地层冻结法在地铁联络通道施工中应用

中国矿矿业大大学建建筑工工程学学院中国矿矿业大大学深深部岩岩土力力学与与地下下工程程国家家重点点实验验室岳丰田田地层冻冻结法法在地地铁联联络通通道施施工中中应用用1冻结法法概述述人工冻冻结的的应用用和研研究是是以天天然冻冻结条条件下下冻土土的物物理力力学性性质研研究为为基础础，随随着人人工冻冻结凿凿井逐逐步发发展起起来的的。冻冻结法法是利利用人人工制制冷技技术，，使地地层中中的水水冻结结，把把天然然岩土土变成成冻土土，增增加其其强度度和稳稳定性性，隔隔绝地地下水水与地地下工工程的的联系系，以以便在在冻结结壁的的保护护下进进行隧隧道、、立井井和地地下工工程的的开挖挖与衬衬砌施施工技技术。。其实实质是是利用用人工工制冷冷技术术临时时改变变岩土土的状状态以以固结结地层层。1862年，英英国首首次在在南威威尔士士的建建筑基基坑中中使用用了冻冻结法法；1880年，德德国工工程师师F．H．Poetch在国际际上首首次提提出并并获得得人工工冻结法法专利利；1962年，日日本从从开始始在岩岩土工工程中中应用用人工工地层层冻结结技术术，随随后20年中约约施工工了250个冻结结工程程；20世纪70～～80年代，，前苏苏联应应用冻冻结法法施工工城市市地铁铁、矿矿井和和其它工业业建筑筑的大大型工工程达达200余项。。1冻结法法概述述20世纪中中叶，，波兰兰、德德国、、法国国、加加拿大大等国国家相相继开开展了了人工工冻结结技术术的应应用研研究；；近年来来，美美国、、日本本、南南韩等等国正正在研研究将将人工工冻结结技术术用于于核核废废料处处理工工程中中；1955年，我我国首首次在在开滦滦林西西风井井使用用盐水水冻结结法凿凿井并并获得得成成功功；80年代，，随着着我国国地下下工程程的增增多，，逐渐渐由矿矿山工工程，，向城城市各各类类工程程推广广应用用，完完成了了北京京、上上海地地铁的的多项项隧道道水平平冻冻结工工程，，尤其其2000年以来，冻冻结法在上上海得到大大规模应用用。迄今为止，，各国冻结结井最大深深度分别为为：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冻结法概述述冻结法的优优点:1安全可靠性性好,可有效的隔隔绝地下水水；2适应面广。。适用于任任何含一定定水量的松松散岩土层层，在复杂杂水文地质如软土土、含水不不稳定土层层、流砂、、高水压及及高地压地地层条件下冻结技技术有效、、可行；3灵活性好。。可以人为为地控制冻冻结体的形形状和扩展展范围，必必要时可以绕过地地下障碍物物进行冻结结；4可控性较好好。冻结加加固土体均均匀、完整整；5污染性小。。“绿色色”施工方方法，符合合环境岩土土工程发展展趋势；6经济上合理理。冻结法的缺缺点:1冻胀和和融沉；2对土体体加固为临临时性质，，不能长期期起作用。。2冻结原理盐水循环------盐水吸吸收地层热热量，在盐盐水箱内将将热量传递递给蒸发器器中的液氨氨；氨循环------液氨变为为饱和蒸气气氨，再被被氨压缩机机压缩成过过热蒸气进进入冷凝器器冷却，高高压液氨从从冷凝器经经贮氨器，，经节流阀阀流入蒸发发器液氨在在蒸发器中中气化吸收收周围盐水水的热量；；冷却水循环环--------冷却水在在冷却水泵泵，冷凝器器和管路中中的循环叫叫冷却水循循环。将地地热和压缩缩机产生的的热量传递递给大气。。2冻结原理氨（氟利昂昂）－盐水水冻结系统统原理图3技术指标制冷温度：：-10℃～～-35℃℃土层：：任何含含水地层地下水流速速：υ≤5．7﹡10-5m/s冷量估算：：Q=1.3.π.d.H.K制冷效率：：30%~50%冻土速度：：2cm/d4工程概况上海海市市M8线成成山山路路站站～～杨杨思思站站区区间间隧隧道道，，采采用用盾盾构构法法施施工工，，衬衬砌砌采采用用预预制制钢钢筋筋混混凝凝土土管管片片，，通通缝缝拼拼装装。。管管片片内内径径：：5500mm；管管片片外外径径：：6200mm；管管片片厚厚度度：：350mm；管管片片宽宽度度：：1200mm；管管片片混混凝凝土土强强度度C55；隧隧道道底底板板埋埋深深约约14.9～21.6m，底底板板标标高高约约为为-10.2～-16.4m。联联络络通通道道所所在在位位置置较较浅浅，，联联络络通通道道施施工工涉涉及及土土层层主主要要为为淤淤泥泥质质粘粘土土和和粉粉土土，，且且有有微微承承压压水水，，工工程程风风险险较较大大，，确确定定采采用用““隧隧道道内内钻钻孔孔，，冻冻结结临临时时加加固固土土体体，，矿矿山山法法暗暗挖挖构构筑筑””的的施施工工方方案案，，即即：：在在隧隧道道内内利利用用水水平平孔孔和和部部分分傾傾斜斜孔孔冻冻结结加加固固地地层层，，使使联联络络通通道道及及集集水水井井外外围围土土体体冻冻结结，，形形成成强强度度高高，，封封闭闭性性好好的的冻冻土土帷帷幕幕，，然然后后根根据据““新新奥奥法法””的的基基本本原原理理，，在在冻冻土土中中采采用用矿矿山山法法进进行行联联络络通通道道及及泵泵站站的的开开挖挖构构筑筑施施工工，，地地层层冻冻结结和和开开挖挖构构筑筑施施工工均均在在区区间间隧隧道道内内进进行行。。4工程程概概况况联络络通通道道处处上上、、下下行行盾盾构构中中心心间间距距为为12.80m，上上行行线线隧隧道道中中心心标标高高－－13.712m，下下行行线线隧隧道道中中心心标标高高－－13.738m，联联络络通通道道对对应应地地面面标标高高为为4.17m。喇叭叭口口开开挖挖尺尺寸寸为为：：1.458m(长)××4.40m(宽)××4.844m(高)通道道开开挖挖尺尺寸寸为为：：5.13(长)××3.30m(宽)××4.244m(高)集水水井井开开挖挖尺尺寸寸为为：：4.80m(长)××3.30m(宽)××4.20m(高)防火火门门尺尺寸寸为为1.40m××2.05m。衬砌砌采采用用二二次次衬衬砌砌方方式式，，所所有有临临时时支支护护层层厚厚度度均均为为200mm；结结构构层层为为400mm厚的的现现浇浇钢钢筋筋混混凝凝土土，，通通道道底底板板结结构构层层为为1000mm厚的的现现浇浇钢钢筋筋混混凝凝土土。。临临时时支支护护层层和和结结构构层层之之间间安安装装防防水水层层4工程程概概况况图1联络络通通道道结结构构剖剖面面示示意意图图5冻结结帷帷幕幕计计算算根据据地地质质资资料料，，联联络络通通道道底底板板埋埋深深18.572m，冻冻结结帷帷幕幕中中心心的的埋埋深深为为18.572m+0.8m=19.372m。按按静静止止土土压压力力计计算算旁旁通通道道的的上上部部荷荷载载和和侧侧向向荷荷载载（（如如图图2所示示））。。设设冻冻土土帷帷幕幕厚厚度度为为1.6m，通通道道开开挖挖轮轮廓廓高高为为4.24m，宽宽3.20m，计计算算该该结结构构内内部部的的弯弯矩矩和和轴轴力力，，进进而而求求得得截截面面内内的的压压应应力力、、拉拉应应力力的的剪剪应应力力。。图2冻土土帷帷幕幕受受力力简简图图5冻结结帷帷幕幕计计算算表中中的的安安全全系系数数K是由由冻冻土土强强度度与与其其相相应应的的冻冻土土结结构构相相关关位位置置的的应应力力比比值值。。由由于于联联络络通通道道断断面面的的土土层层以以粉粉砂砂土土为为主主，，故故冻冻土土强强度度以以冻冻土土平平均均温温度度为为-10℃℃时的的粉粉土土强强度度为为准准，，σ压=4.0Mpa,σσ拉=2.0Mpa,σσ剪=1.7Mpa。从从数数据据可可见见，，各各截截面面的的压压应应力力安安全全系系数数K>2.19，拉拉应应力力安安全全系系数数K>1.94，剪剪应应力力安安全全系系数数K>3.64，安安全全储储备备较较大大。。6冻结结孔孔布布置置根据据冻冻结结帷帷幕幕设设计计及及联联络络通通道道的的结结构构，，冻冻结结孔孔按按上上仰仰、、近近水水平平、、下下俯俯三三种种角角度度布布置置。。冻冻结结孔孔数数55个。。冻冻结结孔孔的的布布置置详详见见下下图图。。图3冻结结孔孔布布置置展展开开图图6冻结结孔孔布布置置7制冷冷设设计计计计算算冻结结需需冷冷量量由由下下式式计计算算：：Q=1.3.ππ.d.H.K；式中中:H——冻结结总总长长度度；；d——冻结结管管直直径径；；K——冻结结管管散散热热系系数数。。将上上述述参参数数代代入入公公式式得得：：Q=1.3.ππ.d.H.K=58169Kcal/h=67.6KW/h根据据冷冷量量计计算算，，选选用用YSKF212.5型螺螺杆杆机机组组2台套套，，单单台台设设计计工工况况制制冷冷量量44.2KW，机机组组外外型型尺尺寸寸：：长长×宽×高=4××1.8××2.0m，电电机机功功率率57.2kw。冻结结管管选选用用Φ95××8mm,20#低碳碳无无缝缝钢钢管管,丝扣扣连连接接,单根根长长度度1m或1.5m,总长长度度约约650m。测测温温管管选选用用Φ32××3mm,20#低碳碳无无缝缝钢钢管管。。供供液液管管选选用用″钢管管，，采采用用焊焊接接连连接接8冻结结施施工工技技术术要要点点在该该地地层层冻冻结结工工程程中中，，由由于于其其特特殊殊施施工工条条件件与与要要求求，，需需采采取取特特别别工工艺艺与与技技术术措措施施，，以以控控制制冻冻结结孔孔钻钻进进，，地地层层冻冻胀胀和和融融沉沉等等对对隧隧道道的的影影响响，，根根据据国国内内外外最最新新研研究究成成果果和和施施工工经经验验，，提提出出以以下下冻冻结结施施工工技技术术措措施施：：（1）在在已已贯贯通通的的隧隧道道钻钻冻冻结结孔孔，，根根据据联联络络通通道道的的结结构构采采用用上上仰仰、、近近水水平平和和下下俯俯三三种种成成孔孔角角度度。。（2）由于冻土抗抗拉强度低，，因此除设计计中尽量降低低冻土帷幕所所承受的拉应应力外，主要要做好冻结和和开挖的配合合工作，要求求及时