地層凍結(jié)法在地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工中應(yīng)用

1、中國礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室 岳豐田 地層凍結(jié)法在地鐵 聯(lián)絡(luò)通道施工中應(yīng)用 1 凍結(jié)法概述 人工凍結(jié)的應(yīng)用和研究是以天然凍結(jié)條件下凍土的物理力學(xué)性質(zhì)研究為基礎(chǔ)，隨著人工凍結(jié)鑿井逐步發(fā)展起來的。凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，使地層中的水凍結(jié)，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(hù)下進(jìn)行隧道、立井和地下工程的開挖與襯砌施工技術(shù)。其實質(zhì)是利用人工制冷技術(shù)臨時改變巖土的狀態(tài)以固結(jié)地層。 1862年，英國首次在南威爾士的建筑基坑中使用了凍結(jié)法；1880年，德國工程師FHPoetch在國際上首次提出并獲得人工 凍結(jié)法專

2、利； 1962年，日本從開始在巖土工程中應(yīng)用人工地層凍結(jié)技術(shù)，隨后 20年中約施工了250個凍結(jié)工程；20世紀(jì)7080年代，前蘇聯(lián)應(yīng)用凍結(jié)法施工城市地鐵、礦井和其它工業(yè)建筑的大型工程達(dá)200余項。1 凍結(jié)法概述20世紀(jì)中葉，波蘭、德國、法國、加拿大等國家相繼開展了人工凍結(jié)技術(shù)的應(yīng)用研究；近年來，美國、日本、南韓等國正在研究將人工凍結(jié)技術(shù)用于核廢料處理工程中；1955年，我國首次在開灤林西風(fēng)井使用鹽水凍結(jié)法鑿井并獲得成功；80年代，隨著我國地下工程的增多，逐漸由礦山工程，向城市各類工程推廣應(yīng)用，完成了北京、上海地鐵的多項隧道水平凍結(jié)工程，尤其2000年以來，凍結(jié)法在上海得到大規(guī)模應(yīng)用。迄今為止，

3、各國凍結(jié)井最大深度分別為：英國930m，美國915m，波蘭860m，加拿大634m，比利時638m，前蘇聯(lián)620m，德國531m，法國550m，中國702m。1 凍結(jié)法概述凍結(jié)法的優(yōu)點:1 安全可靠性好,可有效的隔絕地下水； 2 適應(yīng)面廣。適用于任何含一定水量的松散巖土層，在復(fù)雜水文 地質(zhì)如軟土、含水不穩(wěn)定土層、流砂、高水壓及高地壓地層條 件下凍結(jié)技術(shù)有效、可行； 3 靈活性好?？梢匀藶榈乜刂苾鼋Y(jié)體的形狀和擴展范圍，必要時 可以繞過地下障礙物進(jìn)行凍結(jié)； 4 可控性較好。凍結(jié)加固土體均勻、完整； 5 污染性小。 “綠色”施工方法，符合環(huán)境巖土工程發(fā)展趨勢； 6 經(jīng)濟(jì)上合理。凍結(jié)法的缺點:1 凍脹

4、和融沉；2 對土體加固為臨時性質(zhì)，不能長期起作用。 2 凍結(jié)原理鹽水循環(huán)-鹽水吸收地層熱量，在鹽水箱內(nèi)將熱量傳遞給蒸發(fā)器中的液氨；氨循環(huán)-液氨變?yōu)轱柡驼魵獍?，再被氨壓縮機壓縮成過熱蒸氣進(jìn)入冷凝器冷卻，高壓液氨從冷凝器經(jīng)貯氨器，經(jīng)節(jié)流閥流入蒸發(fā)器液氨在蒸發(fā)器中氣化吸收周圍鹽水的熱量；冷卻水循環(huán)-冷卻水在冷卻水泵，冷凝器和管路中的循環(huán)叫冷卻水循環(huán)。將地?zé)岷蛪嚎s機產(chǎn)生的熱量傳遞給大氣。2 凍結(jié)原理 氨（氟利昂）鹽水凍結(jié)系統(tǒng)原理圖3 技術(shù)指標(biāo) 制冷溫度：-10 -35 土層：任何含水地層 地下水流速：5710-5m/s 冷量估算 ：Q=1.3.d.H.K 制冷效率 ：30% 50% 凍土速度 ：2cm

5、/d 4 工程概況上海市M8線成山路站楊思站區(qū)間隧道，采用盾構(gòu)法施工，襯砌采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，通縫拼裝。管片內(nèi)徑：5500mm；管片外徑：6200mm；管片厚度：350mm；管片寬度：1200mm；管片混凝土強度C55；隧道底板埋深約14.921.6m，底板標(biāo)高約為-10.2-16.4m。聯(lián)絡(luò)通道所在位置較淺，聯(lián)絡(luò)通道施工涉及土層主要為淤泥質(zhì)粘土和粉土，且有微承壓水，工程風(fēng)險較大，確定采用“隧道內(nèi)鉆孔，凍結(jié)臨時加固土體，礦山法暗挖構(gòu)筑”的施工方案，即：在隧道內(nèi)利用水平孔和部分傾斜孔凍結(jié)加固地層，使聯(lián)絡(luò)通道及集水井外圍土體凍結(jié)，形成強度高，封閉性好的凍土帷幕，然后根據(jù)“新奧法”的基本原理，在

6、凍土中采用礦山法進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道及泵站的開挖構(gòu)筑施工，地層凍結(jié)和開挖構(gòu)筑施工均在區(qū)間隧道內(nèi)進(jìn)行。 4 工程概況聯(lián)絡(luò)通道處上、下行盾構(gòu)中心間距為12.80m，上行線隧道中心標(biāo)高13.712m，下行線隧道中心標(biāo)高13.738m，聯(lián)絡(luò)通道對應(yīng)地面標(biāo)高為4.17m。喇叭口開挖尺寸為：1.458m(長)4.40m(寬)4.844m(高)通道開挖尺寸為：5.13(長)3.30m(寬)4.244m(高)集水井開挖尺寸為：4.80m(長)3.30m(寬)4.20m(高) 防火門尺寸為1.40m2.05m。襯砌采用二次襯砌方式，所有臨時支護(hù)層厚度均為200mm；結(jié)構(gòu)層為400mm厚的現(xiàn)澆鋼筋混凝土，通道底板結(jié)構(gòu)層為

7、1000mm厚的現(xiàn)澆鋼筋混凝土。臨時支護(hù)層和結(jié)構(gòu)層之間安裝防水層 4 工程概況 圖1 聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)剖面示意圖 5 凍結(jié)帷幕計算根據(jù)地質(zhì)資料，聯(lián)絡(luò)通道底板埋深18.572m，凍結(jié)帷幕中心的埋深為18.572m+0.8m=19.372m。按靜止土壓力計算旁通道的上部荷載和側(cè)向荷載（如圖2所示）。設(shè)凍土帷幕厚度為1.6m，通道開挖輪廓高為4.24m，寬3.20m，計算該結(jié)構(gòu)內(nèi)部的彎矩和軸力，進(jìn)而求得截面內(nèi)的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力的剪應(yīng)力。圖2 凍土帷幕受力簡圖5 凍結(jié)帷幕計算表中的安全系數(shù)K是由凍土強度與其相應(yīng)的凍土結(jié)構(gòu)相關(guān)位置的應(yīng)力比值。由于聯(lián)絡(luò)通道斷面的土層以粉砂土為主，故凍土強度以凍土平均溫度為-10

8、時的粉土強度為準(zhǔn)，壓=4.0Mpa, 拉=2.0Mpa,剪=1.7Mpa。從數(shù)據(jù)可見，各截面的壓應(yīng)力安全系數(shù)K 2.19，拉應(yīng)力安全系數(shù)K 1.94，剪應(yīng)力安全系數(shù)K 3.64，安全儲備較大 。 6 凍結(jié)孔布置根據(jù)凍結(jié)帷幕設(shè)計及聯(lián)絡(luò)通道的結(jié)構(gòu)，凍結(jié)孔按上仰、近水平、下俯三種角度布置。凍結(jié)孔數(shù)55個。凍結(jié)孔的布置詳見下圖。 圖3 凍結(jié)孔布置展開圖6 凍結(jié)孔布置7 制冷設(shè)計計算凍結(jié)需冷量由下式計算：Q=1.3.d.H.K；式中:H凍結(jié)總長度；d凍結(jié)管直徑；K凍結(jié)管散熱系數(shù)。將上述參數(shù)代入公式得：Q=1.3.d.H.K =58169 Kcal/h=67.6KW/h根據(jù)冷量計算，選用YSKF212.5

9、型螺桿機組2臺套，單臺設(shè)計工況制冷量44.2KW，機組外型尺寸：長寬高=41.82.0m，電機功率57.2kw。 凍結(jié)管選用958mm,20#低碳無縫鋼管,絲扣連接,單根長度1m或1.5m,總長度約650m。測溫管選用323mm,20#低碳無縫鋼管。供液管選用鋼管，采用焊接連接8 凍結(jié)施工技術(shù)要點 在該地層凍結(jié)工程中，由于其特殊施工條件與要求，需采取特別工藝與技術(shù)措施，以控制凍結(jié)孔鉆進(jìn)，地層凍脹和融沉等對隧道的影響，根據(jù)國內(nèi)外最新研究成果和施工經(jīng)驗，提出以下凍結(jié)施工技術(shù)措施：（1）在已貫通的隧道鉆凍結(jié)孔，根據(jù)聯(lián)絡(luò)通道的結(jié)構(gòu)采用上仰、近水平和下俯三種成孔角度。（2）由于凍土抗拉強度低，因此除設(shè)計

10、中盡量降低凍土帷幕所承受的拉應(yīng)力外，主要做好凍結(jié)和開挖的配合工作，要求及時封閉薄弱的凍結(jié)壁，并根據(jù)開挖后凍結(jié)帷幕變形情況及時調(diào)整開挖構(gòu)筑工藝。（3）為減小土層凍脹，隧道上下對稱布置凍結(jié)孔，在適當(dāng)部位設(shè)泄壓孔，并采用小開孔距，低溫鹽水，大流量以加快凍結(jié)速度。（4）在凍土帷幕關(guān)鍵部位，多布置測溫孔，監(jiān)測凍土帷幕的形成過程和形成狀況。9 通道開挖與構(gòu)筑施工 根據(jù)工程結(jié)構(gòu)特點，聯(lián)絡(luò)通道開挖掘進(jìn)采取分區(qū)公層方式進(jìn)行，其施工順序如圖4所示。在開挖過程中，采用短段短砌技術(shù)，每開挖0.30.5m，進(jìn)行臨時支護(hù)，在金屬棚與凍土間輔以木背板作支護(hù)。在1、2、3三個區(qū)間開挖完成后，先在金屬架上噴射C20素混凝土150mm，中間為防水層，內(nèi)層為C30鋼筋混凝土，雙層鋼筋砼支護(hù)400mm。圖4 聯(lián)絡(luò)通道開挖順序圖 10 結(jié)論 本文根據(jù)上海市M8線成山路站楊思站區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道采用凍