(冷凍法施工)解析

1、地鐵施工技術(shù)交流材料冷凍法聯(lián)絡通道施工技術(shù)及風險控制措施一、凍結(jié)法的基本原理與特點采用凍結(jié)法對地層土體進行加固，是指利用人工制冷技術(shù), 使地層中的水結(jié)冰, 把天然巖土變成凍土, 增加其強度和穩(wěn)定性, 隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系, 以便在凍結(jié)壁的保護下進行地下工程掘砌施工的特殊施工技術(shù)。其實質(zhì)是利用人工制冷臨時改變巖土性質(zhì)以固結(jié)地層。1、巖土凍結(jié)實質(zhì)巖土凍結(jié)性質(zhì)的改變，即將含水地層(松散土層或裂隙巖層)冷卻至結(jié)冰溫度下，使土中孔隙水或巖石裂隙水變成冰，巖土的性質(zhì)發(fā)生重要變化，形成一種新的工程材料“凍土” 。2、凍土結(jié)構(gòu)特點而凍土結(jié)構(gòu)具有較高的強度和絕對的封水性。3、凍土結(jié)構(gòu)功能凍土結(jié)構(gòu)的承載功能

2、和封水的不承載功能。4、制冷方法其制冷技術(shù)方法，通常使用制冷設備，利用物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài), 即氣化過程的吸熱現(xiàn)象來完成的。4.1 、有兩種類型：、冷媒劑(鹽水 )吸熱：氨(-33.4 )；干冰 (-78.5 )；、直接氣化吸熱：液氮(-195.8 )；干冰 (-78.5 )4.2 、凍結(jié)系統(tǒng)常有兩種類型：、封閉系統(tǒng)(鹽水凍結(jié))；、開放系統(tǒng)(液氮凍結(jié))5、凍結(jié)法的適應性凍結(jié)法加固與其它加固方法相比，其適應性更強，能夠適應粘土、粉土、砂層以 及礫石、卵石等任何地層。6、凍結(jié)法的特點6.1、 、凍土帷幕的變化性：、凍土范圍可變；、凍土溫度可變；、凍土強度可變（強度是溫度的函數(shù)）6.2、 凍土帷幕的連

3、續(xù)性：水在負溫下結(jié)冰的必然性；6.3、 凍土帷幕的可知性：通過溫度測試可判斷凍結(jié)范圍、凍土強度7、凍結(jié)法施工的優(yōu)點7.1、 、安全性好：、凍土強度較高；、凍土連續(xù)性可靠、封水性好7.2、 適用性強：、適用于幾乎所有具有一定含水量的松散地層（包括巖石）；、復雜地質(zhì)條件可行（流砂、大深度、高水壓）7.3、 靈活性高：、凍土帷幕性狀（范圍、形狀、溫度、強度）可控8、凍結(jié)法施工缺點由于凍結(jié)法所形成的凍土帷幕其范圍、溫度、強度具有變化性，其凍結(jié)范圍、強度隨溫度的變化而變化，如果供冷不足或外部熱源可導致凍土帷幕性能（范圍、 強度）退化，安全性能降低，施工風險增大。眾所周知，上海地鐵4 號線聯(lián)絡通道施工時，

4、其凍結(jié)帷幕失效，發(fā)生重大工程風險事故，給國家造成嚴重的經(jīng)濟損失。8.1、 、凍脹融沉：、對環(huán)境有一定的影響，嚴重時具有一定的破壞力；、融沉控制不當可導致結(jié)構(gòu)差異沉降和長期沉降；8.2、 風險性：、供冷不足或外部熱源可導致凍土帷幕性能退化（范圍、強度）；、流水作用下凍土可快速消融8.3、 局限性：、地下水流速影響凍結(jié)效果；、地層含鹽影響凍結(jié)效果；、含氣地層可影響凍結(jié)效果9、凍結(jié)法的應用通過凍結(jié)法加固所形成的凍土帷幕，其形狀、范圍、溫度、強度完全可以受控，且通過溫度測試可判斷凍結(jié)范圍、凍土強度。因此，人工凍結(jié)地層加固方法被廣泛用于需要進行地層加固和封水（凍土帷幕）要求工程施工領域。特別是隨著我國城

5、市地鐵軌道交通的發(fā)展，軟土隧道盾構(gòu)的進出洞、聯(lián)絡通道等風險性較高的工程項目，常采用凍結(jié)法加固進行施工。9.1 、土木工程和巖土工程如：、礦山鑿井：豎井、斜井；、隧道施工：隧道掘進；盾構(gòu)、頂管進出洞、聯(lián)絡通道；、隧道擴建；、基坑工程；、穿越；、地下對接；、事故處理；、管線工程；、基礎加固；、邊坡加固9.2 、土工試驗：原狀土取樣二、凍結(jié)法的理論與工程問題1、熱力學性質(zhì)1.1、 、主要參數(shù)：比熱、熱傳導系數(shù)、潛熱、結(jié)冰溫度等；1.2、 最主要影響因素：含水量1.3、 特點：凍土與未凍土的熱力學參數(shù)有明顯區(qū)別2、物理力學性質(zhì)2.1 、強度：、單軸抗壓；同等條件下，凍土強度是溫度的函數(shù)： a btnn

6、隨土性變化的參數(shù)，砂性土n 0.5 黏性土 n1；a, b與凍土的孔隙度、含水量相關的系數(shù)。在相同溫度下，含水量對凍土極限強度影響很大。在非飽和時，強度隨含水量增長；過飽和時，強度隨含水量降低。其中，未凍水含量對凍土強度影響也很顯著。未凍水含量越高，強度越低。、抗拉、抗剪強度；凍土抗拉強度規(guī)律與抗壓強度相同。強度隨著溫度的降低增長，同時取決于土的成分、含水量等因素。數(shù)值上，抗拉強度比抗壓強度低26 倍3、熱傳導與溫度場：3.1 、導熱形態(tài)：a、凍結(jié)管凍結(jié)過程是非穩(wěn)態(tài)導熱問題；b 、凍結(jié)后期，熱交換趨于平衡，可近似看作穩(wěn)態(tài)導熱問題；c、溫度場分析時一般看作穩(wěn)態(tài)導熱問題3.2 凍結(jié)發(fā)展動態(tài)過程：單

7、排凍結(jié)管凍結(jié)過程三階段：單管凍結(jié)、管間影響凍結(jié)和管間凍土相接后凍結(jié)a、單管凍結(jié)：管間獨立凍結(jié)，凍土呈圓柱狀發(fā)展；b、管間影響凍結(jié)：管間相互影響，凍土在凍結(jié)管之間（軸向）發(fā)展快，兩側(cè)慢，凍土呈橢圓柱形；c、管間凍土相接后凍結(jié)：凍土相接（ “交圈” ）后，形成波浪形凍土墻，但凹陷部位（界面）發(fā)展快，凸出部位（主面）發(fā)展慢，凹陷部位將很快填滿，凍土墻兩側(cè)呈直線形。之后凍土直墻繼續(xù)向兩側(cè)發(fā)展。3.3 、溫度場與平均溫度現(xiàn)在國內(nèi)計算凍土的平均溫度的公式：tcp tp 1,135 0,352 S 03,875 0,266 S 0,466 0,25t其中： tcp 凍土平均溫度tp 鹽水溫度S 孔間距， 凍

8、土厚度，t 開挖面溫度，4、凍脹與融沉4.1 、凍脹機理、凍脹可分為原位凍脹和分凝凍脹?？紫端粌鼋Y(jié)體積增大9%（原位凍脹），外來遷移水分則體積增大1.09%（分凝凍脹）。 所以開放系統(tǒng)飽水土中的分凝凍脹是構(gòu)成土體凍脹的主要分量。原位凍脹量非常小，土體凍脹量主要取決于水分遷移通量。因此，凍脹量的主要影響因素是凍土的導濕系數(shù)和土水勢梯度。土水勢梯度由重力勢、壓力勢、滲壓勢、溫度勢、電力勢和磁力勢梯度中的某一項或幾項之和組成。而影響這些量的外觀因素可表現(xiàn)為：a、內(nèi)因：土的粒徑、組織構(gòu)造、透水系數(shù)、鹽分濃度等；b、外因：約束應力、凍結(jié)速度、凍結(jié)歷時、孔隙水壓等?？傊?，凍脹是一個非常復雜的問題。、土

9、壤的凍脹敏感性土的粒徑是影響凍脹敏感性的一個重要因素，顆粒越小凍脹性越強。砂性土凍脹不敏感，黏性土凍脹敏感。、凍結(jié)參數(shù)對凍脹量的影響a、凍結(jié)速度：在一定范圍內(nèi)，凍脹量與凍結(jié)速度成正比。b、凍結(jié)歷時：凍結(jié)時間越長，凍脹凍脹量越大。c、凍結(jié)溫度：凍結(jié)溫度越低，凍脹凍脹量越大。、衡量凍脹的主要指標是凍脹率。a、凍脹率指凍土單向凍結(jié)方向上的尺寸與凍結(jié)前的比值。b、一般按凍脹率大小來劃分土壤凍脹等級。凍脹等級不凍脹弱凍脹凍脹強凍脹特強凍脹凍脹率11< 3.53.5<66<1212<凍脹率（俄羅斯）11< 44< 77<1010<4.2、凍脹力是凍脹受到約束

10、時產(chǎn)生的力。由于約束條件的差異，凍脹力數(shù)值的可比性很差。標準試驗可測試凍脹力，但主要用于不同土壤之間的比較，工程實際意義不大。工程上關心的凍脹力是因凍脹結(jié)構(gòu)上受到的力，這個力不是單純的凍脹力，因此也稱“凍結(jié)壓力”。由于不同工程的差異性，實測凍脹力之值離散性很明顯。因此，準確估計結(jié)構(gòu)上受到的凍結(jié)壓力是非常困難的。、封閉式凍土帷幕的凍結(jié)過程中，交圈前幾乎不顯現(xiàn)凍脹力，開始交圈時凍脹力開始顯現(xiàn)，在凍土帷幕形成閉合體后，凍脹力急劇增長幾乎達到最大值。后續(xù)的凍結(jié)過程中，凍脹力變化不明顯，有的略有增長，有的略有降低4.3、 融沉機理凍土融化后產(chǎn)生融沉，它由融化沉降和壓縮沉降兩部分組成。、凍土融化時，冰變成

11、水體積縮小產(chǎn)生融化沉降。融化區(qū)域排水固結(jié)，導致土體壓縮沉降。融化沉降量與壓力無關，壓縮沉降與壓力成正比。、工程上用融沉系數(shù)As 來描述融化沉降，用壓縮系數(shù)Ar 來描述壓縮沉降。通常，融沉量大于凍脹量。、與凍脹類似，融沉的影響因素有：a、內(nèi)因：土的熱學、物理、力學性質(zhì)等。b、外因：溫度、溫度梯度、壓力等。4.4、 凍土融沉性，可用融沉率表示。工程上融沉量的估算可以簡單地用融沉率與凍土高度的乘積來計算。4.5、 凍脹抑制措施抑制凍脹的措施主要有：、間歇凍結(jié)法：降低凍結(jié)速度，減小水分遷移、快速凍結(jié)法：足夠高的凍結(jié)速度使得大量水分遷移來不及，無法形成大量冰晶體、減小凍脹力的措施主要有：a、避免采用封閉

12、式凍土帷幕；b、限制凍結(jié)范圍； c、卸壓孔；d、凍脹釋放管4.6、 凍脹、融沉綜合控制措施融沉與凍脹密切相關。通常，控制凍脹就間接控制了融沉。凍脹融沉綜合控制措施主要有：、強制解凍，跟蹤注漿。盡快固結(jié)土體，避免長期沉降、先注漿，后凍結(jié)。降低土壤透水系數(shù)，阻止水分遷移；加強土體強度，減小壓縮沉降。、預注CMC。增加土體黏性，降低透水系數(shù)，阻礙水分遷移。5、人工凍土解凍人工凍土的解凍有三種情況：中斷或終止凍結(jié)時的自然解凍；鹽水泄漏導致的解凍；強制解凍。5.1、 、自然解凍自然解凍速度與凍土量、凍土溫度、環(huán)境溫度及周圍供熱量相關。停止凍結(jié)后，每日解凍量與原先凍結(jié)時間成反比。凍結(jié)時間越長，解凍速度越低

13、。一般情況下，凍土厚度1 米以上時，中斷12 天的凍結(jié)，凍土帷幕解凍厚度基本上可以忽略不計，可以認為是安全的。但是，必須注意，如果有較大流速的地下水作用時，解凍速度會加速。5.2、 鹽水泄漏解凍鹽水泄漏解凍是鹽水擴散引起的，解凍厚度主要與凍土溫度相關，當然與時間也有關。當凍土帷幕足夠厚，鹽水包不與外界溝通時，鹽水溫度被保持低溫，對凍土帷幕功能影響不大。例如，當凍土溫度保持- 20時，在泄漏后2 個月內(nèi)不采取任何措施的情況下，凍土帷幕解凍厚度才6cm，其安全性不必擔心。但是，必須注意，在砂性凍土中，鹽水擴散快，解凍速度會加速。此外，如果鹽水泄漏發(fā)生在早期，凍土溫度不夠低，凍土厚度不夠大，鹽水易與

14、外界溝通，會帶來安全威脅。5.3、 強制解凍強制解凍是指通過凍結(jié)管循環(huán)熱鹽水進行的積極解凍，其解凍速度主要與鹽水溫度相關，當然與凍土溫度、環(huán)境溫度也有關。自然解凍與強制解凍效果的比較：凍土厚度1.8m， 強制解凍和自然解凍共同作用需要70，而單純自然解凍則需要約6 倍的時間。日本鹿島試驗：凍土半徑1.5 米（厚度3m） 。自然解凍需要200-300 天，用60熱水循環(huán)需要約60 天，如用溫度90，解凍時間減半（60 天減到 30 天 ） 。三、凍結(jié)法聯(lián)絡通道施工重大風險源控制措施1、從結(jié)構(gòu)內(nèi)向外鉆孔在凍結(jié)孔施工過程中，針對可能出現(xiàn)的水土涌入情況，我們采取二次開孔，同時安裝孔口防噴裝置（BOP）

15、措施，從結(jié)構(gòu)內(nèi)向結(jié)構(gòu)外鉆孔。1.1 開孔經(jīng)過精確測量確定孔位后，在孔位處管片上開直徑為130mm，深度約250-300mm（管片厚度為350 mm） 的小孔， 以不鉆穿管片為宜。取出巖芯，打入加工好的 127mm孔口管，并用鋼筋焊接（至少有4 個固定點）固定在管片上，然后安裝球閥和孔口密封裝置（如下圖所示）。用 89× 8mm凍結(jié)管作鉆桿，凍結(jié)管之間采用套管絲扣連接，將接頭螺紋緊固后再用手工電弧焊焊接，應確保凍結(jié)管的同心度和焊接強度，做好這些工作后，開始進行二次開孔。凍結(jié)孔開孔密封裝置示意圖1.2 鉆進防水土涌入控制剛開始鉆進時采用輕壓緩慢鉆進，通過密封裝置（即密封盒）控制鉆進時的出

16、泥量，防止水土涌入。2、隧道變形控制為防止聯(lián)絡通道附近成型隧道的變形，在積極凍結(jié)之前，應安裝隧道預應力支撐，如圖 2-1 所示。支撐共4 榀，分別安裝在聯(lián)絡通道的預留口兩側(cè)的第一條隧道管片環(huán)縫處。圖 2-1 預應力支撐2.1、 、隧道支撐安裝偏離管片環(huán)縫處截面應不大于20mm；2.2、 安裝好隧道支撐后頂實千斤頂， 但每個千斤頂?shù)捻斄Σ坏么笥?00KN,且每2.3、 根據(jù)實測隧道的收斂變形調(diào)整每個千斤頂?shù)捻斄?，收斂大的部位要求千?0mm時，千斤頂頂力達到設500KN；2.4、 當如千斤頂頂力達到設計值后隧道仍繼續(xù)收斂，則應采取其它措施加強隧3、防淹門裝置為防止帷幕發(fā)生大量砂、水涌出， 或位移

17、變形超值，其它措施搶救無效的情況下，3-1 、 3-2 分別安裝通道應急防護門。3-1 應急防護門安裝示意圖3-2 應急防護門安裝實物圖4、鋼管片拆除施工管片拆除時的風險極大，所以管片拆除前應做好以下幾點：4.1 、在拆除鋼管片開洞前，利用扭矩扳手將聯(lián)絡通道前后各10 15 環(huán)管片的縱向和環(huán)向連接螺栓全部進行復緊，包括鋼管片和砼管片間的連接螺栓；4.2 、此外將未拆除鋼管片的環(huán)、縱縫進行焊接連接，提高鋼管片門架結(jié)構(gòu)的剛度和整體穩(wěn)定性。焊接前應首先對拼裝縫進行除銹除垢處理，避免虛焊。4.3 、應急防護門必須裝好，且完成密閉試驗；4.4 、必須探明凍結(jié)效果；5、聯(lián)絡通道開挖由于土體采用凍結(jié)法加固，

18、凍土強度較高，凍結(jié)帷幕承載能力大，因而開挖時可以采用分上下臺階法開挖，其開挖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工就不熬述，就凍結(jié)法聯(lián)絡通道開挖步序做一介紹，如圖5-1 所示先挖1 區(qū)導洞，然后依次開挖2 區(qū)、 3 區(qū)、 4 區(qū)、 5 區(qū)、6區(qū)5-1 聯(lián)絡通道開挖施工次序示意圖6、凍結(jié)孔封孔凍結(jié)孔封堵施工也是一個比較關鍵的工序，如封孔質(zhì)量控制不好，將后患無窮，尤其在含具腐蝕性的地下水地層中。上海某已運營的地鐵隧道從聯(lián)絡通道凍結(jié)孔處涌沙的現(xiàn)象也存出現(xiàn)過。7、融沉注漿融沉注漿分充填注漿和融沉注漿兩部分7.1 、填充注漿根據(jù)施工經(jīng)驗填充注漿在停止凍結(jié)前施工完成較好：原因：在凍結(jié)體與結(jié)構(gòu)間形成一個密閉的腔體，注漿效果好，如果按設計停止凍結(jié) 2-3 天后注漿，凍結(jié)薄弱的管片與凍結(jié)體接觸部位已經(jīng)融化，形成通道，達不到填充效果。7.2 、融沉控制為了控制凍融沉降和失水固結(jié)沉降，融沉注漿應少量多次進行。四、凍結(jié)法聯(lián)絡通道施工應急材料準備凍結(jié)法聯(lián)絡通道施工期間其應急設備及物資的準備一定要有正對性。1、 凍結(jié)孔施工期間凍結(jié)孔孔徑大35cm的圓木楔子10 個， 雙快水泥0.5t ， 普通水泥1t， 棉紗50kg， 8 磅大錘一把，單液注漿機一臺；2、通道開挖期間小木楔子50 個，雙快水泥0.5t ，普通水泥10t，棉紗