)臨時(shí)改變巖土的狀態(tài)以固結(jié)地層。

1862年，英國(guó)首次在南威爾士的建筑基坑中使用了凍結(jié)法；1880年，德國(guó)工程師F．H．Poetch在國(guó)際上首次提出并獲得人工凍結(jié)法專利；1概述1955年，我國(guó)首次在開灤林西風(fēng)井使用鹽水凍結(jié)法鑿井并獲得成功；80年代，隨著我國(guó)地下工程的增多，逐漸由礦山工程，向城市各類工程推廣應(yīng)用，完成了北京、上海地鐵的多項(xiàng)隧道水平凍結(jié)工程，預(yù)計(jì)3年內(nèi)上海軌道交通使用凍結(jié)法施工的聯(lián)絡(luò)通道近100個(gè)；迄今為止，各國(guó)凍結(jié)井最大深度分別為：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概述凍結(jié)法的優(yōu)點(diǎn):1安全可靠性好,可有效的隔絕地下水；2適應(yīng)面廣。適用于任何含一定水量的松散巖土層，在復(fù)雜水文地質(zhì)如軟土、含水不穩(wěn)定土層、流砂、高水壓及高地壓地層條件下凍結(jié)技術(shù)有效、可行；3靈活性好?？梢匀藶榈乜刂苾鼋Y(jié)體的形狀和擴(kuò)展范圍，必要時(shí)可以繞過地下障礙物進(jìn)行凍結(jié)；4可控性較好。凍結(jié)加固土體均勻、完整；5污染性小。“綠色”施工方法，符合環(huán)境巖土工程發(fā)展趨勢(shì)；6經(jīng)濟(jì)上較合理。2凍結(jié)原理根據(jù)使用冷媒的不同，制冷方式包括四種系統(tǒng)：1氨（氟利昂）－鹽水凍結(jié)系統(tǒng)（BrineSystem）；2液化氣體系統(tǒng)（液氮）（LiquefiedGasSystem，LiquidNitrogen）3二氧化碳（干冰，CO2）；4混合凍結(jié)系統(tǒng)（鹽水+干冰；鹽水+液氮）。鹽水凍結(jié)系統(tǒng)液化氣體系統(tǒng)干冰系統(tǒng)2凍結(jié)原理凍結(jié)法適用的條件：

(1)土層宜為砂性土、粘性土(包括砂層、淤泥質(zhì)土等)及強(qiáng)風(fēng)化基巖，對(duì)于卵礫石地層，因成孔困難，應(yīng)有相應(yīng)的鉆孔設(shè)備；

(2)土層的含水量＞10％；

(3)地下水的臨界流速＜2m／d。3凍脹融沉3.1凍脹機(jī)理凍脹可分為原位凍脹和分凝凍脹?？紫端粌鼋Y(jié)造成體積增大約9％，但由于外界水分補(bǔ)給并在土體遷移到某個(gè)凍結(jié)位置，體積增大會(huì)遠(yuǎn)大于9％，所以開放系統(tǒng)飽和土中分凝凍脹是構(gòu)成土體凍脹的主要分量。一般說來，分凝凍脹的機(jī)理包括兩個(gè)物理過程：水分遷移和成冰作用。3.2融沉機(jī)理富冰凍土融化時(shí),融化后的土體由于冰變成水體積減小產(chǎn)生融化性沉降,同時(shí)由于在融化區(qū)域發(fā)生排水固結(jié),引起土層的壓密沉降。3.3凍脹融沉的影響因素土體的凍脹融沉與土體本身的性質(zhì)和各種外部影響因素有關(guān)。土體本身的性質(zhì)包括土的礦物成分、粒度組成、土體的含水量、土的結(jié)構(gòu)、壓縮系數(shù)以及土的熱物理性質(zhì)。外部影響因素主要包括，上覆荷載、水源補(bǔ)給條件、凍結(jié)和融化溫度、溫度梯度等。4聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算4.1聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)

凍土帷幕設(shè)計(jì)方法是采用常規(guī)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，利用大型有限元分析軟件ANSYS程序進(jìn)行驗(yàn)算。下面以一中心埋深22.226m的旁通道為例，給出旁通道凍結(jié)的設(shè)計(jì)。旁通道位置處隧道中心標(biāo)高-18.366m，地面標(biāo)高為+3.86m。旁通道由兩個(gè)與隧道相交的喇叭口、旁通道和泵站組成，其結(jié)構(gòu)包括隧道管片相接的喇叭口、直墻圓弧拱結(jié)構(gòu)的通道和中部矩形集水井三個(gè)部分。喇叭口開挖尺寸為：1.1m(長(zhǎng))×4.4m(寬)×4.83m(高)通道開挖尺寸為：4.72m(長(zhǎng))×3.3m(寬)×4.23m(高)集水井開挖尺寸為：4.8m(長(zhǎng))×3.3m(寬)×4.2m(高)。4凍結(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算4.1聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)

旁通道模型簡(jiǎn)化為如圖所示的剛架，其中拱頂?shù)慕嵌葹?9.93°，拱上作用均布載荷0.255MPa，垂直部分受梯形載荷（0.255+0.013*h）MPa。4凍結(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算4.1聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)

將應(yīng)力結(jié)果和凍土的強(qiáng)度相比較,得出安全系數(shù),結(jié)果列于下表厚度(m)1.61.82.0應(yīng)力類型壓拉壓拉壓拉應(yīng)力值(Mpa)0.8670.4790.7060.3930.5870.328安全系數(shù)k3.924.384.825.345.796.40表中的安全系數(shù)K是由凍土強(qiáng)度與其相應(yīng)的應(yīng)力比值。由于旁通道斷面的土層以粘土為主，故凍土強(qiáng)度以凍土平均溫度為-10℃時(shí)的粘土強(qiáng)度為準(zhǔn)，σ=3.4Mpa,σ拉=2.1Mpa。從表中數(shù)據(jù)可見凍土厚度取1.6m即可。4凍結(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算4.2有限元法聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕驗(yàn)算利用大型有限元分析軟件（常用的為ANSYS）,取凍結(jié)壁厚度分別為1.6m、1.8m、2.0m，按旁通道和泵站兩部分進(jìn)行應(yīng)力和變形的分析計(jì)算。5凍結(jié)孔布置及制冷設(shè)計(jì)5.1凍結(jié)孔的布置根據(jù)凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)及旁通道的結(jié)構(gòu)，凍結(jié)孔按上仰、近水平、下俯三種角度布置在旁通道和泵站的周圍，在通道下部布置一排凍結(jié)孔，加強(qiáng)凍結(jié)效果，把旁通道和泵站分為兩個(gè)獨(dú)立的凍結(jié)區(qū)域。5凍結(jié)孔布置及制冷設(shè)計(jì)5.1凍結(jié)孔的布置5凍結(jié)孔布置及制冷設(shè)計(jì)5.2制冷設(shè)計(jì)凍結(jié)參數(shù)確定:設(shè)計(jì)鹽水溫度為-25℃～-30℃。凍結(jié)孔單孔流量不小于4～5m3/h。凍結(jié)孔終孔間距Lmax≤1200mm，凍土發(fā)展速度取25mm/T，凍結(jié)帷幕交圈時(shí)間為20天，達(dá)到設(shè)計(jì)厚度時(shí)間為35天。積極凍結(jié)時(shí)間35天，維護(hù)凍結(jié)時(shí)間為30天。

6凍結(jié)法施工順序

6.1鉆孔施工6凍結(jié)法施工順序6.2積極凍結(jié)與維護(hù)凍結(jié)

設(shè)備安裝完畢后進(jìn)行調(diào)試和試運(yùn)轉(zhuǎn)。凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后進(jìn)入積極凍結(jié)。在積極凍結(jié)過程中，要根據(jù)實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)判斷凍土帷幕是否交圈和達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，測(cè)溫判斷凍土帷幕交圈并達(dá)到設(shè)計(jì)厚度后進(jìn)行正式開挖。再根據(jù)凍土帷幕的穩(wěn)定性，可適當(dāng)提高鹽水溫度，進(jìn)入維護(hù)凍結(jié)，但鹽水溫度不應(yīng)高于-20℃。

6凍結(jié)法施工順序6.3臨時(shí)支護(hù)6凍結(jié)法施工順序6.4開挖順序

根據(jù)工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，拉開鋼管片以后，聯(lián)絡(luò)通道開挖掘進(jìn)建議采取分區(qū)分層方式進(jìn)行，其施工順序如圖6凍結(jié)法施工順序6.5支護(hù)層施工

6.6防水層施工

6凍結(jié)法施工順序6.7鋼筋工程6凍結(jié)法施工順序6.8永久支護(hù)6凍結(jié)法施工順序7強(qiáng)制解凍融沉注漿技術(shù)

7.1概述目前上海地區(qū)的區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工后的融沉注漿，主要是根據(jù)凍結(jié)加固體的自然解凍情況進(jìn)行的。由于凍土自然解凍的時(shí)間一般都比較長(zhǎng)，一般需要半年以上的時(shí)間，而由于施工工期的限制，后期融沉注漿施工的質(zhì)量不能夠得到保證，造成地表沉降大，影響地面建筑物和道路的使用。為了縮短融沉注漿施工工期，減少凍融對(duì)地面的影響，需要對(duì)凍結(jié)加固體進(jìn)行強(qiáng)制解凍融沉注漿。目前僅在上海市軌道交通楊浦線工程（M8線）曲陽路站～虹口足球場(chǎng)站區(qū)間隧道旁通道及泵站凍結(jié)加固工程中實(shí)施了強(qiáng)制解凍融沉注漿的相關(guān)技術(shù)和施工工藝的研究。

7強(qiáng)制解凍融沉注漿技術(shù)

7.2注漿流程注漿管下放方法凍結(jié)管拔除后，快速下放注漿管，進(jìn)行孔口密封。在注漿管的前部安裝絲堵，內(nèi)部跟進(jìn)4”的供水管，邊供水邊推進(jìn)。如果使用這種方法下放凍結(jié)管有困難，則使用水平鉆機(jī)將注漿管鉆進(jìn)。7強(qiáng)制解凍融沉注漿技術(shù)

7.2注漿流程7強(qiáng)制解凍融沉注漿技術(shù)

7.2注漿流程7強(qiáng)制解凍融沉注漿技術(shù)

7.3注漿原則和方法注漿以少量多次為原則。垂直單孔一次注漿量為0.5m3左右，水平孔單孔一次注漿量為1.5m3左右。注漿前，將待注漿的注漿管和其相鄰的注漿管閥門全部打開，注漿過程中，當(dāng)相鄰孔連續(xù)出漿時(shí)關(guān)閉鄰孔閥門，定量壓入惰性漿后即可停止本孔注漿，關(guān)閉閥門，然后接著對(duì)鄰孔注漿。遇到注漿管內(nèi)竄漿固結(jié)而引起堵管時(shí)，需用加長(zhǎng)沖擊鉆頭通管。根據(jù)地面變形情況，調(diào)整勞動(dòng)組織，適時(shí)進(jìn)行反復(fù)注漿。直至地面變形基本穩(wěn)定在2mm以內(nèi)。8工程實(shí)例

8.1大連路越江隧道聯(lián)絡(luò)通道

大連路越江隧道工程是上海市重點(diǎn)工程，兩條隧道之間的連接通道均位于黃浦江底下，相距約400m。位于浦西通道(一)，東西線隧道中心間距35.705m，隧道間高差3.565m、，連接通道凈距約25.665m。位于浦東通道(二)，東西線隧道中心間距27.575m，隧道間高差0.345m，連接通道凈距約17.175m。8工程實(shí)例

8工程實(shí)例

8.1.1工程概況

連接通道所處地表為黃浦江江底，工程地段土層自上而下為：①2：淤泥，含煤屑、石塊等；③1：灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；④：灰色淤泥質(zhì)粘土；⑤1-1：灰色粘土；⑤1-2：灰色粉質(zhì)粘土；⑥：暗綠色～草黃色粘土，厚約4.5～6.5m；⑦1-1：草黃色砂質(zhì)粉土，厚約6～10m；⑦1-2：草黃色粉細(xì)砂。連接通道施工范圍內(nèi)土層主要為草黃色砂質(zhì)粉土。根據(jù)土層資料，該地層具有孔隙比大、含水豐富、承載力低、容易壓縮和在動(dòng)力作用下易流變的特點(diǎn)，開挖后天然土體本身難以自穩(wěn)，砂質(zhì)粉土易發(fā)生水砂突出。因此，在該地層內(nèi)開挖構(gòu)筑連接通道，必須先對(duì)施工影響范圍內(nèi)的土體進(jìn)行安全、可靠的加固處理。8工程實(shí)例

8.1.2設(shè)計(jì)原則：1）水平孔凍結(jié)帷幕技術(shù)性能必須滿足連接通道施工的安全和質(zhì)量要求；2）水平孔凍結(jié)方案應(yīng)符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件的施工可行性和良好的可操作性。3）施工方案應(yīng)在工程要求工期的條件下具備優(yōu)化能力。4）施工方案措施必須滿足城市環(huán)保及節(jié)能要求。5）減少凍脹與融沉的危害。8工程實(shí)例

8工程實(shí)例

8工程實(shí)例

8.2上海市軌道交通明