1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上凍結(jié)法加固應(yīng)用于盾構(gòu)隧道施工浙江大成建設(shè)集團(tuán)有限公司 章履遠(yuǎn) 由于攪拌樁、注漿、高壓旋噴等土體加固方法存在土體加固不均，可能存在局部薄弱帶而不能封堵具有壓力的地下水。而采用凍結(jié)土形成的凍結(jié)帷幕，其凍土墻均勻性好、強(qiáng)度高（大于3MPa）。尤其是凍結(jié)體與井壁能做到無(wú)縫對(duì)接，可保證滴水不漏。因此，大直徑的泥水平衡盾構(gòu)大多采用凍結(jié)法加固技術(shù)。大直徑泥水平衡盾構(gòu)使用最多的是日本，其進(jìn)出洞土體加固大多采用凍結(jié)法。 1995年，上海延安東路南線(xiàn)隧道，11.22m泥水盾構(gòu)，當(dāng)時(shí)始發(fā)井采用水泥土攪拌樁加固，盾構(gòu)出洞始發(fā)，因覆土淺產(chǎn)生冒漿而不能建立泥水平衡，影響了3個(gè)月工期后，最后改用凍

2、潔法加固土體取得成功（國(guó)內(nèi)第一次）。從2001年以來(lái)，上海的泥水平衡越江隧道，如大連路隧道、復(fù)興東路隧道、翔殷路隧道、上中路隧道等都采用了凍結(jié)法加固取得成功。因此，掌握凍結(jié)法施工技術(shù)對(duì)隧道工作者來(lái)說(shuō)，也是必不可少的工作。 然而，凍結(jié)法施工最大缺點(diǎn)是施工成本高，凍融隆沉大，應(yīng)該懂得采取相應(yīng)技術(shù)措施。下面就來(lái)談一談凍結(jié)法的施工和用凍結(jié)法施工的成功案例。 一、凍結(jié)法施工技術(shù) 1、概況：凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)使地層中的水凍結(jié)，把天然巖土變成凍土，從而增加巖土的強(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)壁保護(hù)下進(jìn)行隧道、豎井、地下聯(lián)絡(luò)通道和其他地下工程的開(kāi)挖與施工的一種特殊施工技術(shù)。其實(shí)質(zhì)是

3、人工制冷技術(shù)臨時(shí)性改變巖土的狀態(tài)以固結(jié)地層。 凍結(jié)法施工技術(shù)在礦井建設(shè)、地基基礎(chǔ)工程、水利工程、河底隧道、地下鐵道和其他地下工程中，當(dāng)遇到不穩(wěn)定地層或含水量豐富地層、裂隙巖層等，只要是地下水含鹽量不大，且流速慢（6m/d）都可以采用凍結(jié)法固結(jié)地層，完成地下工程施工。 英國(guó)人和德國(guó)人早在1862年、1883年利用凍結(jié)技術(shù)完成建筑基礎(chǔ)、煤礦深井施工。1886年、1906年瑞典和法國(guó)用凍結(jié)法施工人行隧道，穿越河底地鐵工程。前蘇聯(lián)、日本也在20世紀(jì)70年代用凍結(jié)法施工地鐵隧道，排水管等。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)已有數(shù)百項(xiàng)工程用凍結(jié)法來(lái)完成工程施工。 我國(guó)從1955年1999年在煤炭系統(tǒng)，利用凍結(jié)技術(shù)，建設(shè)煤礦豎井

4、近500個(gè)，總長(zhǎng)達(dá)70Km，最大凍結(jié)深度達(dá)435m。隨著凍結(jié)技術(shù)不斷發(fā)展，水平凍結(jié)、斜井凍結(jié)也取得成功。 近年來(lái)，隨著地下工程日益增多，特別是地下鐵道建設(shè)興起，凍結(jié)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于城市地鐵工程的隧道施工。北京、上海、廣州已分別采用了垂直凍結(jié)、水平凍結(jié)技術(shù)完成了多項(xiàng)地下工程。 巖土凍結(jié)常采用方法叫間接凍結(jié)法低溫鹽水法。其原理是以氨、氟利昂等制冷工質(zhì)，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)對(duì)工質(zhì)壓縮成高溫液態(tài)，經(jīng)冷卻后到蒸發(fā)器膨脹汽化，在交換器中吸收鹽水中熱量，負(fù)溫鹽水作為傳遞冷量的媒介。把冷量傳遞給需要凍結(jié)的巖土層，達(dá)到凍結(jié)局部巖土目的。這種凍結(jié)方法由三大循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成。 氟利昂（或氨）循環(huán)系統(tǒng) 鹽水循環(huán)系統(tǒng) 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

5、從而獲得20C35C左右的低溫鹽水，用以?xún)鼋Y(jié)巖土。 還有一種方法為直接凍結(jié)法液氮法。 液氮在1個(gè)大氣壓下的蒸發(fā)溫度為196C。當(dāng)要凍結(jié)的土體不大，或搶險(xiǎn)堵水的緊急情況下，可用液氮凍結(jié)技術(shù)，達(dá)到快速便利的優(yōu)點(diǎn)。 且液氮凍結(jié)設(shè)備簡(jiǎn)單，只要液氮槽車(chē)輸送液氮到液氮儲(chǔ)罐內(nèi)，再通過(guò)液氮輸送管輸送到凍結(jié)器（凍結(jié)管），再把汽化氮?dú)馀懦?，即達(dá)到凍結(jié)目的。該法施工簡(jiǎn)單，唯施工成本高于鹽水法。（圖1） 2、鹽水法凍結(jié)的原理和工藝： ·自由水凍結(jié)過(guò)程：巖土中的自由水的凍結(jié)過(guò)程可劃分為5個(gè)時(shí)間段（圖2） 冷卻段：開(kāi)始向土層供冷，土體溫度逐漸降到冰點(diǎn)； 過(guò)冷段：土體溫度達(dá)到0C以下，但土中自由水尚未結(jié)冰，呈現(xiàn)出

6、過(guò)冷現(xiàn)象； 突變段：水過(guò)冷后，一旦結(jié)晶就立即放出結(jié)冰潛熱，出現(xiàn)升溫現(xiàn)象； 凍結(jié)段：溫度上升到接近0C時(shí)穩(wěn)定下來(lái)，自由水開(kāi)始結(jié)冰過(guò)程，將土體顆粒膠結(jié)成整體，形成凍土； 繼續(xù)冷卻段：隨著溫度降低，凍土的強(qiáng)度逐漸增大。 ·凍結(jié)加固巖土的特點(diǎn)： 強(qiáng)度高：凍結(jié)后地層的抗壓強(qiáng)度明顯提高，可達(dá)到210Mpa。各種土層其強(qiáng)度是不一樣的；凍土瞬時(shí)極限抗壓強(qiáng)度參考值（MPa）溫度砂砂 土粘 土2C4.83.81.74C7.86.82.76C10.09.03.68C12.011.04.510C13.812.55.412C15.113.814C16.0 一般而言，土體中含水量越高，其凍土強(qiáng)度越高 封水效果好

7、：可保證不漏、不滲，在無(wú)水條件下工作； 適應(yīng)性強(qiáng)：適用于一切含水、尤其是含水量大的地層。無(wú)論是砂土、粘土、軟粘土，以及其他方法無(wú)法施工地層； 支護(hù)性能好：凍結(jié)體為一完整的支護(hù)體； 安全性好：由于凍結(jié)體為一個(gè)整體，在凍結(jié)體的遮護(hù)下，可保證隧道掘進(jìn)的安全施工； 靈活性好：可人為凍結(jié)任意需要的形狀，可繞過(guò)障礙物進(jìn)行凍結(jié)； 環(huán)境保護(hù)好：因?yàn)閮鼋Y(jié)是一個(gè)臨時(shí)措施，先將水結(jié)成冰，工程完成后又恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，對(duì)環(huán)境不造成污染。 ·凍結(jié)工藝： 凍結(jié)施工的三個(gè)階段： a、積極凍結(jié)階段在施工地層中開(kāi)始冷凍，并將地層中的凍結(jié)壁擴(kuò)展到設(shè)計(jì)厚度的工作階段； b、維護(hù)凍結(jié)階段維護(hù)施工需要的凍結(jié)壁厚度，以滿(mǎn)足地下結(jié)

8、構(gòu)施工的正常操作； c、解凍階段地下結(jié)構(gòu)施工完成，停止制冷，地溫恢復(fù)原狀階段。 凍結(jié)施工的四大工序： a、凍結(jié)站安裝：凍結(jié)站的位置必須滿(mǎn)足供冷、供電、供水、排水都比較方便的地方，還要兼顧到井口、洞口施工時(shí)材料，施工器材進(jìn)出方便。一般而言，凍結(jié)站設(shè)在距井口3050m距離為好。凍結(jié)站安裝工序見(jiàn)圖3。 b、鉆孔施工：即凍結(jié)孔的鉆孔和觀察孔的鉆孔。凍結(jié)孔是用來(lái)安裝凍結(jié)管的。凍結(jié)管的作用是：管體置于地層鉆孔內(nèi)，用來(lái)輸送低溫鹽水與地層直接進(jìn)行熱交換，使凍結(jié)管周?chē)耐馏w溫度降低，自由水凍結(jié)，形成有足夠強(qiáng)度的凍結(jié)壁。凍結(jié)孔采用鉆機(jī)完成。過(guò)去，鉆孔完成后需撤出鉆桿，換裝凍結(jié)管?，F(xiàn)在，采用特別的專(zhuān)利技術(shù)可以做到不

9、必取出鉆桿，鉆桿直接用作凍結(jié)管。凍結(jié)管一般選用直徑127mm139mm，壁厚510mm的鋼管，目前常采用127mm×7.5mm的無(wú)縫鋼管，也可以根據(jù)地下工程實(shí)際情況減小凍結(jié)管的直徑。凍結(jié)管的構(gòu)造可見(jiàn)圖4所示： 凍結(jié)孔大多分布在凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)中心線(xiàn)上，用來(lái)安裝凍結(jié)管，其孔徑、間距和設(shè)計(jì)傾角依地層的土質(zhì)、水文條件、工程要求而定。鉆孔容易發(fā)生偏斜，特別是水平鉆孔和斜向鉆孔，發(fā)生偏斜，對(duì)凍結(jié)效果影響很大，對(duì)地下工程的施工也有一定的影響。為保證施工質(zhì)量，避免對(duì)相鄰建筑物造成損害和減少地面沉降，對(duì)孔的允許偏斜率要求較高，鉆孔的偏斜率一般小于5。 除了凍結(jié)孔之外，還要安設(shè)計(jì)要求鉆觀察孔，用于安裝溫度

10、傳感器、土壓傳感器、土層位移傳感器和孔隙水壓力傳感器等。 c、地層凍結(jié)：一挨地層開(kāi)始凍結(jié)，就要求以最快速度達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的凍結(jié)厚度，稱(chēng)為積極凍結(jié)期。在此期間應(yīng)保證凍結(jié)站正常工作。最好選在冬季，以求提高凍結(jié)站的制冷效率。當(dāng)然要勤觀察凍結(jié)溫度，注意鹽水循環(huán)是否正常。 凍結(jié)壁的厚度既要滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，又要滿(mǎn)足變形條件要求。通常由計(jì)算確定。根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)，在城市淺土層下施工時(shí)，凍結(jié)壁厚度主要受埋深和地面荷載狀況的影響，常在1.2m2.0m之間選用。 凍結(jié)前，同一深度的地層具有相同的原始溫度。凍結(jié)開(kāi)始以后，在凍結(jié)管周?chē)a(chǎn)生降溫區(qū)，形成以?xún)鼋Y(jié)管為中心的凍結(jié)圓柱，并逐漸擴(kuò)大直至與相鄰的凍結(jié)圓柱連接成封閉的

11、凍結(jié)壁。凍結(jié)壁的交圈時(shí)間主要與凍結(jié)孔的間距、鹽水溫度、土層性質(zhì)、凍結(jié)管直徑、地層原始溫度等因素有關(guān)。根據(jù)試驗(yàn)資料看出：交圈時(shí)間隨著凍結(jié)孔間距的增大而延長(zhǎng)，隨著地層土體顆粒的直徑的增大和凍結(jié)管直徑的加大而縮短。下表可作為參考：凍結(jié)壁交圈時(shí)間參考表凍結(jié)孔間距（m）1.01.31.51.82.02.32.52.83.03.33.5凍結(jié)孔交圈時(shí)間（d）粉細(xì)砂101522354459678294114128細(xì)中砂9.51421334255647889108121粗 砂8.5131930374957708097109礫 石8121828354654667591102砂質(zhì)粘土10.5162337466170

12、8699120134粘 土11.517254051677794108131147鈣質(zhì)粘土1218264253708098113137154 注：鹽水溫度為25C；凍結(jié)管直徑為159mm 凍結(jié)壁交圈以后，相鄰凍結(jié)圓柱體的相交界面的溫度會(huì)在凍結(jié)的過(guò)程中繼續(xù)降低，該部分的凍結(jié)壁厚度會(huì)逐漸增大。凍結(jié)管中心溫度最低，逐漸向凍結(jié)壁邊緣升高，見(jiàn)圖5所示。 d、地下工程掘進(jìn)施工：積極凍結(jié)階段完成后應(yīng)立即進(jìn)入地下工程的掘進(jìn)施工。掘進(jìn)施工應(yīng)注意各工序的合理銜接，以最快的速度完成地下結(jié)構(gòu)的施工。因?yàn)闊o(wú)論是積極凍結(jié)還是維護(hù)凍結(jié)，每天的電能消耗是可觀的。 經(jīng)過(guò)積極凍結(jié)、維護(hù)凍結(jié)兩個(gè)階段，完成地下結(jié)構(gòu)物的施工以后，凍結(jié)站

13、可以停止工作。冷量的供應(yīng)停止后，地層溫度會(huì)自然升高，凍結(jié)壁會(huì)自然解凍。根據(jù)試驗(yàn)資料，砂性土體由停凍到凍結(jié)壁開(kāi)始解凍的時(shí)間約為8090天，而粘性土層從停凍到凍結(jié)壁開(kāi)始解凍的時(shí)間為90110天。 3、凍結(jié)法施工的設(shè)備： ·制冷設(shè)備： 制冷壓縮機(jī)：我國(guó)凍結(jié)法施工所使用的制冷壓縮機(jī)主要有活塞式和螺桿式兩種。以氨為制冷工質(zhì)的制冷機(jī)常采用活塞式壓縮機(jī)。活塞式壓縮機(jī)按制冷能力可分為： 小型機(jī)：功率小于60KW； 中型機(jī)：功率介于60KW至600KW之間； 大型機(jī)：功率大于600KW。 活塞式壓縮機(jī)按其氣缸中心線(xiàn)的位置又可以分為臥式機(jī)、立式機(jī)、V型機(jī)和扇型機(jī)等。 冷凝器和蒸發(fā)器：冷凝器和蒸發(fā)器是完成

14、制冷循環(huán)所必須的輔助設(shè)備。它們的換熱效率直接影響凍結(jié)站的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 蒸發(fā)器由置于鹽水箱中的多組金屬管組成。在制冷循環(huán)中，壓縮后的液態(tài)工質(zhì)（液態(tài)氟利昂或液態(tài)氨）在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，變?yōu)轱柡驼魵猓瑫r(shí)吸收周?chē)苈分宣}水熱量，形成低溫鹽水。 冷凝器是一個(gè)裝有多組冷卻水管的密閉筒體，高約2m3m，直徑1m2m。冷凝水從筒體內(nèi)的冷卻管通過(guò)，使筒內(nèi)的過(guò)熱氟利昂或氨的蒸氣冷卻而形成氣態(tài)和液態(tài)混合物。 鹽水循環(huán)設(shè)備：鹽水循環(huán)系統(tǒng)的作用是將通過(guò)蒸發(fā)器得到冷量的低溫鹽水輸送到需要凍結(jié)的地層中的凍結(jié)器，并將吸收了地層熱量的升溫鹽水通過(guò)管路回到蒸發(fā)器，以完成利用鹽水作介質(zhì)的熱交換循環(huán)。 鹽水循環(huán)系統(tǒng)主要設(shè)備有鹽水泵、

15、鹽水干管、配液及集液環(huán)、凍結(jié)器等。在一般保溫情況下，冷量損失約占凍結(jié)站總制冷量的2025，所以為降低能量消耗、鹽水循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)有良好的保溫措施。配液器和集液環(huán)設(shè)在凍結(jié)工作面附近，使去、回鹽水管路阻力相等，配液均勻。 凍結(jié)器由凍結(jié)管、供液管、回液管組成，凍結(jié)管常用直徑127mm或139mm的無(wú)縫鋼管制成。而供液管可采用直徑50mm60mm塑料管或橡膠管。（圖4） 移動(dòng)式制冷機(jī)組：隨著城市地下工程中采用凍結(jié)法施工越來(lái)越多，在每個(gè)工作現(xiàn)場(chǎng)建立凍結(jié)站相當(dāng)繁鎖。為方便工程使用，近來(lái)，已研制了可移動(dòng)制冷機(jī)組。將制冷機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、鹽水泵、電控柜等配置在一個(gè)底盤(pán)上。只要用平板車(chē)拖到現(xiàn)場(chǎng)，只需在現(xiàn)場(chǎng)增設(shè)鹽水

16、箱，安裝鹽水循環(huán)泵，接上電源、冷卻水源后即可投入運(yùn)行。大大方便了現(xiàn)場(chǎng)施工。 4、凍結(jié)法施工的監(jiān)測(cè)：凍結(jié)法施工是包含多工種的復(fù)雜施工過(guò)程，地層溫度場(chǎng)控制、制冷量控制、現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)條件的不確定性、以及暗挖工程自身所包含的信息化施工因素等，都使量測(cè)監(jiān)控工作成為凍結(jié)法施工中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。凍結(jié)法施工過(guò)程中，有以下幾方面量測(cè)監(jiān)控工作： 鉆孔質(zhì)量檢測(cè)：鉆孔的平面位置或垂直距離（斜向或水平鉆孔）及鉆孔的垂直度或水平夾角（斜向或水平鉆孔）。用激光定位法確定孔位，用陀螺議檢測(cè)孔的傾角。這一工作相當(dāng)重要，要隨時(shí)糾偏； 凍結(jié)設(shè)備工作情況監(jiān)測(cè)：凍結(jié)設(shè)備在凍結(jié)施工期間必須安全正常運(yùn)行。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：機(jī)組運(yùn)行電流和溫

17、度、系統(tǒng)供冷監(jiān)測(cè)、凍結(jié)器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)等； 地層溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)：凍結(jié)地層溫度分布、凍結(jié)壁部位溫度觀測(cè)、開(kāi)挖斷面上土體溫度觀測(cè)、初襯澆筑時(shí)斷面壁溫度觀測(cè)等。這些部位溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)是確定制冷量是否足夠，施工是否安全的重要保證。觀測(cè)方法常采用地層中鉆孔預(yù)埋傳感器。必要時(shí)在關(guān)鍵點(diǎn)補(bǔ)充埋設(shè)測(cè)溫點(diǎn)； 土體位移和地層壓力監(jiān)測(cè)：地層中的自由水會(huì)在土體內(nèi)引起附加應(yīng)力和位移，當(dāng)?shù)叵麻_(kāi)挖掘進(jìn)時(shí)也會(huì)使凍結(jié)土層內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，為確保施工安全，需要用測(cè)斜議、分層沉降議觀測(cè)地層的水平位移，重要部位地層應(yīng)埋設(shè)壓力傳感器進(jìn)行觀測(cè)，以防凍土崩塌、凍結(jié)管折斷、地下水噴涌等意外事故出現(xiàn)； 地表位移及鄰近建筑物地下管線(xiàn)變形觀測(cè)：在淺層土中，土

18、層的凍脹融沉和暗挖所引起的地層沉降較為明顯。因此，凍結(jié)法施工全過(guò)程必須對(duì)地表的隆起、沉陷，鄰近建筑物的沉降進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，以合理調(diào)整凍結(jié)和開(kāi)挖方案，最大限度減少對(duì)環(huán)境影響。 4、凍結(jié)法施工其他注意點(diǎn)： 地下水質(zhì)對(duì)凍結(jié)效果影響：當(dāng)水中含有一定鹽分時(shí)，水溶液的結(jié)冰溫度就要降低。因此，采用凍結(jié)法時(shí)，測(cè)量地層水溶液的低溫冰點(diǎn)是必須的，以確定凍結(jié)法施工方案的凍結(jié)溫度； 地層含水率和地下水流速：只要地層含水率大于10、地下水流速小于6m/d，凍結(jié)壁就可以形成。但地層含水率小于10時(shí)，凍結(jié)壁難于形成。當(dāng)?shù)叵滤魉龠^(guò)大而影響凍結(jié)時(shí)，應(yīng)采取措施。如加大制冷功率、降低凍結(jié)溫度、加密上流區(qū)域凍結(jié)管分布密度或采取注漿等

19、方法封閉土層孔隙，以減緩地下水流速完成凍結(jié)； 凍脹融沉對(duì)環(huán)境影響：地層中的自由水結(jié)冰后，體積會(huì)增大約9.07，土中自由水要遷移。而凍結(jié)地層解凍后，土體中的冰會(huì)融為水，體積要減少，自由水也要遷移。在砂性土地層中孔隙水移動(dòng)很快完成，土體凍脹融沉影響相對(duì)較小。而在粘土或淤泥質(zhì)地層中，自由水的移動(dòng)很困難，所以粘土或淤泥質(zhì)地層中凍結(jié)壁在凍結(jié)過(guò)程中要產(chǎn)生比較明顯的凍脹，在解凍過(guò)程中要產(chǎn)生明顯的融沉。因此，在該土層施工中當(dāng)采用凍結(jié)法施工地下工程時(shí)，由于凍結(jié)使地面上升，由于解凍使地面下降，從而造成建筑物和地下管線(xiàn)危害必須充分考慮并采取相應(yīng)措施； 凍土壁蠕變的影響：凍土是一種彈塑性的粘滯體，在持久外荷載作用下，

20、會(huì)產(chǎn)生塑性變形并引起應(yīng)力松馳。因此在凍土面開(kāi)挖和開(kāi)挖面暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)都必須考慮凍土壁的蠕變對(duì)開(kāi)挖安全性的影響； 低溫環(huán)境對(duì)混凝土澆筑影響：地層溫度降低在一定程度上延長(zhǎng)了混凝土的凝結(jié)時(shí)間。為保證結(jié)構(gòu)混凝土的正常養(yǎng)護(hù)，常采取加熱骨料、加熱水?dāng)嚢?、添加外加劑等方法解決。但也應(yīng)考慮水泥水化熱對(duì)凍土壁融解不利影響?？梢圆扇「魺岽胧?。 其實(shí)，凍結(jié)法施工的理論并不深?yuàn)W，但成套的冷凍設(shè)備、熟練的操作人員、豐富的施工經(jīng)驗(yàn)卻是短時(shí)間內(nèi)難以形成的。采取與社會(huì)上有相當(dāng)資質(zhì)的專(zhuān)業(yè)凍結(jié)法施工隊(duì)伍合作，并在合作的過(guò)程中注意學(xué)習(xí)和積累，以便盡快掌握應(yīng)用。 二、凍結(jié)法施工的實(shí)際應(yīng)用舉例： A進(jìn)出洞：凍結(jié)法加固出洞段土體，使土變成

21、凍土結(jié)構(gòu)，承受周?chē)翂毫?，然而鑿除洞門(mén)，待盾構(gòu)刀盤(pán)頂上凍土體后，強(qiáng)制解凍拔出盾構(gòu)推進(jìn)范圍內(nèi)凍結(jié)管，盾構(gòu)進(jìn)入正常推進(jìn)作業(yè)。 1、上海大連路隧道：大連路隧道采用11.22m泥水平衡盾構(gòu)，開(kāi)洞直徑為11.6m，始發(fā)覆土厚度為10.m，工作井洞口底深21.6m。洞口處土層為灰色淤泥質(zhì)粘土，灰色粘土和暗綠-草黃色粘土。地下水位約在地表下1m。凍結(jié)加固計(jì)算：采取板狀凍結(jié)加固方式。該出洞口凍結(jié)加固體，其承受的荷載、計(jì)算模型及凍結(jié)管布置的示意圖如圖5所示。應(yīng)用重液理論計(jì)算水土壓力，其出洞口的水土壓力為： P0.013H0.013×21.60.279Mpa加固體為整體板塊而承受水土壓力，運(yùn)用日本計(jì)算

22、理論計(jì)算加固體的厚度hk·p·D2/41/2，數(shù)據(jù)見(jiàn)下表：凍土平均溫度 c凍土彎拉強(qiáng)度 水土壓力p加固體開(kāi)挖內(nèi)直徑 D系數(shù)安全系數(shù) k計(jì)算加固體厚度 h101.8Mpa0.279Mpa11.6m1.21.53.06m 園板中心所受最大彎曲應(yīng)力計(jì)算為： maxp·（1/2·D）2·（3）/16·6/h2，結(jié)果見(jiàn)下表：水土壓力p加固體開(kāi)挖內(nèi)直徑D凍土泊松比 計(jì)算加固體厚度h計(jì)算得加固體最大彎拉應(yīng)力max凍土彎拉強(qiáng)度10c安全系數(shù)k0.279Mpa11.60,m0.353.06m1.26Mpa1.8Mpa1.43 沿工作井開(kāi)洞口周邊驗(yàn)算加固

23、體剪切應(yīng)力maxp·D/4h，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表：（安全）水土壓力p加固體開(kāi)挖內(nèi)直徑D凍土抗剪強(qiáng)度10c加固體厚度h剪切應(yīng)力0.279Mpa11.60,m1.5Mpa3.06m0.26Mpa 凍結(jié)加固范圍 洞口凍結(jié)加固體計(jì)算厚度3.06m，取3.1m，采用垂直凍結(jié)，凍結(jié)寬度17m，隧道兩側(cè)各2.5m，凍結(jié)深度自地面下7.3m24m。為增加泥水盾構(gòu)初始掘進(jìn)的安全，再在整體凍結(jié)體外，離洞口3.1m10m加拱形頂棚保護(hù)，凍結(jié)加固長(zhǎng)度7m，拱棚最小厚度2.5m，總體凍結(jié)長(zhǎng)度10m，見(jiàn)圖6、圖7所示： 2002年3月，大連路隧道11.22m泥水盾構(gòu)順利始發(fā)。2003年和2004年上海復(fù)興東路隧道和

24、上海翔殷路隧道的泥水盾構(gòu)也采用凍結(jié)法加固洞口土體實(shí)現(xiàn)安全始發(fā)。2005年上海上中路隧道14.87m超大直徑泥水盾構(gòu)又采用了凍結(jié)法加固方案取得成功。 2、上海上中路隧道 概況：上海上中路越江公路隧道為雙管雙層雙向4車(chē)道越江公路隧道。采用超大直徑泥水平衡盾構(gòu)，外徑14.87m，盾構(gòu)長(zhǎng)17.6m。出洞口中心標(biāo)高-11.35m，洞口地面經(jīng)墊高后標(biāo)高為4.9m。盾構(gòu)出洞工作井槽壁上破洞口徑15.2m。 場(chǎng)地地勢(shì)平坦，無(wú)永久性建筑物和市政管線(xiàn)。上層土為褐黃-灰黃粘土和灰色粘質(zhì)粘土，洞門(mén)口為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土，洞門(mén)下為砂質(zhì)粘土和粉質(zhì)粘土。 2005年月凍結(jié)系統(tǒng)安裝，8月10日開(kāi)始凍結(jié)，10

25、月28日盾構(gòu)出洞，11月18日盾構(gòu)推出凍結(jié)區(qū)，冷凍機(jī)組停機(jī)，凍結(jié)工期共100天。 凍結(jié)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)方案應(yīng)考慮到：洞口土體穩(wěn)定和不透水性；泥水盾構(gòu)的壓力泥漿不上竄、不流逸；盾構(gòu)機(jī)出洞后在封堵洞門(mén)時(shí)盾構(gòu)刀盤(pán)前土體穩(wěn)定；具有動(dòng)態(tài)的溫度、變形和壓力監(jiān)測(cè)；凍結(jié)過(guò)程應(yīng)具備吸收變形和調(diào)節(jié)、減小外載和凍脹力的手段。 據(jù)此，凍結(jié)設(shè)計(jì)采用二個(gè)凍土板塊，一是位于洞口前的凍結(jié)板塊，在盾構(gòu)機(jī)出洞時(shí)起抵御水土壓力、土層塌落和防止泥水涌入工作井的作用；二是位于盾構(gòu)機(jī)完全出洞后的刀盤(pán)前，保證封堵洞口施工時(shí)盾構(gòu)機(jī)停滯時(shí)前方土體穩(wěn)定的后凍結(jié)板塊；在二個(gè)凍結(jié)板塊之間為凍結(jié)棚拱，以保證盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入正常推進(jìn)前建立壓力泥漿系統(tǒng)，進(jìn)入正常工況

26、。見(jiàn)圖8圖9示意。 經(jīng)計(jì)算（計(jì)算方法同大連路隧道）：a、前凍結(jié)板塊厚度：前凍結(jié)板塊開(kāi)洞口底緣深為23.85m。據(jù)重液公式：p0.013h0.310Mpa。根據(jù)日本經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算加固體厚度hkpD2/41/2，得到凍土設(shè)計(jì)厚度4.2m，取為4.3m。b、凍土棚拱確定：凍土棚拱在兩凍土板塊之間，拱基與盾構(gòu)下口齊平，從洞口到洞外11.5m，可使盾構(gòu)機(jī)尾部全部脫離密封圈。凍土棚拱可看作在深度上受不均勻壓力作用的圓拱，通過(guò)解二次超靜定得到截面上的軸力和彎矩，再應(yīng)用曲梁理論求得截面應(yīng)力，并以此確定凍土棚拱的厚度。經(jīng)計(jì)算棚拱凍結(jié)壁厚度1.5m時(shí)最大拉應(yīng)力1.393Mpa、厚2.0m時(shí)最大拉應(yīng)力為0.869Mp

27、a、厚2.5m時(shí)最大拉應(yīng)力為0.693Mpa。為安全計(jì)，決定棚拱設(shè)計(jì)厚度取2.5m。c、后凍結(jié)板塊厚度：后凍結(jié)板塊是保證封堵洞口施工盾構(gòu)機(jī)停滯時(shí)前方土體的穩(wěn)定，只要設(shè)置單排凍結(jié)管使凍結(jié)壁達(dá)到一定厚度即可。在單排凍結(jié)管作用下，按凍結(jié)發(fā)展速度25mm/d計(jì)算，盾構(gòu)完全出洞進(jìn)行洞口封門(mén)施工時(shí)，厚度可達(dá)1.54m，滿(mǎn)足要求。 凍結(jié)管布置：整個(gè)凍結(jié)區(qū)域共布置凍結(jié)孔11排，14排為前凍結(jié)板塊凍結(jié)孔，孔深27.0m，5.8m27.0m局部?jī)鼋Y(jié)；510排為棚拱區(qū)凍結(jié)孔，孔深從長(zhǎng)8.8m弧線(xiàn)變化到24.2m，局部?jī)鼋Y(jié)深度由5.8m8.8m變化到5.8m24.2m；第11排凍結(jié)管為后凍結(jié)板塊，凍結(jié)管深24.2m，

28、局部?jī)鼋Y(jié)從5.8m24.2m。共205個(gè)凍結(jié)孔。見(jiàn)圖10示意。 前凍結(jié)板塊內(nèi)在盾構(gòu)出洞前需要拔除的凍結(jié)管選用127mm×6.0mm、20號(hào)低碳鋼無(wú)縫鋼管，不需要拔除的凍結(jié)管用127mm×5mm、20號(hào)低碳鋼無(wú)縫鋼管，考慮到封洞門(mén)時(shí)間較長(zhǎng)，后凍結(jié)板塊用159mm×6mm、20號(hào)低碳鋼無(wú)縫鋼管，以滿(mǎn)足凍土體與凍結(jié)管共同受力作用。 凍結(jié)施工：原計(jì)劃前凍結(jié)板塊和棚拱均分二次凍結(jié)，以減小地面凍脹融沉，后因地面無(wú)重要建筑物和管線(xiàn)，采用前凍結(jié)板塊一次凍結(jié)，凍結(jié)30d后再開(kāi)始凍結(jié)棚拱區(qū)。洞門(mén)連續(xù)墻鑿除，根據(jù)凍結(jié)壁發(fā)展厚度，分層分階段鑿除。 監(jiān)測(cè)：施工中進(jìn)行了以下內(nèi)容的監(jiān)測(cè)：鹽水溫

29、度、凍土溫度、凍脹壓力、地表變形、土體分層變形、凍土對(duì)槽壁凍脹壓力、槽壁頂端位移、土體水平位移、槽壁水平位移等。 凍結(jié)區(qū)內(nèi)共設(shè)測(cè)溫孔14個(gè)，測(cè)壓孔4個(gè)，土體分層變形孔5個(gè)，土體位移孔2個(gè)，并在洞門(mén)槽壁內(nèi)設(shè)槽壁位移孔1個(gè)，凍脹壓力孔5個(gè)。 監(jiān)測(cè)表明：凍結(jié)初期熱負(fù)荷較大，鹽水去回路溫降23C，35d后當(dāng)凍土交圈后熱負(fù)荷減小，鹽水去回路溫差降到1C；土體壓力變化是頂部大、深部小的變化趨勢(shì)，當(dāng)凍結(jié)第1035d交圈期，土體應(yīng)力發(fā)生突變，分析為大量水分凍結(jié)，體積急劇膨脹所致。交圈結(jié)束反而略有減??；最大凍脹壓力為Y4孔8m深處，達(dá)3.25Mpa；地面凍脹最大值為12mm左右。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，融沉值將超過(guò)200

30、mm以上，為防止融沉過(guò)大造成管片變形過(guò)大，采取強(qiáng)制解凍注漿加固凍結(jié)土體。 B、聯(lián)絡(luò)通道：聯(lián)絡(luò)通道采用地面加固地層方法主要有：三重管旋噴、深層攪拌、垂直凍結(jié)。這些方法需要占用較大地面施工場(chǎng)地，在市中心或過(guò)江段就沒(méi)法做。采用水平凍結(jié)技術(shù)與暗挖施工能完成聯(lián)絡(luò)通道地下施工。 聯(lián)絡(luò)通道水平凍結(jié)暗挖施工技術(shù)施工要點(diǎn)為：地層凍結(jié)加固與開(kāi)挖均在隧道內(nèi)進(jìn)行，凍土單軸抗壓強(qiáng)度要達(dá)45Mpa，凍結(jié)壁厚度均勻，地表隆起或沉降不超過(guò)30mm，隧道最終位移不超過(guò)10mm；通道凍結(jié)壁設(shè)計(jì)為矩形，凍結(jié)與開(kāi)挖在一側(cè)隧道內(nèi)進(jìn)行（為處理凍結(jié)壁與對(duì)側(cè)隧道管片間的薄弱點(diǎn)，可在對(duì)側(cè)隧道管片內(nèi)側(cè)敷設(shè)冷凍板，以增加冷凍效果）；對(duì)凍結(jié)過(guò)程進(jìn)行

31、嚴(yán)密監(jiān)測(cè)，在凍結(jié)壁內(nèi)布置測(cè)溫孔和壓力釋放孔，以測(cè)定凍結(jié)壁厚度和凍結(jié)壁是否交圈；通道開(kāi)挖采用鋼支架背板臨時(shí)支護(hù)，人工進(jìn)行開(kāi)挖；控制地表沉降和隧道變形是凍結(jié)法施工的關(guān)鍵點(diǎn)，凍結(jié)設(shè)計(jì)中的泄壓孔和采用注漿方式補(bǔ)償凍結(jié)壁融沉是必須的。 1、水平凍結(jié)法在上海地鐵2號(hào)線(xiàn)運(yùn)用：上海地鐵2號(hào)線(xiàn)九座聯(lián)絡(luò)通道，有四座采用水平凍結(jié)法加固：楊高路站中央公園站，江蘇路站中山公園站，靜安寺站石門(mén)一路站，河南路站陸家嘴站（黃浦江中）。 凍結(jié)壁設(shè)計(jì)：確定在一條隧道內(nèi)施工凍結(jié)孔，并成放射狀布置，集水井土層加固用凍結(jié)孔成向下傾斜狀見(jiàn)圖示： 凍結(jié)孔控制間距為900mm1100mm，經(jīng)計(jì)算，凍結(jié)壁厚度1.2m1.5m。用于黃浦江聯(lián)絡(luò)通

32、道的凍結(jié)壁厚度為1.5m（實(shí)際凍結(jié)壁拱部和底部厚度要大得多）。再用有限元法計(jì)算凍結(jié)壁的內(nèi)力，得到凍結(jié)壁薄弱處的應(yīng)力和安全系數(shù)分別為：側(cè)墻中點(diǎn)附近外側(cè)最大受壓1.45Mpa，安全系數(shù)3.1；頂板中點(diǎn)外側(cè)受壓1.02Mpa，安全系數(shù)4.4。 凍結(jié)壁交圈：按計(jì)算凍結(jié)壁交圈和達(dá)到設(shè)計(jì)厚度分別為12d和28d?？紤]到凍結(jié)壁與對(duì)側(cè)隧道管片之間土層不易凍結(jié)因素，最后設(shè)計(jì)凍結(jié)壁交圈時(shí)間確定2225d，達(dá)到設(shè)計(jì)厚度再加15d。 凍結(jié)施工：水平鉆孔與垂直鉆孔存在很大差別：其一，水平鉆孔時(shí)重力影響使鉆孔容易向下偏離設(shè)計(jì)；其二，由于呈水平方向鉆孔，護(hù)壁泥漿容易流出；其三，打孔時(shí)，如果地層中有承壓水，會(huì)造成流砂流泥。針

33、對(duì)上述難點(diǎn)，首先在隧道內(nèi)搭設(shè)對(duì)應(yīng)鉆孔角度腳手架，再在鉆機(jī)上安裝導(dǎo)向扶正系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)，同時(shí)使用優(yōu)質(zhì)護(hù)壁泥漿，確保鉆孔成形在允許范圍內(nèi)；其次發(fā)現(xiàn)有流砂出現(xiàn)可能時(shí)，先對(duì)地層用雙液注漿封堵，避免涌水涌砂的發(fā)生。 凍結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)：根據(jù)上海地層凍結(jié)速度快，凍脹小的特點(diǎn)，為減小凍脹帶來(lái)的危害，施工中加快初期凍結(jié)的降溫速度；根據(jù)隧道變形和地面沉降觀測(cè)，及時(shí)調(diào)整凍結(jié)層鹽水流量，以降低對(duì)隧道變形的影響；根據(jù)泄壓孔的壓力變化規(guī)律及時(shí)泄壓。通過(guò)四個(gè)聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖來(lái)看，凍結(jié)效果非常好，凍土壁各項(xiàng)參數(shù)全部達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)要求，江蘇路中山公園通道開(kāi)挖面收斂變形小于11.7mm，靜安寺石門(mén)一路通道小于12.4mm，黃浦江底通道收斂變形

34、僅為4.2mm。 暗挖施工：聯(lián)絡(luò)通道的開(kāi)挖采取分區(qū)分層方式進(jìn)行，其順序?yàn)椋篴、打開(kāi)凍結(jié)側(cè)通道鋼管片；b、按照通道中部斷面全斷面開(kāi)挖并臨時(shí)支護(hù)直到對(duì)面鋼管片；c返回刷大兩側(cè)喇叭口斷面并臨時(shí)支護(hù)；d、集水井開(kāi)挖并臨時(shí)支護(hù)，一次澆筑混凝土永久支護(hù)：e、打通對(duì)側(cè)鋼管片。土方開(kāi)挖采用人工鏟和風(fēng)鎬相結(jié)合。臨時(shí)支護(hù)采用工字鋼根據(jù)通道斷面尺寸加工成拱型支架，并配以木背板支護(hù)，支護(hù)間距0.30.5m，支架之間用拉桿連接。永久支護(hù)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為提高結(jié)構(gòu)抗?jié)B能力采用一次連續(xù)澆筑。頂板混凝土澆筑比較困難，對(duì)頂部空隙用混凝土噴射機(jī)噴射砂漿填充。摻入水泥用量4的防凍劑，以增加混凝土的抗凍性，不影響早期強(qiáng)度增長(zhǎng)。

35、沉降和位移監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置：地表沉降測(cè)點(diǎn)沿聯(lián)絡(luò)通道中心線(xiàn)和地鐵隧道軸線(xiàn)兩個(gè)方向布置，間距2.0m左右；隧道位移監(jiān)測(cè)包括垂直和水平位移兩部分。監(jiān)測(cè)范圍以聯(lián)絡(luò)通道中心線(xiàn)兩側(cè)各2025m范圍內(nèi)的上、下行隧道，測(cè)點(diǎn)布置間距12m。監(jiān)測(cè)頻度：視施工對(duì)隧道預(yù)計(jì)影響而定。在鉆孔和積極凍結(jié)其以每周23次，在開(kāi)挖和維護(hù)凍結(jié)期每天一次。如發(fā)生突變可臨時(shí)加大測(cè)量頻度。監(jiān)測(cè)結(jié)果：對(duì)地表沉降來(lái)說(shuō)：a、在鉆水平凍結(jié)孔時(shí)，地表會(huì)出現(xiàn)沉降，原因是鉆孔時(shí)由于漏泥而造成；b、開(kāi)始凍結(jié)后會(huì)出現(xiàn)地表隆起，最大值接近10mm，這是地層凍脹而引起的；c、凍結(jié)完成，開(kāi)始通道開(kāi)挖，由于開(kāi)挖而破壞了凍結(jié)壁和地層的平衡，凍結(jié)壁產(chǎn)生收斂變形，使

36、地表產(chǎn)生沉降。最大值曾達(dá)到81mm；d、工程結(jié)束，停凍消融階段，凍結(jié)壁化凍，土層和隧道管片的凍脹力釋放，導(dǎo)致地表的下沉（如果在進(jìn)行壁后注漿充填后再停止凍結(jié)效果會(huì)好些）。 對(duì)隧道位移來(lái)說(shuō)：a、當(dāng)進(jìn)行水平鉆孔時(shí)，由于地層擾動(dòng)，隧道會(huì)產(chǎn)生向開(kāi)挖方向的水平位移；b、凍結(jié)開(kāi)始，由于地層凍脹作用，上、下行隧道均向背離通道的方向位移。這種位移在聯(lián)絡(luò)通道中心線(xiàn)處最大（10mm左右），離通道越遠(yuǎn)，水平位移越小，在25m以外沒(méi)有影響；c、隧道的垂直位移，從監(jiān)測(cè)反映，鉆孔時(shí)沒(méi)有影響，開(kāi)凍后隧道迅速抬升，至凍結(jié)壁形成，隧道抬升趨緩，總抬升量能達(dá)到20mm左右。而停凍后，由于凍結(jié)壁融化，隧道迅速下沉，直到原來(lái)位置再下沉

37、數(shù)毫米。 根據(jù)四個(gè)聯(lián)絡(luò)通道的監(jiān)測(cè)可知，聯(lián)絡(luò)通道施工引起最大地表沉降為20mm左右。其中凍脹引起地表隆起約10mm，由于開(kāi)挖和融沉引起地表沉降約30mm；隧道水平和垂直位移不大，最大值僅10mm左右。 2、上海地鐵10號(hào)線(xiàn)某旁通道凍結(jié)法施工 概況：為上海地鐵10號(hào)線(xiàn)國(guó)權(quán)路站五角場(chǎng)站區(qū)間的旁通道及泵站工程。通道中心線(xiàn)間距13.2m，通道中心標(biāo)高-14.723m。通道位于四平路下，上有1.2m煤氣管、1.05m雨水管、1.0m上水管及電話(huà)纜等。 通道處于高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度的淤泥質(zhì)粘土和1-1粘土層，且觸變性大易流變。 凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)： 凍結(jié)帷幕平均溫度-10C；相應(yīng)凍土強(qiáng)度指標(biāo)為；單軸抗壓3.

38、5Mpa，抗折1.8Mpa，抗剪1.5Mpa。凍結(jié)孔采用上、下行隧道兩側(cè)打孔，按上仰、水平、下俯三種角度布置，共70個(gè)，其中上行線(xiàn)57個(gè)，下行線(xiàn)13個(gè)（見(jiàn)圖12所示）。旁通道內(nèi)設(shè)置4個(gè)穿透孔，供對(duì)側(cè)隧道凍結(jié)孔和冷凍排管需冷用。 設(shè)置了14個(gè)測(cè)溫孔，凍結(jié)站對(duì)側(cè)8個(gè)。測(cè)溫管選用32mm×3.5mm無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)26m，前端密封。再在凍結(jié)帷幕封閉區(qū)域內(nèi)布置4個(gè)卸壓孔，上、下行線(xiàn)各2個(gè)，在卸壓孔上安裝壓力表，可直觀地監(jiān)測(cè)凍結(jié)帷幕內(nèi)的壓力變化，判斷凍結(jié)帷幕形成情況，并直接釋放凍結(jié)形成的凍脹壓力。卸壓管選用32mm×3.5mm無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)13m；管端開(kāi)口，埋入土體段呈梅花狀鉆若干小孔，使

39、凍結(jié)帷幕內(nèi)的壓力有效傳遞。 制冷設(shè)計(jì)： 凍結(jié)參數(shù)選取如下：積極凍結(jié)期鹽水溫度-28-30C，維護(hù)凍結(jié)期溫度-25-28C。積極凍結(jié)時(shí)間36d，維護(hù)凍結(jié)時(shí)間30d。凍結(jié)孔單孔鹽水流量不小于3m3/h。經(jīng)計(jì)算，旁通道凍結(jié)需冷量Q4.6×104kcal/h（1kcal/h4.184j/h），選用W-YSLGF300型螺桿機(jī)組2臺(tái)套，其中1臺(tái)備用。單臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)制冷量8.75×104kcal，電機(jī)功率110KW，能滿(mǎn)足制冷需求。選用氟利昂R22制冷劑，CaCl2溶液冷媒劑。 輔助設(shè)備：IS150-125-315型鹽水循環(huán)泵、IS150-125-315型冷卻水循環(huán)泵各1臺(tái)；KST-80

40、型冷卻塔2臺(tái)；38mm鋼供液管；鹽水干管和集配液圈選用159mm×6mm無(wú)縫鋼管。冷卻水管為133mm×4.5mm無(wú)縫鋼管。 凍結(jié)孔施工： 凍結(jié)孔的孔位在避開(kāi)主筋、管縫、螺栓及鋼管片肋板前提下可適當(dāng)調(diào)整，調(diào)整幅度100mm。先施工穿透孔，然后根據(jù)通道孔位，由上向下施工，以防止因下層凍結(jié)孔施工引起上部地層擾動(dòng)。 用j-200型金剛石鉆機(jī)開(kāi)孔，配130mm金剛石取芯鉆頭，鉆孔深度300mm，不得鉆穿管片。用鋼楔楔斷巖心，打入加工好的孔口管，并用4個(gè)固定點(diǎn)固定在管片上，然后安裝孔口密封裝置，如圖13所示。 鉆孔使用MD-50鉆機(jī)1臺(tái)、BW250型泥漿泵，利用89mm×8mm凍結(jié)管作鉆桿；凍結(jié)