冻结法在盾构隧道的应用

1、冻结法在盾构隧道中的应用翁家杰王朝晖摘要本文首先简要叙述了冻结法的发展历史过程，举例分析了冻结技术在国际盾构隧道工程中的应用情况，并对其基本理论及应用的若干技术问题进行了较为详细的阐述。一、冻结法的发展冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结成冰，把天然岩土变成冻土， 增加其强度 和稳定性，以隔绝地下水与地下工程的联系。 在冻结壁的保护下进行地下工程掘砌施工，是一种有效的特殊施工技术。19世纪60年代，冻结法首先应用于英国南威土的建筑基础工程。1883年，德国工程师波茨舒(F. H . Poetsch)在阿尔巴里得煤矿采用冻结法施工深103m的井筒，并获得专利；引起工程界的关注。 随着地下空间

2、的逐步开发利用，新工程的不断出现， 促进了冻结技术的迅速发展。近几年来，冻结法已发展成为一门较为成熟的特殊施工技术，被广泛应用于水利工程、地基基础工程；隧道工程和矿井建设等工程中。目前世界各国应用冻结法凿井的最大深度见表I。冻结法凿井的最大深度表1国名荷兰英国加拿大波兰比利时德国俄国法国中国最大冻深,m338930915725638628620550435冻结法在我国起步较晚，但发展速度却很快。自1955年开滦矿区应用冻结法凿井以来，现已在12个省区推广，共施工 360多个立井井筒、斜井井筒和风道口等，冻结总长度约6万米。冻结法已成为我国通过不稳定冲积层和裂隙含水层的主要施工方法，特别是自16

3、75年以来，冻结工程量有较大的增长，年平均冻结长度达2300m。本世纪60年代，液氮冻结法的出现为冻结法的发展历史揭开了新的一页。由于炼钢工 业和空分技术的发展，大量的制氧副产品氮气经过液化得到的液氮已被应用到实用的工业领 域和国民经济部门。液氮在常压下沸点为一195. 8C，气化潜热为197.6kJ/kg，氯的显热为1. 05J/(kg k)。液氮对震动、热和电火花是稳定的，且没有腐蚀性。其良好的理化性质 使之成为一种比较理想的制冷工质。和传统冻结法的氨循环、盐水循环、冷却水循、一环构成的复杂系统相比，液氮冻结系统简单，具有低温、快速和高强的特点。1992年中煤特凿公司、上海隧道公司和中国矿

4、业大学合作完成上海地铁I号线151井以北软土盾构隧道的贯通工程，实现了液氮冻结在我国的首次工程应用。二、盾构隧道冻结辅助工法1825年，英国在太晤士河下首次采用盾构法修建第一条水下隧道。至今盾构施工技术 已广泛应用于软土隧道的施工中，并取得了明显的技术进步。本世纪60年代盾构的机型得到迅速的完善和发展。70年代我国泥水平衡盾构和土压平衡盾构的应用，使隧道开挖面的 稳定性得以保证。80年代的大型网格挤压式盾构已被成功地用于上海延安东路越江隧道工 程中，推进总长1476m。盾构法作为软土地层大直径、长距离隧道的主要施工技术之一，已被世界各国所广泛采用。据 80年代的统计资料，盾构隧道中的12%作为

5、地铁或水下交通隧道，13%作为电力、通讯电缆隧道，作为供水管道的占25%, 50%的盾构隧道用于排水通道。由于盾构隧道直径的增大、埋深的加大和盾构机型的复杂化，冻结法的应用越来越多， 在诸多的辅助工法中，其应用比重日渐增大。这是因为与井点、电渗、注浆等方法相比，冻 结法具有以下特点：1冻结法适用于复杂的地质条件，冻土强度高，阻水效果好。2适用于多种情况下工程的施工。施工方式灵活，大至整块街区，小至局部抢险均可采用。3 冻结法对地层、地下水以及周围环境的影响较小，不产生污染，不产生超负荷的噪声。4冻结加固土体的效果可根据工程设计要求，在施工过程加以人工控制，从而达到令 人满意的效果。冻结法是土层

6、的一种物理加固方法。它是一种临时加固技术。 当工程需要时冻土可具有岩石般的强度，如不需要强度时、（当盾构推进时，刀盘切 削范围内的土层），又可以采取强 制解冻技术使其融化。因此，冻结辅助工法是一种既可靠又灵活的施工方法，尤其适用于我国东南沿海软土盾构隧道施工中使用。分析在世界上一些国家应用的实例，将盾构隧道的冻结辅助工法的应用可归纳为以下几 个方面：1 盾构进出洞时土体的加固盾构进、出洞时，承受着工作井附近土体产生的巨大土压和水压的变化，可能导致涌水和土体坍塌。目前，我们常用旋喷技术或注浆法加固土体，效果不十分理想，常常遇到注浆 不均匀和盾构刀盘切割浆液结石体等困难，而冻结辅助工法却能有效地解

7、决这些问题。日本东京环7线2号调节水仓盾构隧道的出洞作业采用冻结辅助工法。该水仓分两期 建成总容量540, 000m3,以防止Kanda河水泛滥。直径13. 94m的大型盾构从深 60m的工 作井出洞，其周围是砂土层。盾构出洞前对土体进行冻结加固处理（图1）。冻结管采用水平和垂直两种布置方式，冻结65d后，冻土温度达到一 20C以下，冻结壁厚达到 4. 3m,（图2）（略），安全系数为 2,满足安全施工的要求。同时辅以注浆法加固，其厚度为5. 2m ,总加固土体厚度为 9. 5m，保证了盾构完全出洞之后，其盾尾也处于稳定土体的保是护之下。誉直tf飯 J.6!5崔*产裂 IE1-暗冏图图 1 东

8、京环 7 线盾构隧道出洞冻结示意图另外， 东京森崎污水处理场的盾构出洞、 日本千叶县市川市江户川的排水隧道、 名古屋 知多武平町输电线隧道以及日本某热电站冷却水排放隧道的盾构进洞， 均采用了冻结辅助工 法获得成功。2盾构隧道地下或海底对接时人体稳定近年来， 世界上许多国家的盾构隧道采用对头掘进， 从而缩短工期。 除采用立井对接方 式之外， 还常常不开凿立井而在地下或海底直接对接。 这对于在水下施工或建筑稠密、 交通 拥挤、 地价高的市区施工有着非常重要的意义。 采用冻结法加固对接区域， 实为安全可靠的 补强堵水方法。日本大阪东南部的排水隧道直径6. 5m,位于地表以下 23. 44m处。该盾构

9、隧道总长& 5km，划分5个区施工，其中两区施工的对接采用冻结法地下对接。冻结管以长、短两 种管在对接区域周围按圆锥面布置，长管8. 2和7. 7m,短管3. 6m和3. 3m，冻结土体1100m3,确保盾构隧道如期顺利贯通 （图3）（略）。由于采用地下对接，免去工作井的开凿， 使工程造价降低 13。东京污水处理大田干线的地下对接和莫里嘎萨基（Morigasaki）与那姆比（Nambui）排污隧道的海底对接均采用了冻结辅助工法。 经实践证明, 冻结法是用于对接的一种安全可靠技术, 可有效地降低工程成本。3.城市地铁泵房、旁通道和急转弯部分的施工现代城市地铁安全设计要求,大约间距 1km 左右时

10、,需在并排隧道间设立泵站。 另外,地下工程常常遇到旁通道和急转弯部分盾构施工困难的情况。它们具有施工距离短、 形状不规整等特点, 采用盾构施工困难, 在经济上亦不合理, 因此, 日本、 美国、 英国等国, 常采用冻结法对周围土层加固,然后以矿山法掘进。日本京都地铁泵房位于鸭川河附近,处于砾石层中,该地层含水量丰富。专家经过多 种方案的分析比较, 决定采用冻结法。 在竖排水井周围布置重直冻结管, 泵房底部布置料冻 结管，形成“ V”形圆锥面封底，同时，在泵房的周围土层埋设附加冻结管，以加强两帮和 提高阻水效果（图 4）,布置的冻结管总长 2516m。工程采用2台150kW的螺杆冷冻机，盐 水工作

11、温度保持在-25C-30 C之间，冻结工期 13月，冻土体积总计 1650m3。施工过程中 土体向上发生最大冻胀量为25mm ,侧向冻胀量17mm，完全满足工程设计安全的标准。平面图骷.I感沟G! ill恥那构凤iR盐水也曾尸医位tiTLm)1亠11析而囲27斷面图图4京都地铁泵房冻结示意图4盾构隧道涌水、坍塌事故的冻结修复盾构隧道施工发生涌水、土体坍塌等突发性事故时，利用液氮冻结快速、低温和高强 的特点，可迅速在短期内有效地处理事故。该技术日趋成熟，已被世界上许多国家采用。意大利波太兹（Potenza）的一项输水隧道工程，成功地运用液氮冻结技术处理了一起 严重涌砂事故。该隧道采用直径6m的全

12、自动盾构施工。当盾构掘进2630m时，发生严重的涌砂事故，共计涌入泥砂6000m3,完全掩埋了盾构。该地区水文地质条件复杂，土层中赋存大量的孔洞，并且水压较大，采用注浆法处理未能奏效（图5）血%- 1r . 7图5 Agri Sauro隧道事故破坏示意图专家经过分析研究，决定采用液氮冻结技术修复隧道。首先在距盾构50m处砌筑混凝土墙，封闭隧道，防止涌砂进一步扩展。在安装冻结管工作之前， 对渗漏段土体进行注浆处理。增大体的密度，提高冻结速度，尽快形成致密稳定的冻结壁，确保在70m水头作用下的水流不进入隧道。冻结管沿隧道的轴向略倾斜布置36根24m长的冻结管，形成厚 1.2m的锥形护壁（图6）。在

13、事故处理过程中，平均每立方土体消耗液氮12001。冻结工作中还采用了套管钻进、加强支护和温度监控等措施，使冻结施工达到了令人满意的效果。图6冻结管布置示意图三、土层人工冻结的基础理论1. 冻结温度场在冻结过程中土层温度随时间而变化，这是一个相变、移动边界的、有内热源的、边界条件复杂的不稳定导热问题。现有解析法、模拟法和数值法三种解决问题的途径。目前比较有效的是数值近似法，主要为有限元法和差分法。通常将冻结工作的研究对象视为均质连 续的，导热方程经坐标变换为：.1九(1)（t 0, 0 v rm =式中tn温度分布，Cn表示岩土状态，如 n =1融土； n=2冻土;T 冻结时间，S；圆柱坐标，以

14、冻结壁的圆心为原点（图7）图7冻结温度场示意图an导温系数，m2/s.入n、Cn 表示导热系数和容积比热。液氮低温快速冻结， 通过推导有限差分近似方程建立热力模型，采用计算机模拟，可获得该情况下冻结过程温度场的变化、零度等温线的推移、冻土扩展速度和冻结壁平均温度等重要 参数。2. 冻结冷量冻结冷量是冻结理论研究的重要部分，为冻结站的设计和冻结工作提供科学依据。冻 结冷量由下式决定：Q=Q 什 Q2+Q3+Q4+Q5(2)式中 Q-1m3岩土从原始温度to降到冻结温度t所需冻结冷量，KJ/m3；Q1-1m3岩土中水从原始温度 to降至结冰温度td (一般为0C)时放出的热量;Qi=WCw (to

15、-td) PwW- 土中含水量，%Cw-水的比热，4.2KJ/(kg K);、3P w-水的密度，1000kg/m ;to-岩土初始温度，C；Q2-1m3岩土中水结冰时放出的潜热量：Q2 =(W -WU ) siL-单位重量水结冰放的潜热量，336KJ/kg;Wu 冻土中未冻水含量，%；Q3 1m3冻土中冰由冰点降至冻结温度所放出的热量；Q3 =(W -WU )Ci ：l(td -1)Ci 冰的比热,2.1KJ/(kg K);- P i冰的密度，900kg/m ;t-冻结温度，即冻结壁的平均温度，C；Q4-1m3岩土颗粒由to降至t所放出的热量;Q4 p -W)Cs s (to -t)Cs土颗

16、粒的比热，KJ/ ( Kg K)s-土颗粒的比重，KJ/m3;Q5-1m3冻土所确定降温区内岩土和水降低温度t所需的热量；Q5 =V ：tCs s(1 -W) CwwWV-1m3冻土所确定的降温区岩土体积，m3； t-降温区岩土的降低温度平均值，C3. 冻土强度冻土的强度指标有抗压强度、抗剪强度、抗拉强度以及其流变特性等，它们受冻土温 度、含水量、颗粒组成、矿物成分、荷载作用时间以及冻结速度等因素的影响。在工程中常用冻土的坑压强度，它的值一般随其主要影响因素冻土温度的降低而增大。但冻土温度降到-70C80C以下时，其强度呈下降趋势（图8）。冻土具有塑性和变形量大的特点，发生塑性流动时，其残余强

17、度约为峰值的30%25%。由于实际工程中冻结壁是非均质、非对称、非均压的复杂结构体，试块的力学性质已不能满足冻结壁的设计要求，故经常采用冻结壁模型试验和理论分析计算的方法探求冻结壁整体强度及其稳定性。图8冻土的应力一应变关系曲线4冻结壁结构的力学模型在我国矿井建设中，一般按强度极限状态计算冻土结构。100m以内的井筒采用拉麦公式计算，把冻结壁视为弹性厚壁圆筒；100m以上的探井采用多姆克公式，冻结壁被视为弹塑性体或塑性体。而盾构隧道工程中的冻结土体常视作弹性体。盾构出洞时冻结加固土体以水平圆筒体 处理，将其视为自由支撑的厚板，通过计算加固土体中n-n断面承受的最大弯曲应力，控制加固土体的外形尺

18、寸（图9）,如下式l = F + !图9盾构出洞冻结加固体的力学结构图(3)式中 E-土压与水压之和（土压利用朗金公式计算）；r-D/2;D-盾构的直径； d -冻结加固体的变曲坑拉强度；K-安全系数，1.5。图中 f 2.5m, f t/2。地下盾构隧道对接时，冻土体常按固端梁受弯进行计算，采用经验安全系数对结构设 计强度进行工程验算。四、盾构隧道冻结若干技术问题1. 1.冻胀与融降城市隧道冻结过程中存在两个比较突出的问题就是冻胀与融降，过量的冻胀与融降量均会对城市地面建筑、交通和地下管线产生严重的破坏作用。冻胀的机理是土体中的水冻结成冰时体积增大9%，同时土体中产生水压差，地下水向冰结峰面

19、迁移，致使冻胀现象越来越 显著（图10）。当冻土融化时，体积减小，又会产生较大的土层沉降。未味土 .味土未懈土图10冻胀形成机理图经过比较分析可知，不同土质条件下冻胀与沉降量是不同的，粘土的变形量很大，粉砂、砂次之；融降量一般大于冻胀变形量。虽然它们对工程的影响较大，但并不是不能控制的。由于冻胀必然产生对结构物的压力，日本东京环7线盾构出洞的冻结施工中， 采用压力释放孔的措施，使冻结压力降低约40%。近年来，经过人们的不断探索，已形成一套比较成熟的技术。压力释放孔、注浆充填、工作面释放水和强制解冻等均获得了很好的效果。日本两项冻结工程中实测的冻胀与融降量见表2。隧道冻胀与融降量的实测值表2工程

20、位置参数东京都下水道大田干线大阪排水隧道按合点上路面隧道底面（距地表24m）按合点上路面隧道底面（距地表30m）冻胀量（mm）11120752隔降量（mm）26200352802. 2. 冻土扩展在冻结工作中及时监控冻土的扩展情况，可保证盾构的顺利推进。 我国煤矿冻结工作经验已总结出冻土扩展速度的规律，它与土质条件有关，见表3。砾石层冻结速度最快，砂土次之，粘土层最小。冻结壁的冻结时间可按下列经验公式计算：t =n Ed/V（4）式中t -冻结时间，d;Ed-冻结壁设计厚度，mm;n -冻结壁向内侧的扩展系数，n =0.550.60;V-冻结壁向内侧的平均扩展速度，mm/d日本大阪输水隧道的冻

21、结扩展情况（图11）,表明砂土的冻结速度大于粘土。冻结前25d的冻结速度较快，以后冻结壁的厚度随时间成线性增长。日前，盾构隧道的冻结工作采用理论计算进行冻结设计，理论计算结果较好（图12）。然后在冻结过程中通过铜一镛铜热电偶监测冻土的扩展情况，可获得令人满意的效果。世计o上乳昨和联枯土厲 色中邯砂土岳 X下掷帖土凰图11日本大阪输水隧道的冻结扩展曲线图2.015U10010 20 j10jto! 10 2 旷 脣甘3译0,5-0旺皓旳间B|月丨图12东京都下水道大田干线冻土扩展理论计算与实侧值的比较曲线3地下水对冻结的影响一般地下水的自然流速比较小，但经过人工钻孔抽水之后，地下水流速往往大于 5m/d，对冻结工作产生很大危害。下列冻土圆柱的热平衡方程，用于分析影响冻结壁的正常交圈， 地下水流对降温度的影响（图13）图13地下水流对降温区温度的影响曲线地下水使土层降温区延长，推迟冻结壁的交圈时间。 采取缩短冻结管间距的措施，在一定程度上可减少地下水的影响（图14）