大型盾构出洞冻结加固融沉控制技术研究

硕士学位论文表5-3，按吨（t）计。各注浆孔注浆量汇总Summarysheetofgountconsumptionineachgrouthole位置A12A14A15A18A20A22A4A9B14B16B19水泥用量(t)1.52.58.42.60.357.54.51.27.523.5位置B2B20B21B4B6B7B8C11C12C15C16水泥用量(t)4.5513.84.20.313.66.32.42.40.253.75位置C17C2C20C21C5C6C9D12D15D17D19水泥用量(t)21284.355.532.732.231位置D5E1E14E15E16E17E3E4E6E7E9水泥用量(t)2.711.211.54.64.52.83.53.58.88.3位置F10F12F14F15F16F2F3F4F6F7F9水泥用量(t)3.62.10.611.28.54.53.13.260.5硕士学位论文5冻结加固融沉控制技术研究PAGEiiPAGE922位置G10G12G13G14G15G16G17G3G5G6G7水泥用量(t)3.58.30.61.85.50.75.541.61.61.1位置G8G9H10H12H13H14H15H16H2H3H4水泥用量(t)3.210.25.17.94.42.64.222.267.5位置H5H6H9I1I10I13I14I15I16I2I3水泥用量(t)6.91.21114.234.621.854.54.5位置I5I8J13J16J17J2J3J5K13K15K16水泥用量(t)1.51.232.43.87.450.750.71.512.4位置K17K4K6K7K9F1J1水泥用量(t)2.52.51.74.61.221融沉注浆结束标准可用两个指标衡量：（1）地表变形是否满足设计要求；（2）注浆量是否达到设计要求。现场至1月22日，行车基础累计最大沉降-30.43mm，日平均变化量-0.05mm/d，变形已趋于稳定。地表沉降5日内的平均变化量为-1.43mm/d，因后排沉降较大，2月8日至9日又对K排的部分孔进行了注浆，地表变形得到控制。融沉注浆量合计433.55t，日平均注浆量为12t/d，施工现场融沉注浆量约为原冻土体积的20%左右，满足一般融沉注浆的要求，至此强制解冻融沉注浆施工结束。融沉注浆中浆体在填充冻土融化的体积减小量之后压密和劈裂融土，在注浆邻近区存在大的塑性变形带，通过形成的浆脉挤压融土，因此加速了土层的固结。注浆在及时控制地表变形的同时，也对填充盾尾间隙进行了填充，保证了超大型盾构的稳定。本章小结(ChapterConclusion)本章结合现场超大型盾构施工的成功实践，对竖向和水平冻结情况下的强制解冻融沉注浆技术进行了研究，内容包括以下几个方面：（1）与自然解冻注浆加固相比，强制解冻融沉注浆能在短时间内化冻冻土，并通过融沉注浆及时加固融土，确保隧道管片的稳定，并保证地表行车基础的安全。解冻注浆工作主要包括拔管注浆管下放、解冻前管片上方土体加固、分区强制解冻、跟踪融沉注浆、拔出冻结管注浆管并封孔等五个步骤。（2）冻结管拔出通过计算起拔力选择拔管机械，拔管前先用热盐水在冻结管内循环3～4小时，拔出后在孔洞内下放注浆管。竖向冻结条件下，由于其竖向冻胀较水平方向小，停止冻结后表层化冻融沉产生迅速，因此考虑在解冻前对土体预先进行注浆加固。（3）强制解冻温度基本控制在70℃左右，利用经验公式估计所需硕士学位论文5冻结加固融沉控制技术研究PAGEiiPAGE922解冻功率选择电加热器的负荷，并通过增大盐水的流量，可优化解冻效率。水平冻结时小分区并未破坏整个冻土结构，因此分区数目适当可以较多，并且小分区也可以防止浆液逃窜，减小注浆量。竖向冻结时，可以根据现场解冻与注浆能力，尽可能减小解冻分区，除在预留注浆孔内注浆外，在解冻孔周围插入注浆管跟踪注浆是及时提供上抬力，防止融沉的有效方法。（4）融沉注浆是浆液充填融化空隙，压密土体以及融土发生水力劈裂，形成网状浆脉骨架，加固融土的过程。与一般岩土介质的可注性理论类似，融土的可注性主要取决于土冻结时的体积含冰量，融土的塑性变形，土体的可劈裂性和浆液的流动性。（5）融沉注浆过程分为浆体填充冻土融化空隙，浆体压密融土和浆液劈裂流动三个阶段。第I阶段中，浆体填充冻土冰晶体融化所产生的孔洞，可根据体积含冰量估算注浆量。第II阶段，浆泡径向压密融土，可近似按照弹性理论计算融土的径向位移。第III阶段中，水平向应力转化为被动土压力状态，浆液沿软弱面发生水平方向的劈裂流动，竖向应力逐渐增大，出现地表隆起现象，该阶段是缩小土体内大小主应力差别，提高融土稳定性的关键。（6）注浆量包括对冻土融化的填充和融土的压缩，由体积含冰量可以得到融化空隙的大小，融土的压缩可由注浆压力与融土的压缩系数求得。工程中比较合理的办法是通过观测注浆应力的变化来确定注浆量。融沉注浆一般为地表浅部注浆，注浆压力基本在0.3～0.5MPa，也可由注浆深度和融土的抗拉强度求得，施工现场多由观察地表上抬情况得到。（7）融沉注浆可采用钻杆注浆或者花管注浆，如条件允许尽量采用花管注浆以减小注浆压力与浆液涌到地表的可能性，提高浆液在地层中的均匀度。竖向冻结时，除在预留注浆管内注浆，采取解冻孔周围跟踪注浆是必要的。注浆管口需进行封堵，压力较大时需在头部安装阀门。注浆期间对每个孔的注浆情况作详细记录，保证注浆加固区域在平面和深度范围内形成一个整体。（8）上中路超大型盾构隧道冻结加固融沉注浆的成功实践给竖向冻结条件下的强制解冻和注浆加固工作提出了新施工工艺，现场解冻和注浆能力允许的前提下，大分区和解冻孔周围跟踪注浆大为加快了强制解冻融沉注浆的效率，为竖向冻结条件下的融沉注浆施工开辟了新路。硕士学位论文6主要结论和展望PAGEiiPAGE922主要结论和展望Chapter6MainConclusionsandForecasts主要结论(MainConclusions)人工地层冻结技术是在含水丰富软弱土层中建设地下工程的可靠工法，在盾构进出洞工程中得到了广泛应。但随着盾构隧道的大深度、大口径化，大范围的冻结加固区域产生融沉危及隧道和地表建筑物的安全，而目前采用的自然解冻注浆加固方法融沉控制效果欠佳，因此超大型盾构出洞冻结加固后的融沉控制成为急待解决的问题。上中路超大型盾构隧道冻结加固融沉注浆的成功实践给竖向冻结条件下的强制解冻和注浆加固工作提出了新施工工艺，现场解冻和注浆能力允许的前提下，大分区和解冻孔周围跟踪注浆大为加快了强制解冻融沉注浆的效率，为竖向冻结条件下的融沉注浆施工开辟了新路。本论文通过数值模拟、物理模拟和现场实测等手段，对盾构出洞竖向冻结状态下的解冻温度场发展规律，融沉控制技术进行了比较深入的研究，主要结论如下：（1）分析了土体在冻融状态下的热物理指标，指出冻融温度场的主要影响因素是未冻水含量（也可认为是体积含冰量）以及土体的冻结和融化温度。天然条件下，土的冻结温度和融化温度应取现场扰动土进行实测。（2）冻土墙达到设计厚度后，采用间隔一个冻结孔解冻土体，解冻开始后解冻孔周围迅速形成圆形解冻区域。解冻连通后，解冻锋面推进的速度减缓，但化冻范围的增长速度并未降低，直到20d后才逐渐减小。冻结和解冻天数随着第一排冻结管与地连墙的距离增大而减小，但为保证冻土的封水效果，一般不大于0.5m。同一排内冻结孔间距在1m左右，设计时适当加大后三排冻结孔的排间距可以减少冻结壁达到设计厚度的时间，一般增量=0.1m。在其它条件不变的情况下，提高解冻温度，解冻天数减小，但当温度达到70℃后，降幅减缓。（3）解冻10天后，对解冻范围的影响最为显著。对冻结和解冻天数，以及解冻范围进行多元非线性回归，得到：当因素、、和一定，解冻范围与解冻时间呈现出良好的线性关系。这给日融沉注浆量的确定提供了依据，但也应指出两者的线性关系只在解冻中前期和解冻条件保持不变时成立。硕士学位论文6主要结论和展望PAGEiiPAGE922（4）对上中路盾构出洞冻结加固的冻融温度场反演，因忽略了融沉注浆的影响，计算温度与实测值略有偏差，但测点处完全化冻时间与实测值基本相同，因此利用数值计算可以大致预测解冻范围，为融沉注浆作指导。通过计算对解冻薄弱区域可考虑加大盐水流量和注浆量等措施，以加速解冻。（5）对冻结管直径Ф95mm，四周为绝热边界，冻结管排距从左至右分别为1m，1.1m和1.1m时，采用70℃热盐水解冻情况进行了物理模拟。分析得到内排孔解冻速度43mm/h，外排孔轴面上的解冻速度为36mm/d，当解冻锋面推进至0.6m后，解冻速度衰减降至31.8mm/d。建议多排孔冻结时，外排孔应全部用于强制解冻，多排孔隔孔解冻时冻结管也不宜连续拔出，以保证足够的化冻速度。（6）由数值模拟得到的温度变化曲线可得，内排孔解冻连通时间为11.6d，外排孔解冻连通时间为13.9d，外排孔解冻锋面到达0.6m需17.4d，推进至1.2m的时间为36d。对部分时间点的解冻范围进行整理，得到解冻中前期解冻范围随时间呈线性变化。试验数据拟合的直线方程为，，式中E表示解冻范围，cm2；表示解冻时间，h。解冻范围与解冻时间线性相关程度很好。（7）现场实测中，分析温度变化曲线，得到强制解冻过程包括负温期、解冻连通期和正温期；冻胀压力在冻结壁交圈后仍有增大的空间，在冻土体积达到最到后趋于稳定，土体解冻后土压力接近水土压力；根据地表变形监测，总结得到竖向冻结条件下采用解冻孔内跟踪注浆的方法融沉能得到较好的控制。（8）盾构出洞冻结加固解冻注浆工作主要包括拔管注浆管下放、解冻前管片上方土体加固、分区强制解冻、跟踪融沉注浆、拔出冻结管注浆管并封孔等五个步骤。强制解冻温度基本控制在70℃左右，利用经验公式估计所需解冻功率选择电加热器的负荷，并通过增大盐水的流量，可优化解冻效率。水平冻结时小分区并未破坏整个冻土结构，因此分区数目适当可以较多，并且小分区也可以防止浆液逃窜，减小注浆量。竖向冻结时，可根据现场解冻与注浆能力，尽可能减小解冻分区，除在预留注浆孔内注浆外，在解冻孔周围插入注浆管跟踪注浆是及时提供上抬力，防止融沉的有效方法。（9）融沉注浆是浆液充填融化空隙，压密土体以及融土发生水力劈裂，形成网状浆脉骨架，加固融土的过程。与一般岩土介质的可注性理论类似，融土的可注性主要取决于土冻结时的体积含冰量，融土的塑性变形，土体的可劈裂性和浆液的流动性。融沉注浆过程分为浆体填充冻土融化空隙，浆体压密融土和浆液劈裂流动三个阶段。第I阶段中，浆体填充冻土冰晶体融化所产生的孔洞，可根据体积含冰量估算注浆量。第II阶段，浆泡径向压密融土，可近似按照弹性理论计算融土的径向位移。第III阶段中，水平向应力转化为被动土压力状态，浆液沿软弱面发生水平方向的劈裂流动，竖向应力逐渐增大，出现地表隆起现象，该阶段是缩小土体内大小主应力差别，提高融土稳定性的关键。（10硕士学位论文6主要结论和展望PAGEiiPAGE922）注浆量包括对冻土融化的填充和融土的压缩，由体积含冰量可以得到融化空隙的大小，融土的压缩可由注浆压力与融土的压缩系数求得。工程中比较合理的办法是通过观测注浆应力的变化来确定注浆量。注浆压力可由注浆深度和融土的抗拉强度求得，施工现场多由观察地表上抬情况得到。融沉注浆可采用钻杆注浆或者花管注浆，如条件允许尽量采用花管注浆以减小注浆压力与浆液涌到地表的可能性，提高浆液在地层中的均匀度。注浆管口需进行封堵，压力较大时需在头部安装阀门。注浆期间对每个孔的注浆情况作详细记录，保证注浆加固区域在平面和深度范围内形成一个整体。研究展望(ResearchForecasts)由于时间的有限和知识水平的不足，本文的研究内容对较多的因素作了简化，存在很多不足的地方，还需要做进一步的研究工作：（1）本论文数值模拟仅对冻融温度场进行了分析，而没有涉及到融降量的预测问题，还有待在今后做进一步的研究。（2）物理模拟中缺乏对融沉注浆模拟，并且没有现场数据与之比较，还需要进一步研究。硕士学位论文参考文献PAGEiiPAGE922参考文献References秦爱芳，李永和．人工土层冻结法加固在盾构出洞施工中的应用[J]．岩土力学，2004，25(11)．张风祥，朱合华，傅德明．盾构隧道[M]．北京：人民交通出版社，2004．Tanska,M,lji,M,Nakaii,I,Kashiwaqi,T.Groundfreezingapplicationintunnelconstructions.Proc7IntSympGroundFreezing,1994,p405-406.翁家杰等．盾构出洞冻结加固土体变形研究[J]．地下工程与隧道，1999，4．翁家杰．群孔冻结冻土加固体的应力和变形[J]．地下工程与隧道，1998，1．周希圣等．冻结辅助工法在泥水平衡盾构进洞施工中的应用[J]．施工技术，1999，28(1)．杨太华．越江隧道工程大型泥水盾构进出洞施工关键技术[J]．现代隧道技术，2005，42(2)：45~48．周松等．翔殷路隧道Φ11.58m泥水平衡盾构出洞技术探讨[J]．2004年度上海市土力学与岩土工程学术年会论文集，2004．ErikSimonsen,UlfIsacsson.Thawweakeningofpavementstructuresincoldregions.ColdRegionsScienceandTechnology.29(1999):135-151.Suzuki,Shuichi(NipponTelegraphandTelephoneCorp);Mizuno,Ryoichi;Kimura,Katsuhiko.Constructionofextensionshieldtunnelusinggroundfreezingmethod.Proc7IntSympGroundFreezing,1994,p289-293.Funasaki,T,Izumi,Y,Miki,K,Nakamura,T.UndergroundshielddockingfortheTrans-TokyoBayHighway.ProceedingsoftheInternationalOffshoreandPolarEngineeringConference,v1,1998,p635-642.周真云．冻结法施工快速解冻研究及施工实践[J]．西部探矿工程，2003，10．翁家杰．井巷特殊施工[M]．徐州：中国矿业大学出版社，1991．陈明雄．城市地下工程冻结加固地表变形的研究[J]．中国矿业大学硕士学位论文．1997，6．萧岩，程工．城市地下工程冻结法施工技术及其应用[J]．市政技术．2002,3．Takashi,Tsutomu,Kiriyama,Shiroh,Kato,Tetsuji.Jointingoftwotunnelshieldusingartificicalundergroundfreezing.EngineeringGeology,v13,n1-4,Apr,1978,p519-529Sara,F.,Tanaka,M.,Takimoto,K.Applicationoffreezingmethodtolaunchalargediametershieldtunnel.Proc7IntSympGroundFreezing,1994,p281-288.程国栋．冻土力学与工程的国际研究新进展─2000年国际地层冻结和土冻结作用会议综述[J]．地球科学进展，2000，16(3)：293~299．硕士学位论文参考文献PAGEiiPAGE922翁家杰．液氮冻结土层的理论与实践[J]．煤炭科学技术，1994，22(9)：11~14．汤志武等．地下工程结构物冻胀施工[J]．中国地层冻结工程40年论文集，煤炭工业出版社，1995．周红，王贵虎．人工冻土冻胀融沉问题研究现状与展望[J]．淮南职业技术学院学报，2002，2（4）：37~40．Smith,SharonL.,Williams,PeterJ.Icelensformationatasilt-sandinterface.CanadianGeotechnicalJournal,32(1995):488~495.P.Viklander.Laboratorystudyofstoneheaveintillexposedtofreezingandthawing.ColdRegionsScienceandTechnology.27(1998):141~152.TaskinOztas,FerhanFayetorbay.Effectoffreezingandthawingprocessesonsoilaggregatestability.Catena.52(2003):1~8.Konrad,J.-M.(UnivofWaterloo).Physicalprocessesduringfreeze-thawcyclesinclayeysilts.ColdRegionsScienceandTechnology,v16,n3,Jul,1989,p291-303.柯洁铭，杨平，冻土冻胀融沉的研究进展[J]，南京林业大学学报(自然科学版)，2004，28（4）：105~108．翁家杰．群孔冻结冻土加固体的应力与变形[J]．地下工程与隧道，1998.1：2~9．乔京生，陶龙光，弭尚银．地铁隧道水平冻结施工地表变形特性的模拟研究[J]．岩石力学与工程学报，2004，23(15)：2643~264．付厚利．饱和土中单桩融沉附加力的试验研究[J]．岩土力学，2004，25(9)．Foriero,A,Ladanyi,B.FEMassessmentoflarge-strainconsolidation.JournalofGeotechnicalEngineering,v121,n2,Feb,1995,p126-138.Konrad,J.-M.Predictionoffreezing-inducedmovementsforanundergroundconstructionprojectinJapan.CanadianGeotechnicalJournal,v39,n6,December,2002,p1231-1242.Shoop,Sally;Affleck,Rosa.Capplasticitymodelforthawingsoil.GeotechnicalSpecialPublication,n130-142,Geo-Frontiers2005,2005,p2605-2615.尚松浩等．冻结条件下土壤水热耦合迁移数值模拟的改进[J]．清华大学学报，1997，37（8）．王建平．人工冻土冻胀融沉规律的研究[D]：[博士论文]．徐州：中国矿业大学建工学院，1999.5．周希圣．冻结前期水、温度、应力、位移场的耦合分析[D]：[博士论文]．徐州：中国矿业大学，1999.5．程知言．浅表隧道工程多冷源冻结温度、应力、水分场耦合研究[D]：[博士论文]．长沙：中南大学，2003.5．王贵虎，周红，宋学成．人工冻融土地基极限承载力弹塑性数值分析[J]．建井技术，2004.8，硕士学位论文参考文献PAGEiiPAGE92225(4)．汪仁和，李栋伟．人工多圈管冻结水热耦合数值模拟研究[J]．岩石力学与工程学报，2007.2，26(2)．李大勇，吕爱钟，张庆贺等．南京地铁旁通道冻结实测分析研究[J]．岩石力学与工程学报，2004，23(2)：334～338．裴烈烽等．“零距离”穿越运营地铁车站的综