《冻结法施工工艺》doc版.doc

冻结法施工工法1冻结法施工工艺9冻结法在广州地铁 3 号线施工中的应用13冻结法施工工法一、前言作为一种成熟的施工方法，冻结法施工技术在国际上被广泛应用于城市建设和煤矿建设中，已有100多年的历史，我国采用冻结法施工技术至今也已有40多年的历史，主要用于煤矿井筒开挖施工，其中冻结最大深度达435m，冻结表土层最大厚度达375m。自1992年起，冻结法工艺被广泛应用于上海、北京、深圳、南京等城市地铁工程施工中。中铁四局集团在上海地铁M8线标段黄兴路站延吉中路站区间隧道旁通道工程施工中,采用了冻结法加固的施工方法,通过对施工工艺的归纳总结，以及参考有关施工技术资料,形成本工法。二、特点冻结法适用于各类地层尤其适合在城市地下管线密布施工条件困难地段的施工，经过多年来国内外施工的实践经验证明冻结法施工有以下特点：1、可有效隔绝地下水，其抗渗透性能是其它任何方法不能相比的，对于含水量大于10%的任何含水、松散，不稳定地层均可采用冻结法施工技术；2、冻土帷幕的形状和强度可视施工现场条件，地质条件灵活布置和调整，冻土强度可达5-10Mpa，能有效提高工效；3、冻结法是一种环保型工法，对周围环境无污染，无异物进入土壤，噪音小，冻结结束后，冻土墙融化，不影响建筑物周围地下结构；4、冻结施工用于桩基施工或其它工艺平行作业，能有效缩短施工工期。三、使用范围冻结法适用于各类地层，主要用于煤矿井筒开挖施工。目前在地铁盾构隧道掘进施工、双线区间隧道旁通道和泵房井施工、顶管进出洞施工、地下工程堵漏抢救施工等方面也得到了广泛的应用。四、工艺原理冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，将松散含水岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水，以便在冻结壁的保护下，进行地下工程掘砌作业。它是土层的物理加固方法，是一种临时加固技术，当工程需要时冻土可具有岩石般的强度，如不需要加固强度时，又可采取强制解冻技术使其融化。五、工艺流程冻结法施工工艺流程图施工前的准备工作（进场、加工件组织）钻孔定位钻 孔冻结管打压下冻结器冻结管安装冻结系统调试积极冻结开挖结构完成维护冻结冻 结 系 统 部 分 安 装工程监测注 浆冻结测温监测结构施工冻土融化六、施工操作要点施工时,应不断对每个施工工序进行管理。控制冻结孔施工、冻结管安装、冻结站安装、冻结过程检测的质量。1、冻结孔施工1.1开孔间距误差控制在20mm内。在打钻设备就位前，用仪器精确确定开孔孔位，以提高定位精度。1.2准确丈量钻杆尺寸，控制钻进深度。1.3按要求钻进、用灯光测斜，偏斜过大则进行纠偏。钻进3m时，测斜一次，如果偏斜不符合设计要求，立即采取调整钻孔角度及钻进参数等措施进行纠偏，如果钻孔仍然超出设计规定，则进行补孔。2、冻结管试漏与安装2.1选择634mm无缝钢管，在断管中下套管，恢复盐水循环。2.2冻结管(含测温管)采用丝扣联接加焊接。管子端部采用底盖板和底锥密封。冻结管安装完，进行水压试漏，初压力0.8MPa，经30分钟观察，降压005MPa，再延长15分钟压力不降为合格，否就近重新钻孔下管。2.3冷冻站安装完成后要按矿山井巷工程施工及验收规范要求进行试漏和抽真空，确保安装质量符合设计要求。3、冻结系统安装与调试3.1按1.5倍制冷系数选配制冷设备。3.2为确保冻结施工顺利进行，冷冻站安装足够的备用制冷机组。冷冻站运转期间，要有两套的配件，备用设备完好，确保冷冻机运转正常，提高制冷效率。3.3管路用法兰连接，在盐水管路和冷却水循环管路上要设置伸缩接头、阀门和测温仪、压力表、流量计等测试元件。盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温，保温厚度为50mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎。集配液圈与冻结管的连接用高压胶管，每根冻结管的进出口各装阀门一个，以便控制流量。3.4冷冻机组的蒸发器及低温管路用棉絮保温，盐水箱和盐水干管用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保温。3.5机组充氟和冷冻机加油按照设备使用说明书的要求进行。首先进行制冷系统的检漏和氮气冲洗，在确保系统无渗漏后，再充氟加油。3.6设备安装完毕后进行调试和试运转。在试运转时，要随时调节压力、温度等各状态参数，使机组在有关工艺规程和设备要求的技术参数条件下运行。4、积极冻结阶段在冻结试运转过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻土帷幕扩展情况，必要时调整冻结系统运行参数。冻结系统运转正常后进入积极冻结。积极冻结，就是充分利用设备的全部能力，尽快加速冻土发展，在设计时间内把盐水温度降到设计温度。旁通道积极冻结盐水温度一般控制在-25-28之间。积极冻结的时间主要由设备能力、土质、环境等决定的，上海地区旁通道施工积极冻结时间基本在35天左右。5、维护冻结阶段在积极冻结过程中，要根据实测温度数据判断冻土帷幕是否交圈和达到设计厚度，测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度后再进行探孔试挖，确认冻土帷幕内土层无流动水后（饱和水除外）再进行正式开挖。正式开挖后，根据冻土帷幕的稳定性，提高盐水温度，从而进入维护冻结阶段。维护冻结，就是通过对冻结系统运行参数的调整，提高或保持盐水温度，降低或停止冻土的继续发展，维持结构施工的要求。旁通道维持冻结盐水温度一般控制在-22-25之间。维护冻结时间由结构施工的时间决定。6、工程监测6.1工程监测的目的工程量测作为该工法的一项重要施工内容。其目的就是根据量测结果，掌握地层及隧道的变形量及变形规律，以指导施工。由于旁通道施工位于地下十多米处,为防止施工时对地面周边建筑、地下管线、民用及公共设施带来不良影响，甚至严重破坏。对施工过程必须有完善的监测。6.2工程监测的内容工程监测贯穿整个施工过程，其主要监测内容为：地表沉降监测，隧道变形监视，通道收敛变形监测，冻土压力监测。6.1.1冻结孔施工监测内容为：冻结管钻进深度；冻结管偏斜率；冻结耐压度；供液管铺设长度。6.1.2冻结系统监测内容为：冻结孔去回路温度；冷却循环水进出水温度；盐水泵工作压力；冷冻机吸排气温度；制冷系统冷凝压力；冷冻机吸排气压力；制冷系统汽化压力。6.1.3冻结帷幕监测内容为：冻结壁温度场；冻结壁与隧道胶结；开挖后冻结壁暴露时间内冻结壁表面位移；开挖后冻结壁表面温度。6.1.4周围环境和隧道土体进行变行监测内容为：地表沉降监测；隧道的沉降位移监测；隧道的水平及垂直方向的收敛变形监测；地面建筑物沉降监测。七、机具设备1、冻结法施工旁通道所用设备见表1表1 旁通道冻结施工主要机械设备表序号设备名称规格、型号数量额定功率能力1螺杆冷冻机组JYSGF300II2台110KW87500Kcal/h2盐水泵IS125-100-2002台45KW200m3/h3冷却水泵IS125-100-200C4台15KW120m3/h4冷却塔NBL-504台15m3/h5钻机MK-501台6电焊机BS-402台7抽氟机1台说明：以上1-4项冻结设备均备用一台。2、冻结法施工旁通道所用量测设备见表2表2 旁通道冻结施工主要量测设备表序号设备名称规格、型号数量备注1经纬仪J21台2测温仪GDM81451台测量冻土温度3精密水准仪1台4打压机20MPa1台冻结器打压试漏5收敛仪1台冻土帷幕收敛6钢卷尺20m1把八、质量标准由于冻结法施工工程技术难度高，施工风险大，工程中不可预测因素多，故此对质量要求极高。目前主要参照煤炭行业煤矿井巷工程施工及验收规范GBJ213-90、煤矿井巷工程质量检验评定标准MT5009-94标准要求进行施工。除了参照国家有关标准外，还应着重注意以下几点：1、冻结帷幕设计时应选择比较安全的计算模型，要有足够的安全系数；2、冷冻机组制冷量在设计时，取较大的备用系数；3、钻孔的偏斜应控制在1%以内；4、终孔间距不大于1.0m；5、在冻土帷幕关键部位，多布置测温孔，监测冻土帷幕的形成过程和形成状况。九、劳动力组织冻结法施工技术要求高，专业性强，且由于其特殊性，现场需配备土建工程师、机械工程师、电气工程师和测量工程师。作业人员配备人员见表3：表3 作业人员配备人员工 作 项 目工 种人 数备 注冻结孔施工打钻工15人进入冻结阶段可转为普通工冻结管安装冻安工9人进入冻结阶段可转为普通工机械维修机修工3人电气维修电工2人（包括设备数据采集）电焊电焊工2人冻结管焊接工程监测测量工3人环境变化监测测温技术员1人测温孔测温辅助施工普通工4人当班负责施工员2人总计41人十、安全环境保护1、设计要考虑各种最不利条件，保证方案安全可靠：2、设计计算的各种最不利条件，在施工组织设计及施工中，做到重点防范，采取切实可行、有效的措施加以控制。3、选用无污染、效率高、体积小、重量轻、制冷量大、安装运输方便的螺杆冷冻机组作为制冷系统的主机。以适应地铁施工场地小、工期紧的需要。4、采用通讯系统和视频系统有效的监控施工现场，对施工中发现的问题及时汇报处理，杜绝一切不安全的施工现象和违章的操作，把事故制止在萌芽状态。5、旁通道设安全防水门，一备发现险情关闭防水门，保护隧道之用。6、在对面隧道内，增设冷冻板，冷冻板排管外设置泡沫保温材料，以确保对面隧道交接处的完好冻结状态；在旁通道的左右侧各钻一个89的冻结孔，作为冷冻板盐水循环的进回液管。7、在管线交底后也可对地下管线和隧道进行必要的支撑。对离冻结区较近的管线与建筑物进行暴露或保温，防止冻坏。8、旁通道开挖期间项目管理人员采用二十四小时值班制，对施工的各个环节要起到及时的检查和督促作用，在施工现场准备足够的备用设备和物资，以备应急之用。9、为预防开挖中停电等导致停工，甚至出现冒顶、涌砂事故，采取以下预案：在旁通道开挖期间，通道内准备3米长16#槽钢（或钢管）6根，粘土2.0t和足够的砂袋，以在必要时堆粘土和砂袋封闭通道，预防淹隧道。10、冻结加固中打设的冻结孔将穿越、号土层，该土层局部夹有粉砂薄层，有钻孔突水、涌砂的可能。A、加大钻具推力，强行顶入套管B、利用原钻具系统注浆，浆液选用水泥水玻璃或丙烯酸盐类浆液。C、必要时压紧孔口管密封装置，封闭该孔。11、采取必要的措施，防止打冻结孔时水土流失；在钻孔施工期间加强沉降的监测，发现跑泥漏沙水土流失严重引起的沉降，影响到建筑物和地下管线，应立即停止施工，立即注浆，防止沉降影响周围建筑物和地下管线，到没有沉降为止，待地层较稳定后再施工钻孔。12、加大盐水在冻结管内的流量，采用串并联循环方式，加快冻结管的热交换。13、用逐步降温的过程，防止冻结管由温度应力造成的开裂。冻结孔每三个串联供液，并根据流量及去回路温差监控冻结器的盐水流量及均匀性，确保冻结帷幕支护可靠。14、根据监测的测温孔温度计算的各个剖面冻结壁的平均温度，对温度偏高的部位，调整盐水流量予以调控。实现信息化施工，加强冻结壁的监测监控。根据监测情况调控冻结壁强度和变形。15、加强冻胀与融沉监测，发现冻胀影响到建筑物和地下管线，通过打的卸压孔减小冻胀或打冻结孔加热循环，进行解冻；预留注浆孔，进行跟踪注浆，防止融沉影响周围建筑物和地下管线。十一、效益分析自我国采用冻结法施工技术以来，作为一种特殊的施工方法，其抗渗透性能是其它任何方法不能相比的。近年来，城市地下工程施工进入了高峰，复杂的施工环境使一些大型的设备往往束手无测，而冻结法这种仅在施工范围内钻孔就可解决问题简易手段正好有了用武之地，本文归纳其有以下优势：1、可视施工现场条件，地质条件灵活布置和调整，可在地下施工，不占用地面土地，虽加固的费用高出水泥搅拌桩约1/3，但远远低于节省交通组织费用。2、冻结土体强度高，并可根据施工要求调节不同部位的强度，安全性好。3、阻水效果较其他方法更有效。4、是一种环保型工法，对周围环境无任何污染。 十二、工程实例上海地铁杨浦线（M8线）标段延吉中路站黄兴路站区间长1112m，中间设计旁通道及泵站一座。原设计为深层搅拌桩加固，但是由于所在的路面为控江路，交通非常繁忙，而深层搅拌桩加固要求必须对路面实施封交。因此综合各种因素考虑，我们向设计院提出了冻结法加固的变更，并获通过。2004年6月12日冻结孔施工，2004年7月25日开始冻结，2004年9月17日开挖，于2004年10月17日全部完工。施工期间冻结设备运转正常，冻结帷幕形成顺利，开挖期间未发现渗漏。冻土壁厚度达到设计要求，保证了旁通道及泵站结构的施工，无任何安全、质量问题。附图：冻结设备及冻结站布置图人工冻结法在南京地铁张府园车站的应用 摘 要：南京地铁一期工程张府园车站南隧道盾构法施工时，洞门两侧出现大量流砂，附近区域的沉降量较大，为了确保地下管线和地面交通的正常使用和安全运行，在南京首次实施了地下工程的人工冻结法施工。本文论述了冻结法在该工程中的冻结设计、施工工艺及对周围环境影响等问题和实际取得的效果。 关键词：冻结法,地铁,盾构 1 引言 我国冻结法现已成为成熟的凿井施工技术，但在城市岩土工程中的应用还不多。冻结技术可在地面城市地下工程中的应用范围包括：盾构隧道盾构进墙、深层搅拌桩以及压密注浆对土体进行加固，在凿除洞门钢筋混凝土时发现洞门中心处东、西两侧有流砂涌入，迅速采用双液注浆堵水，过了两天又在有大量流砂涌入，对周围环境产生较大的影响，其中端头井东侧的沉降量增大，东部20 平方米 区域下陷1.5 m 左右(图1)。在这种情况下施工单位及时出洞土体加固、盾构隧道地下或海底对接时土体加采取措施，以保证施工以及周围环境的安全。固、城市地铁泵房、旁通道和急转弯部分、建筑基根据管线及房屋调查结果显示，在张府园车站坑加固、地下工程涌水、坍塌事故的抢险修复、地南端头井的东侧沿中山南路方向15 m 范围内有下隧道交叉处土体加固、桥墩基础施工等。南京地380 V 的电缆一根，直径约900 mm 的下水管一根，铁南北线一期工程TA7 标张府园车站端头井洞门南侧沿建邺路方向15 m 范围内有380 V 的电缆一补充加固时北京中煤矿山工程有限公司采用冻结法根，直径约1 200 mm 以及150 mm 的上水管一根。施工，取得了良好的施工效果。这些管线距加固区域距离均在815 m 范围之内。 2 工程概况 3 加固方案的比选 张府园车站南端头井洞门区域采用地下连续我国城市地下工程常采用旋喷、深层搅拌、注浆、地下连续墙及冻结法等加固方法。由于张府园车站南端头井地质条件较为复杂，容易产生流沙，经过压密注浆检测加固效果不太明显，有些土质吃浆量低；旋喷对淤泥、粉土、砂土等软弱地基处理有良好的效果，但当地层存在动水时，旋喷桩养护时间需要延长，有潜在不能成桩的危险，且难于发现，若出现部分旋喷桩不能成桩，必须再次加固，这就增加加固的难度。 冻结法可在极其复杂的地质条件和水文条件下形成冻土壁，试验结果表明，在粉土及粉砂层中冻结，冻融土的压缩模量降低不大，即冻融沉陷不会太大13 ，显然是一种安全可靠的方法。经过方案比选，张府园盾构出洞采用了人工冻结技术。冻结法与其他加固方法相比，具有如下的特点2： 冻结法适用复杂的地质条件。几乎不受地基土的地质条件影响，可形成任意深度、任意形状的冻土墙，可成为某些工程唯一可用的辅助工法；隔水性能好。其隔水性能是其它施工方法无法相比的；冻土墙的连续性和均匀性得到保证。注浆法和深层搅拌桩只是对土体局部加固，加固范围不易控制，加固体强度不均匀，而冻结技术可以把涉及的土体全部冻成冻土，冻结加固体均匀，整体性好，可形成城市地下工程的帷幕；冻结壁具有足够的强度。当冻结壁的厚度和强度达到设计要求足以抵抗开挖时的水土压力时，即可在冻结壁的保护下开凿洞门；随着工程规模加大，经济上有一定竞争性。 据南京情况估算，冻土墙与其他加固方法经济比较见表13，从表中，随着加固工程规模的加大，冻结法加固单位土体造价不断降低，当加固体体积5 000 m3 时，在经济上接近地下连续墙，当加固体体积20 000 m3 时，具有竞争性3。 4 冻结方案设计 4.1 冻土墙设计 采用在盾构出洞口周围土层中布置垂直冻结孔冻结的方法，在洞口外侧形成一道与工作井地连墙紧贴的冻土墙，其作用主要是抵抗洞口周围的水压力。由于冻结加固区外侧已有搅拌桩，可以承受土压力，所以，仅按封水要求设计冻土墙，冻土墙的厚度按搅拌桩加固区与地连墙之间的距离确定，有效厚度为0.5 m 。由于地连墙混凝土的导热性好，冻土墙与地连墙之间不易冻结，所以，要求冻结管靠近地连墙，并对盾构出洞口附近工作井表面进行保温。 冻结孔布置与冻土墙形成设计见图2。共布置冻结孔21 个，冻结孔深度18.5 m，开孔间距450 mm, 冻结孔与工作井地连墙之间的间距为250 mm，设测温孔2 个，深度18.5 m 。取冻结孔允许偏斜率5 。冻土墙的扩展速度取26 mm/d。设计冻结15 d 后开始破盾构出洞口，此时，冻土墙厚度达到0.64 m，宽度达到8.8 m，均能满足上述设计计算要求。设计最低盐水温度为-24 -28 ，并要求冻结7 d 盐水温度达到-22 ；冻土墙平均温度不高于-9 。打开隧道出洞口时冻土墙与工作井地连墙交界面附近温度低于-3 。冻结管外径为108 mm；冻结15 d 后开始打开盾构出洞口；拔除冻结管2 d。 4.2 施工工艺 冻结法的工艺过程为：在盾构出洞方向沿工作井地连墙外侧布置冻结孔，并在冻结孔中循环低温盐水，使冻结孔附近的含水地层结冰形成冻土墙，并在冻土墙的保护下打开盾构出洞口和推进盾构机。冻结法加固地层的主要施工工序为：施工准备冻结孔施工，同时安装冻结制冷系统安装冻结盐水系统和检测系统冻结运转探孔检验打开盾构出洞口停止冻结，拔冻结管盾构推进。 5 施工过程中检测结果分析 5.1 冻结过程温度场分析 描述了冻结过程中不同深度处土体与温度的关系，从该关系曲线图可以看出，不同深度土体 的温度变化很相似，在0 以上,温度下降速率较快，接近线性分布，0 以下，温度降低较为缓慢，这主要是因为该温度段土体中水分结冰，发生相变并且放出大量潜热;随着时间的增长,温度不断下降, 在土体中逐渐形成坚实的冻土壁,达到承载、堵水的效果。 5.2 冻结过程位移变化分析 为了观察冻结过程中位移的变化，埋设了23 个观测孔，埋点见图1。绘出其中有代表性的几个观测孔的位移与温度的关系于图4。从图中可以看出，8#观测点位于冻土墙东面产生流砂的区域，冻结前具有较大的初沉降(7 mm)，随着温度的降低，产生冻胀，冻胀量为4 mm，但最终表现为沉降。14#观测点由于离流砂区和冻结孔较远，初始沉降量(4 mm)和冻胀量(2 mm)都较小。10#观测点由于离冻结孔最近，又处于深层搅拌桩加固区域，因而无初始沉降，冻胀量为3 mm。18#观测点由于处于冻土墙西侧流砂区域，所以有初始沉降，但离冻结孔较远，因而冻胀很小仅1 mm。对冻结加固地带周围的23 个观测点观察到的位移(观测点采用钢筋打入土体内2 000 mm)，冻胀最大值均不超过4 mm。 6 有关冻结法的几个技术问题 6.1 冻胀融沉 城市地下工程冻结法施工存在冻胀融沉问题，过量的冻胀融沉量会对地表建筑物、交通和地下管线产生破坏作用，抑制冻胀防止冻融下沉是冻结法用于地铁以及城市岩土工程的主要课题之一。冻胀机理是土体中的水结冰时体积增大，产生的水压导致地下水向冻结峰面迁移，致使冻胀现象越来越显著。当冻土融化时，体积减小，又产生较大的土层沉降。不同地质条件下冻胀和融沉量也不相同，粘土变形大，粉土、砂土次之，融沉量一般大于冻胀量。一般可实施的抑制冻胀措施有：(1) 降低冷却温度，增大冻结速度，例如采用二级压缩制冷、适当加大冻结管的直径；(2) 把冻结范围控制在必要的最小限度，例如采用局部冻结器；(3) 研究冻结管的布置，使冻结膨胀变形和热的传递方向一致；(4) 利用钻孔使地基产生沉降和松动，以抵消部分变形；(5) 研究冻土形成的顺序，尽量用横向位移吸收膨胀；(6) 通过增加孔隙水的粘性来控制向冻结面的水分迁移量。另外，压力施放孔、注浆冲填、工作面释放水和强制解冻等措施，也可有效地解决冻胀融沉问题。 6.2 缩短工期的措施 冻结施工工期主要由冻结设备安装时间、打钻布管时间、积极冻结时间和挖掘或推进时间组成，其中积极冻结时间占50 %左右，冻结设备安装时间占25 %左右，因此如何减少积极冻结和设备安装时间成为关键，合理选择冷冻机组、冻结孔间距以及最佳盐水温度是至关重要的。 7 结语 (1) 张府园南端头井洞门补充加固采用垂直冻结法施工,完成了张府园南端头井上行线洞门的开凿,使盾构机顺利出洞。 (2) 没有明显的冻胀融沉，也没有对周围环境造成影响；另外，冻结施工无噪音，无污染，对地下水位和水质没有影响，因而取得了良好的施工效果。 (3) 冻结法施工虽然工期较长, 张府园车站从开始钻进冻结孔到拔管结束总工期为35 d，比注浆、深层搅拌桩法略长，但确保了一次成功。 (4) 分析南京地铁的工程状况，在软弱复杂的地层，未来可能应用冻结法的有盾构进、出洞土体加固，地铁连通道、泵房等土体加固，短距离特殊地段水平隧道冻结施工等。 参考文献 1 杨平. 原状土和冻融土物理力学性能差异性研究J. 南京林业大学学报，2001, (2): 665-671. 2 杨平. 冻结法用于深基坑坑壁维护的可行性研究J.山东矿业学院学报，1996(4): 12-16. 3 南京地铁南北线一期工程冻融土物理力学性能及人工冻结技术研究报告R. 南京地铁总公司，南京林业大学2002。 冻结法施工工艺摘要冻结法施工在公路隧道、基坑等工程中已被世界各国的工程界广泛地使用,可为地下工程的施工提供更加安全、便利的施工条件。阐述了冻结法加固地层的原理及优点,结合工程实例介绍了冻结法在地铁工程中的应用,并就冻结法加固的水平钻孔及土体的冻胀、融沉问题进行了分析研究。关键词地铁,地基加固,冻结法施工1 冻结法加固地层的原理及优点1.1 冻结法加固地层的原理 冻结技术源于天然冻结现象。人类首次成功地使用人工制冷加固土壤,是在1862年英国威尔士的建筑基础施工中。1880年德国工程师F.H.Poetch首先提出了人工冻结法原理,并于1883年在德国阿尔巴里煤矿成功地采用冻结法建造井筒。从此,这项地层加固特殊技术被广泛地应用到世界许多国家的矿井、隧道、基坑及其它岩土工程建设中,成为岩土工程,尤其是地下工程施工的重要方法之一。 冻结法加固地层的原理,是利用人工制冷的方法,将低温冷媒送入地层,把要开挖体周围的地层冻结成封闭的连续冻土墙,以抵抗土压力,并隔绝地下水与开挖体之间的联系;然后在这封闭的连续冻土墙的保护下,进行开挖和做永久支护的一种地层特殊加固方法。 进入地层内的冷媒通过进、回管路与地层相连,通过冻结管与地层进行热交换,将冷量传递给周围地层,而将地层中热量带走。由此使冻结管周围地层由近向远不断降温,逐渐使地层中的水变成冰,把原来松散或有空隙的地层通过冰胶结在一起,形成不透水的冻土柱。若干个这样的冻结管排列起来,通过冻结管内的冷媒不断循环,使这些冻结管周围土都冻成冻土柱。随着冻土柱半径不断扩展,相邻冻土柱就会相连,彼此通过冰紧密结合在一起,形成密封连续墙。1.2 冻结法施工的优点 1)封水性有自由水(一般情况下含水率应大于10%,否则要采取增加土层湿度的辅助工法)就能冻结成冻土,形成冻土壁。无论是透水层,还是隔水层,冻土壁可以阻隔地下水侵入,形成干燥的施工环境。 2)强度高一般认为冻土是一种黏弹塑性材料,其强度同土质、容重、含水率、含盐量及温度等因素有关,一般可达到210 MPa,远大于融土强度,从而起到结构支撑墙的作用。 3)适应性强适应各种土层及多种地下工程,尤其适用于含水量大、地层软弱、其他工法施工困难或无法施工的地下工程。 4)复原性施工结束土层恢复原状,对土层破坏性很小。这是其他工法所无法比拟的。 5)绕障性具有绕过障碍冻结加固和封水能力。 6)无公害用电能换取冷能,不污染大气环境,无有害物质排放,对地下水无污染。在环保要求高的工程中,其优越性尤其明显。 7)可控性冻结工期、冻结壁厚度、冻结壁形状等都可调控。 8)适用性可在密集建筑区和现有工程建筑物下施工,不需进行基坑排水,可避免因抽水引起地基沉降造成对周围建筑物的不利影响。 9)施工便利无支衬、无拉锚,可进行敞开式施工并扩大建筑面积,缩短工期。2 冻结法在地铁工程中的应用 在地铁施工中,冻结法主要应用于盾构进洞、出洞加固,旁通道构筑和地铁修筑中薄弱地段加固。冻结法施工的有些环节已经比较成熟,如: 1)冷媒剂的选用通常选用适用温度范围较广、热容量较大、来源充裕、价格较便宜的氯化钙溶液。它是制冷工程最广泛应用的冷媒剂。 2)制冷剂的选用通常选用氟里昂作制冷剂,也有用液氮或干冰溶于酒精后的液体作制冷剂。其中液氮可使冻结管温度降至-190,而干冰和酒精的液体可达-70,可使冻土墙在几小时内形成。 3)制冷设备的选型目前在地铁工程中,无论是进、出洞加固,还是旁通道构筑,需冷量都在20.9104kJ/h左右。选用W-YSLGF300型螺杆机组一台套就足够满足工程需要,其工况制冷量为36.6104kJ/h。 4)冷冻管的布置垂直向冻结形成的冻土墙通常有矩型和梅花型布置。梅花型布置可能更合理,但应本着因地制宜的原则灵活布置,视工程需要而定。 5)冻土强度计算影响冻土瞬时强度的因素主要有温度、含水率、土的颗粒组成和冻结速度。 温度的影响:冰的强度和胶结能力随着温度的降低而增大,因此冻土强度也随着温度的降低而增大。含水率的影响:当土的含水达到饱和前,冻土的强度随着含水量的增加而提高;含水量达到饱和后,由于冰的析出,冻土的强度随着含水量的增加而下降;当含水量比饱和含水量大很多时,冻土的强度就降低到和冰的强度差不多。土的颗粒组成的影响:当其它条件相同时,土颗粒越粗冻土强度越高,反之就低。这主要是由于不同的颗粒成分造成土中含结合水的差异所引起的。粗砂、砂砾和砾石等粗颗粒土壤,其中几乎不含结合水,土壤一经冻结就不存在未冻水,所以强度高;反之,黏土类的颗粒细,总表面积很大,其中含有较多的吸附水和薄膜水,而吸附水一般是不冻结的,薄膜水在一定的负温条件下才冻结,使冻土的黏滞性和活动性增加,强度降低。冻结速度的影响:冻结速度快,冻土中的细颗粒冰就多,冻土强度就高,反之则低。 冻土的持久抗压强度约为瞬时抗压强度的1/21/2.5;冻土的持久抗剪强度约为瞬时抗剪强度的1/1.81/2.5;冻土的持久抗拉强度约为瞬时抗拉强度的1/121/16。3 技术关键和难点3.1 冻结法在地铁工程中的水平钻孔施工 矿井井筒冻结是垂直施工。为数不多的其它岩土工程的水平冻结,距离也不长。地铁工程的隧道进洞施工有的需采用冻结法打水平钻孔。如南京张府园新街口的进洞加固需大约10 m的挡土止水结构,但由于地处饱和粉砂土质,用普通施工方法可能会出现涌砂、塌孔现象,故用水平圆筒型结构,需打水平冻结孔。地铁工程的旁通道施工也需打近水平钻孔。所以,打水平钻孔已成为冻结施工的关键和难点之一。3.1.1 在饱和砂土中的水平钻孔施工 依据施工工艺,须对上述南京地铁工点的进洞隧道断面上拱部流砂层实施水平冻结加固方案。按隧道断面形式,沿上拱部均匀布设水平冻结孔10个(见图1),孔深40 m,开孔间距为680 mm;冻结壁上下侧各布置1个观测孔,孔深45 m。水平冻结孔钻进必须采取以下技术措施:为克服钻具固有的“下垂”作用,在钻孔过程中需要在钻具转数(n)、钻孔加压(P)、洗井液流量(Q)及顶管与正反转方面加以有效配合,协调钻进参数,在钻进工艺方面采取有效措施;在钻机上加导向扶正装置,尽量减少“下垂力”;尽量减轻钻具前部重量,用以减小钻具悬臂力矩;钻头设计成“咬土”形状,使冻结钻孔尽可能沿水平直线前进;用“旋塞式可逆止钻头装置”,用钻杆代冻结管,以解决起钻后因地层坍塌而无法插入冻结管的问题。用该装置钻孔时可正常洗孔:钻完后立即密封钻具系统,避免砂土涌入管内,经过简单洗孔,旋上旋塞,完全可满足冻结时所需要的密封性。该装置无论是外水平孔或者是上斜孔,无论是通过淤泥还是流砂,实践证明都是可行的。钻进所需主要机具和材料有:MK-5型钻机,泥浆泵,搅拌机,配电箱,钻管,钻具及膨润土等。隧道积极冻结期35 d,形成厚度为1.21.6m、拱跨度为6.0 m的半圆拱形水平冻结壁。冻结壁为非封闭结构,平均温度为-10。冻结粉红砂层的瞬时抗压强度为11 MPa,设计抗压强度为6MPa(持久),设计抗弯强度为2.5 MPa(持久)。冻结壁生根于下部黏土层,形成坚固的隔水支护结构,从而隔开上部流砂层,最终形成完整隔水层。 隧道采取分层掘衬施工,拱部短掘短衬,拱顶冻结壁直接作用在下部黏土层上,粉细砂层冻结壁形成临时支护控制层。达到设计冻土拱厚的冻结期为35 d。这一期间冻结段冻胀地表最大隆起位移量Dmax=5.8 mm。3.1.2 在地铁旁通道的水平钻孔施工 上海轨道交通2号线原共有9个旁通道,其中4个是用近水平钻孔冻结技术从隧道内施工,因而不影响地面交通和商贸。上海轨道交通2号线杨高路站中央公园站区间隧道旁通道的软土加固中应用全封闭水平冻结技术取得了成功。该地区地下水位1.5 m,土体含水丰富。施工区域的土层以灰色黏土和灰色淤泥质黏土为主,含水量为22.6%63.0%,孔隙比为0.9141.732,塑性指数为16.625.9,平均重度为18.25 kN/m3。土层流塑性强,具有中-高压缩性。由于对施工造成上、下行线隧道和地表变形等影响的要求极为严格,因此在这种地层条件下施工难度很大。 冻结孔和测温孔的良好施工质量是整个工程成功的关键。施工中,按不同土层条件设计孔位、倾角、深度;用小型坑道钻机施工,并将最新开发研制的冻结孔专用的跟管钻进技术及具有独特低温密封性能的冻结器组合钻头直接应用于工程钻孔中;同时,运用灯光及激光经纬仪等对钻孔施工进行指向和测斜。 为减少土体冻胀对旁通道两端隧道及地表的不良影响,在旁通道两端的隧道钢管片上分别设置2个卸压孔,以适时卸除冻胀压力。根据冻结孔成孔图,预测冻土帷幕的薄弱部位,以确定测温孔的孔位及倾角,并按设计孔位、角度、深度与冻结孔的要求进行施工。 以上成功的工程实例说明,水平冻结尽管存在困难,但只要精心设计,合理组织施工,还是能攻克难关。3.2 冻胀、融沉问题 土体冻结有时会出现冻胀现象,土体融化时会出现融沉现象。其原因是水结冰时体积要增大9.0%,并有水迁移现象。但像砂土、砾石这样的动水地层,一般不会出现冻胀现象。冻胀现象主要出现在黏性土质的冻结过程中。 冻结过程的水分迁移和冰的析出是土壤冻结中的重要过程,它导致冻胀和水分迁移,形成冰岩结构,从多方面影响冻、融土的物理力学性质。 冻胀的影响因素主要有:冻结地层的亲水性和散碎性;高度细碎土壤的矿物成分;土壤中阳离子的种类;土壤冻结的冷媒介质的温度;土壤初始含水率以及水分向冻结面的流动;土壤密度及重复冻结。其表现特点是:黏土和砂质黏土冻结时水分向着冷却和冻结的峰面迁移,以冰镜、夹层和其它形状的冰体在那里大量地积聚,造成矿物颗粒的变形;在黏土特别是极细碎的黏土中,仅有轻微的水分迁移和冰的析出;粉砂质黏土和粉砂质壤土中能观察到最强烈的水分迁移和冻胀;饱和水的粗颗粒和砂质土壤冻结时伴随着水从冻结层中挤出。 在冻融过程中,由于水分迁移、土体结构的变化,土体力学性质会被削弱,主要表现在:矿物颗粒间黏聚力减小,土体承载力降低;含水量增加,孔隙比增大,尤其是流塑性黏土;压缩系数一般会增大,在小于98 kPa的压力下有时会增大几倍;含冰率较高的冻土,融化后透水性可增大数十到数百倍。由于黏土的颗粒尺寸小,比表面积大,土颗粒与液相表面的作用强烈,随着孔隙体积的增大,自由水含量增加,水的流动性增强,渗透性提高。冻土融化时,冰变成水而体积减小,造成土颗粒的又一次位移,已有的大孔隙不能恢复到冻前的小孔隙,致使土体变得疏松,孔隙度增大,导水系数增加。导水系数的变化直接影响着固结过程中超孔隙水压力的产生和消除,加快已融土的变形进程。所以,冻融过程中土体的孔隙率和含水量的变化会导致土体渗透性变化。这种变化可能会造成地基土层的不均匀沉降,引起结构物的破坏。城市区域高层建筑林立,地面设施众多,地下管线密布。因此,冻胀、融沉引起地表移动造成的环境影响问题关系重大,应予严格控制。 引起土体冻胀的主要原因在于水分迁移。迁移量越大,冻胀量越大,其危害也越大。因此,重点在抑制水分迁移。其根本在于从内部减弱水分迁移的动力,堵塞水分迁移的通道,从外部通过施加适当的外载、温度等,抑制冻胀。可实施的抑制冻胀措施有:降低冷却温度,增大冻结速度;把冻结范围控制在必要的最小限度内;研究冻结管的布置,使冻结膨胀变形和热的传递方向相一致;利用钻孔使地基产生沉降和松动使其抵消部分变形;研究冻土形成的顺序,尽量用横向位移吸收膨胀;通过增加孔隙水的黏性,来控制向冻结面的水分迁移量。 目前已经普遍使用的防冻胀、融沉做法是:设置卸压孔适时削减冻胀;预留注浆孔进行融化跟踪注浆。目前还没有成熟的预计冻胀、融缩的公式。在取样试验的基础上,根据工程类比进行预估,并加强工程实际监测,根据监测反馈结果采取相应的工程对策,仍是目前可行的作法。通过工程类比可以认为,在有效控制冻土体积、加强信息化施工及跟踪注浆等加固措施下,完全可以控制冻胀、融沉,达到建筑物保护的要求。4 结语 冻结法施工无论是在矿山、隧道,还是地铁、市政等工程中都已进行过广泛和大量的实际应用,但针对不同的土质条件和不同的周围环境,仍有很多具体问题需要研究和解决。笔者仅根据自己参与过的几个工程实例,针对饱和砂土层中水平钻孔施工及冻胀、融沉等问题进行分析研究,以供同行参考。参考文献1杨维好,黄家会.冻结管受力分析与试验研究J.冰川冻土,1999(1):121.2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(15):2643.3史基盛,陈馈,李荣智.南京地铁联络通道冷冻法施工技术J.建筑机械化,2004(2):33.冻结法在广州地铁 3 号线施工中的应用 在富水性地基土中暗挖法施工地铁工程，采用人工冻结地层开挖及结构施工，阐述了冻结法加固地基土机理及施工工艺，通过测温和沉降监测，分析冻结法隧道施工过程中土层温度、荷载与沉降的关系。1 工程概况 广州市轨道交通 3 号线天河客运站折返线位于广州市天河区广汕公路。折返线斜穿广汕公路和沙河立交桥，附近有新天河商贸城和其他商铺建筑。由于该区段道路两侧地下管线纵横交错，数目较多，广汕公路是连接广州与汕头、增城之间的重要交通干道，交通繁忙，不能封路施工。因此拟采用暗挖法施工，避免明挖所