地层冻结加固方法

PAGEPAGE1地层冻结加固方法在广州地铁海公区间施工中的应用中铁二局集团有限公司第五公司何泽刚摘要：地层冻结是软土地基加固方法的一种，本文就广州地铁二号线海公区间使用地层冻结加固方法的情况，介绍冻结法在海公区间的使用过程以及冻结法的设计、施工等方面的情况。以供类似工程的设计、施工参考。前言冻结技术源于天然冻结现象，人类首次成功地使用人工制冷加固土壤，是在1862年英国威尔士的建筑基础施工中。1880年德国工程师F.H.Poetch首先提出了人工冻结法原理，并于1883年在德国阿尔巴里煤矿成功采用冻结法建造井筒。从此，这项地层加固特殊技术被广泛地应用到世界许多国家的隧道、地铁、基坑、矿井、市政及其它岩土工程建设中，成为岩土工程，尤其是地下工程施工等重要方法之一。冻结法加固层的原理，是利用人工制冷的方法，将低温冷媒送入地层中，把要开挖体周围的地层冻结成封闭的连续冻土墙，以抵抗地压，并隔绝地下水和开挖体之间的联系，然后在封闭的连续冻土墙的保护下，进行开挖和永久支护的一种特殊地层加固方法。1、冻结加固方案的确定1.1、项目及工程地质概况广州地铁二号线海公区间左线隧道ZDK12+696～+740段位于广东贸易中心大楼正门口广场内，且在ZDK12+735处左线线路中线(平面)距广东贸易中心大厦东南角3.0m，隧道边墙侵入桩基0.999m，隧道顶面距桩底为3.94m，该段隧道与广东贸易中心大楼的相互关系详见《ZDK12+696～+740段区间隧道与广东贸易中心大楼相互关系图》。而广东贸易中心大楼为50年代末期修建的高层建筑，其桩基础为无钢筋笼的锤击灌注摩擦桩，桩底位于中粗砂层内。ZDK12+696～+740段穿越的地层为强～中风化粉砂质泥岩，按隧道围岩划分为Ⅲ类，但隧道拱顶距透水砂层仅3.8m，透水砂层和隧道拱顶之间为不透水的粉质粘土层，该层在隧道开挖后初期支护前极易被地下水击穿形成隧道内涌水涌泥，从而引起地表沉陷。而本段范围内地下水位在原地面以下约1.5m，地下水主要为地表水，在透水层中极易开成水力联系，该段范围内的地质情况详见《ZDK12+696～+740段地质纵剖面图》。ZDK12+696～+740段区间隧道与广东贸易中心大楼相互关系图1.2、险情发生广州地铁二号线海公区间左线隧道开挖至ZDK12+698.6处时，隧道内掌子面左侧拱顶在没有坍方发生的情况下，突然发生涌水涌泥，造成广东贸易中心大楼正门广场内地表沉陷，下陷最深处达3.0m，直径达6.0m。分析原因为该段隧道开挖后，地下水压力击穿了隧道拱顶的不透水层，造成突发性涌水涌泥。险情发生后，在施工现场采取了地表钻孔注浆充填地表沉陷，隧道内设止浆墙封闭掌子面，停止施工，及时控制了险情进一步扩大。1.3、方案比选针对该段施工的地质情况及广东贸易中心大楼的特殊情况，由广州市建委及地铁总公司组织召开了专家论证会，与会专家一致认为：①、隧道拱顶的残积粘土层是可塑的，在抵抗不了上部水、土压力的情况下，很容易被击穿；②、在粉细砂及残积可塑粘土层中，单采用注浆不能有效固结形成止水帷幕；③、粉细砂层含水量非常饱和，并且与珠江水系相连通，一旦发生失水，极易引起地表及地面建筑场沉降；④、在隧道再次掘进前，必须对前进方向的地层进行加固处理。关于ZDK12+696～+740段的地层加固方案，与会专家共提出如下几种方案：①、ZDK12+696～+740段隧道开挖边线外设置搅拌桩帷幕，以隔断地下水来源；②、在ZDK12+696～+740段隧道开挖影响范围内采用地表帷幕注浆，以加固松散地层和隔断地下水；③、采用冻结法加固隧道前进方向的松散土体。几种方案的对照详见《ZDK12+696～+740段加固方案对照表》经方案比选，为确保广东贸易中心大楼的绝对安全，与会专家一致认为采用地层冻结加固法是保证区间隧道顺利该不良地质段的最好办法。2、冻结加固方案设计冻结加固方案设计多根据经验参数及经验公式计算确定，本文仅针对本工程就冻结方案设计的步骤及原则作粗略介绍。2.1、冻结施工方案的确定由于施工完初期支护的隧道内无水平钻孔作业的空间，故本工程冻结施ZDK12+696～+740段加固方案对照表方案情况优点缺点1、搅拌桩加固方案：在该段范围内沿隧道开挖影响范围周边设置两排搅拌桩，桩径采用Φ550mm，纵向间距为0.45m，搅拌桩终孔标高设于强风化层的顶面。共计须设置搅拌桩468根，共计8307米，预计工程造价为83万元。投入三台搅拌桩机，平均每台机每天按6根计，可在25天内完成。①、搅拌桩在软土层中能形成有效桩径，从而在隧道开挖范围的顶部形成封闭的止水帷幕；②、密排的搅拌桩具有一定的抵抗侧压力能力，从而起到挡土作用；①、搅拌桩能形成有效桩径的地层仅为强风化层的顶面以上地层；②、搅拌桩在隧道开挖范围周边的顶部形成了封闭的止水帷幕，但帷幕内仍为富含水的松散地层，一旦失水仍存在地表沉陷的可能性。③、当止水帷幕内地下水位下降时，会形成帷幕内外水压力差，这种压力差一旦击穿止水帷幕，就会造成止水帷幕失去作用，进而影响大楼安全。④、施工时需占用地面道路，对周围环境影响较大。2、帷幕注浆方案：在该段范围内设置地表钻孔注浆帷幕，注浆孔按梅花形布置，间距为1.0m，浆液扩散半径r=1.5m，注浆终孔标高为粘土层顶面，共计须设置注浆孔473孔，共计7095米，预计工程造价为283万元。计划投入10台机，平均每台机每天按2根计算，可在22天内完成。可在隧道开挖影响范围内的松散土层中形成止水帷幕，并可同时加固松散土层，提高其自稳能力。注浆有效地层仅为粘土层顶面以上的松散地层，且在粉细砂层中注浆效果很差。隧道开挖时形成渗流、涌水通道的可能性仍然存在，不能确保大楼的安全。3、搅拌桩+钢管+旋喷桩联合加固方案：搅拌桩桩径采用Φ550mm，纵向间距为0.45m，终孔标高设于强风化层顶面，共计须设置搅拌桩468根，共计8307米。在两排搅拌桩中间加设三排排距为0.3m、纵向间距为0.45m的Φ100mm钢管并在钢管中灌注水泥砂浆，以增加帷幕的抗剪性能。钢管插入到隧道开挖底面以下2.0m,全部管桩施工完成后在管桩顶部设置钢筋混凝土圈梁。共计需设置管桩297根，共计6434m。在搅拌桩帷幕范围内设置旋喷桩。旋喷桩按梅花形布置，间距为1m、有效桩径为1.0m、旋喷桩的有效桩长仅设于残积可塑粉质粘土层、粉细砂层中。共须设置旋喷桩312根、钻孔总长度为5616m，有效总桩长为3120m。搅拌桩+钢管+旋喷桩联合加固方案预计工程造价为390万元。预计工期可控制在30天内。①、搅拌桩中增设钢管管桩，增强了其抵抗侧压力的能力。②、在搅拌桩止水帷幕中设置旋喷桩可有效固结采用分层注浆不能固结的粉质粘土层及粉细砂层，并能提高其自稳能力。③、可弥补采用搅拌桩方案及分层注浆等的缺点。①、需占用地面道路；②、工程造价较高；4、地表冻结加固方案：通过地表钻孔在隧道开挖拱顶形成冻土，预计工程造价160万元；采用冻结法能在隧道开挖范围内形成有效的冻结层并隔断地下水来源，其安全可靠性较高；工期较长工方案只能采用垂直钻孔局部冻结方案，在广东贸易中心大楼下部分采用斜孔冻结方案。冻结区域则根据区间隧道通过不良地质段的长度确定，具体详见《冻结钻孔平面布置图》。2.2、冻结加固效果由于ZDK12+696～740段区间隧所穿越的地层为强～中风化岩层，仅拱顶以上地质条件为不良地质，故本工程冻结方案最终效果是在要开挖隧道的拱顶及两侧形成一个能隔断外界水力联系，具有要求强度的支护结构安全罩，在安全罩的保护下进行隧道开挖作业，详见《钻孔冻结效果图》。2.3、主要冻结技术参数根据广州地区气温的特点，设计参数取值为：A、盐水温度：积极期：-25—28度维护期；-20—22度B、冻结壁平均温度：-8℃C、冻结孔偏斜要求在0.15%以内，最大孔间距：中部1.6M；边部1.1M；D、冻结管选用Φ127×4.5mm低碳钢无缝钢管。2.4、冻结壁厚度对于一个深度较大、通过多种特性不同土层的冻结井，我国通常采用如下基本步骤和方法来确定冻结壁的计算厚度。⑴、根据地质柱状图，确定最深一层透水砂层的层位，并按深度用重液地压公式计算出地压Р值(p=0.013H,H为计算深度)，该透水砂层即为冻结壁设计的控制层。本工程的P值也可采用隧道顶垂直荷载计算公式求得，与采用重液地压公式的计算结果非常近似；⑵、根据深度不同，结合现有施工经验和工程类比，初选一个合适的冻结壁平均温度值，通常当深度小于200m时，平均温度选为-7～-8℃；当深度大于200m时，且深部有厚层粘土层时，通常选用较低的平均温度，常用-10℃的平均温度。根据选择的平均温度和试验资料或有关经验公式，分别求得砂土层及一些粘土层的计算强度值，这些粘土层通常称为核算层。⑶、冻结壁厚度的初步计算。根据选定的控制砂层深度、地压大小、该处的荒径大小和土层的强度指标，用无限长圆筒弹性理论公式求出冻结壁的初选厚度。δ=a{[бs/(бs-AP)]1/2-1}(无限长圆筒弹性理论公式)式中δ—冻结壁理论计算厚度，m;а—筒体掘进荒半径，m；Р—计算层位的地压；бs—冻土的允许应力，为保证冻结壁处于弹性状态，бs一般取用瞬时单轴抗压强度的1/2～1/4，砂土取小值、粘土取大值；А—系数，取决于选用强度理论，当用第三强度理论时A=2；当用第四强度理论时，A=√3；⑷、平均温度核算。用两种方法核算在上述初选厚度条件下，冻结壁平均温度能否达到按⑵中选用的平均温度值。其一是用经验公式(2.4.1)进行核算，同时需根据工程类比合理确定一个井邦温度。T’=TB[1.135-0.352L1/2-0.7851/E1/3+0.266(L/E)1/2]-0.466+ηtn(2.4.1)TB—盐水温度，℃；L—冻结孔间距，m；E—冻结壁厚度，m;η—经验系数，η=0.25～0.3;tn—计算水平的井帮温度，℃,根据要求或经验给出。T’—冻结壁有效厚度中的平均温度；其二用冻土扩入荒径厚度核算法，计算图见《按冻土扩入荒径厚度计算有效冻结壁平均温度示意图》，其公式如下：Τ=E/2E1[1-(1+(1/λ)(1-E1/E)2)·Tk式中Tk-主、界面交点处温度，可由下式求出：Tk=Tb[0.73+(d/s)-0.55(s/E)]T冻结壁平均温度；Tb循环盐水温度；E冻结壁扩展厚度E1冻结壁有效厚度△=E-E1为冻土扩展进入荒径内的厚度；λ=En/EY冻结壁内外侧厚度之比；d冻结管直径；s孔间距；检验合格，即确定初选厚度为最终设计厚度。如核验的平均温度高于(2)中设定的温度，则应重新计算直至合格为止。上述计算是针对砂层进行的。一般用上述方法得到的冻结壁厚度在砂层中允许有较大的掘进段高和较长的暴露时间。⑸、对粘土层的冻结壁核算。在确定了砂层中冻结壁厚度后，对于粘土层的冻结壁须作安全性核算。首先是允许掘进段高的核算。此时利用如下公式检算：δ=√3.η.ph/бs(t).K式中p—计算地压，Mpa;h—冻结壁暴露段的高度或长度；бs(t)—与冻结壁暴露段作业时间相一致的冻土长时强度，Mpa;η—固端条件系数，0≤η≤1，具体视冻土的内摩擦角大小，冻土扩入荒径厚度而定；K—安全系数，根据施工工艺，地层复杂程度而定，K=1.5～1.75；根据冻土的强度指标，反求出允许的掘进段高。该段高(或长)即是冻结工程对掘进工程提出的工艺要求。第二是井邦允许位移的验算，此时根据冻结壁允许变形条件，由如下公式求出其中允许的冻结壁井邦位移值ua，该值b/a={1+K’.(1-1/B)/(Ua/a)1/B.(AtC)1/B.(h/a)1+1/B}(B/B-1)式中K’—系数，决定于固定条件；A、B、C—蠕变试验参数；Ua—暴露段冻结壁内表面的允许位移值；t—暴露时间；大小是时间的函数，因此必须根据保持稳定的允许暴露时间tp，而ua和Tp即是冻结工程对掘进施工提出的第二项工艺要求。根据上述方法，对于深部粘土层进行蠕变试验并给出与之有关冻土长时强度计算式。对于绝大多数冻结井，深部粘土层的核算，主要是允许掘进段高的验算并确定一个合适的暴露时间。变形的控制是通过施工监测或观测实现的。⑹、由于冻结法在广州地铁二号线是首次使用，且广州地处我国南方，属亚热带气候，年平均气温较高，在广州其它工程项目中亦很少采用地层冻结法，故很难取得广州地区的冻土试验资料和其它一些施工经验参数，所以本工程的冻结施工设计由中煤特殊工程公司根据其在其它地区的类似施工经验设计，未作土壤冻结试验及详细的分析计算。本工程的冻结壁厚度参数为：拱顶厚度为3.0m,侧墙厚度为1.4m;冻结壁开挖长度为每循环进尺1.3m，开挖暴露时间不超过24小时。2.5、冻结孔的设置根据冻结方案确定原则目标及冻结参数设计要求，边墙冻结孔距荒帮0.8m，拱顶部冻结孔底锥距荒帮0.5m。冻结孔排距1.33M，冻结孔开孔间距：中部排距1.4M,周边1.0M；具体详见《冻结孔平面布置图》。如遇特殊情况（其他硬质物等）钻孔孔位可作适当调整，但最终开孔间距以控制在2.0M以内，以斜孔布孔，终孔间距严格控制在1.6M以内。2.6、冻结器结构设计冻结孔局部冻结供冷管采用Ф127×4.5mm无缝钢管。内布置Ф48×4mm无缝钢管两根，密封焊牢，差异深度拱顶冻结孔为3.5m,侧墙为8.5m，一根为冻结供液管，另一根为回液管，详见冻结器结构图。2.7、需冷量根据设计的局部冻结方案。中间孔冻结深度：自底锥向上3.5M边孔自底锥向上8.5MQ=1.2πd×n×h×qQ=1.2×π×0.127×0.75366[24×3×3.5×2×23×3.5+90×8.5+2×3.5]=427.4Mj/h2.8、冻结时间估算根据上海地铁冻结施工经验，结合参数文献，地质特征和其它市政建设经验，选取：中间群孔：V=35mm/d边墙单孔：V=30mm/d交圈时间：23天冻结达设计壁厚：29天。2.9、冻结工艺系统设计⑴、制冷设备使用螺杆压缩机组。该机组标准制冷能力2093.5MJ/h，耗电220KW设计蒸发温度-33～35度，冷凝回水温度30～33度工况制冷量大于450MJ/h⑵、冷冻站首次充氨1.5T⑶、盐水系统设计盐水温度-25～-28度①、盐水流量W=70m3/h②、选用IS离心泵2台，15KW，100m3/h③、盐水管路设计单列冻结孔串联，再并联供冷方式。盐水干管选用Φ159×5m/m无缝钢管供液。④、氯化钙用量：G=1.2×V×332.5/75%G=30（T）⑷、冷却水系统①、循环水量取自来水温度26度冷却水量100m3/h配备100m3/h冷却塔补充自来水量：W=30m3/h②、采用2台IS清水泵循环供水，15KW，100m3/h③、采用GBL—100型冷却塔1台用电4KW④、采用1只大水箱替代冷却水池。3、冻结法施工3.1、冻结法施工工艺冻结孔成孔冻结孔成孔安装冻结管积极冻结分片布设致冷供液管路隧道掘进及初期支护冻结壁厚度达设计要求安装冻结管积极冻结分片布设致冷供液管路隧道掘进及初期支护冻结壁厚度达设计要求维护冻结维护冻结3.2、冻结成孔本工程成孔深度较浅，采用于XQ—100型地质钻机成孔，斜孔采用斜孔地质钻机成孔，冻结孔的施工技术措施如下：①、每孔开钻前对钻机进行稳平找正，使起吊天轮与回转通孔及孔位点成三点一线。并对钻机不带负荷试运转三分钟，对油路及浆液循环系统，进行详细检查是否畅通。②、备足一定数量的开孔泥浆、泥浆粘度在18～20秒。施工中如发现漏浆，粘度应适当加大。③、开钻时为确保钻孔垂直度，探明地下是否有管线及障碍物，前5米应轻压慢转，然后调整地层所需要的钻压及转速。④、钻孔一径一次到底，钻孔深度不能小于设计深度，也不能大于+0.5米。钻孔到底后如不漏浆停钻冲孔3分钟，减少孔底沉渣、保证冻结管下放深度。⑤、下管前，管底锥要在地面先灌水试压，试压值不低于2Mpa，下管时应将冻结管成垂吊式焊接，避免在接头处弯曲。⑥、测斜：由于钻孔太浅，钻进中不设测点，下完管后即用灯光进行成孔测斜，划出偏斜平面图，以便指导下孔钻进。⑦、试压：测完斜后即时将冻结管内灌满清水试压验收，初试压力1.0Mpa，前五分钟降压值不大于0.05Mpa，再持续25分钟不降压为合格。⑧、主钻孔全部施工完后，立即整理资料，每发现终孔间距超标。必须打补孔来补救，补孔质量要求同正孔。⑨、测温孔施工：测温孔施工在孔间距较大的界面上，共3个。测温孔深度、质量同冻结孔，但不灌水、不试压。⑩、验收：孔全部施工完毕后，对所有孔进行重新试压测深，以防相邻孔打穿，如发现不合格项，应采取相应的补救措施。3.3、致冷管道的安设冻结孔成孔后就可及时安装冻结管，冻结管采用Φ127×4.5mm无缝钢管，地面致冷供液管道按单排冻结孔串联，然再采用并联方式。详见下图所示，主供液管采用Φ159×5mm无缝钢管，回液管亦采用同样方式反向设置。致冷供液管道的安装时须确保供液管道的密封性和隔热性。3.4、冻结壁厚度的监测冻结壁厚度是根据设计冻结壁的平均温度来判定的，进而可以指导隧道是否达到开挖条件，而冻结壁的平均温度可以相邻单圈冻结孔的单圈冻结壁的温度场交圈处的温度来反应。①、测温孔的平面布置测温孔的平面布置详见《测温孔平面布置图》图，本工程共计设置4个测温孔。在冻结管内分不同的高度，按地层岩石的分界面分别设置测温点，测温点在测温孔内的布置详见《测温孔剖面示意图》。②、测温孔的设置测温孔也采用地质钻机成孔，并在孔内安装Φ127×4.5mm无缝钢管，并在钢管内的不同高度设置温度监测点，测温采用SY—2型测温仪和PN结半导体温度传感器来量测。③、温度监测冻结施工期间对整个冻结壁的温度发展进行了监测，用以修正冻结致冷的各种施工参数，并按不同深度绘制温度—时间曲线，下图是1号测温孔的18米深度处的温度—时间曲线，冻结壁在温度达0℃以前及达0℃以后，温度下降的速率是相当快的，但在0℃附近会维持相当长的一段时间，这与地层中的水从0℃变成0℃的冰会产生大量的热有关系。而在维护冻结期间，冻结壁的温度仍然呈下降趋势，并不会因隧道开挖散热而失去控制。3.5、开挖条件冻结壁是否形成、能否开挖要根据测温孔的温度资料，去回路盐水温度状况等来综合判定，本工程冻结壁的平均温度达到-8℃,同时去回路盐水温差变化较为稳定时，即可以开挖。同时在开挖过程中，还须加强测温孔的温度监测和去回路盐水的温度监测，并以此来安排隧道掘进的循环进尺和掘进速度以及维护冻结期的时间。3.6、冻结后隧道施工冻结达到开挖条件后，即可开始隧道内掘进施工，隧道开挖仍然采用短台阶法施工，台阶长度控制在5～7m，开挖循环进尺1.0m，初期支护在开挖出碴完成后立即进行，开挖暴露时间控制在12小时以内。岩石部分仍采用微差控制爆破开挖，与正常区间隧道开挖相比，只是调整了装药量和炮孔深度。4、冻结法施工段喷砼施工在冻结段施工期间，广州地区的日平均气温为30℃以上，喷砼采用湿喷混凝土施工，混凝土是在地面拌合，拌合后的砼成品温度平均为40℃，而冻结法施工段的掌子面平均温度为0～4℃，气温较低，需要解决砼在较高温度下拌合，较低温度下使用的问题。同时还须避免由于冻结低温而产生的温度应力引起砼开裂的问题。针对以上问题，对砼的配合比选择进行了对比试验，最后确定采取如下措施：①、增加水泥用量，以提高砼的强度保证率。②、掺入防冻剂，以提高砼的抗冻性能和提高早期强度。③、选用能适合较低温度环境的速凝剂。冻结段的砼施工配合比如下表所示：水泥比配合比含砂率(%)坍落度(cm)8604速凝剂(%)FDN-KD防冻剂(%)0.452184.02.55、冻结施工的量测冻结施工期间，除进行了温度监测外，还进行了如下项目的施工监测。5.1、地表沉降监测在冻结施工区域内共计设置了10个沉降观测点，各点均显示了在冻结期间的上涨，隧道开挖时涨沉交替，停止冻结后开始下沉降，总的沉降量在-10.57～37.40mm之间，冻结期间上涨为冻结法的冻胀引起，开挖时交替涨沉为隧道开挖引起的变形沉降和维护冻结期间的冻胀引起，但总的涨沉量不大，对隧道结构和地面建筑物的影响均不大。5.2、建筑物沉降观测在冻结法施工期间，在广东贸易中心大楼共计设置了14个沉降观测点，其中J1-1～J1-7是长期观测点，在冻结施工前已开始观测，最大累计沉降值为J1-1计16.30mm，充分说明冻结法对广东贸易中心大楼起到了保护作用。建筑物的沉降观测未发现有冻胀的情况。5.3、拱顶沉降拱顶下沉观测点共计设置16个，但由于施工中其他原因影响，仅有2个点测设了完整的观测数据，最大沉降量为1.66mm，由于循环进尺控制在1.0m内，初期支护及时紧跟，沉降量很小。5.4、净空收敛净空收敛量测在冻结施工段共计设置了8个断面，最大累计收敛值为11.89mm。5.5、隧道内掌子面温度监测隧道施工期间，对掌子面的温度进行了监测，测得掌子面的最低温度为0℃，为放炮后刚暴露的掌子面。开挖出碴和初期支护作业时，掌子面的温度一般在4℃左右。6、冻胀及融沉的控制措施土层冻胀主要是土层中水结冰膨胀引起，影响冻胀因素除含水量多少外，还与冻土压力大小、冻结速度快慢、冻结温度高低，冻土中水量补给状