人工冻结技术在地铁施工中的应用

1、成绩评阅人日期中国矿业大学力学与建筑工程学院20122013学年度第一学期匚程冻结法课程报告土木09-8班杨世伟力学与建筑工程学院教学管理办公室人工冻结技术在地铁施工中的应用中国矿业大学力学与建筑工程学院 土木 09-8班 杨世伟 )摘 要: 本文介绍了冻结法的基本原理、 施工方法、 在工程中的主要应用以及重点 是结合冻结法自身的特殊性 , 应用冻结法对地铁施工中特殊地段事故的处理， 及冻结法在地铁工程应用中的冻结孔钻孔时水土喷涌、 隧道管片损坏、 冻土帷幕 失效以及冻胀融沉等各种事故的原因进行了分析 , 为事故的防范和治理提供了方 向，也对冻结法的发展趋势做了展望。关键词: 冻结法；地铁施工

2、；盾构隧道；事故目前在城市进行市政岩土工程及地下空间开发中遇到许多传统岩土工程方 法难以解决的问题； 对于城市建设， 由于高层建筑的增多， 而且多数地下工程往 往处于房屋和生命线工程的密集地区， 致使有很多情况需要在人工支护条件下进 行基础开挖，为了保证基坑周 围的建筑物、道路等的安全，需要大力研究新型 的深基坑支护技术。 人工冻土墙围护结构以其对复杂的水文条件和地质条件的适 应性强，冻结施工方法灵活、形式多样，冻结墙均匀完整，可靠性高、强度高、 设备简单、 技术经济效果较好， 其成本与其他施工法处于相同的数量级、 良好的 隔水性以及对环境的无污染性等优点， 近几年在地下工程中倍受重视， 特别

3、是冻 结施工技术在市政工程和城市地下工程尤其是在松软含水地层施工中具有不可 替代性，并且在特殊情况的工程抢险中也得到较多的应用。 但是冻结法在施工中 也会经常出现一些工程事故， 如果不注意防范， 这些事故会影响整个工程的施工， 后果往往会很严重。1 人工冻结法简介1.1 冻结法的基本原理人工冻结法 (Artificial Ground Freezing) 源于人工制冷技术的发展，逐渐 用于工程形成了工程冻结技术。 冻结技术是利用人工制冷技术 , 使地层中的水结 冰, 把天然岩土变成冻土 , 增加其强度和稳定性 , 隔绝地下水与地下工程的联系 , 以便在冻结壁的保护下进行地下工程掘砌施工的特殊施

4、工技术。 其实质是利用人 工制冷临时改变岩土性质以固结地层。 冻结壁是一种临时支护结构 , 永久支护形 成后, 停止冻结 , 冻结壁融化。岩土工程冻结制冷技术通常利用物质由液态变为 气态 , 即气化过程的吸热现象来完成的。 其制冷系统多以氨作为制冷工质 , 为了 使氨由液态变为气态 , 再由气态变为液态 , 如此循环进行 , 整个制冷系统由氨循 环系统、盐水循环系统和冷却水循环系统三大循环构成。1.2 冻结法的施工方法人工冻结法的施工流程如下： 1)工作站安装： 冻结工作站主要由压缩机、 冷 凝器、节流阀、中间冷却器、盐水循环系统设备等组成。 2) 冻结管埋设备：在冻 结孔内设置冻结器，将不同

5、冻结孔内的冻结器连成一个系统，并与冻结站连接。3) 积极冻结：冻结壁首先从每个冻结管向外扩展， 在每个冻结管周围形成冻结圆 柱，当各冻结管的冻结圆柱交圈时， 随着冻结时间的延长， 地层的平均温度逐渐 降低，冻土墙的强度也逐渐增大。 4) 维护冻结：补充冷量损失，维持地层的温度 稳定。 5) 解冻：当地层开挖和永久结构施工完成后，就可以解冻，拔除冻结管。1.3 冻结法在工程中的主要应用分析国内外应用现状， 人工冻结技术在土木工程中的应用主要有以下几个方 面：1 特殊地层凿井2 地铁工程土层加固3隧道工程土体加固4 桥梁桩基工程5 特殊地段工程事故处理2 冻结法在地铁施工中的应用2. 1 地铁区间

6、隧道盾构进出工作井的土体加固隧道盾构进出工作井时将面临较大的水压和土压变化 , 可能出现土体坍塌 和涌水。若用冻结技术加固 , 则可靠快捷。例如 , 日本东京环 7 线 2 号调节水 仓隧道 , 采用盾构施工 , 圆形工作井深 60 m, 出口冻结加固面直径达 28. 1 m, 用冻结加固结束后 , 直径为 13. 94 m 的大型泥水加压平衡盾构顺利出洞。2. 2 盾构隧道的地下或海底对接土体的加固 城市地铁和越江隧道往往由于条件限制 , 无法从地面开凿工作井 , 此时 , 两对头掘进的盾构隧道 , 其对接区采用冻结技术加固 , 不仅可使土体强度提高 , 还可起到阻水作用。日本大阪东南部的排

7、水隧道 , 直径 6. 5m, 长 8. 5 km, 分 5 个工区掘进 , 采用地下或海下对接 , 由于不开凿地面立井 , 成功应用冻结技 术加固 , 保证了工程顺利完成 , 并降低成本 13%。2.3 盾构隧道涌水和塌陷事故的修复冻结意大利 A gri Sau ro 盾构隧道在掘进了 2. 63 km 时, 从盾构后方的顶部衬 砌中涌入泥砂达 6 000 m3, 在采用注浆等方法抢险失败后 , 采用液氮对衬砌破坏 的 18 m 区段实行冻结 , 抢险成功 。2. 4 地铁泵房、旁通道和急转弯部位的冻结加固根据现代城市地铁安全设计的要求，间距1 km左右时，需在并排区间隧道 间设立泵站 ,

8、此外, 地铁工程还有一些旁通道和急转弯部位。 在这些区域采用盾 构法施工往往较困难 , 而且很不经济。 日本、 美国、英国等国在这些部位常采用 冻结法对周围土体加固 , 然后用矿山法掘进。 在上海地铁 1 号线思南路旁通道施 工前虽然采用了旋喷法加固 , 但是施工时仍然发生了 3 次涌砂现象 , 后来采用 冻结技术加固 , 效果很好 ; 宁海西路下行泵站中采用冻结加固 , 经加 固后的土体满足强度和抗渗要求 。3冻结法在地铁施工中特殊地段工程事故的处理案例广州海公隧道工程建设中，工程施工过程中引起广州贸易大厦门前出现大面 积塌陷，使得工程停止，严重影响到交通商贸、地下管线和设备安全，更危及大

9、厦建筑基础，虽对塌陷地区进行注浆加固，但地层仍不稳定，继续施工风险依然 存在，施工工期无法得到保证。经专家反复讨论论证，确定采用冻结法对地层进 行加固，经过精确的计算和良好的施工，最终取得成功。am江MI上海地铁四号线董家渡段发生事故，已建隧道局部发生坍塌，为修复隧道先 在坍塌两端进行垂直局部冻结，在冻结壁的保护下清空完隧道内泥水并施上混凝 土塞子，待塌陷采用水平冻结支护进行修复后隧道与原隧道对接。上海地铁四号封水冻线修复江中段暗挖工程的成功再一次佐证了人工地层冻结法可形成承压、 土壁的独特优势，为冻结法在其他城市地下工程中的应用具有重要的参考价值。 温度是计算冻土壁强度、厚度和平均温度的首要

10、依据。通过合理布置温度监测点， 采用基于“一线总线”的温度监测系统，可以对冻土壁温度实现实时监测，从而实 现信息化施工。通过温度数值和盐水箱水位分析可实时掌握冻结系统的运行状况 和冻土壁的特征，可确保冻结法施工安全。4冻结法在地铁施工中的常见事故及原因冻结法具有自身的特殊性，如钻孔工序的必要性、冻土性质和冻土帷幕性状 的变化性、土体冻胀融沉的自然性。由于这些特性的存在，冻结法在冻结孔钻孔、 冻结、开挖以及冻土解冻过程中都可能发生事故。因此，冻结法是一种风险很大的工法，稍有不慎便可酿成大祸。4.1冻结孔钻孔事故在从地下空问向结构外围土体进行冻结孔钻孔施工时发生的孔口密封失效 事故，可引起喷水、喷

11、砂，严重时因地层损失过大导致地下结构变形破坏，造成 地面建筑、地下构筑物和管线的破坏，甚至工程淹没的灾害，在冻结孔进入承压 水地层时尤其危险。其主要原因是土层随钻孔循环浆液流失或者是孔口密封装置 失效。4.2管片损坏事故管片损坏有两种情况， 钻孔对管片造成过大损伤和开挖时拆除部分管片使管 片环丧失完整性，导致管片的过大变形甚至失稳。过密的冻结孔布置方案难免会切断过多的管片主筋、破坏结构的完整性，对 管片造成过大损伤。 开挖时拆除部分管片使管片环丧失完整性， 造成隧道开口处 出现较大应力集中，导致管片的过大变形甚至失稳。4.3 冻土帷幕事故4.3.1 冻土帷幕的几何缺陷。 1） 冻土帷幕形成不足

12、。 冻土帷幕自身形成不足的原 因有冻结冷量不足、冻结管缺陷、冷量流失、地层冻结温度低和难冻地层等。 2） 冻土帷幕恶化。 冻土帷幕恶化的主要原因有盐水泄漏、 结构散热、 冻土开挖面散 热、异常热源和冷冻机异常停机等。 3）地层缺陷。 假如冻土帷幕没汁范围内及其 附近存在沼气包、溶洞和暗浜等地层缺陷， 或者地层因先期 - 程遭到过剧烈扰动， 会在冻土帷幕中形成空洞或冰体， 造成冻土帷幕缺陷， 有时甚至足致命的缺陷 （开 挖时形成冻土帷幕“开窗”导致透水事故 ） 。4.3.2 冻土帷幕的物理缺陷 冻土帷幕的物理缺陷指冻土帷幕没有达到设计的强度和刚度。 强度和刚度不 足都可能导致冻土帷幕事故。造成冻

13、土帷幕强度和刚度不足的原因主要有冻土帷幕温度过高和低强度地 层。冻土温度过高时无法达到设计强度。 一些地层冻土本身的强度偏低， 如果在 设计冻土帷幕范围内意外出现这种地层， 则会导致冻土帷幕强度无法达到没计指 标。冻土帷幕刚度不足的主要原冈有冻土温度过高、开挖后冻土暴露时间过长、 开挖空帮过大、初衬失效和强蠕变地层等。4.4 冻胀事故冻结过程中由于土体冻胀现象引起的冻结管断裂和地下结构变形破坏事故， 前者有可能造成冻土帷幕薄弱区导致冻土帷幕失稳事故， 后者可能影响到地下结 构的使用寿命。冻胀现象是自然规律。冻胀事故发乍的原因主要有冻胀敏感性地层、冻结时 间过长、冻土体积过大和冻胀控制措施不力。

14、冻胀敏感性地层是发生冻胀的必要条件， 对地层的冻胀敏感性认识不足是冻 胀超出预料的原因之一。 冻结时间过长是冻胀过大的常见原因。 冻结时间过长必 将产生过大的冻土体积，导致绝对冻胀垦越大。4.5 融沉事故冻土的融沉也是自然规律。目前控制融沉主要通过冻土融后注浆来实现，因 此注浆措施执行不力是发生融沉事故的主要原因。采用冻土自然解冻、跟踪注浆的措施时，由于自然解冻时间相当长，工程中 往往缺乏长期跟踪注浆的条件。 采用强制解冻措施时， 虽然可以大幅度缩短注浆 周期，但工程中往往缺乏足够的解冻进程监测数据， 使得注浆不能保证准确到位。另一方面，由于种种条件的限制，注浆管难以布置到最佳位置，从而不能保证对整个冻结区域进行充分的注浆。5 对人工冻结法的展望随着我国经济建设的发展 , 富含水困难地质条件下的城市地下工程将日益 增多 , 为冻结法的应用提供了广阔的空间。 人工冻结法适宜于以及松软地层的隧 道、地铁和地铁车站、排水泵房、地铁主干道间的联系通道、盾构施工的端头井 施工，有着广阔的应用经济前景。笔者大胆预测人工冻结还能将在更多的领域内应用，比如在海底工程，沙漠 工程甚至于高空、太空工程中将得到应用。参考文献123456岩土特殊施工，课程讲义 . 岩土工程冻结法（初稿） ，课程讲义 . 崔广心，杨维好， 吕恒林 深厚表土层中的冻结壁和井壁 M