凍結(jié)法在盾構(gòu)隧道的應(yīng)用

1、凍結(jié)法在盾構(gòu)隧道中的應(yīng)用翁家杰王朝暉摘要本文首先簡(jiǎn)要敘述了凍結(jié)法的發(fā)展歷史過程，舉例分析了凍結(jié)技術(shù)在國(guó)際盾構(gòu)隧道工程中的應(yīng)用情況，并對(duì)其基本理論及應(yīng)用的若干技術(shù)問題進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述。一、凍結(jié)法的發(fā)展凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，使地層中的水結(jié)成冰，把天然巖土變成凍土，增加其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系。在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行地下工程掘砌施工，是一種有效的特殊施工技術(shù)。19世紀(jì)60年代，凍結(jié)法首先應(yīng)用于英國(guó)南威土的建筑基礎(chǔ)工程。1883年，德國(guó)工程師波茨舒(FHPoetsch)在阿爾巴里得煤礦采用凍結(jié)法施工深103m的井筒，并獲得專利；引起工程界的關(guān)注。隨著地下空間的逐步開發(fā)利用，新

2、工程的不斷出現(xiàn)，促進(jìn)了凍結(jié)技術(shù)的迅速發(fā)展。近幾年來(lái)，凍結(jié)法已發(fā)展成為一門較為成熟的特殊施工技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于水利工程、地基基礎(chǔ)工程；隧道工程和礦井建設(shè)等工程中。目前世界各國(guó)應(yīng)用凍結(jié)法鑿井的最大深度見表l。凍結(jié)法鑿井的最大深度表1國(guó)名荷蘭英國(guó)加拿大波蘭比利時(shí)德國(guó)俄國(guó)法國(guó)中國(guó)最大凍深,m338930915725638628620550435凍結(jié)法在我國(guó)起步較晚，但發(fā)展速度卻很快。自1955年開灤礦區(qū)應(yīng)用凍結(jié)法鑿井以來(lái)，現(xiàn)已在12個(gè)省區(qū)推廣，共施工360多個(gè)立井井筒、斜井井筒和風(fēng)道口等，凍結(jié)總長(zhǎng)度約6萬(wàn)米。凍結(jié)法已成為我國(guó)通過不穩(wěn)定沖積層和裂隙含水層的主要施工方法，特別是自1675年以來(lái)，凍結(jié)工程量

3、有較大的增長(zhǎng)，年平均凍結(jié)長(zhǎng)度達(dá)2300m。本世紀(jì)60年代，液氮凍結(jié)法的出現(xiàn)為凍結(jié)法的發(fā)展歷史揭開了新的一頁(yè)。由于煉鋼工業(yè)和空分技術(shù)的發(fā)展，大量的制氧副產(chǎn)品氮?dú)饨?jīng)過液化得到的液氮已被應(yīng)用到實(shí)用的工業(yè)領(lǐng)域和國(guó)民經(jīng)濟(jì)部門。液氮在常壓下沸點(diǎn)為一1958，氣化潛熱為197.6kJ/kg，氯的顯熱為105J(kgk)。液氮對(duì)震動(dòng)、熱和電火花是穩(wěn)定的，且沒有腐蝕性。其良好的理化性質(zhì)使之成為一種比較理想的制冷工質(zhì)。和傳統(tǒng)凍結(jié)法的氨循環(huán)、鹽水循環(huán)、冷卻水循、環(huán)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)相比，液氮凍結(jié)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，具有低溫、快速和高強(qiáng)的特點(diǎn)。1992年中煤特鑿公司、上海隧道公司和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)合作完成上海地鐵l號(hào)線151井以北軟土

4、盾構(gòu)隧道的貫通工程，實(shí)現(xiàn)了液氮凍結(jié)在我國(guó)的首次工程應(yīng)用。二、盾構(gòu)隧道凍結(jié)輔助工法 1825年，英國(guó)在太晤士河下首次采用盾構(gòu)法修建第一條水下隧道。至今盾構(gòu)施工技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軟土隧道的施工中，并取得了明顯的技術(shù)進(jìn)步。本世紀(jì)60年代盾構(gòu)的機(jī)型得到迅速的完善和發(fā)展。70年代我國(guó)泥水平衡盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)的應(yīng)用，使隧道開挖面的穩(wěn)定性得以保證。80年代的大型網(wǎng)格擠壓式盾構(gòu)已被成功地用于上海延安東路越江隧道工程中，推進(jìn)總長(zhǎng)1476m。盾構(gòu)法作為軟土地層大直徑、長(zhǎng)距離隧道的主要施工技術(shù)之一，已被世界各國(guó)所廣泛采用。據(jù)80年代的統(tǒng)計(jì)資料，盾構(gòu)隧道中的12作為地鐵或水下交通隧道，13作為電力、通訊電纜隧道，作為

5、供水管道的占25，50的盾構(gòu)隧道用于排水通道。由于盾構(gòu)隧道直徑的增大、埋深的加大和盾構(gòu)機(jī)型的復(fù)雜化，凍結(jié)法的應(yīng)用越來(lái)越多，在諸多的輔助工法中，其應(yīng)用比重日漸增大。這是因?yàn)榕c井點(diǎn)、電滲、注漿等方法相比，凍結(jié)法具有以下特點(diǎn)： 1凍結(jié)法適用于復(fù)雜的地質(zhì)條件，凍土強(qiáng)度高，阻水效果好。 2.適用于多種情況下工程的施工。施工方式靈活，大至整塊街區(qū)，小至局部搶險(xiǎn)均可采用。 3凍結(jié)法對(duì)地層、地下水以及周圍環(huán)境的影響較小，不產(chǎn)生污染，不產(chǎn)生超負(fù)荷的噪聲。 4凍結(jié)加固土體的效果可根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求，在施工過程加以人工控制，從而達(dá)到令人滿意的效果。凍結(jié)法是土層的一種物理加固方法。它是一種臨時(shí)加固技術(shù)。當(dāng)工程需要時(shí)凍土

6、可具有巖石般的強(qiáng)度，如不需要強(qiáng)度時(shí)、(當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，刀盤切削范圍內(nèi)的土層)，又可以采取強(qiáng)制解凍技術(shù)使其融化。因此，凍結(jié)輔助工法是一種既可靠又靈活的施工方法，尤其適用于我國(guó)東南沿海軟土盾構(gòu)隧道施工中使用。分析在世界上一些國(guó)家應(yīng)用的實(shí)例，將盾構(gòu)隧道的凍結(jié)輔助工法的應(yīng)用可歸納為以下幾個(gè)方面： 1盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)土體的加固盾構(gòu)進(jìn)、出洞時(shí)，承受著工作井附近土體產(chǎn)生的巨大土壓和水壓的變化，可能導(dǎo)致涌水和土體坍塌。目前，我們常用旋噴技術(shù)或注漿法加固土體，效果不十分理想，常常遇到注漿不均勻和盾構(gòu)刀盤切割漿液結(jié)石體等困難，而凍結(jié)輔助工法卻能有效地解決這些問題。日本東京環(huán)7線2號(hào)調(diào)節(jié)水倉(cāng)盾構(gòu)隧道的出洞作業(yè)采用凍結(jié)輔助

7、工法。該水倉(cāng)分兩期建成總?cè)萘?40，000m3，以防止Kanda河水泛濫。直徑1394m的大型盾構(gòu)從深60m的工作井出洞，其周圍是砂土層。盾構(gòu)出洞前對(duì)土體進(jìn)行凍結(jié)加固處理(圖1)。凍結(jié)管采用水平和垂直兩種布置方式，凍結(jié)65d后，凍土溫度達(dá)到一20以下，凍結(jié)壁厚達(dá)到43m，(圖2)（略），安全系數(shù)為2，滿足安全施工的要求。同時(shí)輔以注漿法加固，其厚度為52m，總加固土體厚度為95m，保證了盾構(gòu)完全出洞之后，其盾尾也處于穩(wěn)定土體的保是護(hù)之下。圖1 東京環(huán)7線盾構(gòu)隧道出洞凍結(jié)示意圖另外，東京森崎污水處理場(chǎng)的盾構(gòu)出洞、日本千葉縣市川市江戶川的排水隧道、名古屋知多武平町輸電線隧道以及日本某熱電站冷卻水排放

8、隧道的盾構(gòu)進(jìn)洞，均采用了凍結(jié)輔助工法獲得成功。 2盾構(gòu)隧道地下或海底對(duì)接時(shí)人體穩(wěn)定近年來(lái)，世界上許多國(guó)家的盾構(gòu)隧道采用對(duì)頭掘進(jìn)，從而縮短工期。除采用立井對(duì)接方式之外，還常常不開鑿立井而在地下或海底直接對(duì)接。這對(duì)于在水下施工或建筑稠密、交通擁擠、地價(jià)高的市區(qū)施工有著非常重要的意義。采用凍結(jié)法加固對(duì)接區(qū)域，實(shí)為安全可靠的補(bǔ)強(qiáng)堵水方法。日本大阪東南部的排水隧道直徑65m，位于地表以下2344m處。該盾構(gòu)隧道總長(zhǎng)85km，劃分5個(gè)區(qū)施工，其中兩區(qū)施工的對(duì)接采用凍結(jié)法地下對(duì)接。凍結(jié)管以長(zhǎng)、短兩種管在對(duì)接區(qū)域周圍按圓錐面布置，長(zhǎng)管82和77m，短管36m和33m，凍結(jié)土體1100m3，確保盾構(gòu)隧道如期順利

9、貫通(圖3)（略）。由于采用地下對(duì)接，免去工作井的開鑿，使工程造價(jià)降低13。東京污水處理大田干線的地下對(duì)接和莫里嘎薩基(Morigasaki)與那姆比(Nambui)排污隧道的海底對(duì)接均采用了凍結(jié)輔助工法。經(jīng)實(shí)踐證明，凍結(jié)法是用于對(duì)接的一種安全可靠技術(shù)，可有效地降低工程成本。 3城市地鐵泵房、旁通道和急轉(zhuǎn)彎部分的施工現(xiàn)代城市地鐵安全設(shè)計(jì)要求，大約間距1km左右時(shí)，需在并排隧道間設(shè)立泵站。另外，地下工程常常遇到旁通道和急轉(zhuǎn)彎部分盾構(gòu)施工困難的情況。它們具有施工距離短、形狀不規(guī)整等特點(diǎn)，采用盾構(gòu)施工困難，在經(jīng)濟(jì)上亦不合理，因此，日本、美國(guó)、英國(guó)等國(guó)，常采用凍結(jié)法對(duì)周圍土層加固，然后以礦山法掘進(jìn)。日

10、本京都地鐵泵房位于鴨川河附近，處于礫石層中，該地層含水量豐富。專家經(jīng)過多種方案的分析比較，決定采用凍結(jié)法。在豎排水井周圍布置重直凍結(jié)管，泵房底部布置料凍結(jié)管，形成“V”形圓錐面封底，同時(shí)，在泵房的周圍土層埋設(shè)附加凍結(jié)管，以加強(qiáng)兩幫和提高阻水效果（圖4），布置的凍結(jié)管總長(zhǎng)2516m。工程采用2臺(tái)150kW的螺桿冷凍機(jī)，鹽水工作溫度保持在-25-30之間，凍結(jié)工期13月，凍土體積總計(jì)1650m3。施工過程中土體向上發(fā)生最大凍脹量為25mm ,側(cè)向凍脹量17mm，完全滿足工程設(shè)計(jì)安全的標(biāo)準(zhǔn)。圖4 京都地鐵泵房?jī)鼋Y(jié)示意圖4.盾構(gòu)隧道涌水、坍塌事故的凍結(jié)修復(fù)盾構(gòu)隧道施工發(fā)生涌水、土體坍塌等突發(fā)性事故時(shí)，

11、利用液氮凍結(jié)快速、低溫和高強(qiáng)的特點(diǎn)，可迅速在短期內(nèi)有效地處理事故。該技術(shù)日趨成熟，已被世界上許多國(guó)家采用。意大利波太茲（Potenza）的一項(xiàng)輸水隧道工程，成功地運(yùn)用液氮凍結(jié)技術(shù)處理了一起嚴(yán)重涌砂事故。該隧道采用直徑6m的全自動(dòng)盾構(gòu)施工。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)2630m時(shí)，發(fā)生嚴(yán)重的涌砂事故，共計(jì)涌入泥砂6000m3，完全掩埋了盾構(gòu)。該地區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，土層中賦存大量的孔洞，并且水壓較大，采用注漿法處理未能奏效（圖5）圖5 Agri Sauro隧道事故破壞示意圖專家經(jīng)過分析研究，決定采用液氮凍結(jié)技術(shù)修復(fù)隧道。首先在距盾構(gòu)50m處砌筑混凝土墻，封閉隧道，防止涌砂進(jìn)一步擴(kuò)展。在安裝凍結(jié)管工作之前，對(duì)滲漏段

12、土體進(jìn)行注漿處理。增大體的密度，提高凍結(jié)速度，盡快形成致密穩(wěn)定的凍結(jié)壁，確保在70m水頭作用下的水流不進(jìn)入隧道。凍結(jié)管沿隧道的軸向略傾斜布置36根24m長(zhǎng)的凍結(jié)管，形成厚1.2m的錐形護(hù)壁（圖6）。在事故處理過程中，平均每立方土體消耗液氮1200l。凍結(jié)工作中還采用了套管鉆進(jìn)、加強(qiáng)支護(hù)和溫度監(jiān)控等措施，使凍結(jié)施工達(dá)到了令人滿意的效果。圖6 凍結(jié)管布置示意圖三、土層人工凍結(jié)的基礎(chǔ)理論1凍結(jié)溫度場(chǎng)在凍結(jié)過程中土層溫度隨時(shí)間而變化，這是一個(gè)相變、移動(dòng)邊界的、有內(nèi)熱源的、邊界條件復(fù)雜的不穩(wěn)定導(dǎo)熱問題?，F(xiàn)有解析法、模擬法和數(shù)值法三種解決問題的途徑。目前比較有效的是數(shù)值近似法，主要為有限元法和差分法。通常

13、將凍結(jié)工作的研究對(duì)象視為均質(zhì)連續(xù)的，導(dǎo)熱方程經(jīng)坐標(biāo)變換為：（0，0r式中tn溫度分布，n表示巖土狀態(tài)，如n =1融土；n=2凍土；凍結(jié)時(shí)間,S;圓柱坐標(biāo)，以凍結(jié)壁的圓心為原點(diǎn)（圖7）圖7 凍結(jié)溫度場(chǎng)示意圖 an導(dǎo)溫系數(shù)，m2/s, ；n、Cn表示導(dǎo)熱系數(shù)和容積比熱。液氮低溫快速凍結(jié)，通過推導(dǎo)有限差分近似方程建立熱力模型，采用計(jì)算機(jī)模擬，可獲得該情況下凍結(jié)過程溫度場(chǎng)的變化、零度等溫線的推移、凍土擴(kuò)展速度和凍結(jié)壁平均溫度等重要參數(shù)。2凍結(jié)冷量?jī)鼋Y(jié)冷量是凍結(jié)理論研究的重要部分，為凍結(jié)站的設(shè)計(jì)和凍結(jié)工作提供科學(xué)依據(jù)。凍結(jié)冷量由下式?jīng)Q定：Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5（2）式中 Q-1m3巖土從原始溫

14、度to降到凍結(jié)溫度所需凍結(jié)冷量，KJ/m3;Q1-1m3巖土中水從原始溫度to降至結(jié)冰溫度td（一般為0）時(shí)放出的熱量；Q1=WCW（to-td）PwW-土中含水量，%CW-水的比熱，4.2KJ/(kgK);W-水的密度，1000kg/m3;to-巖土初始溫度，；Q2-1m3巖土中水結(jié)冰時(shí)放出的潛熱量：L-單位重量水結(jié)冰放的潛熱量，336KJ/kg;WU凍土中未凍水含量，%；Q31m3凍土中冰由冰點(diǎn)降至凍結(jié)溫度所放出的熱量；Ci冰的比熱,2.1KJ/(kgK);i冰的密度，900kg/m3；-凍結(jié)溫度，即凍結(jié)壁的平均溫度，；Q4-1m3巖土顆粒由to降至所放出的熱量；Cs土顆粒的比熱，KJ/（

15、KgK）;-土顆粒的比重，KJ/m3;Q5-1m3凍土所確定降溫區(qū)內(nèi)巖土和水降低溫度t所需的熱量；V-1m3凍土所確定的降溫區(qū)巖土體積，m3；t-降溫區(qū)巖土的降低溫度平均值，3凍土強(qiáng)度凍土的強(qiáng)度指標(biāo)有抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及其流變特性等，它們受凍土溫度、含水量、顆粒組成、礦物成分、荷載作用時(shí)間以及凍結(jié)速度等因素的影響。在工程中常用凍土的坑壓強(qiáng)度，它的值一般隨其主要影響因素凍土溫度的降低而增大。但凍土溫度降到-7080以下時(shí)，其強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)（圖8）。凍土具有塑性和變形量大的特點(diǎn)，發(fā)生塑性流動(dòng)時(shí)，其殘余強(qiáng)度約為峰值的30%25%。由于實(shí)際工程中凍結(jié)壁是非均質(zhì)、非對(duì)稱、非均壓的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體，

16、試塊的力學(xué)性質(zhì)已不能滿足凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)要求，故經(jīng)常采用凍結(jié)壁模型試驗(yàn)和理論分析計(jì)算的方法探求凍結(jié)壁整體強(qiáng)度及其穩(wěn)定性。圖8 凍土的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線4凍結(jié)壁結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型在我國(guó)礦井建設(shè)中，一般按強(qiáng)度極限狀態(tài)計(jì)算凍土結(jié)構(gòu)。100m以內(nèi)的井筒采用拉麥公式計(jì)算，把凍結(jié)壁視為彈性厚壁圓筒；100m以上的探井采用多姆克公式，凍結(jié)壁被視為彈塑性體或塑性體。而盾構(gòu)隧道工程中的凍結(jié)土體常視作彈性體。盾構(gòu)出洞時(shí)凍結(jié)加固土體以水平圓筒體處理，將其視為自由支撐的厚板，通過計(jì)算加固土體中n-n斷面承受的最大彎曲應(yīng)力，控制加固土體的外形尺寸（圖9），如下式圖9 盾構(gòu)出洞凍結(jié)加固體的力學(xué)結(jié)構(gòu)圖式中 E-土壓與水壓之和（土壓

17、利用朗金公式計(jì)算）；r-D/2;D-盾構(gòu)的直徑；-凍結(jié)加固體的變曲坑拉強(qiáng)度；K-安全系數(shù)，1.5。圖中 f2.5m，ft/2。地下盾構(gòu)隧道對(duì)接時(shí)，凍土體常按固端梁受彎進(jìn)行計(jì)算，采用經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度進(jìn)行工程驗(yàn)算。四、盾構(gòu)隧道凍結(jié)若干技術(shù)問題1 1 凍脹與融降城市隧道凍結(jié)過程中存在兩個(gè)比較突出的問題就是凍脹與融降，過量的凍脹與融降量均會(huì)對(duì)城市地面建筑、交通和地下管線產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞作用。凍脹的機(jī)理是土體中的水凍結(jié)成冰時(shí)體積增大9%，同時(shí)土體中產(chǎn)生水壓差，地下水向冰結(jié)峰面遷移，致使凍脹現(xiàn)象越來(lái)越顯著（圖10）。當(dāng)凍土融化時(shí)，體積減小，又會(huì)產(chǎn)生較大的土層沉降。圖10 凍脹形成機(jī)理圖經(jīng)過比較分析

18、可知，不同土質(zhì)條件下凍脹與沉降量是不同的，粘土的變形量很大，粉砂、砂次之；融降量一般大于凍脹變形量。雖然它們對(duì)工程的影響較大，但并不是不能控制的。由于凍脹必然產(chǎn)生對(duì)結(jié)構(gòu)物的壓力，日本東京環(huán)7線盾構(gòu)出洞的凍結(jié)施工中，采用壓力釋放孔的措施，使凍結(jié)壓力降低約40%。近年來(lái)，經(jīng)過人們的不斷探索，已形成一套比較成熟的技術(shù)。壓力釋放孔、注漿充填、工作面釋放水和強(qiáng)制解凍等均獲得了很好的效果。日本兩項(xiàng)凍結(jié)工程中實(shí)測(cè)的凍脹與融降量見表2。隧道凍脹與融降量的實(shí)測(cè)值表2工程位置參數(shù)東京都下水道大田干線大阪排水隧道按合點(diǎn)上路面隧道底面（距地表24m）按合點(diǎn)上路面隧道底面（距地表30m）凍脹量(mm)11120752隔

19、降量(mm)26200352802 2 凍土擴(kuò)展在凍結(jié)工作中及時(shí)監(jiān)控凍土的擴(kuò)展情況，可保證盾構(gòu)的順利推進(jìn)。我國(guó)煤礦凍結(jié)工作經(jīng)驗(yàn)已總結(jié)出凍土擴(kuò)展速度的規(guī)律，它與土質(zhì)條件有關(guān)，見表3。礫石層凍結(jié)速度最快，砂土次之，粘土層最小。凍結(jié)壁的凍結(jié)時(shí)間可按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：=Ed/V （4）式中-凍結(jié)時(shí)間，d；Ed-凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度，mm；-凍結(jié)壁向內(nèi)側(cè)的擴(kuò)展系數(shù)，=0.550.60；V-凍結(jié)壁向內(nèi)側(cè)的平均擴(kuò)展速度，mm/d日本大阪輸水隧道的凍結(jié)擴(kuò)展情況（圖11），表明砂土的凍結(jié)速度大于粘土。凍結(jié)前25d的凍結(jié)速度較快，以后凍結(jié)壁的厚度隨時(shí)間成線性增長(zhǎng)。日前，盾構(gòu)隧道的凍結(jié)工作采用理論計(jì)算進(jìn)行凍結(jié)設(shè)計(jì)，理論計(jì)算結(jié)果較好（圖12）。然后在凍結(jié)過程中通過銅一鏞銅熱電偶監(jiān)測(cè)凍土的擴(kuò)展情況，可獲得令人滿意的效果。圖11 日本大阪輸水隧道的凍結(jié)擴(kuò)展曲線圖圖12 東京都下水道大田干線凍土擴(kuò)展理論計(jì)算與實(shí)側(cè)值的比較曲線3.地下水對(duì)凍結(jié)的影響一般地下水的自然流速比較小，但經(jīng)過人工鉆孔抽水之后，地下水流速往往大于5m/d，影響凍結(jié)壁的正常交圈，對(duì)凍結(jié)工作產(chǎn)生很大危害。下列凍土圓柱的熱平衡方程，用于分析地下水流對(duì)降溫度的影響（圖13）圖13 地下水流對(duì)降溫區(qū)溫