冻结法在盾构隧道的应用

冻结法在盾构隧道中的应用翁家杰王朝晖摘要本文第一简要叙述丁冻结法的进展历史进程，举例分析丁冻结技术在国际盾构隧 道工程中的应用情形，并对其大体理论及应用的若干技术问题迸行丁较为详细的论述。一、冻结法的进展冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结成冰，把天然岩土变成冻土，增加其强度 和稳固性，以隔间地下水与地下工程的联系。在冻结壁的保护下进行地下工程掘砌施工，是一种 有效的特殊施工技术。19世纪60年代，冻结法第一应用于英国南威上的建筑基础工程。1883年，德国工程 师波 茨舒(F. H. Poetsch在阿尔巴里得煤矿采用冻结法施工深103m的井筒，并取得专利：引发工程界 的关注。随着地下空间的慢慢开发利用，新工程的不断出现，增进了冻结技术的迅速进展。近几 年来，冻结法已进展成为一门较为成熟的特殊施工技术，被普遍应用于水利工程、地基基础工程： 隧道工程和矿井建设等工程中。目前世界各国应用冻结法凿井的最大深度见表1。冻结法凿井的最大深度表1国名何二英国加拿大波兰比利时德国俄国法国中国最大冻深,m338930915725638628620550435冻结法在我国起步较晚，但进展速度却专门快。自1955年开滦矿区应用冻结法凿井以 来，现已在12个省区推行，共施工360多个立井井简、斜井井筒和风道口等，冻结总长度约6万米。 冻结法已成为我国通过不稳固冲积层和裂隙含水层的主要施工方式，专门是自1675年以来，冻 结工程量有较大的增加，年平均冻结长度达2300m。本世纪60年代，液氮冻结法的出现为冻结法的进展历史揭开了新的一页。由于炼钢工业和 空分技术的进展，大量的制氧副产品氮气通过液化取得的液氮已被应用到实用的工业领域和国民 经济部门。液氮在常压下沸点为一195. 8C,气化潜热为kg,氯的显热为1.05J /(kg k)。液氮对 震动、热和电火花是稳固的，且没有侵蚀性。其良好的理化性质使之成为一种比较理想的制冷工 质。和传统冻结法的氨循环、盐水循环、冷却水循、一环组成的复杂系统相较，液氮冻结系统简 单，具有低温、快速和高强的特点1992年中煤特凿公司、上海隧道公司和中国矿业大学合作完 成上海地铁1号线151井以北软上盾构隧道的贯通工程，实现了液氮冻结在我国的第一次工程应 用。二、盾构隧道冻结辅助工法1825年，英国在太晤士河下第一次采用盾构法修建第一条水下隧道。至今盾构施工技术已 普遍应用于软上隧道的施工中，并取得了明显的技术进步。本世纪60年代盾构的机型 取得迅速 的完善和进展。70年代我国泥水平衡盾构和上压平衡盾构的应用，使隧道开挖而的稳固性得以保 证。80年代的大型网格挤压式盾构已被成功地用于上海延女东路越江隧道 工程中，推动总长 1476m.盾构法作为软上地层大直径、长距离隧道的主要施工技术之一，已被世界各国所普遍采用。 据80年代的统汁资料，盾构隧道中的12%作为地铁或水下交通 隧道，13%作为电力、通信电缆 隧道，作为供水管道的占25%, 50%的盾构隧道用于排水通道。由于盾构隧道直径的增大、埋深的加大和盾构机型的复杂化，冻结法的应用愈来愈多，在诸 多的辅助工法中，苴应用比重日渐增大。这是因为与井点、电渗、注浆等方式相较，冻结法具有 以下特点：1. 冻结法适用于复杂的地质条件，冻土强度高，阻水效果好。2. 适用于多种情形下工程的施工。施工方式灵活，大全整块街区，小全局部抢险都可采用。3. 冻结法对地层、地下水和周囤环境的影响较小，不产生污染，不产生超负荷的噪声。4. 冻结加固上体的效果可按照工程设计要求，在施工进程加以人工控制，从而达到令人满意 的效果。冻结法是土层的一种物理加固方式。它是一种临时加固技术。当工程需要时冻上可具有岩石 般的强度，如不需要强度时、（当盾构推动时，刀盘切削范国内的土层），又能够采取强制解冻 技术使其融化。因此，冻结辅助工法是一种既靠得住又灵活的施工方式，尤其适用于我国东南沿 海软土盾构隧道施工中利用。分析活着界上一些国家应用的实例，将盾构隧道的冻结辅助工法的应用可归纳为以下几个方 面：1. 盾构进出洞时土体的加固盾构进、出洞时，经受着工作井周用上体产生的庞大土压和水压的转变，可能致使涌水和上 体坍塌。目前，咱们常常利用旋喷技术或注浆法加固上体，效果不十分理想，常常碰到 注浆不均 匀和盾构刀盘切割浆液结石体等困难，而冻结辅助工法却能有效地解决这些问题。日本东京环7线2号调节水仓盾构隧道的出洞作业采用冻结辅助工法。该水仓分两期 建成总 容量540, 000m以避免Kanda河水泛滥。直径13. 94m的大型盾构从深60m的工作井出洞，其周 围是砂上层。盾构出洞前对上体进行冻结加固处置（图1）。冻结管采用水平和垂直两种布苣方 式，冻结65d后，冻土温度达到一20C以下，冻结壁厚达到4. 3m,（图2）（略），安全系数为 2,知足安全施工的要求。同时辅以注浆法加固，英厚度为5. 2m,总加固上体厚度为9. 5m,保证了盾 构完全出洞以后，其盾尾也处于稳固上体的保是护之下。平面图B-B割面图A - A剖面图图1东京环7线盾构隧道出洞冻结示用意另外，东京森崎污水处置场的盾构出洞、日本千叶县市川市江户川的排水隧道、名古屋 知 多武平町输电线隧道和日本某热电站冷却水排放隧道的盾构进洞，均采用了冻结辅助工法 取得 成功。2. 盾构隧道地下或海底对接时人体稳固最近几年来，世界上许多国家的盾构隧逍采用对头掘进，从而缩短工期。除采用立井对接 方式之外，还常常不开凿立井而在地下或海底宜接对接。这对于在水下施工或建筑浓密、交通拥 堵、地价高的市区施工有着超级重要的意义。采用冻结法加固对接区域，实为安全靠得住的补强 堵水方式。日本大阪东南部的排水隧道直径6. 5m,位于地表以下23. 44m处。该盾构隧道总长8.5km, 划分5个区施工，其中两区施工的对接采用冻结法地下对接。冻结管以长、短两种管在对接区域 周用按圆锥而布置，长管8. 2和7. 7m,短管3. 6m和3. 3m,冻结土体1100m确保盾构隧道如期顺 利贯通(图3)(略)。由于采用地下对接，免去工作井的开凿，使工程造价降低13%。东京污水处卷大1+1干线的地下对接和莫里嘎萨基(Morigasaki)与那姆比(Nambui)排污隧道 的海底对接均采用了冻结辅助工法。经实践证明，冻结法是用于对接的一种安全靠得住技术，可 有效地降低工程本钱。3. 城市地铁泵房、旁通道和急转弯部份的施工现代城市地铁安全设计要求，大约间距lkm左右时，需在并排隧道间设立泵站。另 外，地下工程常常碰到旁通道和急转弯部份盾构施工困难的情形。它们具有施工距离短、形状 不规整等特点，采用盾构施工困难，在经济上亦不合理，因此，日本、美国、英国等国，常采 用冻结法对周围土层加固，然后以矿山法掘进。日本京都地铁泵房位于鸭川河周用，处于砾石层中，该地层含水量丰硕。专家通过量种方 案的分析比较，决左采用冻结法。在翌排水井周用布程重直冻结管，泵房底部布置料冻结管， 形成“V”形圆锥面封底，同时，在泵房的周用上层埋设附加冻结管，以增强两帮和提高阻水效果 （图4），布置的冻结管总长2516m。工程采用2台150kW的螺杆冷冻机，盐 水工作温度维持在 -25C -30C之间，冻结工期13月，冻土体积共il- 1650mffl工进程中土体向上发生最大冻胀 量为25mm侧向冻胀量17mm,完全知足工程设讣安全的标准。牌啊阳避局耶坨典康，黛竦插皆K.i用内随更也？日向整塑15200平面图图4京都地铁泵房冻结示用意1-1断而图4盾构隧道涌水、坍塌事故的冻结修复图-2断而一单位如） 盾构隧道施工发生涌水、土体坍塌等突发性事故时，利用液氮冻结快速、低温和高强的特点， 可迅速在短时刻内有效地处置事故。该技术日趋成熟，已被世界上许多国家采用。意大利波太兹（Poicnza）的一项输水隧道工程，成功地运用液氮冻结技术处宜了一路严 峻涌砂事故。该隧道采用直径6m的全自动盾构施工。当盾构掘进2630m时，发生严峻 的涌砂 事故，共讣涌入泥砂6000m完全掩埋了盾构。该地域水文地质条件复杂，土层中赋存大量的孔 洞，而且水压较大，采用注浆法处宜未能奏效（图5）图5 Agri Sauro隧道事故破坏示用意专家通过度析研究，决左采用液氮冻结技术修复隧道。第一在距盾构50m处砌筑混凝上墙， 封锁隧道，避免涌砂进一步扩展。在安装冻结管工作之前，对渗漏段土体进行注浆处置。增大体 的密度，提高冻结速度，尽快形成致密稳固的冻结壁，确保在70m水头作用下的水流不进入隧 道。冻结管沿隧道的轴向略倾斜布置36根24m长的冻结管，形成厚的锥形 护壁（图6）。在事 故处苣进程中，平均每立方上体消耗液氮12001。冻结工作中还采用了套管钻进、增强支护和温 度监控等办法，使冻结施工达到了令人满意的效果。24,3118 40_ 与的 ！图6冻结管布置示用意三、土层人工冻结的基础理论1.冻结温度场在冻结进程中上层温度随时刻而转变，这是一个相变、移动边界的、有内热源的、边界条 件复杂的不稳固导热问题。现有解析法、模拟法和数值法三种解决问题的途径。目前比较有效 的是数值近似法，主要为有限元法和差分法。通常将冻结工作的研究对彖视为均所持续的，导 热方程经坐标变换为：or dy2 y oa（T 0, 0, ft/2.地下盾构隧道对接时，冻上体常按固端梁受弯进行计算，采用经验安全系数对结构设计强 度进行工程验算。四、盾构隧道冻结若干技术问题1. 1.冻胀与融降城市隧道冻结进程中存在两个比较突出的问题就是冻胀与融降，过量的冻胀与融降量均会 对城市地而建筑、交通和地下管线产生严峻的破坏作用。冻胀的机理是上体中的水冻结成冰时 体积增大9%,同时上体中产生水压差，地下水向冰结邮而迁移，致使冻胀现象愈来愈显著（图 10）。当冻上融化时，体积减小，又会产生较大的土层沉降。原培铮面未藻土 惊土 未琮上图10冻胀形成机理图通过比较分析可知，不同上所条件下冻胀与沉降量是不同的，粘土的变形量专门大，粉砂、 砂次之；融降量一般大于冻胀变形虽:。虽然它们对工程的影响较大，但并非是不能控制的。由 于冻胀必然产生对结构物的压力，日本东京环7线盾构出洞的冻结施工中，采用压力释放孔的 办法，使冻结压力降低约40%o最近几年来，通过人们的不断探索，已形成一套比较成熟的技术。 压力释放孔、注浆充填、工作而释放水和强制解冻等均取得了专门好的效果。日本两项冻结工程中实测的冻胀与融降量见表2。隧道冻胀与融降量的实测值表2工程位鳖参数东京都下水道大ED干线大阪排水隧道按合点上路面隧道底而（距地表24m）按合点上路面隧道底面（距地表30m）冻胀S (inm)11120752隔降虽（mm）26200352802. 2.冻土扩展在冻结工作中及时监控冻土的扩展情形，可保证盾构的顺利推动。我国煤矿冻结工作经验己总结出冻上扩展速度的规律，它与上所条件有关，见表3。你石层冻结速度最快，砂上次 之，粘土层最小。冻结壁的冻结时刻可按下列经验公式计算：T = n Ed/V（4）式中T -冻结时刻，d：Ed-冻结壁设讣厚度，mm；n -冻结壁向内侧的扩展系数，n =；V-冻结壁向内侧的平均扩展速度，mm/d日本大阪输水隧道的冻结扩展情形（图11），表明砂上的冻结速度大于粘上。冻结前25d的 冻结速度较快，以后冻结壁的厚度随时刻成线性增加。日前，盾构隧道的冻结工作采用理论计 算进行冻结设计，理论汁算结果较好（图12） o然后在冻结进程中通过铜一锚铜热电偶监测冻上 的扩展情形，可取得令人满意的效果。h *（I*L gF 1 fl i0:宁.1.005J10)1; 3 150床结时间2）设计O上部砂和妙牯土层中聊砂土层x下那怙土层日本大阪输水隧道的冻结扩展曲线图旅培时间如 一.B 1。源 丁 1Q =010 J0 _月4勇 I S月一1 VM IO ,砂说 昂* 土保图2东京都下水道大田干线冻上扩展理论计算与实侧值的比较曲线3地下水对冻结的影响一般地下水的自然流速比较小，但通过人工钻孔抽水以后，地下水流速往往大于5m/d,影 响冻结壁的正常交圈，对冻结工作产生专门大危害。下列冻上圆柱的热平衡方程，用于分析地 下水流对降温度的影响（图13）图13地卜水流对降温区温度的影响曲线地下水使上层降温区延长，推延冻结壁的交圈时刻。采取缩短冻结管间距的办法，在必 然程度上 可 减 少 地 下 水 的 影 响 (图 14)性埃】：正富琼始光评的堆飞水JE配亶度曲歧2：琮土园柱不能?TK的地下水帙界击寸速茂图14临界地下水流速度与冻结管间距的关系曲线2水心-1) = 80勿匚水2心5 +欣；GP|X+ 景 c2p2(l-n) + CApAnt2+ LVc2p2(l-n) + CApAni3(5)式中V一地下水流速，m/d；一地下水流动引发的延长区的平均降低湿度，CK一每米冻上圆柱的热导系数：Kg/md- C；n土的孔隙率，%;R2冻土圆柱半径，m：P*、pi、P2别离为水、冻结岩土和非冻结岩土的比重，kg/m3；冻土的扩展速度，m/d：C木、Ci、C2-别离为水、冻结岩上和非冻结岩土的比热：L一两冻结管的间距，m； “、Al2.冻结一天时冻结岩土平均降低湿度、降温区平均降低温度和延长区平均最低湿度，C&与冻土圆柱直径相应的降温区域长度，m。最近几年来，人们通过钻探取（芯）、物探测井法等预选了解地质条件，设置水位观测孔 观测地下水。采用注浆充填法等减小地下水的流速，以处宜地下水流条件下的冻结问题。由于 液氮冻结技术日趋成熟，人们逐渐利用其快速，低温和高强等特点来处置涌水、涌砂等 紧急事 故，但液氮冻结大流速地下水条件下的规律还有待于进一步的研究。五、结论冻结技术作为临时加固上层、阻隔地下水的一项较为成熟的技术，以英良好的可控性，已逐 渐引发世界齐国工程界的重视。此刻日本、美国、俄国、英国等地下工程比较发达的国家，已成 功地将冻结法与盾构施工结合起来，解决了许多软土隧逍的工程问题，近几年，我国实行改革 开放，经济举步腾飞，上海、广州、天津等大城市以地铁为主的地下隧道取得快快速进展，冻结 技术作为盾构隧道施工的辅助工法具有广漠的进展前景。摘自上海隧道1995/3