冻结法加固在盾构隧道施工中应用讲解

冻结法加固应用于盾构隧道施工浙江大成建设集团有限公司 章履远由于搅拌桩、注浆、高压旋喷等土体加固方法存在土体加 固不均，可能存在局部薄弱带而不能封堵具有压力的地下 水。而采用冻结土形成的冻结帷幕，其冻土墙均匀性好、强 度高（大于3MPa）。尤其是冻结体与井壁能做到无缝对接， 可保证滴水不漏。因此，大直径的泥水平衡盾构大多采用冻 结法加固技术。大直径泥水平衡盾构使用最多的是日本，其 进出洞土体加固大多采用冻结法。1995年，上海延安东路南线隧道，11.22m泥水盾构，当 时始发井采用水泥土搅拌桩加固，盾构出洞始发，因覆土浅 产生冒浆而不能建立泥水平衡，影响了3个月工期后，最后 改用冻洁法加固土体取得成功（国内第一次）。从2001年以 来，上海的泥水平衡越江隧道，如大连路隧道、复兴东路隧 道、翔殷路隧道、上中路隧道等都采用了冻结法加固取得成 功。因此，掌握冻结法施工技术对隧道工作者来说，也是必 不可少的工作。然而，冻结法施工最大缺点是施工成本高，冻融隆沉大， 应该懂得采取相应技术措施。下面就来谈一谈冻结法的施工 和用冻结法施工的成功案例。一、冻结法施工技术1、概况：冻结法是利用人工制冷技术使地层中的水冻结，把天然岩 土变成冻土，从而增加岩土的强度和稳定性，隔绝地下水与 地下工程的联系，以便在冻结壁保护下进行隧道、竖井、地 下联络通道和其他地下工程的开挖与施工的一种特殊施工 技术。其实质是人工制冷技术临时性改变岩土的状态以固结 地层。冻结法施工技术在矿井建设、地基基础工程、水利工程、 河底隧道、地下铁道和其他地下工程中，当遇到不稳定地层 或含水量丰富地层、裂隙岩层等，只要是地下水含盐量不大， 且流速慢（6m/d）都可以采用冻结法固结地层，完成地下工 程施工。英国人和德国人早在1862年、1883年利用冻结技术完成 建筑基础、煤矿深井施工。1886年、1906年瑞典和法国用 冻结法施工人行隧道，穿越河底地铁工程。前苏联、日本也 在20世纪70年代用冻结法施工地铁隧道，排水管等。据不 完全统计已有数百项工程用冻结法来完成工程施工。我国从1955年1999年在煤炭系统，利用冻结技术，建 设煤矿竖井近500个，总长达70Km，最大冻结深度达435m。 随着冻结技术不断发展，水平冻结、斜井冻结也取得成功。近年来，随着地下工程日益增多，特别是地下铁道建设兴 起，冻结技术开始应用于城市地铁工程的隧道施工。北京、 上海、广州已分别采用了垂直冻结、水平冻结技术完成了多项地下工程。岩土冻结常采用方法叫间接冻结法一低温盐水法。其原理 是以氨、氟利昂等制冷工质，经过压缩机对工质压缩成高温 液态，经冷却后到蒸发器膨胀汽化，在交换器中吸收盐水中 热量，负温盐水作为传递冷量的媒介。把冷量传递给需要冻 结的岩土层，达到冻结局部岩土目的。这种冻结方法由三大 循环系统构成。 氟利昂（或氨）循环系统 盐水循环系统 冷却水循环系统从而获得一20oC一35oC左右的低温盐水，用以冻结岩 土。还有一种方法为直接冻结法一液氮法。液氮在1个大气压下的蒸发温度为一196oC。当要冻结的 土体不大，或抢险堵水的紧急情况下，可用液氮冻结技术， 达到快速便利的优点。且液氮冻结设备简单，只要液氮槽车输送液氮到液氮储罐 内，再通过液氮输送管输送到冻结器（冻结管），再把汽化 氮气排出，即达到冻结目的。该法施工简单，唯施工成本高 于盐水法。（图1）2、盐水法冻结的原理和工艺：自由水冻结过程：岩土中的自由水的冻结过程可划分为5个时间段（图2） 冷却段：开始向土层供冷，土体温度逐渐降到冰点； 过冷段：土体温度达到0oC以下，但土中自由水尚未结 冰，呈现出过冷现象； 突变段：水过冷后，一旦结品就立即放出结冰潜热，出 现升温现象； 冻结段：温度上升到接近0oC时稳定下来，自由水开始 结冰过程，将土体颗粒胶结成整体，形成冻土； 继续冷却段：随着温度降低，冻土的强度逐渐增大。冻结加固岩土的特点： 强度高：冻结后地层的抗压强度明显提高，可达到210Mpa。各种土层其强度是不一样的；冻土瞬时极限抗压强度参考值（MPa）温度砂砂土粘土2oC4.83.81.74oC7.86.82.76oC10.09.03.68oC12.011.04.510oC13.812.55.412oC15.113.814oC16.0般而言，土体中含水量越高，其冻土强度越高 封水效果好：可保证不漏、不渗，在无水条件下工作； 适应性强：适用于一切含水、尤其是含水量大的地层。无论是砂土、粘土、软粘土，以及其他方法无法施工地层； 支护性能好：冻结体为一完整的支护体； 安全性好：由于冻结体为一个整体，在冻结体的遮护下， 可保证隧道掘进的安全施工； 灵活性好：可人为冻结任意需要的形状，可绕过障碍物 进行冻结； 环境保护好：因为冻结是一个临时措施，先将水结成冰， 工程完成后又恢复到原来状态，对环境不造成污染。冻结工艺： 冻结施工的三个阶段：a、积极冻结阶段一在施工地层中开始冷冻，并将地层中 的冻结壁扩展到设计厚度的工作阶段；b、维护冻结阶段一维护施工需要的冻结壁厚度，以满足 地下结构施工的正常操作；c、解冻阶段一地下结构施工完成，停止制冷，地温恢复 原状阶段。 冻结施工的四大工序：a、冻结站安装：冻结站的位置必须满足供冷、供电、供 水、排水都比较方便的地方，还要兼顾到井口、洞口施工时 材料，施工器材进出方便。一般而言，冻结站设在距井口 30-50m距离为好。冻结站安装工序见图3。b、钻孔施工：即冻结孔的钻孔和观察孔的钻孔。冻结孔 是用来安装冻结管的。冻结管的作用是：管体置于地层钻孔 内，用来输送低温盐水与地层直接进行热交换，使冻结管周 围的土体温度降低，自由水冻结，形成有足够强度的冻结壁。冻结孔采用钻机完成。过去，钻孔完成后需撤出钻杆，换 装冻结管。现在，采用特别的专利技术可以做到不必取出钻 杆，钻杆直接用作冻结管。冻结管一般选用直径127mm 139mm，壁厚510mm的钢管，目前常采用127mmX7.5mm 的无缝钢管，也可以根据地下工程实际情况减小冻结管的直 径。冻结管的构造可见图4所示：冻结孔大多分布在冻结壁的设计中心线上，用来安装冻结 管，其孔径、间距和设计倾角依地层的土质、水文条件、工 程要求而定。钻孔容易发生偏斜，特别是水平钻孔和斜向钻 孔，发生偏斜，对冻结效果影响很大，对地下工程的施工也 有一定的影响。为保证施工质量，避免对相邻建筑物造成损 害和减少地面沉降，对孔的允许偏斜率要求较高，钻孔的偏 斜率一般小于5%。除了冻结孔之外，还要安设计要求钻观察孔，用于安装温 度传感器、土压传感器、土层位移传感器和孔隙水压力传感 器等。c、地层冻结：一挨地层开始冻结，就要求以最快速度达 到设计所要求的冻结厚度，称为积极冻结期。在此期间应保 证冻结站正常工作。最好选在冬季，以求提高冻结站的制冷 效率。当然要勤观察冻结温度，注意盐水循环是否正常。冻结壁的厚度既要满足强度要求，又要满足变形条件要 求。通常由计算确定。根据已有的工程经验，在城市浅土层 下施工时，冻结壁厚度主要受埋深和地面荷载状况的影响， 常在1.2m2.0m之间选用。冻结前，同一深度的地层具有相同的原始温度。冻结开始 以后，在冻结管周围产生降温区，形成以冻结管为中心的冻 结圆柱，并逐渐扩大直至与相邻的冻结圆柱连接成封闭的冻 结壁。冻结壁的交圈时间主要与冻结孔的间距、盐水温度、 土层性质、冻结管直径、地层原始温度等因素有关。根据试 验资料看出：交圈时间随着冻结孔间距的增大而延长，随着 地层土体颗粒的直径的增大和冻结管直径的加大而缩短。下 表可作为参考：冻结壁交圈时间参考表冻结孔间距(m)1.01.31.51.82.02.32.52.83.03.33.5冻结 孔交 圈时 间 (d)粉细砂101522354459678294114128细中砂9.51421334255647889108121粗砂8.5131930374957708097109砾石8121828354654667591102砂质粘土10.51623374661708699120134粘土11.517254051677794108131147钙质粘土1218264253708098113137154注：盐水温度为一25oC ；冻结管直径为159mm冻结壁交圈以后，相邻冻结圆柱体的相交界面的温度会在冻结的过程中继续降低，该部分的冻结壁厚度会逐渐增大。冻结管中心温度最低，逐渐向冻结壁边缘升高，见图5所示。d、地下工程掘进施工：积极冻结阶段完成后应立即进入 地下工程的掘进施工。掘进施工应注意各工序的合理衔接， 以最快的速度完成地下结构的施工。因为无论是积极冻结还 是维护冻结，每天的电能消耗是可观的。经过积极冻结、维护冻结两个阶段，完成地下结构物的施 工以后，冻结站可以停止工作。冷量的供应停止后，地层温 度会自然升高，冻结壁会自然解冻。根据试验资料，砂性土 体由停冻到冻结壁开始解冻的时间约为8090天，而粘性 土层从停冻到冻结壁开始解冻的时间为90110天。3、冻结法施工的设备：制冷设备： 制冷压缩机：我国冻结法施工所使用的制冷压缩机主要 有活塞式和螺杆式两种。以氨为制冷工质的制冷机常采用活 塞式压缩机。活塞式压缩机按制冷能力可分为：小型机：功率小于60KW；中型机：功率介于60KW至600KW之间；大型机：功率大于600KW。活塞式压缩机按其气缸中心线的位置又可以分为卧式机、 立式机、V型机和扇型机等。 冷凝器和蒸发器：冷凝器和蒸发器是完成制冷循环所必 须的辅助设备。它们的换热效率直接影响冻结站的技术经济 指标。蒸发器由置于盐水箱中的多组金属管组成。在制冷循环 中，压缩后的液态工质（液态氟利昂或液态氨）在蒸发器中 蒸发，变为饱和蒸气，同时吸收周围管路中盐水热量，形成 低温盐水。冷凝器是一个装有多组冷却水管的密闭筒体，高约2m 3m,直径1m2m。冷凝水从筒体内的冷却管通过，使筒内的 过热氟利昂或氨的蒸气冷却而形成气态和液态混合物。 盐水循环设备：盐水循环系统的作用是将通过蒸发器得 到冷量的低温盐水输送到需要冻结的地层中的冻结器，并将 吸收了地层热量的升温盐水通过管路回到蒸发器，以完成利 用盐水作介质的热交换循环。盐水循环系统主要设备有盐水泵、盐水干管、配液及集液 环、冻结器等。在一般保温情况下，冷量损失约占冻结站总 制冷量的20%25%，所以为降低能量消耗、盐水循环系统 应有良好的保温措施。配液器和集液环设在冻结工作面附 近，使去、回盐水管路阻力相等，配液均匀。冻结器由冻结管、供液管、回液管组成，冻结管常用直径 127mm或139mm的无缝钢管制成。而供液管可采用直径 50mm60mm塑料管或橡胶管。（图4）移动式制冷机组：随着城市地下工程中采用冻结法施工越 来越多，在每个工作现场建立冻结站相当繁锁。为方便工程 使用，近来，已研制了可移动制冷机组。将制冷机、冷凝器、 蒸发器、盐水泵、电控柜等配置在一个底盘上。只要用平板 车拖到现场，只需在现场增设盐水箱，安装盐水循环泵，接 上电源、冷却水源后即可投入运行。大大方便了现场施工。4、冻结法施工的监测：冻结法施工是包含多工种的复杂 施工过程，地层温度场控制、制冷量控制、现场水文地质条 件的不确定性、以及暗挖工程自身所包含的信息化施工因素 等，都使量测监控工作成为冻结法施工中不可缺少的重要环 节。冻结法施工过程中，有以下几方面量测监控工作： 钻孔质量检测：钻孔的平面位置或垂直距离（斜向或水 平钻孔）及钻孔的垂直度或水平夹角（斜向或水平钻孔）。 用激光定位法确定孔位，用陀螺议检测孔的倾角。这一工作 相当重要，要随时纠偏； 冻结设备工作情况监测：冻结设备在冻结施工期间必须 安全正常运行。监测内容包括：机组运行电流和温度、系统 供冷监测、冻结器工作状态监测等； 地层温度场监测：冻结地层温度分布、冻结壁部位温度 观测、开挖断面上土体温度观测、初衬浇筑时断面壁温度观 测等。这些部位温度观测数据是确定制冷量是否足够，施工 是否安全的重要保证。观测方法常采用地层中钻孔预埋传感 器。必要时在关键点补充埋设测温点； 土体位移和地层压力监测：地层中的自由水会在土体内 引起附加应力和位移，当地下开挖掘进时也会使冻结土层内 应力发生变化，为确保施工安全，需要用测斜议、分层沉降 议观测地层的水平位移，重要部位地层应埋设压力传感器进 行观测，以防冻土崩塌、冻结管折断、地下水喷涌等意外事 故出现； 地表位移及邻近建筑物地下管线变形观测：在浅层土 中，土层的冻胀融沉和暗挖所引起的地层沉降较为明显。因 此，冻结法施工全过程必须对地表的隆起、沉陷，邻近建筑 物的沉降进行连续观测，以合理调整冻结和开挖方案，最大 限度减少对环境影响。4、冻结法施工其他注意点： 地下水质对冻结效果影响：当水中含有一定盐分时，水 溶液的结冰温度就要降低。因此，采用冻结法时，测量地层 水溶液的低温冰点是必须的，以确定冻结法施工方案的冻结 温度； 地层含水率和地下水流速：只要地层含水率大于10%、 地下水流速小于6m/d，冻结壁就可以形成。但地层含水率小 于10%时，冻结壁难于形成。当地下水流速过大而影响冻结 时，应采取措施。如加大制冷功率、降低冻结温度、加密上 流区域冻结管分布密度或采取注浆等方法封闭土层孔隙，以 减缓地下水流速完成冻结； 冻胀融沉对环境影响：地层中的自由水结冰后，体积会 增大约9.07%, 土中自由水要迁移。而冻结地层解冻后，土 体中的冰会融为水，体积要减少，自由水也要迁移。在砂性 土地层中孔隙水移动很快完成，土体冻胀融沉影响相对较 小。而在粘土或淤泥质地层中，自由水的移动很困难，所以 粘土或淤泥质地层中冻结壁在冻结过程中要产生比较明显 的冻胀，在解冻过程中要产生明显的融沉。因此，在该土层 施工中当采用冻结法施工地下工程时，由于冻结使地面上 升，由于解冻使地面下降，从而造成建筑物和地下管线危害 必须充分考虑并采取相应措施； 冻土壁蠕变的影响：冻土是一种弹塑性的粘滞体，在持 久外荷载作用下，会产生塑性变形并引起应力松驰。因此在 冻土面开挖和开挖面暴露时间过长都必须考虑冻土壁的蠕 变对开挖安全性的影响； 低温环境对混凝土浇筑影响：地层温度降低在一定程度 上延长了混凝土的凝结时间。为保证结构混凝土的正常养 护，常采取加热骨料、加热水搅拌、添加外加剂等方法解决。 但也应考虑水泥水化热对冻土壁融解不利影响。可以采取隔 热措施。其实，冻结法施工的理论并不深奥，但成套的冷冻设备、 熟练的操作人员、丰富的施工经验却是短时间内难以形成 的。采取与社会上有相当资质的专业冻结法施工队伍合作，并在合作的过程中注意学习和积累，以便尽快掌握应用。二、冻结法施工的实际应用举例：A进出洞：冻结法加固出洞段土体，使土变成冻土结构， 承受周围水土压力，然而凿除洞门，待盾构刀盘顶上冻土体 后，强制解冻拔出盾构推进范围内冻结管，盾构进入正常推 进作业。1、上海大连路隧道： 大连路隧道采用11.22m泥水平衡盾构，开洞直径为 11.6m，始发覆土厚度为10顶，工作井洞口底深21.6m。洞 口处土层为灰色淤泥质粘土，灰色粘土和暗绿-草黄色粘土。 地下水位约在地表下1m。 冻结加固计算：采取板状冻结加固方式。该出洞口冻结加固体，其承受的 荷载、计算模型及冻结管布置的示意图如图5所示。应用重液理论计算水土压力，其出洞口的水土压力为：P = 0013H = 0.013X216 = 0279Mpa加固体为整体板块而承受水土压力，运用日本计算理论计 算加固体的厚度h=kp p D2/4。 1/2，数据见下表：冻土平均 温度Co冻土弯拉 强度O水土压力 p加固体开挖 内直径D系数P安全系 数k计算加固体厚度h一101.8Mpa0.279Mpa11.6m1.21.53.06m园板中心所受最大弯曲应力计算为:o =p (1/2 D) 2 (3 + p ) /16 6/h2，结果见下表: max水土压力 p加固体开挖 内直径D冻土泊松比p计算加固 体厚度h计算得加固体最 大弯拉应力o max冻土弯拉 强度o .安全系 数k0.279Mpa11.60,m0.353.06mHO,X1.26Mpa1.8Mpa1.43沿工作井开洞口周边验算加固体剪切应力T=p D/4h,max计算结果见下表：（安全）水土压力 p加固体开挖内 直径D冻土抗剪 强度T _加固体厚度h剪切应力T0.279Mpa11.60,m1.5Mpa3.06m0.26Mpa冻结加固范围洞口冻结加固体计算厚度3.06m,取3.1m,采用垂直冻结， 冻结宽度17m,隧道两侧各2.5m,冻结深度自地面下73m 24m。为增加泥水盾构初始掘进的安全，再在整体冻结体外， 离洞口 3.1m10m加拱形顶棚保护，冻结加固长度7m,拱棚 最小厚度2.5m，总体冻结长度10m，见图6、图7所示：2002年3月，大连路隧道11.22m泥水盾构顺利始发。2003年和2004年上海复兴东路隧道和上海翔殷路隧道的泥 水盾构也采用冻结法加固洞口土体实现安全始发。2005年上 海上中路隧道14.87m超大直径泥水盾构又采用了冻结法 加固方案取得成功。2、上海上中路隧道 概况：上海上中路越江公路隧道为双管双层双向4车道 越江公路隧道。采用超大直径泥水平衡盾构，外径14.87m, 盾构长17.6m。出洞口中心标高-11.35m,洞口地面经垫高后 标高为4.9m。盾构出洞工作井槽壁上破洞口径15.2m。场地地势平坦，无永久性建筑物和市政管线。上层土为褐 黄-灰黄粘土和灰色粘质粘土，洞门口为淤泥质粉质粘土、 淤泥质粘土、粉质粘土，洞门下为砂质粘土和粉质粘土。2005年7月冻结系统安装，8月10日开始冻结，10月28 日盾构出洞，11月18日盾构推出冻结区，冷冻机组停机， 冻结工期共100天。 冻结设计：设计方案应考虑到：洞口土体稳定和不透水 性；泥水盾构的压力泥浆不上窜、不流逸；盾构机出洞后在 封堵洞门时盾构刀盘前土体稳定；具有动态的温度、变形和 压力监测；冻结过程应具备吸收变形和调节、减小外载和冻 胀力的手段。据此，冻结设计采用二个冻土板块，一是位于洞口前的冻 结板块，在盾构机出洞时起抵御水土压力、土层塌落和防止 泥水涌入工作井的作用；二是位于盾构机完全出洞后的刀盘 前，保证封堵洞口施工时盾构机停滞时前方土体稳定的后冻 结板块；在二个冻结板块之间为冻结棚拱，以保证盾构机进 入正常推进前建立压力泥浆系统，进入正常工况。见图8图 9示意。经计算（计算方法同大连路隧道）：a、前冻结板块厚度：前冻结板块开洞口底缘深为23.85m。据重液公式：p = 0.013h =0.310Mpa。根据日本经验公式计算加固体厚度h =k PD2/40 1/2,得到冻土设计厚度4.2m，取为4.3m。b、冻土 棚拱确定：冻土棚拱在两冻土板块之间，拱基与盾构下口齐 平，从洞口到洞外11.5m,可使盾构机尾部全部脱离密封圈。 冻土棚拱可看作在深度上受不均匀压力作用的圆拱，通过解 二次超静定得到截面上的轴力和弯矩，再应用曲梁理论求得 截面应力，并以此确定冻土棚拱的厚度。经计算棚拱冻结壁 厚度1.5m时最大拉应力1393Mpa、厚2.0m时最大拉应力为 0.869Mpa、厚2.5m时最大拉应力为0693Mpa。为安全计， 决定棚拱设计厚度取2.5m。c、后冻结板块厚度：后冻结板 块是保证封堵洞口施工盾构机停滞时前方土体的稳定，只要 设置单排冻结管使冻结壁达到一定厚度即可。在单排冻结管 作用下，按冻结发展速度25mm/d计算，盾构完全出洞进行 洞口封门施工时，厚度可达1.54m，满足要求。 冻结管布置：整个冻结区域共布置冻结孔11排，14 排为前冻结板块冻结孔，孔深27.0m，5.8m27.0m局部冻 结；510排为棚拱区冻结孔，孔深从长8.8m弧线变化到 24.2m，局部冻结深度由5.8m8.8m变化到5.8m24.2m； 第11排冻结管为后冻结板块，冻结管深24.2m，局部冻结从 5.8m24.2m。共205个冻结孔。见图10示意。前冻结板块内在盾构出洞前需要拔除的冻结管选用 127mmX6.0mm、20号低碳钢无缝钢管，不需要拔除的冻结 管用127mmX5mm、20号低碳钢无缝钢管，考虑到封洞门时 间较长，后冻结板块用159mmX 6mm、20号低碳钢无缝钢管， 以满足冻土体与冻结管共同受力作用。 冻结施工：原计划前冻结板块和棚拱均分二次冻结，以 减小地面冻胀融沉，后因地面无重要建筑物和管线，采用前 冻结板块一次冻结，冻结30d后再开始冻结棚拱区。洞门连 续墙凿除，根据冻结壁发展厚度，分层分阶段凿除。 监测：施工中进行了以下内容的监测：盐水温度、冻土 温度、冻胀压力、地表变形、土体分层变形、冻土对槽壁冻 胀压力、槽壁顶端位移、土体水平位移、槽壁水平位移等。冻结区内共设测温孔14个，测压孔4个，土体分层变形 孔5个，土体位移孔2个，并在洞门槽壁内设槽壁位移孔1 个，冻胀压力孔5个。监测表明：冻结初期热负荷较大，盐水去回路温降23C，35d后当冻土交圈后热负荷减小，盐水去回路温差 降到1C； 土体压力变化是顶部大、深部小的变化趋势，当 冻结第1035d交圈期，土体应力发生突变，分析为大量水 分冻结，体积急剧膨胀所致。交圈结束反而略有减小；最大 冻胀压力为Y4孔8m深处，达3.25Mpa；地面冻胀最大值为 12mm左右。根据以往经验，融沉值将超过200mm以上，为防 止融沉过大造成管片变形过大，采取强制解冻注浆加固冻结 土体。B、联络通道：联络通道采用地面加固地层方法主要有： 三重管旋喷、深层搅拌、垂直冻结。这些方法需要占用较大 地面施工场地，在市中心或过江段就没法做。采用水平冻结 技术与暗挖施工能完成联络通道地下施工。联络通道水平冻结暗挖施工技术施工要点为：地层冻结 加固与开挖均在隧道内进行，冻土单轴抗压强度要达 4 5Mpa，冻结壁厚度均匀，地表隆起或沉降不超过30mm，隧道 最终位移不超过10mm；通道冻结壁设计为矩形，冻结与开 挖在一侧隧道内进行（为处理冻结壁与对侧隧道管片间的薄 弱点，可在对侧隧道管片内侧敷设冷冻板，以增加冷冻效 果）；对冻结过程进行严密监测，在冻结壁内布置测温孔 和压力释放孔，以测定冻结壁厚度和冻结壁是否交圈；通 道开挖采用钢支架背板临时支护，人工进行开挖；控制地 表沉降和隧道变形是冻结法施工的关键点，冻结设计中的泄 压孔和采用注浆方式补偿冻结壁融沉是必须的。1、水平冻结法在上海地铁2号线运用：上海地铁2号线 九座联络通道，有四座采用水平冻结法加固：杨高路站一中 央公园站，江苏路站一中山公园站，静安寺站一石门一路站， 河南路站一陆家嘴站（黄浦江中）。冻结壁设计：确定在一条隧道内施工冻结孔，并成放射 状布置，集水井土层加固用冻结孔成向下倾斜状见图示:冻结孔控制间距为900mm1100mm，经计算，冻结壁厚度 1.2m1.5m。用于黄浦江联络通道的冻结壁厚度为1.5m （实 际冻结壁拱部和底部厚度要大得多）。再用有限元法计算冻 结壁的内力，得到冻结壁薄弱处的应力和安全系数分别为： 侧墙中点附近外侧最大受压1.45Mpa,安全系数3.1；顶板 中点外侧受压1.02Mpa,安全系数4.4。 冻结壁交圈：按计算冻结壁交圈和达到设计厚度分别为 12d和28d。考虑到冻结壁与对侧隧道管片之间土层不易冻 结因素，最后设计冻结壁交圈时间确定2225d,达到设计 厚度再加15d。 冻结施工：水平钻孔与垂直钻孔存在很大差别：其一， 水平钻孔时重力影响使钻孔容易向下偏离设计；其二，由于 呈水平方向钻孔，护壁泥浆容易流出；其三，打孔时，如果 地层中有承压水，会造成流砂流泥。针对上述难点，首先在 隧道内搭设对应钻孔角度脚手架，再在钻机上安装导向扶正 系统进行微调，同时使用优质护壁泥浆，确保钻孔成形在允 许范围内；其次发现有流砂出现可能时，先对地层用双液注 浆封堵，避免涌水涌砂的发生。 冻结运转：根据上海地层冻结速度快，冻胀小的特点， 为减小冻胀带来的危害，施工中加快初期冻结的降温速度; 根据隧道变形和地面沉降观测，及时调整冻结层盐水流量， 以降低对隧道变形的影响；根据泄压孔的压力变化规律及时 泄压。通过四个联络通道开挖来看，冻结效果非常好，冻土 壁各项参数全部达到或超过设计要求，江苏路一中山公园通 道开挖面收敛变形小于11.7mm，静安寺一石门一路通道小于 12.4mm，黄浦江底通道收敛变形仅为4.2mm。 暗挖施工：联络通道的开挖采取分区分层方式进行，其顺序为：a、 打开冻结侧通道钢管片；b、按照通道中部断面全断面开挖 并临时支护直到对面钢管片；c返回刷大两侧喇叭口断面并 临时支护；d、集水井开挖并临时支护，一次浇筑混凝土永 久支护：e、打通对侧钢管片。土方开挖采用人工铲和风镐 相结合。临时支护采用工字钢根据通道断面尺寸加工成拱型支架， 并配以木背板支护，支护间距0.30.5m，支架之间用拉杆 连接。永久支护为现浇钢筋混凝土结构，为提高结构抗渗能力采 用一次连续浇筑。顶板混凝土浇筑比较困难，对顶部空隙用 混凝土喷射机喷射砂浆填充。掺入水泥用量4%的防冻剂， 以增加混凝土的抗冻性，不影响早期强度增长。 沉降和位移监测：监测点的布置：地表沉降测点沿联络通道中心线和地铁隧 道轴线两个方向布置，间距2.0m左右；隧道位移监测包括垂直和水平位移两部分。监测范围以联络通道中心线两侧各2025m范围内的上、下行隧道，测点布置间距12m。监测频度：视施工对隧道预计影响而定。在钻孔和积极冻 结其以每周23次，在开挖和维护冻结期每天一次。如发 生突变可临时加大测量频度。 监测结果：对地表沉降来说：a、在钻水平冻结孔时，地表会出现沉 降，原因是钻孔时由于漏泥而造成；b、开始冻结后会出现 地表隆起，最大值接近10mm，这是地层冻胀而引起的；c、 冻结完成，开始通道开挖，由于开挖而破坏了冻结壁和地层 的平衡，冻结壁产生收敛变形，使地表产生沉降。最大值曾 达到81mm； d.X程结束，停冻消融阶段，冻结壁化冻，土 层和隧道管片的冻胀力释放，导致地表的下沉（如果在进行 壁后注浆充填后再停止冻结效果会好些）。对隧道位移来说：a、当进行水平钻孔时，由于地层扰动， 隧道会产生向开挖方向的水平位移；b、冻结开始，由于地 层冻胀作用，上、下行隧道均向背离通道的方向位移。这种 位移在联络通道中心线处最大（10mm左右），离通道越远， 水平位移越小，在25m以外没有影响；c、隧道的垂直位移， 从监测反映，钻孔时没有影响，开冻后隧道迅速抬升，至冻 结壁形成，隧道抬升趋缓，总抬升量能达到20mm左右。而 停冻后，由于冻结壁融化，隧道迅速下沉，直到原来位置再 下沉数毫米。根据四个联络通道的监测可知，联络通道施工引起最大地 表沉降为20mm左右。其中冻胀引起地表隆起约10mm，由于 开挖和融沉引起地表沉降约30mm；隧道水平和垂直位移不 大，最大值仅10mm左右。2、上海地铁10号线某旁通道冻结法施工 概况：为上海地铁10号线国权路站五角场站区间的旁通道及 泵站工程。通道中心线间距13.2m,通道中心标高-14.723m。 通道位于四平路下，上有1.2m煤气管、1.05m雨水管、 1.0m上水管及电话缆等。通道处于高含水量、高压缩性、低强度的淤泥质粘土和 1-1粘土层，且触变性大易流变。 冻结帷幕设计：冻结帷幕平均温度-10 oC ；相应冻土强度指标为；单轴抗 压3.5Mpa，抗折18Mpa，抗剪15Mpa。冻结孔采用上、下 行隧道两侧打孔，按上仰、水平、下俯三种角度布置，共70 个，其中上行线57个，下行线13个（见图12所示）。旁通道内设置4个穿透孔，供对侧隧道冻结孔和冷冻排管需 冷用。设置了 14个测温孔，冻结站对侧8个。测温管选用32mm X3.5mm无缝钢管，长26m，前端密封。再在冻结帷幕封 闭区域内布置4个卸压孔，上、下行线各2个，在卸压孔上 安装压力表，可直观地监测冻结帷幕内的压力变化，判断冻 结帷幕形成情况，并直接释放冻结形成的冻胀压力。卸压管 选用32mmX3.5mm无缝钢管，长13m；管端开口，埋入 土体段呈梅花状钻若干小孔，使冻结帷幕内的压力有效传 递。 制冷设计：冻结参数选取如下：积极冻结期盐水温度-28-30oC，维 护冻结期温度-25-28C。积极冻结时间36d，维护冻结时 间30d。冻结孔单孔盐水流量不小于3m3/h。经计算，旁通道 冻结需冷量 Q = 4.6 X 104kcal/h (1kcal/h = 4.184j/h )，选 用W-YSLGF300II型螺杆机组2台套，其中1台备用。单台机 组设计制冷量8.75X 104kcal，电机功率110KW，能满足制冷 需求。选用氟利昂R22制冷剂，CaCl2溶液冷媒剂。辅助设备：IS150-125-315型盐水循环泵、IS150-125-315 型冷却水循环泵各1台；KST-80型冷却塔2台；38mm钢 供液管；盐水干管和集配液圈选用159mmX 6mm无缝钢管。 冷却水管为133mmX 4.5mm无缝钢管。 冻结孔施工：冻结孔的孔位在避开主筋、管缝、螺栓及钢管片肋板前提 下可适当调整，调整幅度W 100mm。先施工穿透孔，然后根 据通道孔位，由上向下施工，以防止因下层冻结孔施工引起 上部地层扰动。用j-200型金刚石钻机开孔，配# 130mm金刚石取芯钻头， 钻孔深度V 300mm，不得钻穿管片。用钢楔楔断岩心，打入 加工好的孔口管，并用4个固定点固定在管片上，然后安装 孔口密封装置，如图13所示。钻孔使用MD-50钻机1台、BW250型泥浆泵，利用争89mm X8mm冻结管作钻杆；冻结管间用套管丝扣连接，丝扣紧固 后再手工电弧焊接。正常情况下，钻进时安装简易钻头，直 接无水钻进。当钻进困难时，在钻头部位安装一个特制单向 阀，带水钻进。冻结管到达设计深度后冲洗单向阀，并密封 冻结管端部。冻结孔的质量要求是：钻孔偏斜在1%以内； 冻结管密封压力试验控制在08Mpa，压力损失前30min小于 0.05Mpa，后15min压力无变化者为合格。 冻结站安装：为避免长距离输送盐水造成冷量损失，冻结站设置在隧道 内，靠近通道处。站内设备主要包括冷冻机组、盐水箱、盐 水泵、清水泵、冷却塔及配电控制柜等。管路用法兰连接， 隧道内的盐水管用管架敷设在隧道管片斜坡上。在盐水管路 和冷却水循环管路上设阀门和测温仪、压力表等测试仪器。 盐水管路经试漏、清洗后用50mm厚保温板或棉絮保温。集 配液管与冻结管用高压胶管连接，每组冻结管进出口各装一 个阀门控制流量。蒸发器、低温管路、盐水箱和盐水总管用保温板或棉絮保 温。由于混凝土和钢管片散热较快，为加快冻结帷幕与管片 胶结，通道两侧管片也用保温板保温。对冻结帷幕发展区域 管片也要进行隔热保温。 积极冻结和维护冻结：设备安装调试试运转后，各参数正常条件下冻结系统可运 转进入积极冻结阶段。夏天要安装局扇等措施，增加空气对 流，降低冷却水温度。积极冻结阶段为冻结帷幕形成阶段，积极冻结期，要求冻 结孔单孔流量N3m3/h；积极冻结7d盐水温度降至-18C以 下，15d盐水温度降至-24C以下，去回路温差不大于2oC； 开挖时盐水温度降至-30oC以下。如盐水温度和盐水流量达 不到设计要求，应延长积极冻结时间。积极冻结过程中，根据实测温度资料判断冻结帷幕是否交 圈和达到设计厚度，同时监测冻结帷幕与隧道胶结情况，测 温判断冻结帷幕交圈并达到设计厚度且与隧道完全胶结后， 可进入维护冻结阶段。维护冻结时间贯穿通道及泵站开挖和 主体结构施工始终。停机时间以混凝土强度达到设计值的 70%为宜。 开挖与构筑施工：正式开挖前，应先进行探挖，确认正常后方可正式开挖。探挖具体要求：当具备探挖条件后，用煤电钻在开挖的毛断 面四周及中心打钻孔，捡查冻土是否进入施工区域、中心有 无流动的压力水。探孔深2.0m，钻孔直径争48mm。打探孔前， 应安装带止水阀的孔口管。通道两端均打探孔。经探挖确认可以进行正式开挖后，打开钢管片，用矿山法 进行暗挖施工。通道开挖采取分区分层方式进行。有泵房的 要在上部通道结构施工完毕且强度达到60%后，再进行泵房 的开挖，顺序可见图示。由于冻结帷幕承载能力强，除喇叭口处侧墙和拱顶外，可 以采用全断面一次开挖，开挖步距为0.3m0.5m，泵房开挖 步距为0.5m。开挖断面超挖W30mm，开挖中心线偏差W20mm。泵房开挖过程中将有部分冻结管暴露，为确保安全，施工 员应跟踪监测开挖深度，当开挖面距离冻结管约510cm时， 关闭该组冻结管的去、回路阀门，等该组冻结管全部暴露后， 再打开关闭阀门恢复冻结。泵房200mm厚垫层施工完毕，即 可将泵房内暴露的冻结管割除，进行永久结构施工。采用2次支护方式，临时支护为钢支架加木背板和喷射混 凝土；永久支护为现浇混凝土结构。为减少施工缝，一次连续浇筑混凝土。章履远为大成轨道公司盾构部而整理2010-3-23