凍結(jié)法施工技術

1、凍結(jié)法施工技術凍結(jié)法施工技術，即是利用人工制冷的方法把土壤中的水凍結(jié)成冰形成凍土帷幕，用人工凍土帷幕結(jié)構(gòu)體來抵抗水土壓力，以保證人工開挖工作順利進行。作為一種成熟的施工方法，凍結(jié)法施工技術在國際上被廣泛應用于城市建設和煤礦建設中，已有100多年的歷史，我國采用凍結(jié)法施工技術至今也已有40多年的歷史，主要用于煤礦井筒開挖施工，其中凍結(jié)最大深度達435ml凍結(jié)表土層最大厚度達375m經(jīng)過多年來國內(nèi)外施工的實踐經(jīng)驗證明凍結(jié)法施工有以下特點：八、1 可有效隔絕地下水，其抗?jié)B透性能是其它任何方法不能相比的，對于含水量大于10%的任何含水、松散，不穩(wěn)定地層均可采用凍結(jié)法施工技術；2 凍土帷幕的形狀和強度可

2、視施工現(xiàn)場條件，地質(zhì)條件靈活布置和調(diào)整，凍土強度可達5-i0Mpa能有效提高工效；3 凍結(jié)法施工對周圍環(huán)境無污染，無異物進入土壤，噪音小，凍結(jié)結(jié)束后，凍土墻融化，不影響建筑物周圍地下結(jié)構(gòu)；4 凍結(jié)施工用于樁基施工或其它工藝平行作業(yè)，能有效縮短施工工期。人工凍結(jié)法在南京地鐵張府園車站的應用摘要：南京地鐵一期工程張府園車站南隧道盾構(gòu)法施工時，洞門兩側(cè)出現(xiàn)大量流砂，附近區(qū)域的沉降量較大，為了確保地下管線和地面交通的正常使用和安全運行，在南京首次實施了地下工程的人工凍結(jié)法施工。本文論述了凍結(jié)法在該工程中的凍結(jié)設計、施工工藝及對周圍環(huán)境影響等問題和實際取得的效果。關鍵詞：凍結(jié)法,地鐵,盾構(gòu)引言我國凍結(jié)法

3、現(xiàn)已成為成熟的鑿井施工技術，但在城市巖土工程中的應用還不多。凍結(jié)技術可在地面城市地下工程中的應用范圍包括：盾構(gòu)隧道盾構(gòu)進墻、深層攪拌樁以及壓密注漿對土體進行加固，在鑿除洞門鋼筋混凝土時發(fā)現(xiàn)洞門中心處東、西兩側(cè)有流砂涌入，迅速采用雙液注漿堵水，過了兩天又在有大量流砂涌入，對周圍環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，其中端頭井東側(cè)的沉降量增大，東部20平方米區(qū)域下陷1.5m左右（圖1）。在這種情況下施工單位及時出洞土體加固、盾構(gòu)隧道地下或海底對接時土體加采取措施，以保證施工以及周圍環(huán)境的安全。固、城市地鐵泵房、旁通道和急轉(zhuǎn)彎部分、建筑基根據(jù)管線及房屋調(diào)查結(jié)果顯示，在張府園車站坑加固、地下工程涌水、坍塌事故的搶險修復

4、、地南端頭井的東側(cè)沿中山南路方向15m范圍內(nèi)有下隧道交叉處土體加固、橋墩基礎施工等。南京地380V的電纜一根，直徑約900mm的下水管一根，鐵南北線一期工程TA7標張府園車站端頭井洞門南側(cè)沿建鄴路方向15nl范圍內(nèi)有380V的電纜一補充加固時北京中煤礦山工程有限公司采用凍結(jié)法根，直徑約1200mm以及150mm的上水管一根。施工，取得了良好的施工效果。這些管線距加固區(qū)域距離均在815m范圍之內(nèi)。2工程概況3加固方案的比選張府園車站南端頭井洞門區(qū)域采用地下連續(xù)墻。我國城市地下工程常采用旋噴、深層攪拌、注漿、地下連續(xù)墻及凍結(jié)法等加固方法。由于張府園車站南端頭井地質(zhì)條件較為復雜，容易產(chǎn)生流沙，經(jīng)過壓

5、密注漿檢測加固效果不太明顯，有些土質(zhì)吃漿量低；旋噴對淤泥、粉土、砂土等軟弱地基處理有良好的效果，但當?shù)貙哟嬖趧铀畷r，旋噴樁養(yǎng)護時間需要延長，有潛在不能成樁的危險，且難于發(fā)現(xiàn)，若出現(xiàn)部分旋噴樁不能成樁，必須再次加固，這就增加加固的難度。凍結(jié)法可在極其復雜的地質(zhì)條件和水文條件下形成凍土壁，試驗結(jié)果表明，在粉土及粉砂層中凍結(jié)，凍融土的壓縮模量降低不大，即凍融沉陷不會太大廣3,顯然是一種安全可靠的方法。經(jīng)過方案比選，張府園盾構(gòu)出洞采用了人工凍結(jié)技術。凍結(jié)法與其他加固方法相比，具有如下的特點2：凍結(jié)法適用復雜的地質(zhì)條件。幾乎不受地基土的地質(zhì)條件影響，可形成任意深度、任意形狀的凍土墻，可成為某些工程唯一可

6、用的輔助工法；隔水性能好。其隔水性能是其它施工方法無法相比的；凍土墻的連續(xù)性和均勻性得到保證。注漿法和深層攪拌樁只是對土體局部加固，加固范圍不易控制，加固體強度不均勻，而凍結(jié)技術可以把涉及的土體全部凍成凍土，凍結(jié)加固體均勻，整體性好，可形成城市地下工程的帷幕；凍結(jié)壁具有足夠的強度。當凍結(jié)壁的厚度和強度達到設計要求足以抵抗開挖時的水土壓力時，即可在凍結(jié)壁的保護下開鑿洞門；隨著工程規(guī)模加大，經(jīng)濟上有一定競爭性。據(jù)南京情況估算，凍土墻與其他加固方法經(jīng)濟比較見表13，從表中，隨著加固工程規(guī)模的加大，凍結(jié)法加固單位土體造價不斷降低，當加固體體積5000m3時，在經(jīng)濟上接近地下連續(xù)墻，當加固體體積2000

7、0m3時，具有競爭性3。4 凍結(jié)方案設計4.1 凍土墻設計采用在盾構(gòu)出洞口周圍土層中布置垂直凍結(jié)孔凍結(jié)的方法，在洞口外側(cè)形成一道與工作井地連墻緊貼的凍土墻，其作用主要是抵抗洞口周圍的水壓力。由于凍結(jié)加固區(qū)外側(cè)已有攪拌樁，可以承受土壓力，所以，僅按封水要求設計凍土墻，凍土墻的厚度按攪拌樁加固區(qū)與地連墻之間的距離確定，有效厚度為0.5m。由于地連墻混凝土的導熱性好，凍土墻與地連墻之間不易凍結(jié)，所以，要求凍結(jié)管靠近地連墻，并對盾構(gòu)出洞口附近工作井表面進行保溫。凍結(jié)孔布置與凍土墻形成設計見圖2。共布置凍結(jié)孔21個，凍結(jié)孔深度18.5m,開孔間距450mm,凍結(jié)孔與工作井地連墻之間的間距為250mm設測

8、溫孔2個，深度18.5m。取凍結(jié)孔允許偏斜率5%。凍土墻的擴展速度取26mm/d設計凍結(jié)15d后開始破盾構(gòu)出洞口，此時，凍土墻厚度達到0.64用寬度達到8.8m,均能滿足上述設計計算要求。設計最低鹽水溫度為-24-28，并要求凍結(jié)7d鹽水溫度達到-22；凍土墻平均溫度不高于-9。打開隧道出洞口時凍土墻與工作井地連墻交界面附近溫度低于-3。凍結(jié)管外徑為108mm凍結(jié)15d后開始打開盾構(gòu)出洞口；拔除凍結(jié)管2d。4.2 施工工藝凍結(jié)法的工藝過程為：在盾構(gòu)出洞方向沿工作井地連墻外側(cè)布置凍結(jié)孔，并在凍結(jié)孔中循環(huán)低溫鹽水，使凍結(jié)孔附近的含水地層結(jié)冰形成凍土墻，并在凍土墻的保護下打開盾構(gòu)出洞口和推進盾構(gòu)機。

9、凍結(jié)法加固地層的主要施工工序為：施工準備一凍結(jié)孔施工，同時安裝凍結(jié)制冷系統(tǒng)一安裝凍結(jié)鹽水系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)一凍結(jié)運轉(zhuǎn)一探孔檢驗一打開盾構(gòu)出洞口一停止凍結(jié)，拔凍結(jié)管一盾構(gòu)推進。5 施工過程中檢測結(jié)果分析5.1 凍結(jié)過程溫度場分析描述了凍結(jié)過程中不同深度處土體與溫度的關系，從該關系曲線圖可以看出，不同深度土體的溫度變化很相似，在0°以上,溫度下降速率較快，接近線性分布，0°以下，溫度降低較為緩慢，這主要是因為該溫度段土體中水分結(jié)冰，發(fā)生相變并且放出大量潛熱;隨著時間的增長,溫度不斷下降,在土體中逐漸形成堅實的凍土壁,達到承載、堵水的效果。5.2 凍結(jié)過程位移變化分析為了觀察凍結(jié)過程

10、中位移的變化，埋設了23個觀測孔，埋點見圖1。繪出其中有代表性的幾個觀測孔的位移與溫度的關系于圖4。從圖中可以看出，8#觀測點位于凍土墻東面產(chǎn)生流砂的區(qū)域，凍結(jié)前具有較大的初沉降（7mm）,隨著溫度的降低，產(chǎn)生凍脹，凍脹量為4mm1但最終表現(xiàn)為沉降。14#觀測點由于離流砂區(qū)和凍結(jié)孔較遠，初始沉降量（4mm）和凍脹量（2mm）都較小。10#觀測點由于離凍結(jié)孔最近，又處于深層攪拌樁加固區(qū)域，因而無初始沉降，凍脹量為3mm。18#觀測點由于處于凍土墻西側(cè)流砂區(qū)域，所以有初始沉降，但離凍結(jié)孔較遠，因而凍脹很小僅1mm對凍結(jié)加固地帶周圍的23個觀測點觀察到的位移（觀測點采用鋼筋打入土體內(nèi)2000mm），

11、凍脹最大值均不超過4mm。6 有關凍結(jié)法的幾個技術問題6.1 凍脹融沉城市地下工程凍結(jié)法施工存在凍脹融沉問題，過量的凍脹融沉量會對地表建筑物、交通和地下管線產(chǎn)生破壞作用，抑制凍脹防止凍融下沉是凍結(jié)法用于地鐵以及城市巖土工程的主要課題之一。凍脹機理是土體中的水結(jié)冰時體積增大，產(chǎn)生的水壓導致地下水向凍結(jié)峰面遷移，致使凍脹現(xiàn)象越來越顯著。當凍土融化時，體積減小，又產(chǎn)生較大的土層沉降。不同地質(zhì)條件下凍脹和融沉量也不相同，粘土變形大，粉土、砂土次之，融沉量一般大于凍脹量。一般可實施的抑制凍脹措施有：(1)降低冷卻溫度，增大凍結(jié)速度，例如采用二級壓縮制冷、適當加大凍結(jié)管的直徑；(2)把凍結(jié)范圍控制在必要的

12、最小限度，例如采用局部凍結(jié)器；(3)研究凍結(jié)管的布置，使凍結(jié)膨脹變形和熱的傳遞方向一致；(4)利用鉆孔使地基產(chǎn)生沉降和松動，以抵消部分變形；(5) 研究凍土形成的順序，盡量用橫向位移吸收膨脹；(6)通過增加孔隙水的粘性來控制向凍結(jié)面的水分遷移量。另外，壓力施放孔、注漿沖填、工作面釋放水和強制解凍等措施，也可有效地解決凍脹融沉問題。6.2 縮短工期的措施凍結(jié)施工工期主要由凍結(jié)設備安裝時間、打鉆布管時間、積極凍結(jié)時間和挖掘或推進時間組成，其中積極凍結(jié)時間占50%左右，凍結(jié)設備安裝時間占25%左右，因此如何減少積極凍結(jié)和設備安裝時間成為關鍵，合理選擇冷凍機組、凍結(jié)孔間距以及最佳鹽水溫度是至關重要的。7 結(jié)語(1) 張府園南端頭井洞門補充加固采用垂直凍結(jié)法施工,完成了張府園南端頭井上行線洞門的開鑿,使盾構(gòu)機順利出洞。(2) 沒有明顯的凍脹融沉，也沒有對周圍環(huán)境造成影響；另外，凍結(jié)施工無噪音，無污染，對地下水位和水質(zhì)沒有影響，因而取得了良好的施工效果。(3) 凍結(jié)法施工雖然工期較長,張府園車站從開始鉆進凍結(jié)孔到拔管結(jié)束總工期為35d，比注漿、深層攪拌樁法略長，但確保了一次成功。(4) 分析南京地鐵的工程狀況，在軟弱復雜的地層，未來可能應用凍結(jié)法