人工凍結(jié)技術(shù)在地鐵施工中的應(yīng)用

1、成績(jī)?cè)u(píng)閱人日期中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院20122013學(xué)年度第一學(xué)期匚程凍結(jié)法課程報(bào)告土木09-8班楊世偉力學(xué)與建筑工程學(xué)院教學(xué)管理辦公室人工凍結(jié)技術(shù)在地鐵施工中的應(yīng)用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院 土木 09-8班 楊世偉 )摘 要: 本文介紹了凍結(jié)法的基本原理、 施工方法、 在工程中的主要應(yīng)用以及重點(diǎn) 是結(jié)合凍結(jié)法自身的特殊性 , 應(yīng)用凍結(jié)法對(duì)地鐵施工中特殊地段事故的處理， 及凍結(jié)法在地鐵工程應(yīng)用中的凍結(jié)孔鉆孔時(shí)水土噴涌、 隧道管片損壞、 凍土帷幕 失效以及凍脹融沉等各種事故的原因進(jìn)行了分析 , 為事故的防范和治理提供了方 向，也對(duì)凍結(jié)法的發(fā)展趨勢(shì)做了展望。關(guān)鍵詞: 凍結(jié)法；地鐵施工

2、；盾構(gòu)隧道；事故目前在城市進(jìn)行市政巖土工程及地下空間開(kāi)發(fā)中遇到許多傳統(tǒng)巖土工程方 法難以解決的問(wèn)題； 對(duì)于城市建設(shè)， 由于高層建筑的增多， 而且多數(shù)地下工程往 往處于房屋和生命線工程的密集地區(qū)， 致使有很多情況需要在人工支護(hù)條件下進(jìn) 行基礎(chǔ)開(kāi)挖，為了保證基坑周 圍的建筑物、道路等的安全，需要大力研究新型 的深基坑支護(hù)技術(shù)。 人工凍土墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)以其對(duì)復(fù)雜的水文條件和地質(zhì)條件的適 應(yīng)性強(qiáng)，凍結(jié)施工方法靈活、形式多樣，凍結(jié)墻均勻完整，可靠性高、強(qiáng)度高、 設(shè)備簡(jiǎn)單、 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果較好， 其成本與其他施工法處于相同的數(shù)量級(jí)、 良好的 隔水性以及對(duì)環(huán)境的無(wú)污染性等優(yōu)點(diǎn)， 近幾年在地下工程中倍受重視， 特別

3、是凍 結(jié)施工技術(shù)在市政工程和城市地下工程尤其是在松軟含水地層施工中具有不可 替代性，并且在特殊情況的工程搶險(xiǎn)中也得到較多的應(yīng)用。 但是凍結(jié)法在施工中 也會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)一些工程事故， 如果不注意防范， 這些事故會(huì)影響整個(gè)工程的施工， 后果往往會(huì)很?chē)?yán)重。1 人工凍結(jié)法簡(jiǎn)介1.1 凍結(jié)法的基本原理人工凍結(jié)法 (Artificial Ground Freezing) 源于人工制冷技術(shù)的發(fā)展，逐漸 用于工程形成了工程凍結(jié)技術(shù)。 凍結(jié)技術(shù)是利用人工制冷技術(shù) , 使地層中的水結(jié) 冰, 把天然巖土變成凍土 , 增加其強(qiáng)度和穩(wěn)定性 , 隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系 , 以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行地下工程掘砌施工的特殊施

4、工技術(shù)。 其實(shí)質(zhì)是利用人 工制冷臨時(shí)改變巖土性質(zhì)以固結(jié)地層。 凍結(jié)壁是一種臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu) , 永久支護(hù)形 成后, 停止凍結(jié) , 凍結(jié)壁融化。巖土工程凍結(jié)制冷技術(shù)通常利用物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)?氣態(tài) , 即氣化過(guò)程的吸熱現(xiàn)象來(lái)完成的。 其制冷系統(tǒng)多以氨作為制冷工質(zhì) , 為了 使氨由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài) , 再由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài) , 如此循環(huán)進(jìn)行 , 整個(gè)制冷系統(tǒng)由氨循 環(huán)系統(tǒng)、鹽水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)三大循環(huán)構(gòu)成。1.2 凍結(jié)法的施工方法人工凍結(jié)法的施工流程如下： 1)工作站安裝： 凍結(jié)工作站主要由壓縮機(jī)、 冷 凝器、節(jié)流閥、中間冷卻器、鹽水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備等組成。 2) 凍結(jié)管埋設(shè)備：在凍 結(jié)孔內(nèi)設(shè)置凍結(jié)器，將不同

5、凍結(jié)孔內(nèi)的凍結(jié)器連成一個(gè)系統(tǒng)，并與凍結(jié)站連接。3) 積極凍結(jié)：凍結(jié)壁首先從每個(gè)凍結(jié)管向外擴(kuò)展， 在每個(gè)凍結(jié)管周?chē)纬蓛鼋Y(jié)圓 柱，當(dāng)各凍結(jié)管的凍結(jié)圓柱交圈時(shí)， 隨著凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)， 地層的平均溫度逐漸 降低，凍土墻的強(qiáng)度也逐漸增大。 4) 維護(hù)凍結(jié)：補(bǔ)充冷量損失，維持地層的溫度 穩(wěn)定。 5) 解凍：當(dāng)?shù)貙娱_(kāi)挖和永久結(jié)構(gòu)施工完成后，就可以解凍，拔除凍結(jié)管。1.3 凍結(jié)法在工程中的主要應(yīng)用分析國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀， 人工凍結(jié)技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方 面：1 特殊地層鑿井2 地鐵工程土層加固3隧道工程土體加固4 橋梁樁基工程5 特殊地段工程事故處理2 凍結(jié)法在地鐵施工中的應(yīng)用2. 1 地鐵區(qū)間

6、隧道盾構(gòu)進(jìn)出工作井的土體加固隧道盾構(gòu)進(jìn)出工作井時(shí)將面臨較大的水壓和土壓變化 , 可能出現(xiàn)土體坍塌 和涌水。若用凍結(jié)技術(shù)加固 , 則可靠快捷。例如 , 日本東京環(huán) 7 線 2 號(hào)調(diào)節(jié)水 倉(cāng)隧道 , 采用盾構(gòu)施工 , 圓形工作井深 60 m, 出口凍結(jié)加固面直徑達(dá) 28. 1 m, 用凍結(jié)加固結(jié)束后 , 直徑為 13. 94 m 的大型泥水加壓平衡盾構(gòu)順利出洞。2. 2 盾構(gòu)隧道的地下或海底對(duì)接土體的加固 城市地鐵和越江隧道往往由于條件限制 , 無(wú)法從地面開(kāi)鑿工作井 , 此時(shí) , 兩對(duì)頭掘進(jìn)的盾構(gòu)隧道 , 其對(duì)接區(qū)采用凍結(jié)技術(shù)加固 , 不僅可使土體強(qiáng)度提高 , 還可起到阻水作用。日本大阪東南部的排

7、水隧道 , 直徑 6. 5m, 長(zhǎng) 8. 5 km, 分 5 個(gè)工區(qū)掘進(jìn) , 采用地下或海下對(duì)接 , 由于不開(kāi)鑿地面立井 , 成功應(yīng)用凍結(jié)技 術(shù)加固 , 保證了工程順利完成 , 并降低成本 13%。2.3 盾構(gòu)隧道涌水和塌陷事故的修復(fù)凍結(jié)意大利 A gri Sau ro 盾構(gòu)隧道在掘進(jìn)了 2. 63 km 時(shí), 從盾構(gòu)后方的頂部襯 砌中涌入泥砂達(dá) 6 000 m3, 在采用注漿等方法搶險(xiǎn)失敗后 , 采用液氮對(duì)襯砌破壞 的 18 m 區(qū)段實(shí)行凍結(jié) , 搶險(xiǎn)成功 。2. 4 地鐵泵房、旁通道和急轉(zhuǎn)彎部位的凍結(jié)加固根據(jù)現(xiàn)代城市地鐵安全設(shè)計(jì)的要求，間距1 km左右時(shí)，需在并排區(qū)間隧道 間設(shè)立泵站 ,

8、此外, 地鐵工程還有一些旁通道和急轉(zhuǎn)彎部位。 在這些區(qū)域采用盾 構(gòu)法施工往往較困難 , 而且很不經(jīng)濟(jì)。 日本、 美國(guó)、英國(guó)等國(guó)在這些部位常采用 凍結(jié)法對(duì)周?chē)馏w加固 , 然后用礦山法掘進(jìn)。 在上海地鐵 1 號(hào)線思南路旁通道施 工前雖然采用了旋噴法加固 , 但是施工時(shí)仍然發(fā)生了 3 次涌砂現(xiàn)象 , 后來(lái)采用 凍結(jié)技術(shù)加固 , 效果很好 ; 寧海西路下行泵站中采用凍結(jié)加固 , 經(jīng)加 固后的土體滿足強(qiáng)度和抗?jié)B要求 。3凍結(jié)法在地鐵施工中特殊地段工程事故的處理案例廣州海公隧道工程建設(shè)中，工程施工過(guò)程中引起廣州貿(mào)易大廈門(mén)前出現(xiàn)大面 積塌陷，使得工程停止，嚴(yán)重影響到交通商貿(mào)、地下管線和設(shè)備安全，更危及大

9、廈建筑基礎(chǔ)，雖對(duì)塌陷地區(qū)進(jìn)行注漿加固，但地層仍不穩(wěn)定，繼續(xù)施工風(fēng)險(xiǎn)依然 存在，施工工期無(wú)法得到保證。經(jīng)專家反復(fù)討論論證，確定采用凍結(jié)法對(duì)地層進(jìn) 行加固，經(jīng)過(guò)精確的計(jì)算和良好的施工，最終取得成功。am江MI上海地鐵四號(hào)線董家渡段發(fā)生事故，已建隧道局部發(fā)生坍塌，為修復(fù)隧道先 在坍塌兩端進(jìn)行垂直局部?jī)鼋Y(jié)，在凍結(jié)壁的保護(hù)下清空完隧道內(nèi)泥水并施上混凝 土塞子，待塌陷采用水平凍結(jié)支護(hù)進(jìn)行修復(fù)后隧道與原隧道對(duì)接。上海地鐵四號(hào)封水凍線修復(fù)江中段暗挖工程的成功再一次佐證了人工地層凍結(jié)法可形成承壓、 土壁的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為凍結(jié)法在其他城市地下工程中的應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。 溫度是計(jì)算凍土壁強(qiáng)度、厚度和平均溫度的首要

10、依據(jù)。通過(guò)合理布置溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)， 采用基于“一線總線”的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)凍土壁溫度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而實(shí) 現(xiàn)信息化施工。通過(guò)溫度數(shù)值和鹽水箱水位分析可實(shí)時(shí)掌握凍結(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況 和凍土壁的特征，可確保凍結(jié)法施工安全。4凍結(jié)法在地鐵施工中的常見(jiàn)事故及原因凍結(jié)法具有自身的特殊性，如鉆孔工序的必要性、凍土性質(zhì)和凍土帷幕性狀 的變化性、土體凍脹融沉的自然性。由于這些特性的存在，凍結(jié)法在凍結(jié)孔鉆孔、 凍結(jié)、開(kāi)挖以及凍土解凍過(guò)程中都可能發(fā)生事故。因此，凍結(jié)法是一種風(fēng)險(xiǎn)很大的工法，稍有不慎便可釀成大禍。4.1凍結(jié)孔鉆孔事故在從地下空問(wèn)向結(jié)構(gòu)外圍土體進(jìn)行凍結(jié)孔鉆孔施工時(shí)發(fā)生的孔口密封失效 事故，可引起噴水、噴

11、砂，嚴(yán)重時(shí)因地層損失過(guò)大導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)變形破壞，造成 地面建筑、地下構(gòu)筑物和管線的破壞，甚至工程淹沒(méi)的災(zāi)害，在凍結(jié)孔進(jìn)入承壓 水地層時(shí)尤其危險(xiǎn)。其主要原因是土層隨鉆孔循環(huán)漿液流失或者是孔口密封裝置 失效。4.2管片損壞事故管片損壞有兩種情況， 鉆孔對(duì)管片造成過(guò)大損傷和開(kāi)挖時(shí)拆除部分管片使管 片環(huán)喪失完整性，導(dǎo)致管片的過(guò)大變形甚至失穩(wěn)。過(guò)密的凍結(jié)孔布置方案難免會(huì)切斷過(guò)多的管片主筋、破壞結(jié)構(gòu)的完整性，對(duì) 管片造成過(guò)大損傷。 開(kāi)挖時(shí)拆除部分管片使管片環(huán)喪失完整性， 造成隧道開(kāi)口處 出現(xiàn)較大應(yīng)力集中，導(dǎo)致管片的過(guò)大變形甚至失穩(wěn)。4.3 凍土帷幕事故4.3.1 凍土帷幕的幾何缺陷。 1） 凍土帷幕形成不足

12、。 凍土帷幕自身形成不足的原 因有凍結(jié)冷量不足、凍結(jié)管缺陷、冷量流失、地層凍結(jié)溫度低和難凍地層等。 2） 凍土帷幕惡化。 凍土帷幕惡化的主要原因有鹽水泄漏、 結(jié)構(gòu)散熱、 凍土開(kāi)挖面散 熱、異常熱源和冷凍機(jī)異常停機(jī)等。 3）地層缺陷。 假如凍土帷幕沒(méi)汁范圍內(nèi)及其 附近存在沼氣包、溶洞和暗浜等地層缺陷， 或者地層因先期 - 程遭到過(guò)劇烈擾動(dòng)， 會(huì)在凍土帷幕中形成空洞或冰體， 造成凍土帷幕缺陷， 有時(shí)甚至足致命的缺陷 （開(kāi) 挖時(shí)形成凍土帷幕“開(kāi)窗”導(dǎo)致透水事故 ） 。4.3.2 凍土帷幕的物理缺陷 凍土帷幕的物理缺陷指凍土帷幕沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度。 強(qiáng)度和剛度不 足都可能導(dǎo)致凍土帷幕事故。造成凍

13、土帷幕強(qiáng)度和剛度不足的原因主要有凍土帷幕溫度過(guò)高和低強(qiáng)度地 層。凍土溫度過(guò)高時(shí)無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。 一些地層凍土本身的強(qiáng)度偏低， 如果在 設(shè)計(jì)凍土帷幕范圍內(nèi)意外出現(xiàn)這種地層， 則會(huì)導(dǎo)致凍土帷幕強(qiáng)度無(wú)法達(dá)到?jīng)]計(jì)指 標(biāo)。凍土帷幕剛度不足的主要原岡有凍土溫度過(guò)高、開(kāi)挖后凍土暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、 開(kāi)挖空幫過(guò)大、初襯失效和強(qiáng)蠕變地層等。4.4 凍脹事故凍結(jié)過(guò)程中由于土體凍脹現(xiàn)象引起的凍結(jié)管斷裂和地下結(jié)構(gòu)變形破壞事故， 前者有可能造成凍土帷幕薄弱區(qū)導(dǎo)致凍土帷幕失穩(wěn)事故， 后者可能影響到地下結(jié) 構(gòu)的使用壽命。凍脹現(xiàn)象是自然規(guī)律。凍脹事故發(fā)乍的原因主要有凍脹敏感性地層、凍結(jié)時(shí) 間過(guò)長(zhǎng)、凍土體積過(guò)大和凍脹控制措施不力。

14、凍脹敏感性地層是發(fā)生凍脹的必要條件， 對(duì)地層的凍脹敏感性認(rèn)識(shí)不足是凍 脹超出預(yù)料的原因之一。 凍結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)是凍脹過(guò)大的常見(jiàn)原因。 凍結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)必 將產(chǎn)生過(guò)大的凍土體積，導(dǎo)致絕對(duì)凍脹墾越大。4.5 融沉事故凍土的融沉也是自然規(guī)律。目前控制融沉主要通過(guò)凍土融后注漿來(lái)實(shí)現(xiàn)，因 此注漿措施執(zhí)行不力是發(fā)生融沉事故的主要原因。采用凍土自然解凍、跟蹤注漿的措施時(shí)，由于自然解凍時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，工程中 往往缺乏長(zhǎng)期跟蹤注漿的條件。 采用強(qiáng)制解凍措施時(shí)， 雖然可以大幅度縮短注漿 周期，但工程中往往缺乏足夠的解凍進(jìn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)， 使得注漿不能保證準(zhǔn)確到位。另一方面，由于種種條件的限制，注漿管難以布置到最佳位置，從而不能保證對(duì)整個(gè)凍結(jié)區(qū)域進(jìn)行充分的注漿。5 對(duì)人工凍結(jié)法的展望隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展 , 富含水困難地質(zhì)條件下的城市地下工程將日益 增多 , 為凍結(jié)法的應(yīng)用提供了廣闊的空間。 人工凍結(jié)法適宜于以及松軟地層的隧 道、地鐵和地鐵車(chē)站、排水泵房、地鐵主干道間的聯(lián)系通道、盾構(gòu)施工的端頭井 施工，有著廣闊的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)前景。筆者大膽預(yù)測(cè)人工凍結(jié)還能將在更多的領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，比如在海底工程，沙漠 工程甚至于高空、太空工程中將得到應(yīng)用。參考文獻(xiàn)123456巖土特殊施工，課程講義 . 巖土工程凍結(jié)法（初稿） ，課程講義 . 崔廣心，楊維好， 呂恒林 深厚表土層中的凍結(jié)壁和井壁 M