地层冻结法在地铁联络通道施工中应用

1、中国矿业大学建筑工程学院中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室 岳丰田 地层冻结法在地铁 联络通道施工中应用 1 冻结法概述 人工冻结的应用和研究是以天然冻结条件下冻土的物理力学性质研究为基础，随着人工冻结凿井逐步发展起来的。冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水冻结，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行隧道、立井和地下工程的开挖与衬砌施工技术。其实质是利用人工制冷技术临时改变岩土的状态以固结地层。 1862年，英国首次在南威尔士的建筑基坑中使用了冻结法；1880年，德国工程师FHPoetch在国际上首次提出并获得人工 冻结法专

2、利； 1962年，日本从开始在岩土工程中应用人工地层冻结技术，随后 20年中约施工了250个冻结工程；20世纪7080年代，前苏联应用冻结法施工城市地铁、矿井和其它工业建筑的大型工程达200余项。1 冻结法概述20世纪中叶，波兰、德国、法国、加拿大等国家相继开展了人工冻结技术的应用研究；近年来，美国、日本、南韩等国正在研究将人工冻结技术用于核废料处理工程中；1955年，我国首次在开滦林西风井使用盐水冻结法凿井并获得成功；80年代，随着我国地下工程的增多，逐渐由矿山工程，向城市各类工程推广应用，完成了北京、上海地铁的多项隧道水平冻结工程，尤其2000年以来，冻结法在上海得到大规模应用。迄今为止，

3、各国冻结井最大深度分别为：英国930m，美国915m，波兰860m，加拿大634m，比利时638m，前苏联620m，德国531m，法国550m，中国702m。1 冻结法概述冻结法的优点:1 安全可靠性好,可有效的隔绝地下水； 2 适应面广。适用于任何含一定水量的松散岩土层，在复杂水文 地质如软土、含水不稳定土层、流砂、高水压及高地压地层条 件下冻结技术有效、可行； 3 灵活性好。可以人为地控制冻结体的形状和扩展范围，必要时 可以绕过地下障碍物进行冻结； 4 可控性较好。冻结加固土体均匀、完整； 5 污染性小。 “绿色”施工方法，符合环境岩土工程发展趋势； 6 经济上合理。冻结法的缺点:1 冻胀

4、和融沉；2 对土体加固为临时性质，不能长期起作用。 2 冻结原理盐水循环-盐水吸收地层热量，在盐水箱内将热量传递给蒸发器中的液氨；氨循环-液氨变为饱和蒸气氨，再被氨压缩机压缩成过热蒸气进入冷凝器冷却，高压液氨从冷凝器经贮氨器，经节流阀流入蒸发器液氨在蒸发器中气化吸收周围盐水的热量；冷却水循环-冷却水在冷却水泵，冷凝器和管路中的循环叫冷却水循环。将地热和压缩机产生的热量传递给大气。2 冻结原理 氨（氟利昂）盐水冻结系统原理图3 技术指标 制冷温度：-10 -35 土层：任何含水地层 地下水流速：5710-5m/s 冷量估算 ：Q=1.3.d.H.K 制冷效率 ：30% 50% 冻土速度 ：2cm

5、/d 4 工程概况上海市M8线成山路站杨思站区间隧道，采用盾构法施工，衬砌采用预制钢筋混凝土管片，通缝拼装。管片内径：5500mm；管片外径：6200mm；管片厚度：350mm；管片宽度：1200mm；管片混凝土强度C55；隧道底板埋深约14.921.6m，底板标高约为-10.2-16.4m。联络通道所在位置较浅，联络通道施工涉及土层主要为淤泥质粘土和粉土，且有微承压水，工程风险较大，确定采用“隧道内钻孔，冻结临时加固土体，矿山法暗挖构筑”的施工方案，即：在隧道内利用水平孔和部分傾斜孔冻结加固地层，使联络通道及集水井外围土体冻结，形成强度高，封闭性好的冻土帷幕，然后根据“新奥法”的基本原理，在

6、冻土中采用矿山法进行联络通道及泵站的开挖构筑施工，地层冻结和开挖构筑施工均在区间隧道内进行。 4 工程概况联络通道处上、下行盾构中心间距为12.80m，上行线隧道中心标高13.712m，下行线隧道中心标高13.738m，联络通道对应地面标高为4.17m。喇叭口开挖尺寸为：1.458m(长)4.40m(宽)4.844m(高)通道开挖尺寸为：5.13(长)3.30m(宽)4.244m(高)集水井开挖尺寸为：4.80m(长)3.30m(宽)4.20m(高) 防火门尺寸为1.40m2.05m。衬砌采用二次衬砌方式，所有临时支护层厚度均为200mm；结构层为400mm厚的现浇钢筋混凝土，通道底板结构层为

7、1000mm厚的现浇钢筋混凝土。临时支护层和结构层之间安装防水层 4 工程概况 图1 联络通道结构剖面示意图 5 冻结帷幕计算根据地质资料，联络通道底板埋深18.572m，冻结帷幕中心的埋深为18.572m+0.8m=19.372m。按静止土压力计算旁通道的上部荷载和侧向荷载（如图2所示）。设冻土帷幕厚度为1.6m，通道开挖轮廓高为4.24m，宽3.20m，计算该结构内部的弯矩和轴力，进而求得截面内的压应力、拉应力的剪应力。图2 冻土帷幕受力简图5 冻结帷幕计算表中的安全系数K是由冻土强度与其相应的冻土结构相关位置的应力比值。由于联络通道断面的土层以粉砂土为主，故冻土强度以冻土平均温度为-10

8、时的粉土强度为准，压=4.0Mpa, 拉=2.0Mpa,剪=1.7Mpa。从数据可见，各截面的压应力安全系数K 2.19，拉应力安全系数K 1.94，剪应力安全系数K 3.64，安全储备较大 。 6 冻结孔布置根据冻结帷幕设计及联络通道的结构，冻结孔按上仰、近水平、下俯三种角度布置。冻结孔数55个。冻结孔的布置详见下图。 图3 冻结孔布置展开图6 冻结孔布置7 制冷设计计算冻结需冷量由下式计算：Q=1.3.d.H.K；式中:H冻结总长度；d冻结管直径；K冻结管散热系数。将上述参数代入公式得：Q=1.3.d.H.K =58169 Kcal/h=67.6KW/h根据冷量计算，选用YSKF212.5

9、型螺杆机组2台套，单台设计工况制冷量44.2KW，机组外型尺寸：长宽高=41.82.0m，电机功率57.2kw。 冻结管选用958mm,20#低碳无缝钢管,丝扣连接,单根长度1m或1.5m,总长度约650m。测温管选用323mm,20#低碳无缝钢管。供液管选用钢管，采用焊接连接8 冻结施工技术要点 在该地层冻结工程中，由于其特殊施工条件与要求，需采取特别工艺与技术措施，以控制冻结孔钻进，地层冻胀和融沉等对隧道的影响，根据国内外最新研究成果和施工经验，提出以下冻结施工技术措施：（1）在已贯通的隧道钻冻结孔，根据联络通道的结构采用上仰、近水平和下俯三种成孔角度。（2）由于冻土抗拉强度低，因此除设计

10、中尽量降低冻土帷幕所承受的拉应力外，主要做好冻结和开挖的配合工作，要求及时封闭薄弱的冻结壁，并根据开挖后冻结帷幕变形情况及时调整开挖构筑工艺。（3）为减小土层冻胀，隧道上下对称布置冻结孔，在适当部位设泄压孔，并采用小开孔距，低温盐水，大流量以加快冻结速度。（4）在冻土帷幕关键部位，多布置测温孔，监测冻土帷幕的形成过程和形成状况。9 通道开挖与构筑施工 根据工程结构特点，联络通道开挖掘进采取分区公层方式进行，其施工顺序如图4所示。在开挖过程中，采用短段短砌技术，每开挖0.30.5m，进行临时支护，在金属棚与冻土间辅以木背板作支护。在1、2、3三个区间开挖完成后，先在金属架上喷射C20素混凝土150mm，中间为防水层，内层为C30钢筋混凝土，双层钢筋砼支护400mm。图4 联络通道开挖顺序图 10 结论 本文根据上海市M8线成山路站杨思站区间隧道联络通道采用冻