某地下高铁站暗挖段冻结法技术总结

某地下高铁站暗挖段冻结法技术总结一、工程概况苏州某地下高铁站位于苏州市工业园区。车站除下穿地铁2、6号线区间处采用矿山法施工外，其余均采用明挖法施工。图1-1工程概况图二、冻结法介绍2.1冻结法的基本概念人工冻结法是利用人工制冷技术使地层中的水结冰形成冻土，隔绝地下水与地下工程的联系，在冻结壁保护下进行地下工程施工的地基处理方法。作为一种临时地基加固方法，目前已被广泛应用于城市地下工程施工中。2.1冻结法的特点国内外人工冻结法施工实践经验证明该工法有以下特点:(1)可有效隔绝地下水，其抗渗透性能是其他任何方法不能相比的，对于含水率大于10%的任何含水、松散、不稳定地层均可采用冻结法施工技术；可在极其复杂的工程地质和水文地质条件下使用，几乎不受地质条件的限制；可用于地下水流速小于40m/d的条件下。(2)冻结壁是典型黏弹塑性材料，其强度与土质、重度、含水率、含盐量及温度等因素有关，土冻结后冻土强度可提高几十到一百多倍，一般可以达到2~10MPa。(3)可形成任意深度、任意形状的冻结壁；可根据结构尺寸及围岩地质条件灵活布置冻结孔和调节盐水温度、改变和控制冻结壁厚度和强度，不受形状和尺寸限制。(4)冻结法是一种环境友好的施工方法，用电能换取冷能，对周围环境无污染，无有害物质排放，对地下水无污染，无异物进入土壤；噪声小，冻结结束后，不影响建筑物周围地下结构。冻结只是临时改变岩土的承载、密封性能，为构筑新的地下空间服务，施工完成后，根据需要可拔除冻结管，冻土将解冻融化；因此不污染环境，是“绿色”施工方法。(5)人工冻结法存在冻胀融沉的危害。实践证明，在含粗粒成分特别是砂砾土中，几乎无冻胀和冻融沉陷现象。在黏土等细粒土中，冻胀融沉可通过理论计算对其预测，并采取有关措施，抑制冻胀，减小融沉，达到工程要求。(6)冻结法是相对昂贵、需要精细施工管理、需要较多施工经验的方法，但在工程规模大、地质条件较为复杂的情况下，人工冻结法可一次加固成功，相比先进行化学加固再进行冻结补充加固的方法，经济性较好。2.3冻结法施工的阶段及工序1、冻结法施工可分为三个阶段:(1)积极冻结期。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柱，当各冻结管的冻结圆柱连成一片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。当地层温度达到设计阻度时，该阶段结束。(2)维护冻结期。此阶段主要是补充地层的冷量损失，维持地层的温度稳定。(3)解冻(恢复)期。当地层开挖和永久结构施工完成，就可以解冻，拔除冻结管。2、冻结法施工的四大工序:(1)冻结站安装。冻结站由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀、中间冷却器、盐水循环系统设备等组成。(2)冻结管的施工。钻冻结孔，在冻结孔内设置冻结器，将不同冻结孔内的冻结器连成一个系统，并与冻结站连接。(3)地层冻结。(4)地下工程掘进施工。三、冻结法各类型的孔3.1冻结孔冻结孔是在地面或地下有限空间环境中，对拟构建冻结壁的地层进行钻进施工，形成用于能安装冻结器的钻孔，有垂直、水平、倾斜等多种形式之分。其布置应符合下列规定：1、冻结孔的布置应满足设计冻结壁的厚度和冻结平均温度要求；2、冻结孔布置参数应包括冻结孔开孔孔位、开孔间距、顶(倾)角、方位角、孔深、成孔偏斜度等；3、冻结偏斜控制参数应包括偏斜率、偏值、偏向，最大相邻孔钻孔控制间距；4、冻结孔最大允许偏斜值即冻结孔钻孔轨迹与设计轨迹之间的距离；5、冻结孔钻孔间距应按设计冻结壁厚度、冻结壁平均温度、盐水温度、积极冻结时间和冻结工期要求等确定。本次下穿暗挖冻结法的横向冻结孔布置还应符合下列规定:1、区间两隧道中心线间距小于20m时，可采用在隧道的单侧布置冻结孔:区间两隧道中心线间距大于等于20m时，宜采用在隧道的两侧布置冻结孔；2、横通道冻结孔宜单侧布置冻结孔，开孔应避开支护结构主筋，分段冻结时接续冻结孔应留有搭接位置；3、单排冻结孔不能满足冻结壁设计要求时，可布置双排或多排冻结孔。多排冻结孔密集布置时，中间冻结孔距可适当放大；4、单侧供冷且隧道中心线间距小于20m的冻结孔布置，设计时应布置不少于2个透孔；5、横向冻结孔偏斜精度要求：6、单排横向冻结孔钻孔控制间距设计值3.2测温孔测温孔是在人工地层冻结工程中，布置在冻结壁及冻结降温区内，用于安装温度监测装置，观测地层温度变化而设置的管孔。测温孔应监测冻结壁厚度、冻结壁平均温度、冻结壁与衬砌结构（管片）界面温度和开挖区附近地层冻结情况。横向冻结壁测温孔布置应符合下列规定：1、测温孔宜布置在冻结孔间距较大的冻结壁界面上或冻结薄弱处；2、每个导洞测冻结壁厚度的测温孔隧道每侧不宜少于4个，冻结壁内、外设计边界上均应布置测温孔；3、冻结壁与地下建筑结构交界面处，地下水流影响到的冻结壁位置处。3.3泄压孔泄压孔是在人工地层冻结工程施工中，为了减小地层冻胀的不利作用或危害，用来释放因地层冻胀产生的水土压力而设置的管孔。泄压孔布置应符合下列规定：1、当冻结壁邻近存在敏感管线、既有线轨道等重要地上地下建筑时，应根据冻胀融沉分析设置泄压孔；2、既止水又承载的冻结壁结构内至少布置2个以上泄压孔，可与水文观测孔共用；3、冻结工程中的泄压孔，长度、孔径、方位和数量应冻胀防护要求匹配。3.4透孔用于校正钻孔角度和穿设电缆线等。四、冻胀融沉人工冻结法能够良好的达到止水、承载的作用，但冻胀和融沉对周围环境产生不良影响。土体的冻胀融沉与土体本身的性质和各种外部影响因素有关。本项目采用大直径水平超高压旋喷桩加固抑制冻胀融沉，以下从水泥掺入比、含水率、龄期、冷端温度、荷载、渗透系数来分析冻胀特性的影响，从水泥掺入比和融化温度分析融沉特性的影响。4.1水泥土对冻胀的影响控制因素4.1.1水泥掺入比对冻胀特性的影响如图4.1给出了砂土质水泥土和黏土质水泥土的冻胀率和水泥掺入比的关系曲线。封闭系统中，未掺入水泥的粉质黏土冻胀率为11.56%，属于强冻胀土；砂土胀率为2.73%，属于弱冻胀土。随掺入比增大，水泥熟料中的矿物发生水化反应，水化产物填充了孔隙并将土颗粒连接在一起，增大了固体颗粒结构之间的抗力，且随水泥掺入比增大，抵抗破坏颗粒骨架能力越大，冻胀率越小。两种水泥土的冻胀率随水泥掺入比增大均呈下降趋势，满足较好的指数关系。黏土、砂土中水泥掺入比对冻胀率影响均存在一最佳掺入比，当水泥掺入比小于最佳掺入比时，水泥土对冻胀的抑制较显著，当大于最佳掺入比时，随掺入比增大，冻胀抑制效果增大不明显。最佳掺入比随土质不同而不同，黏土和砂土的最佳掺入比分别为10%、5%(此时冻胀率分别为1%和0.5%)。因此冻结法施工时，可预先采用水泥土（旋喷桩）改良相应的冻结地层来抑制冻胀，减轻冻胀对周围环境的影响。图4.1.1冻胀率与水泥掺入比关系曲线4.1.2含水率对冻胀特性的影响如图4.2给出了砂土质水泥土和黏土质水泥土的冻胀率和含水率关系曲线。相同密度、龄期、冷端温度和荷载条件下，两种水泥土的冻胀率与含水率呈良好的线性关系，黏土质水泥土的斜率略大于砂土质水泥土的斜率，即含水率的变化对黏土质水泥土的影响略大于砂土质水泥土。由于水泥掺人土中后经过28d的标准养护，已具备了一定的强度，砂土质水泥土较黏土质水泥土强度更大，形成的水泥土颗粒胶结骨架能够抵抗冻胀力，因此当含水率变化1%时，砂土质水泥土和黏土质水泥土的冻胀率分别变化0.05%和0.08%，说明含水率变化对具有一定龄期的水泥土的冻胀影响不显著。据线性关系式可推算出砂土质水泥土和黏土质水泥土的起始冻胀含水率分别为7.4%和10.3%。图4.1.2冻胀率与含水率关系曲线4.1.3龄期对冻胀特性的影响图4.1.3给出了砂土质水泥土和黏土质水泥土的冻胀率和龄期的关系曲线。两种水泥土的冻胀率均随龄期的增长而下降并逐渐稳定，曲线均分为快速下降阶段和逐渐稳定阶段。由于初期水泥在砂土中主要发生水化反应，填充颗粒间的间隙，水泥胶结物和砂土颗粒产生凝结作用，因此14d以前砂土质水泥土的冻胀率随龄期快速减小，14d以后逐渐稳定不变；而水泥在黏土中不仅发生水化、填充颗粒，胶结物与黏土颗粒之间的抱团作用增强了颗粒之间的作用力，强度缓慢增长，故龄期28d以前，由于黏土质水泥土处于冻胀率处于快速下降阶段，水泥对土体的冻胀抑制作用较为明显，28d以后抑制作用减弱。但黏土质水.泥土和砂土质水泥土14d时的冻胀率分别仅为3%、0.5%，冻胀率已较小，可以满足抑制冻胀的要求，因此对于冻结水泥改良土的养护龄期砂土质水泥和黏土质水泥土均可定为14d，既节约了工期，同时也抑制了冻胀。图4.1.3冻胀率与龄期关系曲线4.1.4冷端温度对冻胀特性的影响冻胀率和冷端温度在试验温度范围内均呈良好的线性关系。砂土质水泥土的冻胀率虽温度升高变化不大，冷端温度升高1℃，冻胀率增大0.012%，黏土质水泥土冻胀率随温度升高而明显增大，冷端温度升高1℃，冻胀率增大0.22%。图4.1.4冻胀率与冷端温度关系曲线4.1.5荷载对冻胀特性的影响两种水泥土冻胀率与荷载的关系曲线见图4.1.5，二者之间呈明显对数关系，冻胀率随荷载增大而减小，即荷载对冻胀变形存在抑制作用，荷载越大抑制作用越明显。外荷载的存在抵消了一部分冻胀力，影响了冰的体积膨胀，阻碍了水分的进一步迁移，故冻胀变形减小。图4.1.5冻胀率与冷端温度关系曲线4.1.6渗透系数对冻胀特性的影响水泥掺入比与渗透系数的关系曲线见图4.1.6-1。相同水泥掺入比情况下，黏土质水泥土的渗透系数较砂土质水泥土大。两种水泥土的渗透系数随水泥掺入比的增大而减小。曲线分为两个阶段，砂土质水泥土水泥掺入比小于5%时其渗透系数变化速率较大，水泥掺入比大于5%时渗透系数减小缓慢；水泥掺入比小于10%时黏土质水泥土的渗透系数减小较快，水泥掺入比大于10%时黏土质水泥土的渗透系数减小趋于平缓；与冻胀率随水泥掺量变化出现临界点是一致的，由此可知渗透系数与冻胀率之间联系密切。渗透系数和冻胀率的关系曲线见图4.1.6-2。水泥土冻胀率随渗透系数减小而减小，相同渗透系数下黏土质水泥土冻胀率较砂土质水泥土大，水泥掺入比的增大两种水泥土的渗透系数接近，其冻胀率也趋于一致。大量试验表明，水分迁移作用是导致土体冻胀的主要根源，因此控制水分迁移是控制冻胀从而控制融沉的根本途径。由于水分迁移的根本原因在于存在水分迁移的通道，试验证明了水泥的掺人可从内部减弱水分迁移的动力、堵塞水分迁移的通道，使土体冻胀率减小。图4.1.6-1渗透系数与水泥掺入比关系曲线图4.1.6-2冻胀率与渗透系数关系曲线4.2水泥土对融沉的影响控制因素4.2.1水泥掺入比对融沉特性的影响结合4.1.1和图4.2.1，黏土、砂土中分别掺入10%、5%水泥量可使水泥土冻胀率较小，同时融沉也较小。图4.2.1融沉系数与水泥掺入比关系曲线4.2.2融化温度对融沉特性的影响融化温度越高，融沉结束需要时间越短，但融化温度对水泥土的融沉系数大小无影响，说明融化温度只会改变地层的融沉速度，因此工程中采取强制解冻措施能够加速融沉发生，但不会增加最终融沉量。4.3冻胀控制的工程措施4.3.1冻结体提前加固改良工程上常用的预加固方法有超前锚杆、超前小导管、旋喷加固、超前管棚加固、搅拌桩加固等。本工程采用大直径水平超高压旋喷桩和超前管棚抑制冻胀融沉，加固后的土体，除了强度提高以外，还会由于含水量的减少而减少土的冻胀、融沉效应。冻结孔布设在加固体中，达到减缓冻胀的作用。4.3.2设置合理的冻结范围和厚度，设置热水孔控制冻结边界冻土帷幕具有封水和承载两大功能。为尽量减小冻胀的不利影响及减小冻土体量，设计冻土帷幕厚度应以能提供足够封水能力为主。根据施工方案制定原则，该工程采用分区冻结、分部构筑的方式，进行该区段施工。冻结孔位采用围绕结构外轮廓的“〇字型”布置方式。第一排冻结孔间距为1300mm，第二排间距1500mm，钻孔施工角度为0°，冻土帷幕厚度取1.4m，冻结壁设计平均温度≤-10℃，积极冻结时间30d。经验算复核，孔位布置满足要求。部分冻结孔考虑到钻孔工作面可能受限制，调整为钻孔施工角度略偏的冻结孔。每个结构面中部布置2个透孔。4.3.2设置泄压孔，降低冻胀压力和孔隙水压力设置泄压孔控制冻胀即在冻土帷幕及附近未冻土中设置泄压孔，通过注入泥水泄压消散作用在结构上的冻结附加力。在冻胀引起地层压缩时，可从泄压孔排除部分土体。目前设置泄压孔已成为冻结法施工的普遍做法。本工程于每个冻结壁结构布置2个泄压孔。积极冻结期内，需密切关注地表监测数据和泄压孔压力表读数。一旦发现地面出现持续隆起趋势或压力表读数持续增长，应立即打开泄压孔阀门进行泄压。泄压时，利用电子自动采集系统实时采集地表变形情况，以控制单次泄压量，并及时用清水冲洗泄压孔以防泄压孔堵塞。4.3.3改变封闭式冻结为开放冻结控制胀冻改变封闭式冻结为开放冻结控制胀冻即通过调整部分冻结孔的冻结顺序，使部分冻结孔滞后冻结，因此在大部分水平冻结孔冻土交圈时期，冻胀压力有一个释放的通道，有利于避免在全面冻结下联络通道形成较大的冻胀压力。本工程采用此方法，将部分冻结孔延迟冻结7d，在大部分冻结孔冻土交圈时期，冻胀压力有释放的通道。上海明珠二期上体场穿越上海地铁一号线工程和上海大连路越江隧道联络通道都采用此方法。4.3.4连续控温冻结通过温控系统设置的解冻孔、测温孔和泄压孔之间的相互配合，有效控制冻胀对地面及地下管线的不利影响。根据温控区测温孔的监测数据，如温控区温度低于-1℃时，应及时解冻温控区冻土，以保证泄压孔有效工作；当测温孔温度升至1℃时，应及时停止解冻，以防过度解冻破坏冻土帷幕。4.3.5控制冻土的发展范围由于下穿隧道与既有轨道交通2号线距离仅有6米，与既有轨道交通6号线紧贴，冻结法施工对既有线线将造成很大影响。因此在需要保护的结构周围布置温度控制孔，根据冻结壁发展情况，及时调整温度控制孔内的盐水流量和温度，以控制冻结壁发展、减少冻胀力。六、工程实例6.1南京地铁10号线某车站附属结构一号出入口及风道水平冻结法南京地铁10号线某车站附属结构一号出入口及风道有三根高压电缆横向穿过，由于高压电缆无法迁移，高压电缆横穿区域无法采用明挖法施工。考虑到一号出入口上部有高压管线横穿，而迁移管线的成本巨大，摒弃在附属结构施工中常用的明挖法施工，以暗挖法取代，而实施暗挖法需要对所在地层进行加固一号出入口及风道所处地层主要以自立性较差的淤泥质粉质黏土夹粉土粉砂层为主，为保证上述附属结构暗挖施工的安全性及开挖面的稳定性，经比较分析针对本工程提出了一种全新的复合加固方案——管棚与水平冻结联合加固方案。本方案以水平冻结为主，形成水平冻结壁挡土挡水。为了节约成本，采用局部冻结方案；开挖断面采取全断面注浆。由于暗挖顶部受高压管线影响，仅可布置单排冻结孔，积极冻结30d，冻结壁厚度远达不到所需。因此，在暗挖结构上部打设管棚托住高压管线，保证其在冻结以及开挖施工中的稳定性，克服冻结法施工中冻胀融沉对高压管线影响。图6.1-1冻结施工参数设计冻结壁平均温度不高于-10℃，冻结壁厚度不小于3.0m。顶部设有29个管棚管。图6.1-2冻结孔布置剖面图出入口开挖断面宽度9.5m。开挖断面较大，而且地质条件主要以自立性较差的淤泥质粉质黏土夹粉土粉砂层为主。为确保暗挖段基坑顺利安全的开挖，暗挖段方案采用交叉中隔壁(CRD)工法进行施工。图6.1-3开挖顺序实践证明，采用管棚与水平冻结联合加固的方式很好地保护了高压管线，并使暗挖方案顺利进行。6.2苏州地铁S1号线鹿城路站～白马泾路站区间隧道联络通道冻结法苏州地铁S1号线鹿城路站～白马泾路站区间隧道长约1228m，设置两座联络通道。1＃联络通道与泵房合建，位置设在里程右DK15+092.230(左DK15+088.744)处，联络通道线间距为14.312m，联络通道覆土厚度约为17.98m；2＃联络通道，无泵房，位于里程右DK15+480.00(左DK15+477.369)处，联络通道线间距为11.722m，联络通道覆土厚度约为15.58m。该工程位于较为平坦的平原地区，该区域内具有较为稳定的地质构造。从上至下依次为④2粉土夹粉砂层、④3粉土夹粉质黏土层、⑤1粉质黏土层及⑤2a粉砂层。图6.2-1断面图冻结设计参数：(1)冻土帷幕厚度2.0m；(2)设计盐水温度为-28～-30℃；(3)所允许的冻结孔单孔的最低流量为5～7m³/h；(4)冻结孔终孔最大间距为1050mm，其冻土发展速度和冻结帷幕交圈时间分别为26mm/d和21d左右，40d为达到设计厚度的时间；(5)使用冻结管规格为φ89×8mm，型号为20＃低碳无缝钢管，连接方式为使用丝扣进行焊接。用φ42×4mm的塑料管作为供液管，用φ159×6mm的无缝钢管作为盐水干管和集配液圈。冻结孔布设：在联络通道的周围进行冻结孔的设置，以联络通道泵房结构以及冻结帷幕厚度(2.0m)为依据，进行三个角度的设置，分别为下俯、近水平和上仰，共设置冻结孔74个，冻结站主侧和对侧隧道内各为50个和24个。图6.2-2冻结孔布设6.3上海轨道交通四号钱上海体育场穿越段冻结工程轨道交通4号线上海体育场站位于交通繁忙的漕溪北路、零陵路路口，为地下三层双柱三跨箱型结构，车站占地面积约5200㎡，长193m。轨道交通4号线上体场站与地铁1号线上：体馆站平面呈“丁”字相交。其中，1号线车站为地下二层箱型结构，与4号线车站共享地下一层站厅层，实现两线间的自由换乘。按使用功能要求，4号线车站下三层必须从1号线车站底板下穿越，以保证轨道线路通畅。该点地处闹市中心，交通相当繁忙，地下管线密如蛛网，东有上海体育馆，西有华亭宾馆和20世纪70年代建成的漕溪北路高层住宅群，其净距仅有25m。工程位于极不稳定地层中，上体场穿越段主要土层是上海④-1淤泥质黏土与④-2饱和砂质粉土夹粉质黏土。④-1土层孔隙比大、含水丰富、承载力低、容易压缩，在动力作用下易流变，开挖后天然土体本身难以自稳。尤其是④-2饱和砂质粉土夹粉质黏土，透水性很好，极易发生水砂突出。采用冻结法加固土体。图6.3-1穿越段冻结孔布设淤泥质黏土设计冻结壁平均温度为-10℃，冻土抗拉强度为2.1MPa。淤泥质黏土-10℃条件下的剪切强度为l.5MPa。冻结壁结构上作用的土压力计算采用静止土压力并考虑2.0t/㎡的地面超载；冻结壁底板反力主要受底板静水压力和穿越段开挖时因底板向上变形，下部土体的作用力。冻土结构按弹性理论模型计算，冻结壁被假设为均匀的受力结构。分隧道开挖阶段和完成型钢支架支护两个阶段计算冻结壁结构受力。6.4上海某地铁出入口冻结法超前预加固上海某地铁出人口结构工程通道长度11.975m，净宽5.7m，净高2.55m，为矩形钢筋混凝土结构。图6.4-1土层及管线分布示意图出入口采用冻结法超前预加固的浅埋暗挖法施工工程难点较多。(1)冻胀控制难度大。由于出入口上方覆土较浅，故冻胀引起的地表抬升量较大；覆土内市政管线众多，其中雨水污水管下部距离冻结壁上边界仅445mm；而且距离出人口东侧9m处还有一幢6层居民楼，因而一旦覆土出现较大变形将会引起房屋倾斜开裂、道路破坏或地下管线破损，从而造成严重的负面社会影响。(2)地层条件差。地层为典型的上海地区软土地层。地层中的灰色砂质粉土具有高含水量、高压缩性、高灵敏度和低强度的特点，极易突发涌水流砂事故。(3)出入口暗挖通道开挖断面大。断面宽度达7.5m，标准段断面高5.15m，端部段断面高6.155m。若施工不当，极易引发塌方、冒顶等事故。为控制冻胀，在布孔设计阶段主要采用了以下设计方案：图6.4-2车站侧冻结孔位布置示意图6.4-3工作井侧冻结孔位布置示意(1)工作井侧钻孔施工前，在开挖面均匀布置20个注浆孔，以通过注浆对开挖面土体进行土质改良。(2)出人口顶部冻结孔采用管棚冻结布孔方式。所谓管棚冻结，就是将冻结管布置成管棚型式，可承担一定的荷载，起到管棚支护的作用，在保证冻结壁足够封水能力的前提下能有效减小冻结壁厚度、减小冻土体量，从而达到控制冻胀的目的。基于这一思想，将出人口顶部的一排冻结孔调整为管棚型式，即将冻结管规格由重89mm×8mm改为更108mm×8mm，同时将冻结孔间距由800mm缩小为600mm。(3)在工作井侧结构面顶部的冻结壁上方布置两排泄压孔，以便及时控制冻胀对上部管线的不利影响。在结构面四角分别布置3个泄压孔，以控制开挖面内部的冻胀，防止内部冻胀抬升与顶部冻胀抬升产生的冻胀变形累加。泄压孔采用φ108mmX8mm低碳无缝钢管制作成花管型式。根据电子自动采集系统得到的地表沉降监测结果，当地表隆起日变量达到+3mm时，及时打开泄压孔阀门]进行泄压；当地表沉降日变量达到-3mm时，立即停止泄压。避免单次泄压过量，造成地面过大沉降。(4)在上部泄压孔正下方布置了一排解冻孔。解冻孔与结构面顶部的泄压孔间隔交叉布置。一旦发生较大冻胀变形，可立即通过解冻孔内