專題4-地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固技術(shù)研究

地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工技術(shù)1聯(lián)絡(luò)通道施工概述在城市地鐵規(guī)劃設(shè)計(jì)中，上下行隧道間通常要設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，聯(lián)絡(luò)通道的位置一般處于各段區(qū)間隧道的中間段，在實(shí)際工程中，常將其與地下泵站的建設(shè)相結(jié)合，采用合并建設(shè)的模式。主體隧道一般采取礦山法或盾構(gòu)法進(jìn)行施工，聯(lián)絡(luò)通道的建設(shè)通常在主體隧道建設(shè)完成后進(jìn)行，在施工過程中不可避免地要對(duì)主體隧道和周圍的環(huán)境產(chǎn)生影響，直接關(guān)系到主體隧道的施工質(zhì)量，因此，聯(lián)絡(luò)通道的施工，不僅要考慮自身結(jié)構(gòu)和地面建筑物的安全，而且要確保主隧道的穩(wěn)定，但其安全防護(hù)系統(tǒng)遠(yuǎn)不如主隧道完備，尤其在周圍地層為透水性強(qiáng)、承載力低的軟土?xí)r，必須對(duì)施工區(qū)域土體進(jìn)行加固，才能保證施工安全及減對(duì)周圍環(huán)境的影響。故聯(lián)絡(luò)通道的施工方法及技術(shù)就顯得尤為重要。在地鐵修建的100多年來，區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道因不同地質(zhì)及施工要求，隨之產(chǎn)生許多施工方法。當(dāng)前聯(lián)絡(luò)通道施工方法主要以頂管法、礦山法、管棚法、類礦山法等為主。其技術(shù)最早被應(yīng)用于少數(shù)幾個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，如19世紀(jì)的英國、德國和20世紀(jì)的德、日、美、法等國。我國聯(lián)絡(luò)通道施工技術(shù)受經(jīng)濟(jì)發(fā)展的限制，一直缺少實(shí)施的隧道載體工程，發(fā)展較為緩慢，應(yīng)用也相當(dāng)有限。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，我國開始大規(guī)模地引進(jìn)、應(yīng)用國際先進(jìn)的盾構(gòu)施工技術(shù)和設(shè)備，地鐵工程在一些城市得到了快速建設(shè)，為之所涵蓋的聯(lián)絡(luò)通道工程也相應(yīng)得以快速發(fā)展。多種聯(lián)絡(luò)通道的施工方法，有進(jìn)行研究和比選的必要，也有必要將原有的成熟技術(shù)進(jìn)行研究和改進(jìn)。1聯(lián)絡(luò)通道施工概述1聯(lián)絡(luò)通道施工概述表1聯(lián)絡(luò)通道不同施工方法的比較施工方法環(huán)境與施工安全地質(zhì)要求經(jīng)濟(jì)合理技術(shù)施工工期頂管法地面有一定的幅度下沉，進(jìn)出洞口存在崩坍的危險(xiǎn)適宜于軟土地層，但若聯(lián)絡(luò)通道位置有微承壓水，則不宜用頂管法矩形頂進(jìn)設(shè)備可重復(fù)使用，綜合工程費(fèi)用相對(duì)低施工空間狹窄，施工工序多，地面變形大工期相對(duì)較短管棚法施工危險(xiǎn)性高，因其施工時(shí)需要及時(shí)支護(hù)，易發(fā)生意外事故適宜于軟土地層，但在市區(qū)繁華地帶容易危及建筑物和管線地質(zhì)勘查要求高，綜合工程費(fèi)用相對(duì)較高技術(shù)可行，施工要求高，在地鐵應(yīng)用先例較少，沉降控制技術(shù)待提高工期相對(duì)較短礦山法有一定的施工風(fēng)險(xiǎn)，施工安全性能較差礦山法多應(yīng)用于有一定硬度的地層，含水豐富的軟土地層不適宜采用；即使采用，技術(shù)難度高，將產(chǎn)生較大的地面沉陷施工成本相對(duì)較低技術(shù)相對(duì)成熟，但支護(hù)要求高施工工期短，是所有工程中工期最短的類礦山法水平凍結(jié)法具有很強(qiáng)的抗坍塌能力，施工安全性能高，對(duì)環(huán)境有微小影響適用于任何含水層，尤其軟弱的含水、松散，不穩(wěn)定地層，采用凍結(jié)法加固的土體，其止水性能和強(qiáng)度是其它加固方法所無法比擬的施工成本相對(duì)較高，但社會(huì)效益較好技術(shù)可行性強(qiáng)，隧道空間可滿足施工，可借鑒的范例多施工工期相對(duì)較長，約100d旋噴樁深層攪拌樁水泥系加固方法加固上體的強(qiáng)度相對(duì)較高，施工安全性能相對(duì)較高加固土體能夠有效地隔絕地下水，具有良好的抗?jié)B透性能較凍結(jié)法成本相對(duì)低，但須單獨(dú)占路或拆遷建筑物，間接費(fèi)用較高技術(shù)可行，加固深度超過20m后，土體加固質(zhì)量受影響通道主體工期相對(duì)較短，但須預(yù)先加固地基，總工期相對(duì)較長2地層凍結(jié)法概述

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，英國首次在南威爾士建筑基坑使用凍結(jié)法；1880年，德國工程師F．H．Poetch在國際上首次提出并獲得人工凍結(jié)法專利；1955年，我國首次在開灤林西風(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，各國凍結(jié)井最大深度分別為：英國930m，美國915m，波蘭860m，加拿大634m，比利時(shí)638m，前蘇聯(lián)620m，德國531m，法國550m，中國702m。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?！熬G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。3凍結(jié)原理

3.1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。3.2凍土的形成過程(1)冷卻段：向土層供冷初期，上體溫度逐漸降到冰點(diǎn)；(2)過冷段：土體溫度達(dá)到0℃以下，土層中的自由水尚未結(jié)冰，呈現(xiàn)出過冷的現(xiàn)象；(3)突變段：水過冷后，一旦結(jié)晶就立即放出結(jié)冰潛熱，出現(xiàn)升溫現(xiàn)象；(4)凍結(jié)段：溫度上升到接近0℃時(shí)穩(wěn)定下來。土體中的自由水結(jié)冰過程，將礦物曩顆粒膠結(jié)成整體，形成凍土；(5)繼續(xù)冷卻段：隨著溫度的降低，涼土的強(qiáng)度逐漸提高。圖

巖土中自由水凍結(jié)過程曲線

土壤凍結(jié)是隨時(shí)問變化而變化的復(fù)雜的熱過程。土中孔隙水是逐漸凍結(jié)的，在一定的溫度范圍內(nèi)，土壤處于由融土經(jīng)塑性過渡到堅(jiān)硬的凍土的中間狀態(tài)，而不同土壤的過渡狀態(tài)的溫度不同。凍土由三部分組成：骨架、冰和未凍水。(1)骨架：礦物顆粒是凍土多相和多成分體系的主體，顆粒大小和形狀直接影響凍土的性質(zhì)，礦物成分對(duì)凍土的形成過程和性質(zhì)都有很大的影響。(2)冰：水結(jié)冰時(shí)體積約增太9.07％，密度減小8.31%。(3)未凍水：土壤凍結(jié)是隨著時(shí)間而變化的復(fù)雜熱變化過程，土中孔隙水是逐漸凍結(jié)的，凍土中在任何負(fù)溫下總有一部分水保持末凍狀態(tài)與凍土共存。未凍水含量取決于冷卻溫度、壓力及礦物顆?；蛴袡C(jī)質(zhì)的性質(zhì)，其中冷卻溫度是主要因素，在由融土經(jīng)塑性過渡到堅(jiān)硬凍土的過程中，負(fù)溫的微小變化都會(huì)引起未凍土的變化。4.1間接凍結(jié)法-低溫鹽水法

傳統(tǒng)和較普遍的人工土凍結(jié)是低溫鹽水法，其原理是以氨、氟利昂或其它物質(zhì)作為制冷工質(zhì)進(jìn)行壓縮、節(jié)流膨脹的反復(fù)循環(huán)做功，將鹽水降至負(fù)溫，由負(fù)溫鹽水作為冷媒通過在土體內(nèi)埋設(shè)的管道循環(huán)，將冷量傳遞給需要凍結(jié)的巖土層，達(dá)到凍結(jié)局部巖土的目的。它由三大循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成：氟利昂(或氨)循環(huán)系統(tǒng)；鹽水循環(huán)系統(tǒng)；冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。這種制冷方法通?？色@得-20℃～-35~C左右的低溫鹽水用來凍結(jié)巖土。4凍結(jié)方法4.2直接凍結(jié)法一液氮法

發(fā)展和使用較晚的人工土凍結(jié)方法還有液氮法，即不需循環(huán)制冷，使液氮或干冰等在土體內(nèi)發(fā)生相變，直接做為冷媒吸收土體熱量，使土體降溫致土中水分凍結(jié)，形成凍土體。與低溫鹽水法相比，液氮人工凍結(jié)法具有深低溫(液氮在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的蒸發(fā)溫度為-196℃)，凍結(jié)速度快、凍結(jié)強(qiáng)度高、無污染、易操作等優(yōu)點(diǎn)。只是液氮法費(fèi)用較高，一般在要凍的土體不大或搶險(xiǎn)堵水的緊急情況下使用。對(duì)于地下工程采用大范圍液氮凍結(jié)法施工目前還不夠普及。表1低溫鹽水法與液氮法進(jìn)行凍結(jié)施工的比較方法介質(zhì)溫度設(shè)備器材現(xiàn)場(chǎng)用電冷凍速度操作管理所需費(fèi)用低溫鹽水凍結(jié)法約-20℃～-35℃全套冷凍設(shè)備上百千瓦2至3月常為23個(gè)月比較復(fù)雜以電費(fèi)為主液氮凍結(jié)法-196℃液氮儲(chǔ)罐及運(yùn)輸車幾乎不用電幾天或稍長比較簡單消耗液氮費(fèi)用高于鹽水法上述兩種常用的方法既可獨(dú)立應(yīng)用，也可組合應(yīng)用，達(dá)到快速和經(jīng)濟(jì)的施工效果，兩者的比較如表1所示。鹽水凍結(jié)系統(tǒng)液化氣體系統(tǒng)干冰系統(tǒng)5凍脹融沉5.1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。5.2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。5.3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。6聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算6.1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)×4.4m(寬)×4.83m(高)通道開挖尺寸為：4.72m(長)×3.3m(寬)×4.23m(高)集水井開挖尺寸為：4.8m(長)×3.3m(寬)×4.2m(高)。6.1.1計(jì)算模型

旁通道凍土帷幕模型簡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，水平方向受梯形載荷。6.1.2聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

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。6.2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。6.3凍結(jié)孔布置及制冷設(shè)計(jì)6.3.1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。6.3.2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。

7凍結(jié)法施工圖

凍結(jié)法施工的工藝流程7.1安裝凍結(jié)站

凍結(jié)站的位置以供冷、供電、供水、排水方便為原則，同時(shí)也要兼顧施工豎井的井口布置和進(jìn)出材料、器材的方便。常把凍結(jié)站設(shè)在距井30m～50m的位置。凍結(jié)站的設(shè)備分為內(nèi)、外兩大區(qū)域布置，站內(nèi)區(qū)主要布置冷凍機(jī)組(包括鹽水循環(huán)系統(tǒng))，站外區(qū)主要布置循環(huán)水冷凝器和儲(chǔ)水池。圖

凍結(jié)站安裝工序流程圖

7.2鉆孔施工為縮短施工周期，鉆孔可與凍結(jié)站的安裝同時(shí)進(jìn)行。鉆孔可分為凍結(jié)孔和觀測(cè)孔兩類。凍結(jié)孔大多分布在凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)中心線上，用來安裝凍結(jié)管，其孔徑、間距和設(shè)計(jì)傾角依地層的土質(zhì)、水文條件、工程要求而定；觀測(cè)孔用于安裝溫度傳感器、土壓傳感器、土層位移傳感器等?？紫端畨毫鞲衅?，按設(shè)計(jì)要求在施工前或施工過程中鉆孔布設(shè)。凍結(jié)孔一般采用鉆機(jī)完成。過去，鉆孔完成后需撤出鉆桿，換裝凍結(jié)管?，F(xiàn)在，采用特別的專利技術(shù)可以做到不必取出鉆桿，鉆桿直接用作凍結(jié)管。鉆進(jìn)過程中，鉆孔容易發(fā)生偏斜，特別是水平鉆孔和斜井鉆孔，掌握鉆進(jìn)角度比較困難，對(duì)凍結(jié)效果的影響很大，對(duì)地下工程的施工也有一定的影響。因此，嚴(yán)格控制鉆孔的偏斜度十分重要，常采用陀螺測(cè)斜儀監(jiān)控鉆孔的偏斜度。

7.3積極凍結(jié)與維護(hù)凍結(jié)

從開始凍結(jié)到凍結(jié)壁達(dá)到設(shè)計(jì)厚度為積極凍結(jié)期。在此期間應(yīng)保證凍結(jié)站正常運(yùn)行，以期盡快形成凍結(jié)壁，給后續(xù)的開挖和結(jié)構(gòu)物施工創(chuàng)造條件。積極凍結(jié)期最好選在冬季，以便充分利用自然低溫環(huán)境降低能耗、提高凍結(jié)站的制冷效率。此外，還要注意勤觀測(cè)凍結(jié)溫度，掌握開挖的最好時(shí)機(jī)。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℃。7.4掘進(jìn)施工7.5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7.6支護(hù)層施工

7.7防水層施工7.8鋼筋工程7.9永久支護(hù)7.10凍結(jié)法施工方案的確定

水文地質(zhì)條件調(diào)查主要是了解施工場(chǎng)地及附近地區(qū)的地層分布、地層的土質(zhì)情況、含水率、地下水的流速和含鹽量等水文地質(zhì)參數(shù)，確認(rèn)凍結(jié)法是該工程的適用工法。凍結(jié)壁的形式選擇根據(jù)地下構(gòu)筑物的埋深、走向和形式，選擇凍結(jié)壁的形式。常用凍結(jié)壁的形式有立式凍結(jié)、水平凍結(jié)和斜式凍結(jié)三種。三種凍結(jié)壁的適用范圍和特點(diǎn)見下表。表

常用凍結(jié)壁的形式方法工藝特點(diǎn)適用范圍立式凍結(jié)凍結(jié)管自地表垂直向下穿入地層，通過對(duì)冷凍液循環(huán)深度的控制，實(shí)現(xiàn)由地面到地下某一深度的連續(xù)凍結(jié)或?qū)Φ叵履骋簧疃鹊暮惒环€(wěn)定地層的局部凍結(jié)1．含水地層內(nèi)的工作豎井施工2．位于埋深較淺的含水地層中的水平隧道或傾斜度不大的隧道施工斜式凍結(jié)冷凍管在地層中圍繞傾斜隧道前進(jìn)的方向排列，在含水地層中形成傾斜的凍結(jié)體適用于含水軟弱地層中傾斜隧道水平凍結(jié)凍結(jié)管在地層中圍繞著隧道的前進(jìn)方向水平排列，在含水的軟弱地層中凍結(jié)形成水平的凍結(jié)體，覆蓋或環(huán)繞待施隧道適用于含水軟弱地層中的水平隧道凍結(jié)壁厚設(shè)計(jì)凍結(jié)壁是具有彈塑性的粘滯體，在外荷載作用下呈現(xiàn)彈性和塑性變形，并產(chǎn)生松馳現(xiàn)象。塑性區(qū)塑性變形超過允許值，凍結(jié)壁和凍結(jié)管可能遭受破壞。因此，凍結(jié)壁厚度既要滿足強(qiáng)度條件，又要滿足變形條件的要求。即在城市地下工程的施工中，凍結(jié)壁的強(qiáng)度必須滿足開挖面暴露、開挖和一次襯砌強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之前各施工階段的地層穩(wěn)定和完成阻水的要求。立式凍結(jié)壁的厚度通常采用彈性力學(xué)的厚壁筒公式或拉梅公式進(jìn)行計(jì)算，而水平凍結(jié)壁的厚度常采用有限元法計(jì)算確定。采用彈塑性有限元程序還可以了解開挖階段土體和凍結(jié)壁的塑性區(qū)域的開展情況，這有利于判斷施工過程的安全度。根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)，在城市淺土層下施工時(shí)，凍結(jié)壁的厚度主要受埋深和地面荷載狀況的影響，常在1.2m～2.Om之間選用，在暗挖施工熟練、量測(cè)監(jiān)控技術(shù)較好的情況下，可取較小的厚度，以節(jié)省電能。制冷系統(tǒng)的選用

除了在特殊的小型搶險(xiǎn)工程中采用液氮凍結(jié)法速凍外，一般情況下均選用鹽水制冷設(shè)備進(jìn)行凍結(jié)施工。制冷凍結(jié)系統(tǒng)由氟利昂(氨)循環(huán)系統(tǒng)、鹽水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)等三大部分組成。對(duì)于氟利昂(氨)循環(huán)系統(tǒng)，首先要根據(jù)地層凍結(jié)深度和凍結(jié)規(guī)模，考慮冷量損失系數(shù)(與季節(jié)、凍結(jié)管線長度、管路保溫條件有關(guān)，常取1.10～1.25之間)，計(jì)算出凍結(jié)站所需的制冷量。城市地下工程的凍結(jié)規(guī)模一般小于礦山建井所需的凍結(jié)規(guī)模。根據(jù)已有的成功經(jīng)驗(yàn)，常見城市地下工程所需的凍結(jié)系統(tǒng)的制冷量大約在每小時(shí)10萬大卡以下(配套的冷凍機(jī)組的電機(jī)功率約在100千瓦左右)。根據(jù)工程對(duì)制冷量的要求可以進(jìn)一步選定制冷機(jī)組，進(jìn)行凍結(jié)站的設(shè)計(jì)。鉆孔孔位的布置

地層中的鉆孔主要是為安裝凍結(jié)管。凍結(jié)管的作用是：管體置于地層鉆孔內(nèi)，用來輸送低溫鹽水與地層直接進(jìn)行熱交換，使凍結(jié)管周圍的土體溫度降低，自由水凍結(jié)，形成有足夠強(qiáng)度的凍結(jié)壁。凍結(jié)管一般選用直徑φ127mm～139mm，壁厚5～l0mm的鋼管．目前常選用φ127×7.5mm的無縫鋼管，也可以根據(jù)城市地下工程的實(shí)際情況減小凍結(jié)管的直徑。方案確定階段要根據(jù)鉆機(jī)的性能、凍結(jié)深度、土層壓力、凍結(jié)時(shí)問和鉆孔技術(shù)綜合確定凍結(jié)孔的開孔間距和鉆孔的允許偏斜率。在城市淺層土體中進(jìn)行施工，特別是在水平凍結(jié)的情況下，為保證所施工的地下構(gòu)筑物的尺寸，避免對(duì)相鄰建筑物造成損害和減少地面沉降，對(duì)孔的允許偏斜率的要求較高，鉆孔的偏斜率一般小于5‰。凍結(jié)時(shí)間的確定

凍結(jié)前，同一深度的地層具有相同的原始溫度。凍結(jié)開始以后，在凍結(jié)管周圍產(chǎn)生降溫區(qū)，形成以凍結(jié)管為中心的凍結(jié)圓柱，并逐漸擴(kuò)大直至與相鄰的凍結(jié)圓柱連接成封閉的凍結(jié)壁。凍結(jié)壁的交圈時(shí)間主要與凍結(jié)孔的間距、鹽水溫度、土層性質(zhì)、凍結(jié)管直徑、地層原始溫度等因素有關(guān)。根據(jù)試驗(yàn)資料看出：交圈時(shí)間隨著凍結(jié)孔間距的增大而延長，隨著地層土體顆粒的直徑的增大和凍結(jié)管直徑的加大而縮短。凍結(jié)壁交圈以后，相鄰凍結(jié)圓柱體的相交界面的溫度會(huì)在凍結(jié)的過程中繼續(xù)降低，該部分的凍結(jié)壁厚度會(huì)逐漸增大。I一結(jié)冰區(qū)Ⅱ一冷卻區(qū)Ⅲ一正常溫度區(qū)圖

凍結(jié)管周圍的溫度分布

圖

凍結(jié)壁的等溫線示圖

直徑159mm凍結(jié)管的孔距與凍結(jié)壁的交圈時(shí)間表

凍結(jié)壁交囤時(shí)間參考表凍結(jié)孔間距(m)1.01.31.51.82.02.32.52.83.03.33.5凍結(jié)孔交圈時(shí)間(天)粉細(xì)砂101522354458678294114128粗中砂9.51421334255647889108121粗砂8.5131930374957708097109礫石8121828354654667591102砂質(zhì)粘土10.51623374661708699120134粘土11.517254051677794108131147鈣質(zhì)粘土1218264253708098113137154注：鹽水溫度為-25℃；凍結(jié)管直徑為159mm經(jīng)過積極凍結(jié)、維護(hù)凍結(jié)兩個(gè)階段，完成地下結(jié)構(gòu)物的施工以后，凍結(jié)站可以停止工作。冷量的供應(yīng)停止后，地層溫度會(huì)自然升高，凍結(jié)壁會(huì)自然解凍。根據(jù)試驗(yàn)資料，砂性土體由停凍到凍結(jié)壁開始解凍的時(shí)間約為80～90天，而粘性土層從停凍到凍結(jié)壁開始解凍的時(shí)間約為90～110天。銜接工序安排

綜上所述，因凍結(jié)站的建立、地層鉆孔、凍結(jié)管線敷設(shè)、開機(jī)試運(yùn)行都需要一定的時(shí)間；在城市地下工程中，積極凍結(jié)往往需要1個(gè)月以上的時(shí)間；維護(hù)凍結(jié)時(shí)間又需根據(jù)開挖和襯砌的施工時(shí)間來確定，所以無論是積極凍結(jié)還是維護(hù)凍結(jié)，每天的電能消耗都是可觀的，因此銜接工序的合理安排顯得尤為重要。8城市地下工程凍結(jié)技術(shù)若干問題凍脹和融沉

人工凍結(jié)法形成的人工凍土與未凍結(jié)土體相比，凍土的工程性質(zhì)要復(fù)雜得多，其中最重要的原因是土體在凍結(jié)過程中有冰的形成。冰的形成往往導(dǎo)致土體體積增大和內(nèi)部水分的重新分布，這使得土體的力學(xué)性質(zhì)變得極不穩(wěn)定。同時(shí)也是人工凍結(jié)技術(shù)在城市地下工程施工中的主要問題。人工凍土的凍脹與融沉問題及其在施工過程中的控制方法是其重要方面。在地層的凍結(jié)過程中，地層中的自由水變成冰，體積會(huì)膨脹，土中的自由水要遷移。而凍結(jié)后的地層在解凍過程中，土體中的冰會(huì)融為水，體積要減小，自由水也要發(fā)生遷移。過量的凍脹和融降量會(huì)對(duì)地表建筑交通和地下管線產(chǎn)生破壞作用。凍脹時(shí)，土體中產(chǎn)生的水壓差導(dǎo)致地下水向凍結(jié)峰面遷移，致使凍脹現(xiàn)象越來越顯著。當(dāng)凍土融化時(shí)，體積減小，又產(chǎn)生較大的土層沉降。凍脹和融沉

一般可實(shí)施的抑制凍脹措施有：降低冷卻溫度，增大凍結(jié)速度，把凍結(jié)范圍控制在必要的最小限度；研究凍結(jié)管的布置，使凍結(jié)膨脹變形和熱的傳遞方向一致；利用鉆孔使地基產(chǎn)生沉降和松動(dòng)，以抵消部分變形；研究凍土形成的順序，盡量用橫向位移吸收膨脹等。融沉的防治措施有：采用局部凍結(jié)，減小凍土墻體積，從而減少融沉量；凍結(jié)管拔除后，管孔內(nèi)要充填密實(shí)；解凍后，可進(jìn)行適當(dāng)?shù)母欁{；凍結(jié)孔施工時(shí)要保證粘土漿的質(zhì)量減少水土流失；采用快速凍結(jié)方法，縮短凍結(jié)時(shí)間。加強(qiáng)地面及凍結(jié)壁井幫的監(jiān)測(cè)，視情況可采取液氮凍結(jié)補(bǔ)強(qiáng)，泄壓或注漿等措施，控制位移凍脹和融沉。地下水質(zhì)、地層含水率和地下水流速對(duì)凍結(jié)效果的影響

采用凍結(jié)法時(shí)，為了確定凍結(jié)法施工方案中的凍結(jié)溫度，首先需要測(cè)量出地層中水溶液的低溫冰鹽共晶點(diǎn)。當(dāng)?shù)貙雍}或受到鹽水侵害時(shí)也都會(huì)降低冰點(diǎn)，其程度與溶解物質(zhì)的數(shù)量成正比。一般地層含水率大于10％、地下水流速小于6m/d，凍結(jié)壁就可以較快地形成。地層含水率小于10％時(shí)，可采取一定的措施增加土體濕度，以利凍結(jié)。地下水流速過大時(shí)，可加大制冷功率、降低凍結(jié)溫度、加密上流區(qū)域凍結(jié)管分布或采取地下注漿的方法封閉土層中的部分空隙和孔洞，以減緩地下水流速的方法完成凍結(jié)。凍土壁蠕變的影響

蠕變是指在應(yīng)力狀態(tài)不變的條件下，應(yīng)變隨時(shí)間逐漸增長的現(xiàn)象。凍土是具有彈塑性的粘滯體，在持久的外荷載作用下，會(huì)產(chǎn)生蠕變并引起應(yīng)力松馳。所謂應(yīng)力松弛是指維持應(yīng)變不變，材料內(nèi)應(yīng)力隨時(shí)間逐漸減小的現(xiàn)象。因此在凍土層開挖和開挖面暴露時(shí)間過長的情況下(例如初期支護(hù)未能及時(shí)施作或初襯的混凝土強(qiáng)度增長過于緩慢)，就必須考慮凍土壁的蠕變對(duì)開挖安全性的影響。低溫環(huán)境對(duì)混凝土澆筑施工的影響

地層中凍結(jié)壁的形成因阻水和增加地層的局部穩(wěn)定性，而有利于地下結(jié)構(gòu)的施工。但是，地層溫度的降低也會(huì)在一定程度上延長了混凝土的凝結(jié)時(shí)間?？梢圆扇〖尤霟崴?dāng)嚢?、加熱骨料、添加外加劑等方法保證結(jié)構(gòu)混凝土的正常養(yǎng)護(hù)，但也應(yīng)注意到：混凝土釋放的水化熱，也會(huì)使凍土壁融解，破壞凍土壁的整體性，不利于地層穩(wěn)定。為避免這種影響，可以在開挖后的凍土壁和襯砌之間鋪設(shè)適當(dāng)?shù)母魺釋?。凍結(jié)鉆孔和地下障礙物鉆進(jìn)

城市交通是市民生活的重要組成部分而城市地下工程凍結(jié)施工要盡可能減小對(duì)交通的影響及如何縮短“切斷交通”時(shí)間，凍結(jié)孔的傾斜和水平布置無疑是解決這個(gè)難題的有效措施。此外，城市地下工程施工常遇到因城市改造而遺留下來的老房基礎(chǔ)等障礙物，加上地下管線的限制，這使得鉆孔布置間距要拉大，而鉆孔間距的拉大又和縮短凍結(jié)工期矛盾。因此，可采用擴(kuò)大凍結(jié)管直徑，必要時(shí)，局部采用液氮凍結(jié)等措施來解決凍結(jié)孔間距擴(kuò)大與縮短凍結(jié)工期的矛盾。要充分考慮施工對(duì)環(huán)境的影響

城市里的地下工程凍結(jié)施工與礦山凍結(jié)施工有很大的不同。后者往往要深入地下數(shù)百或上千米，因此，凍結(jié)壁的應(yīng)力計(jì)算和避免凍結(jié)管的破裂是保證安全的主要控制點(diǎn)。而城市地下施工，凍結(jié)壁承載和凍結(jié)管的完好并不是主要矛盾，地層凍脹、融沉對(duì)相鄰建筑物的影響，地層降溫對(duì)正在運(yùn)行的地下管線(特別是帶水管線)安全的影響變成了主要的矛盾。所以在施工時(shí)要充分考慮凍結(jié)施工對(duì)環(huán)境的影響，并制定相應(yīng)的對(duì)策，才能保證工程順利完成。9強(qiáng)制解凍融沉注漿技術(shù)

9.1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，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。

9.2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