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

中國礦礦業(yè)大大學(xué)建建筑工工程學(xué)學(xué)院中國礦礦業(yè)大大學(xué)深深部巖巖土力力學(xué)與與地下下工程程國家家重點點實驗驗室岳豐田田地層凍凍結(jié)法法在地地鐵聯(lián)聯(lián)絡(luò)通通道施施工中中應(yīng)用用1凍結(jié)法法概述述人工凍凍結(jié)的的應(yīng)用用和研研究是是以天天然凍凍結(jié)條條件下下凍土土的物物理力力學(xué)性性質(zhì)研研究為為基礎(chǔ)礎(chǔ)，隨隨著人人工凍凍結(jié)鑿鑿井逐逐步發(fā)發(fā)展起起來的的。凍凍結(jié)法法是利利用人人工制制冷技技術(shù)，，使地地層中中的水水凍結(jié)結(jié)，把把天然然巖土土變成成凍土土，增增加其其強度度和穩(wěn)穩(wěn)定性性，隔隔絕地地下水水與地地下工工程的的聯(lián)系系，以以便在在凍結(jié)結(jié)壁的的保護護下進進行隧隧道、、立井井和地地下工工程的的開挖挖與襯襯砌施施工技技術(shù)。。其實實質(zhì)是是利用用人工工制冷冷技術(shù)術(shù)臨時時改變變巖土土的狀狀態(tài)以以固結(jié)結(jié)地層層。1862年，英英國首首次在在南威威爾士士的建建筑基基坑中中使用用了凍凍結(jié)法法；1880年，德德國工工程師師F．H．Poetch在國際際上首首次提提出并并獲得得人工工凍結(jié)法法專利利；1962年，日日本從從開始始在巖巖土工工程中中應(yīng)用用人工工地層層凍結(jié)結(jié)技術(shù)術(shù)，隨隨后20年中約約施工工了250個凍結(jié)結(jié)工程程；20世紀(jì)70～～80年代，，前蘇蘇聯(lián)應(yīng)應(yīng)用凍凍結(jié)法法施工工城市市地鐵鐵、礦礦井和和其它工業(yè)業(yè)建筑筑的大大型工工程達達200余項。。1凍結(jié)法法概述述20世紀(jì)中中葉，，波蘭蘭、德德國、、法國國、加加拿大大等國國家相相繼開開展了了人工工凍結(jié)結(jié)技術(shù)術(shù)的應(yīng)應(yīng)用研研究；；近年來來，美美國、、日本本、南南韓等等國正正在研研究將將人工工凍結(jié)結(jié)技術(shù)術(shù)用于于核核廢廢料處處理工工程中中；1955年，我我國首首次在在開灤灤林西西風(fēng)井井使用用鹽水水凍結(jié)結(jié)法鑿鑿井并并獲得得成成功功；80年代，，隨著著我國國地下下工程程的增增多，，逐漸漸由礦礦山工工程，，向城城市各各類類工程程推廣廣應(yīng)用用，完完成了了北京京、上上海地地鐵的的多項項隧道道水平平凍凍結(jié)工工程，，尤其其2000年以來，凍凍結(jié)法在上上海得到大大規(guī)模應(yīng)用用。迄今為止，，各國凍結(jié)結(jié)井最大深深度分別為為：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)法概述述凍結(jié)法的優(yōu)優(yōu)點:1安全可靠性性好,可有效的隔隔絕地下水水；2適應(yīng)面廣。。適用于任任何含一定定水量的松松散巖土層層，在復(fù)雜雜水文地質(zhì)如軟土土、含水不不穩(wěn)定土層層、流砂、、高水壓及及高地壓地地層條件下凍結(jié)技技術(shù)有效、、可行；3靈活性好。。可以人為為地控制凍凍結(jié)體的形形狀和擴展展范圍，必必要時可以繞過地地下障礙物物進行凍結(jié)結(jié)；4可控性較好好。凍結(jié)加加固土體均均勻、完整整；5污染性小。?！熬G色色”施工方方法，符合合環(huán)境巖土土工程發(fā)展展趨勢；6經(jīng)濟上合理理。凍結(jié)法的缺缺點:1凍脹和和融沉；2對土體體加固為臨臨時性質(zhì)，，不能長期期起作用。。2凍結(jié)原理鹽水循環(huán)------鹽水吸吸收地層熱熱量，在鹽鹽水箱內(nèi)將將熱量傳遞遞給蒸發(fā)器器中的液氨氨；氨循環(huán)------液氨變?yōu)闉轱柡驼魵鈿獍?，再被被氨壓縮機機壓縮成過過熱蒸氣進進入冷凝器器冷卻，高高壓液氨從從冷凝器經(jīng)經(jīng)貯氨器，，經(jīng)節(jié)流閥閥流入蒸發(fā)發(fā)器液氨在在蒸發(fā)器中中氣化吸收收周圍鹽水水的熱量；；冷卻水循環(huán)環(huán)--------冷卻水在在冷卻水泵泵，冷凝器器和管路中中的循環(huán)叫叫冷卻水循循環(huán)。將地地?zé)岷蛪嚎s縮機產(chǎn)生的的熱量傳遞遞給大氣。。2凍結(jié)原理氨（氟利昂昂）－鹽水水凍結(jié)系統(tǒng)統(tǒng)原理圖3技術(shù)指標(biāo)制冷溫度：：-10℃～～-35℃℃土層：：任何含含水地層地下水流速速：υ≤5．7﹡10-5m/s冷量估算：：Q=1.3.π.d.H.K制冷效率：：30%~50%凍土速度：：2cm/d4工程概況上海海市市M8線成成山山路路站站～～楊楊思思站站區(qū)區(qū)間間隧隧道道，，采采用用盾盾構(gòu)構(gòu)法法施施工工，，襯襯砌砌采采用用預(yù)預(yù)制制鋼鋼筋筋混混凝凝土土管管片片，，通通縫縫拼拼裝裝。。管管片片內(nèi)內(nèi)徑徑：：5500mm；管管片片外外徑徑：：6200mm；管管片片厚厚度度：：350mm；管管片片寬寬度度：：1200mm；管管片片混混凝凝土土強強度度C55；隧隧道道底底板板埋埋深深約約14.9～21.6m，底底板板標(biāo)標(biāo)高高約約為為-10.2～-16.4m。聯(lián)聯(lián)絡(luò)絡(luò)通通道道所所在在位位置置較較淺淺，，聯(lián)聯(lián)絡(luò)絡(luò)通通道道施施工工涉涉及及土土層層主主要要為為淤淤泥泥質(zhì)質(zhì)粘粘土土和和粉粉土土，，且且有有微微承承壓壓水水，，工工程程風(fēng)風(fēng)險險較較大大，，確確定定采采用用““隧隧道道內(nèi)內(nèi)鉆鉆孔孔，，凍凍結(jié)結(jié)臨臨時時加加固固土土體體，，礦礦山山法法暗暗挖挖構(gòu)構(gòu)筑筑””的的施施工工方方案案，，即即：：在在隧隧道道內(nèi)內(nèi)利利用用水水平平孔孔和和部部分分傾傾斜斜孔孔凍凍結(jié)結(jié)加加固固地地層層，，使使聯(lián)聯(lián)絡(luò)絡(luò)通通道道及及集集水水井井外外圍圍土土體體凍凍結(jié)結(jié)，，形形成成強強度度高高，，封封閉閉性性好好的的凍凍土土帷帷幕幕，，然然后后根根據(jù)據(jù)““新新奧奧法法””的的基基本本原原理理，，在在凍凍土土中中采采用用礦礦山山法法進進行行聯(lián)聯(lián)絡(luò)絡(luò)通通道道及及泵泵站站的的開開挖挖構(gòu)構(gòu)筑筑施施工工，，地地層層凍凍結(jié)結(jié)和和開開挖挖構(gòu)構(gòu)筑筑施施工工均均在在區(qū)區(qū)間間隧隧道道內(nèi)內(nèi)進進行行。。4工程程概概況況聯(lián)絡(luò)絡(luò)通通道道處處上上、、下下行行盾盾構(gòu)構(gòu)中中心心間間距距為為12.80m，上上行行線線隧隧道道中中心心標(biāo)標(biāo)高高－－13.712m，下下行行線線隧隧道道中中心心標(biāo)標(biāo)高高－－13.738m，聯(lián)聯(lián)絡(luò)絡(luò)通通道道對對應(yīng)應(yīng)地地面面標(biāo)標(biāo)高高為為4.17m。喇叭叭口口開開挖挖尺尺寸寸為為：：1.458m(長)××4.40m(寬)××4.844m(高)通道道開開挖挖尺尺寸寸為為：：5.13(長)××3.30m(寬)××4.244m(高)集水水井井開開挖挖尺尺寸寸為為：：4.80m(長)××3.30m(寬)××4.20m(高)防火火門門尺尺寸寸為為1.40m××2.05m。襯砌砌采采用用二二次次襯襯砌砌方方式式，，所所有有臨臨時時支支護護層層厚厚度度均均為為200mm；結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)層層為為400mm厚的的現(xiàn)現(xiàn)澆澆鋼鋼筋筋混混凝凝土土，，通通道道底底板板結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)層層為為1000mm厚的的現(xiàn)現(xiàn)澆澆鋼鋼筋筋混混凝凝土土。。臨臨時時支支護護層層和和結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)層層之之間間安安裝裝防防水水層層4工程程概概況況圖1聯(lián)絡(luò)絡(luò)通通道道結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)剖剖面面示示意意圖圖5凍結(jié)結(jié)帷帷幕幕計計算算根據(jù)據(jù)地地質(zhì)質(zhì)資資料料，，聯(lián)聯(lián)絡(luò)絡(luò)通通道道底底板板埋埋深深18.572m，凍凍結(jié)結(jié)帷帷幕幕中中心心的的埋埋深深為為18.572m+0.8m=19.372m。按按靜靜止止土土壓壓力力計計算算旁旁通通道道的的上上部部荷荷載載和和側(cè)側(cè)向向荷荷載載（（如如圖圖2所示示））。。設(shè)設(shè)凍凍土土帷帷幕幕厚厚度度為為1.6m，通通道道開開挖挖輪輪廓廓高高為為4.24m，寬寬3.20m，計計算算該該結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)內(nèi)內(nèi)部部的的彎彎矩矩和和軸軸力力，，進進而而求求得得截截面面內(nèi)內(nèi)的的壓壓應(yīng)應(yīng)力力、、拉拉應(yīng)應(yīng)力力的的剪剪應(yīng)應(yīng)力力。。圖2凍土土帷帷幕幕受受力力簡簡圖圖5凍結(jié)結(jié)帷帷幕幕計計算算表中中的的安安全全系系數(shù)數(shù)K是由由凍凍土土強強度度與與其其相相應(yīng)應(yīng)的的凍凍土土結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)相相關(guān)關(guān)位位置置的的應(yīng)應(yīng)力力比比值值。。由由于于聯(lián)聯(lián)絡(luò)絡(luò)通通道道斷斷面面的的土土層層以以粉粉砂砂土土為為主主，，故故凍凍土土強強度度以以凍凍土土平平均均溫溫度度為為-10℃℃時的的粉粉土土強強度度為為準(zhǔn)準(zhǔn)，，σ壓=4.0Mpa,σσ拉=2.0Mpa,σσ剪=1.7Mpa。從從數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)可可見見，，各各截截面面的的壓壓應(yīng)應(yīng)力力安安全全系系數(shù)數(shù)K>2.19，拉拉應(yīng)應(yīng)力力安安全全系系數(shù)數(shù)K>1.94，剪剪應(yīng)應(yīng)力力安安全全系系數(shù)數(shù)K>3.64，安安全全儲儲備備較較大大。。6凍結(jié)結(jié)孔孔布布置置根據(jù)據(jù)凍凍結(jié)結(jié)帷帷幕幕設(shè)設(shè)計計及及聯(lián)聯(lián)絡(luò)絡(luò)通通道道的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，，凍凍結(jié)結(jié)孔孔按按上上仰仰、、近近水水平平、、下下俯俯三三種種角角度度布布置置。。凍凍結(jié)結(jié)孔孔數(shù)數(shù)55個。。凍凍結(jié)結(jié)孔孔的的布布置置詳詳見見下下圖圖。。圖3凍結(jié)結(jié)孔孔布布置置展展開開圖圖6凍結(jié)結(jié)孔孔布布置置7制冷冷設(shè)設(shè)計計計計算算凍結(jié)結(jié)需需冷冷量量由由下下式式計計算算：：Q=1.3.ππ.d.H.K；式中中:H——凍結(jié)結(jié)總總長長度度；；d——凍結(jié)結(jié)管管直直徑徑；；K——凍結(jié)結(jié)管管散散熱熱系系數(shù)數(shù)。。將上上述述參參數(shù)數(shù)代代入入公公式式得得：：Q=1.3.ππ.d.H.K=58169Kcal/h=67.6KW/h根據(jù)據(jù)冷冷量量計計算算，，選選用用YSKF212.5型螺螺桿桿機機組組2臺套套，，單單臺臺設(shè)設(shè)計計工工況況制制冷冷量量44.2KW，機機組組外外型型尺尺寸寸：：長長×寬×高=4××1.8××2.0m，電電機機功功率率57.2kw。凍結(jié)結(jié)管管選選用用Φ95××8mm,20#低碳碳無無縫縫鋼鋼管管,絲扣扣連連接接,單根根長長度度1m或1.5m,總長長度度約約650m。測測溫溫管管選選用用Φ32××3mm,20#低碳碳無無縫縫鋼鋼管管。。供供液液管管選選用用″鋼管管，，采采用用焊焊接接連連接接8凍結(jié)結(jié)施施工工技技術(shù)術(shù)要要點點在該該地地層層凍凍結(jié)結(jié)工工程程中中，，由由于于其其特特殊殊施施工工條條件件與與要要求求，，需需采采取取特特別別工工藝藝與與技技術(shù)術(shù)措措施施，，以以控控制制凍凍結(jié)結(jié)孔孔鉆鉆進進，，地地層層凍凍脹脹和和融融沉沉等等對對隧隧道道的的影影響響，，根根據(jù)據(jù)國國內(nèi)內(nèi)外外最最新新研研究究成成果果和和施施工工經(jīng)經(jīng)驗驗，，提提出出以以下下凍凍結(jié)結(jié)施施工工技技術(shù)術(shù)措措施施：：（1）在在已已貫貫通通的的隧隧道道鉆鉆凍凍結(jié)結(jié)孔孔，，根根據(jù)據(jù)聯(lián)聯(lián)絡(luò)絡(luò)通通道道的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)采采用用上上仰仰、、近近水水平平和和下下俯俯三三種種成成孔孔角角度度。。（2）由于凍土抗抗拉強度低，，因此除設(shè)計計中盡量降低低凍土帷幕所所承受的拉應(yīng)應(yīng)力外，主要要做好凍結(jié)和和開挖的配合合工作，要求求及時