中國礦業(yè)大學地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固技術(shù)研究

1、會計學1中國礦業(yè)大學地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固技中國礦業(yè)大學地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固技術(shù)研究術(shù)研究第1頁/共49頁1955年，我國首次在開灤林西風井使用鹽水凍結(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， 預(yù)計3年內(nèi)上海軌道交通使用凍結(jié)法施工 的聯(lián)絡(luò)通道近100個；迄今為止，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。第2頁/共49頁凍結(jié)法的優(yōu)點:1 安全可靠性好,可有效的隔絕地下水； 2

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)濟上較合理。第3頁/共49頁根據(jù)使用冷媒的不同，制冷方式包括四種系統(tǒng)：根據(jù)使用冷媒的不同，制冷方式包括四種系統(tǒng)：1 氨（氟利昂）鹽水凍結(jié)系統(tǒng)（氨（氟利昂）鹽水凍結(jié)系統(tǒng)（Brine System）；）；2 液化氣體系統(tǒng)（液氮）（液化氣體系統(tǒng)（液氮）（Liquef

3、ied Gas System，Liquid Nitrogen）3 二氧化碳（干冰，二氧化碳（干冰，CO2）；）； 4 混合凍結(jié)系統(tǒng)（鹽水混合凍結(jié)系統(tǒng)（鹽水+干冰；鹽水干冰；鹽水+液氮）。液氮）。第4頁/共49頁鹽水凍結(jié)系統(tǒng)鹽水凍結(jié)系統(tǒng)第5頁/共49頁液化氣體系統(tǒng)液化氣體系統(tǒng)第6頁/共49頁干冰系統(tǒng)第7頁/共49頁凍結(jié)法適用的條件： (1)土層宜為砂性土、粘性土(包括砂層、淤泥質(zhì)土等)及強風化基巖，對于卵礫石地層，因成孔困難，應(yīng)有相應(yīng)的鉆孔設(shè)備； (2)土層的含水量10； (3)地下水的臨界流速2md。第8頁/共49頁3 凍脹融沉凍脹融沉3.1 凍脹機理凍脹可分為原位凍脹和分凝凍脹?？紫端粌?/p>

4、結(jié)造成體積增大約9，但由于外界水分補給并在土體遷移到某個凍結(jié)位置，體積增大會遠大于9，所以開放系統(tǒng)飽和土中分凝凍脹是構(gòu)成土體凍脹的主要分量。一般說來，分凝凍脹的機理包括兩個物理過程：水分遷移和成冰作用。3.2 融沉機理富冰凍土融化時,融化后的土體由于冰變成水體積減小產(chǎn)生融化性沉降,同時由于在融化區(qū)域發(fā)生排水固結(jié),引起土層的壓密沉降。第9頁/共49頁3.3凍脹融沉的影響因素 土體的凍脹融沉與土體本身的性質(zhì)和各種外部影響因素有關(guān)。 土體本身的性質(zhì)包括土的礦物成分、粒度組成、土體的含水量、土的結(jié)構(gòu)、壓縮系數(shù)以及土的熱物理性質(zhì)。 外部影響因素主要包括，上覆荷載、水源補給條件、凍結(jié)和融化溫度、溫度梯度等

5、。 第10頁/共49頁4.1 聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)凍結(jié)帷幕設(shè)計聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)凍結(jié)帷幕設(shè)計 凍土帷幕設(shè)計方法是采用常規(guī)結(jié)構(gòu)力學方法進行結(jié)構(gòu)計算，利用大型有限元分析軟件ANSYS程序進行驗算。下面以一中心埋深22.226m的旁通道為例，給出旁通道凍結(jié)的設(shè)計。 旁通道位置處隧道中心標高-18.366m，地面標高為+3.86m。旁通道由兩個與隧道相交的喇叭口、旁通道和泵站組成，其結(jié)構(gòu)包括隧道管片相接的喇叭口、直墻圓弧拱結(jié)構(gòu)的通道和中部矩形集水井三個部分。 喇叭口開挖尺寸為：1.1m(長)4.4m(寬)4.83m(高) 通道開挖尺寸為：4.72m(長)3.3m(寬)4.23m(高) 集水井開挖尺寸為：4.8m(長

6、)3.3m(寬)4.2m(高)。第11頁/共49頁4.1 聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)凍結(jié)帷幕設(shè)計聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)凍結(jié)帷幕設(shè)計 旁通道模型簡化為如圖所示的剛架，其中拱頂?shù)慕嵌葹?9.93，拱上作用均布載荷0.255MPa，垂直部分受梯形載荷（0.255+0.013*h）MPa。第12頁/共49頁4.1 聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)凍結(jié)帷幕設(shè)計聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)凍結(jié)帷幕設(shè)計 將應(yīng)力結(jié)果和凍土的強度相比較,得出安全系數(shù),結(jié)果列于下表 厚度(m)1.61.82.0應(yīng)力類型壓拉壓拉壓拉應(yīng)力值(Mpa)0.8670.4790.7060.3930.5870.328安全系數(shù)k3.924.384.825.345.796.40表中的安全系數(shù)K是由凍土強

7、度與其相應(yīng)的應(yīng)力比值。由于旁通道斷面的土層以粘土為主，故凍土強度以凍土平均溫度為-10時的粘土強度為準，=3.4Mpa, 拉=2.1Mpa。從表中數(shù)據(jù)可見凍土厚度取1.6m即可 。第13頁/共49頁4.2 有限元法聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕驗算有限元法聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕驗算 利用大型有限元分析軟件（常用的為ANSYS）,取凍結(jié)壁厚度分別為1.6m、1.8m、2.0m，按旁通道和泵站兩部分進行應(yīng)力和變形的分析計算。第14頁/共49頁5.1 凍結(jié)孔的布置凍結(jié)孔的布置 根據(jù)凍結(jié)帷幕設(shè)計及旁通道的結(jié)構(gòu)，凍結(jié)孔按上仰、近水平、下俯三種角度布置在旁通道和泵站的周圍，在通道下部布置一排凍結(jié)孔，加強凍結(jié)效果，把旁通道和泵

8、站分為兩個獨立的凍結(jié)區(qū)域。 第15頁/共49頁5.1 凍結(jié)孔的布置凍結(jié)孔的布置第16頁/共49頁5.2 制冷設(shè)計制冷設(shè)計凍結(jié)參數(shù)確定: 設(shè)計鹽水溫度為-25-30。 凍結(jié)孔單孔流量不小于45m3/h。 凍結(jié)孔終孔間距Lmax1200mm，凍土發(fā)展 速度取25mm/T，凍結(jié)帷幕交圈時間為20天， 達到設(shè)計厚度時間為35天。 積極凍結(jié)時間35天，維護凍結(jié)時間為30 天。 第17頁/共49頁 6.1鉆孔施工第18頁/共49頁6.2 積極凍結(jié)與維護凍結(jié)積極凍結(jié)與維護凍結(jié) 設(shè)備安裝完畢后進行調(diào)試和試運轉(zhuǎn)。凍結(jié)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常后進設(shè)備安裝完畢后進行調(diào)試和試運轉(zhuǎn)。凍結(jié)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常后進入積極凍結(jié)。入積極凍結(jié)。 在

9、積極凍結(jié)過程中，要根據(jù)實測溫度數(shù)據(jù)判斷凍土帷幕是否在積極凍結(jié)過程中，要根據(jù)實測溫度數(shù)據(jù)判斷凍土帷幕是否交圈和達到設(shè)計厚度，測溫判斷凍土帷幕交圈并達到設(shè)計厚度交圈和達到設(shè)計厚度，測溫判斷凍土帷幕交圈并達到設(shè)計厚度后進行正式開挖。再根據(jù)凍土帷幕的穩(wěn)定性，可適當提高鹽水后進行正式開挖。再根據(jù)凍土帷幕的穩(wěn)定性，可適當提高鹽水溫度，進入維護凍結(jié)，但鹽水溫度不應(yīng)高于溫度，進入維護凍結(jié)，但鹽水溫度不應(yīng)高于-20。 第19頁/共49頁6.3臨時支護臨時支護第20頁/共49頁6.4 6.4 開挖順序開挖順序 根據(jù)工程結(jié)構(gòu)特點，拉開鋼管片以后，聯(lián)絡(luò)通道開挖掘進建議采取分區(qū)根據(jù)工程結(jié)構(gòu)特點，拉開鋼管片以后，聯(lián)絡(luò)通道

10、開挖掘進建議采取分區(qū)分層方式進行，其施工順序如圖分層方式進行，其施工順序如圖第21頁/共49頁6.5 6.5 支護層施工支護層施工 第22頁/共49頁6.6 6.6 防水層施工防水層施工 第23頁/共49頁6.76.7鋼筋工程鋼筋工程第24頁/共49頁6.86.8永久支護永久支護第25頁/共49頁7.1概述概述 目前上海地區(qū)的區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工后的融沉注漿，主要是根據(jù)凍結(jié)目前上海地區(qū)的區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工后的融沉注漿，主要是根據(jù)凍結(jié)加固體的自然解凍情況進行的。由于凍土自然解凍的時間一般都比較長，加固體的自然解凍情況進行的。由于凍土自然解凍的時間一般都比較長，一般需要半年以上的時間，而

11、由于施工工期的限制，后期融沉注漿施工的一般需要半年以上的時間，而由于施工工期的限制，后期融沉注漿施工的質(zhì)量不能夠得到保證，造成地表沉降大，影響地面建筑物和道路的使用。質(zhì)量不能夠得到保證，造成地表沉降大，影響地面建筑物和道路的使用。為了縮短融沉注漿施工工期，減少凍融對地面的影響，需要對凍結(jié)加固體為了縮短融沉注漿施工工期，減少凍融對地面的影響，需要對凍結(jié)加固體進行強制解凍融沉注漿。目前僅在上海市軌道交通楊浦線工程（進行強制解凍融沉注漿。目前僅在上海市軌道交通楊浦線工程（M8M8線）曲線）曲陽路站虹口足球場站區(qū)間隧道旁通道及泵站凍結(jié)加固工程中實施了強制陽路站虹口足球場站區(qū)間隧道旁通道及泵站凍結(jié)加固工

12、程中實施了強制解凍融沉注漿的相關(guān)技術(shù)和施工工藝的研究。解凍融沉注漿的相關(guān)技術(shù)和施工工藝的研究。 第26頁/共49頁7.2 注漿流程注漿流程 注漿管下放方法注漿管下放方法凍結(jié)管拔除后，快速下放注漿管，進行孔口密封凍結(jié)管拔除后，快速下放注漿管，進行孔口密封 。在注漿管的前部安裝絲堵，內(nèi)部跟進在注漿管的前部安裝絲堵，內(nèi)部跟進4 4”的供水管，邊供水邊推進。如果使用這的供水管，邊供水邊推進。如果使用這種方法下放凍結(jié)管有困難，則使用水平鉆機將注漿管鉆進。種方法下放凍結(jié)管有困難，則使用水平鉆機將注漿管鉆進。 第27頁/共49頁7.2 7.2 注漿流程注漿流程 第28頁/共49頁7.2 注漿流程注漿流程第2

13、9頁/共49頁7.37.3注漿原則和方法注漿原則和方法注漿以少量多次為原則。垂直單孔一次注漿量為注漿以少量多次為原則。垂直單孔一次注漿量為0.5 m0.5 m3 3左右，水平孔左右，水平孔單孔一次注漿量為單孔一次注漿量為1.5 m1.5 m3 3左右。注漿前，將待注漿的注漿管和其相左右。注漿前，將待注漿的注漿管和其相鄰的注漿管閥門全部打開，注漿過程中，當相鄰孔連續(xù)出漿時關(guān)閉鄰的注漿管閥門全部打開，注漿過程中，當相鄰孔連續(xù)出漿時關(guān)閉鄰孔閥門，定量壓入惰性漿后即可停止本孔注漿，關(guān)閉閥門，然后鄰孔閥門，定量壓入惰性漿后即可停止本孔注漿，關(guān)閉閥門，然后接著對鄰孔注漿。遇到注漿管內(nèi)竄漿固結(jié)而引起堵管時，

14、需用加長接著對鄰孔注漿。遇到注漿管內(nèi)竄漿固結(jié)而引起堵管時，需用加長沖擊鉆頭通管。沖擊鉆頭通管。根據(jù)地面變形情況，調(diào)整勞動組織，適時進行反復(fù)注漿。直至地面變根據(jù)地面變形情況，調(diào)整勞動組織，適時進行反復(fù)注漿。直至地面變形基本穩(wěn)定在形基本穩(wěn)定在2mm2mm以內(nèi)。以內(nèi)。第30頁/共49頁8.1 大連路越江隧道聯(lián)絡(luò)通道大連路越江隧道聯(lián)絡(luò)通道 大連路越江隧道工程是上海市重點工程，兩條隧道之間的連接通道均位大連路越江隧道工程是上海市重點工程，兩條隧道之間的連接通道均位于黃浦江底下，相距約于黃浦江底下，相距約400m400m。位于浦西通道位于浦西通道( (一一) )，東西線隧道中心間距，東西線隧道中心間距 3

15、5.705m 35.705m，隧道間高，隧道間高差差3.565m3.565m、，連接通道凈距約、，連接通道凈距約25.665m25.665m。位于浦東通道位于浦東通道( (二二) )，東西線隧道中心間距，東西線隧道中心間距27.575m27.575m，隧道間高差，隧道間高差0.345m0.345m，連接通道凈距約，連接通道凈距約17.175m17.175m。第31頁/共49頁第32頁/共49頁8.1.18.1.1工程概況工程概況 連接通道所處地表為黃浦江江底，工程地段土層自上而下為：連接通道所處地表為黃浦江江底，工程地段土層自上而下為：2 2：淤泥，含煤屑、石塊等；：淤泥，含煤屑、石塊等；1

16、1：灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；：灰色淤泥質(zhì)粘土；：灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；：灰色淤泥質(zhì)粘土；1-11-1：灰色粘土；：灰色粘土；1-21-2：灰色粉質(zhì)粘土；：暗綠色草黃色粘土，厚約：灰色粉質(zhì)粘土；：暗綠色草黃色粘土，厚約4.54.56.5m6.5m；1-11-1：草黃色砂質(zhì)粉土，厚約：草黃色砂質(zhì)粉土，厚約6 610m10m；1-21-2：草黃色粉細砂。：草黃色粉細砂。連接通道施工范圍內(nèi)土層主要為草黃色砂質(zhì)粉土。根據(jù)土層資料，該地層具有孔隙比連接通道施工范圍內(nèi)土層主要為草黃色砂質(zhì)粉土。根據(jù)土層資料，該地層具有孔隙比大、含水豐富、承載力低、容易壓縮和在動力作用下易流變的特點，開挖后天然土大、含水豐富、承載力

17、低、容易壓縮和在動力作用下易流變的特點，開挖后天然土體本身難以自穩(wěn)，砂質(zhì)粉土易發(fā)生水砂突出。因此，在該地層內(nèi)開挖構(gòu)筑連接通道體本身難以自穩(wěn)，砂質(zhì)粉土易發(fā)生水砂突出。因此，在該地層內(nèi)開挖構(gòu)筑連接通道，必須先對施工影響范圍內(nèi)的土體進行安全、可靠的加固處理。，必須先對施工影響范圍內(nèi)的土體進行安全、可靠的加固處理。第33頁/共49頁8.1.28.1.2設(shè)計原則：設(shè)計原則： 1 1）水平孔凍結(jié)帷幕技術(shù)性能必須滿足連接通道施工的安全和質(zhì)量要求；）水平孔凍結(jié)帷幕技術(shù)性能必須滿足連接通道施工的安全和質(zhì)量要求；2 2）水平孔凍結(jié)方案應(yīng)符合現(xiàn)場實際條件的施工可行性和良好的可操作性。）水平孔凍結(jié)方案應(yīng)符合現(xiàn)場實際條

18、件的施工可行性和良好的可操作性。3 3）施工方案應(yīng)在工程要求工期的條件下具備優(yōu)化能力。）施工方案應(yīng)在工程要求工期的條件下具備優(yōu)化能力。4 4）施工方案措施必須滿足城市環(huán)保及節(jié)能要求。）施工方案措施必須滿足城市環(huán)保及節(jié)能要求。5 5）減少凍脹與融沉的危害。）減少凍脹與融沉的危害。第34頁/共49頁第35頁/共49頁第36頁/共49頁8.2上海市軌道交通明珠線二期工程上體場站穿越段上海市軌道交通明珠線二期工程上體場站穿越段 明珠線上體場站穿越段隧道橫截面圖第37頁/共49頁8.2上海市軌道交通明珠線二期工程上體場站穿越段上海市軌道交通明珠線二期工程上體場站穿越段 1. 軌道高差（縱向）軌道高差（縱

19、向）4mm/10m2. 軌道高差（橫向）軌道高差（橫向）2mm3. 軌距變化軌距變化-2+6mm4. 地鐵結(jié)構(gòu)絕對沉降量及水平位移量地鐵結(jié)構(gòu)絕對沉降量及水平位移量20mm5. 隧道變形曲線的曲率半徑隧道變形曲線的曲率半徑r15000m6. 結(jié)構(gòu)相對變曲結(jié)構(gòu)相對變曲1/25007.日地鐵結(jié)構(gòu)沉降量及水平位移量日地鐵結(jié)構(gòu)沉降量及水平位移量1mm第38頁/共49頁凍土帷幕結(jié)構(gòu)透視圖第39頁/共49頁第40頁/共49頁中國礦業(yè)大學 岳豐田電 話：-mail：第41頁/共49頁1955年，我國首次在開灤林西風井使用鹽水凍結(jié)法 鑿井并獲得成功；80年代，隨著我國地下工程的增多，逐

20、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， 預(yù)計3年內(nèi)上海軌道交通使用凍結(jié)法施工 的聯(lián)絡(luò)通道近100個；迄今為止，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。第42頁/共49頁3 凍脹融沉凍脹融沉3.1 凍脹機理凍脹可分為原位凍脹和分凝凍脹?？紫端粌鼋Y(jié)造成體積增大約9，但由于外界水分補給并在土體遷移到某個凍結(jié)位置，體積增大會遠大于9，所以開放系統(tǒng)飽和土中分凝凍脹是構(gòu)成土體凍脹的主要分量。一般說來，分凝凍脹的機理包括兩個物理過程：

21、水分遷移和成冰作用。3.2 融沉機理富冰凍土融化時,融化后的土體由于冰變成水體積減小產(chǎn)生融化性沉降,同時由于在融化區(qū)域發(fā)生排水固結(jié),引起土層的壓密沉降。第43頁/共49頁4.2 有限元法聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕驗算有限元法聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕驗算 利用大型有限元分析軟件（常用的為ANSYS）,取凍結(jié)壁厚度分別為1.6m、1.8m、2.0m，按旁通道和泵站兩部分進行應(yīng)力和變形的分析計算。第44頁/共49頁7.1概述概述 目前上海地區(qū)的區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工后的融沉注漿，主要是根據(jù)凍結(jié)目前上海地區(qū)的區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工后的融沉注漿，主要是根據(jù)凍結(jié)加固體的自然解凍情況進行的。由于凍土自然解凍的時間一般都比

22、較長，加固體的自然解凍情況進行的。由于凍土自然解凍的時間一般都比較長，一般需要半年以上的時間，而由于施工工期的限制，后期融沉注漿施工的一般需要半年以上的時間，而由于施工工期的限制，后期融沉注漿施工的質(zhì)量不能夠得到保證，造成地表沉降大，影響地面建筑物和道路的使用。質(zhì)量不能夠得到保證，造成地表沉降大，影響地面建筑物和道路的使用。為了縮短融沉注漿施工工期，減少凍融對地面的影響，需要對凍結(jié)加固體為了縮短融沉注漿施工工期，減少凍融對地面的影響，需要對凍結(jié)加固體進行強制解凍融沉注漿。目前僅在上海市軌道交通楊浦線工程（進行強制解凍融沉注漿。目前僅在上海市軌道交通楊浦線工程（M8M8線）曲線）曲陽路站虹口足球場站區(qū)間隧道旁通道及泵站凍結(jié)加