(冷凍法施工)

1、 地鐵施工技術交流材料冷凍法聯(lián)絡通道施工技術及風險控制措施一、凍結法的基本原理與特點采用凍結法對地層土體進行加固，是指利用人工制冷技術,使地層中的水結冰,把天然巖土變成凍土,增加其強度和穩(wěn)定性,隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系,以便在凍結壁的保護下進行地下工程掘砌施工的特殊施工技術。其實質是利用人工制冷臨時改變巖土性質以固結地層。1、巖土凍結實質巖土凍結性質的改變，即將含水地層（松散土層或裂隙巖層）冷卻至結冰溫度下，使土中孔隙水或巖石裂隙水變成冰，巖土的性質發(fā)生重要變化，形成一種新的工程材料“凍土” 。 2、凍土結構特點而凍土結構具有較高的強度和絕對的封水性。3、凍土結構功能凍土結構的承載功能和封水

2、的不承載功能。4、制冷方法其制冷技術方法，通常使用制冷設備，利用物質由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài),即氣化過程的吸熱現(xiàn)象來完成的。4.1、有兩種類型：、冷媒劑(鹽水)吸熱：氨 (-33.4)；干冰(-78.5)；、直接氣化吸熱：液氮(-195.8)；干冰(-78.5)4.2、凍結系統(tǒng)常有兩種類型：、封閉系統(tǒng)（鹽水凍結）；、開放系統(tǒng)（液氮凍結）5、凍結法的適應性凍結法加固與其它加固方法相比，其適應性更強，能夠適應粘土、粉土、砂層以及礫石、卵石等任何地層。6、凍結法的特點6.1、凍土帷幕的變化性：、凍土范圍可變；、凍土溫度可變；、凍土強度可變（強度是溫度的函數(shù)）6.2、凍土帷幕的連續(xù)性：水在負溫下結冰的必然性；6

3、.3、凍土帷幕的可知性：通過溫度測試可判斷凍結范圍、凍土強度7、凍結法施工的優(yōu)點7.1、安全性好：、凍土強度較高；、凍土連續(xù)性可靠、封水性好7.2、適用性強：、適用于幾乎所有具有一定含水量的松散地層（包括巖石）；、復雜地質條件可行（流砂、大深度、高水壓）7.3、靈活性高：、凍土帷幕性狀（范圍、形狀、溫度、強度）可控8、凍結法施工缺點由于凍結法所形成的凍土帷幕其范圍、溫度、強度具有變化性，其凍結范圍、強度隨溫度的變化而變化，如果供冷不足或外部熱源可導致凍土帷幕性能（范圍、強度）退化，安全性能降低，施工風險增大。眾所周知，上海地鐵4號線聯(lián)絡通道施工時，其凍結帷幕失效，發(fā)生重大工程風險事故，給國家造

4、成嚴重的經濟損失。8.1、凍脹融沉：、對環(huán)境有一定的影響，嚴重時具有一定的破壞力；、融沉控制不當可導致結構差異沉降和長期沉降；8.2、風險性：、供冷不足或外部熱源可導致凍土帷幕性能退化（范圍、強度）；、流水作用下凍土可快速消融8.3、局限性：、地下水流速影響凍結效果；、地層含鹽影響凍結效果；、含氣地層可影響凍結效果9、凍結法的應用通過凍結法加固所形成的凍土帷幕，其形狀、范圍、溫度、強度完全可以受控，且通過溫度測試可判斷凍結范圍、凍土強度。因此，人工凍結地層加固方法被廣泛用于需要進行地層加固和封水（凍土帷幕）要求工程施工領域。特別是隨著我國城市地鐵軌道交通的發(fā)展，軟土隧道盾構的進出洞、聯(lián)絡通道等

5、風險性較高的工程項目，常采用凍結法加固 進行施工。9.1、土木工程和巖土工程如：、礦山鑿井：豎井、斜井；、隧道施工：隧道掘進；盾構、頂管進出洞、聯(lián)絡通道；、隧道擴建；、基坑工程；、穿越；、地下對接；、事故處理；、管線工程；、基礎加固；、邊坡加固9.2、土工試驗：原狀土取樣 二、凍結法的理論與工程問題1、熱力學性質1.1、主要參數(shù)：比熱、熱傳導系數(shù)、潛熱、結冰溫度等；1.2、最主要影響因素：含水量1.3、特點：凍土與未凍土的熱力學參數(shù)有明顯區(qū)別2、物理力學性質2.1、強度：、單軸抗壓；同等條件下，凍土強度是溫度的函數(shù)： n隨土性變化的參數(shù)， 砂性土n0.5黏性土n1；a, b與凍土的孔隙度、含水

6、量相關的系數(shù)。在相同溫度下，含水量對凍土極限強度影響很大。在非飽和時，強度隨含水量增長；過飽和時，強度隨含水量降低。其中，未凍水含量對凍土強度影響也很顯著。未凍水含量越高，強度越低。、抗拉、抗剪強度；凍土抗拉強度規(guī)律與抗壓強度相同。強度隨著溫度的降低增長，同時取決于土的成分、含水量等因素。數(shù)值上，抗拉強度比抗壓強度低26倍3、熱傳導與溫度場：3.1、導熱形態(tài)：a、凍結管凍結過程是非穩(wěn)態(tài)導熱問題；b 、凍結后期，熱交換趨于平衡，可近似看作穩(wěn)態(tài)導熱問題；c、溫度場分析時一般看作穩(wěn)態(tài)導熱問題3.2凍結發(fā)展動態(tài)過程：單排凍結管凍結過程三階段：單管凍結、管間影響凍結和管間凍土相接后凍結a、單管凍結：管間

7、獨立凍結，凍土呈圓柱狀發(fā)展；b、管間影響凍結：管間相互影響，凍土在凍結管之間（軸向）發(fā)展快，兩側慢，凍土呈橢圓柱形；c、管間凍土相接后凍結：凍土相接（“交圈”）后，形成波浪形凍土墻，但凹陷部位（界面）發(fā)展快，凸出部位（主面）發(fā)展慢，凹陷部位將很快填滿，凍土墻兩側呈直線形。之后凍土直墻繼續(xù)向兩側發(fā)展。3.3、溫度場與平均溫度現(xiàn)在國內計算凍土的平均溫度的公式：其中：tcp凍土平均溫度 tp鹽水溫度 S孔間距， 凍土厚度， t開挖面溫度，4、凍脹與融沉4.1、凍脹機理、凍脹可分為原位凍脹和分凝凍脹?？紫端粌鼋Y體積增大9%（原位凍脹），外來遷移水分則體積增大1.09%（分凝凍脹）。所以開放系統(tǒng)飽水

8、土中的分凝凍脹是構成土體凍脹的主要分量。原位凍脹量非常小，土體凍脹量主要取決于水分遷移通量。 因此，凍脹量的主要影響因素是凍土的導濕系數(shù)和土水勢梯度。土水勢梯度由重力勢、壓力勢、滲壓勢、溫度勢、電力勢和磁力勢梯度中的某一項或幾項之和組成。而影響這些量的外觀因素可表現(xiàn)為：a、內因：土的粒徑、組織構造、透水系數(shù)、鹽分濃度等；b、外因：約束應力、凍結速度、凍結歷時、孔隙水壓等?？傊?，凍脹是一個非常復雜的問題。、土壤的凍脹敏感性土的粒徑是影響凍脹敏感性的一個重要因素，顆粒越小凍脹性越強。砂性土凍脹不敏感，黏性土凍脹敏感。、凍結參數(shù)對凍脹量的影響a、凍結速度：在一定范圍內，凍脹量與凍結速度成正比。b、凍

9、結歷時：凍結時間越長，凍脹凍脹量越大。c、凍結溫度：凍結溫度越低，凍脹凍脹量越大。、衡量凍脹的主要指標是凍脹率。a、凍脹率指凍土單向凍結方向上的尺寸與凍結前的比值。b、一般按凍脹率大小來劃分土壤凍脹等級。凍脹等級不凍脹弱凍脹凍脹強凍脹特強凍脹凍脹率h£11<h£3.53.5<h£66<h£12 12<h 凍脹率（俄羅斯）h£11<h£44<h£77<h£10 10<h 4.2、凍脹力是凍脹受到約束時產生的力。由于約束條件的差異，凍脹力數(shù)值的可比性很差。標準試驗可測試凍

10、脹力，但主要用于不同土壤之間的比較，工程實際意義不大。工程上關心的凍脹力是因凍脹結構上受到的力，這個力不是單純的凍脹力，因此也稱“凍結壓力”。由于不同工程的差異性，實測凍脹力之值離散性很明顯。因此，準確估計結構上受到的凍結壓力是非常困難的。、封閉式凍土帷幕的凍結過程中，交圈前幾乎不顯現(xiàn)凍脹力，開始交圈時凍脹力開始顯現(xiàn)，在凍土帷幕形成閉合體后，凍脹力急劇增長幾乎達到最大值。后續(xù)的凍結過程中，凍脹力變化不明顯，有的略有增長，有的略有降低4.3、融沉機理凍土融化后產生融沉，它由融化沉降和壓縮沉降兩部分組成。、凍土融化時，冰變成水體積縮小產生融化沉降。融化區(qū)域排水固結，導致土體壓縮沉降。融化沉降量與壓

11、力無關，壓縮沉降與壓力成正比。、工程上用融沉系數(shù)As來描述融化沉降，用壓縮系數(shù)Ar來描述壓縮沉降。通常，融沉量大于凍脹量。、與凍脹類似，融沉的影響因素有：a、內因：土的熱學、物理、力學性質等。b、外因：溫度、溫度梯度、壓力等。4.4、凍土融沉性，可用融沉率表示。工程上融沉量的估算可以簡單地用融沉率與凍土高度的乘積來計算。4.5 凍脹抑制措施抑制凍脹的措施主要有：、間歇凍結法：降低凍結速度，減小水分遷移、快速凍結法：足夠高的凍結速度使得大量水分遷移來不及，無法形成大量冰晶體、減小凍脹力的措施主要有：a、避免采用封閉式凍土帷幕；b、限制凍結范圍；c、卸壓孔；d、凍脹釋放管4.6、凍脹、融沉綜合控制

12、措施融沉與凍脹密切相關。通常，控制凍脹就間接控制了融沉。凍脹融沉綜合控制措施主要有：、強制解凍，跟蹤注漿。盡快固結土體，避免長期沉降、先注漿，后凍結。降低土壤透水系數(shù)，阻止水分遷移；加強土體強度，減小壓縮沉降。、預注CMC。增加土體黏性，降低透水系數(shù)，阻礙水分遷移。5、人工凍土解凍人工凍土的解凍有三種情況：中斷或終止凍結時的自然解凍；鹽水泄漏導致的解凍；強制解凍。5.1、自然解凍自然解凍速度與凍土量、凍土溫度、環(huán)境溫度及周圍供熱量相關。停止凍結后，每日解凍量與原先凍結時間成反比。凍結時間越長，解凍速度越低。一般情況下，凍土厚度1米以上時，中斷12天的凍結，凍土帷幕解凍厚度基本上可以忽略不計，可

13、以認為是安全的。但是，必須注意，如果有較大流速的地下水作用時，解凍速度會加速。5.2、鹽水泄漏解凍鹽水泄漏解凍是鹽水擴散引起的，解凍厚度主要與凍土溫度相關，當然與時間也有關。當凍土帷幕足夠厚，鹽水包不與外界溝通時，鹽水溫度被保持低溫，對凍土帷幕功能影響不大。例如，當凍土溫度保持-20時，在泄漏后2個月內不采取任何措施的情況下，凍土帷幕解凍厚度才6cm，其安全性不必擔心。但是，必須注意，在砂性凍土中，鹽水擴散快，解凍速度會加速。此外，如果鹽水泄漏發(fā)生在早期，凍土溫度不夠低，凍土厚度不夠大，鹽水易與外界溝通，會帶來安全威脅。5.3、強制解凍強制解凍是指通過凍結管循環(huán)熱鹽水進行的積極解凍，其解凍速度

14、主要與鹽水溫度相關，當然與凍土溫度、環(huán)境溫度也有關。自然解凍與強制解凍效果的比較：凍土厚度1.8m，強制解凍和自然解凍共同作用需要70，而單純自然解凍則需要約6倍的時間。日本鹿島試驗：凍土半徑1.5米（厚度3m）。自然解凍需要200-300天，用60熱水循環(huán)需要約60天，如用溫度90，解凍時間減半（60天減到30天)。三、凍結法聯(lián)絡通道施工重大風險源控制措施1、從結構內向外鉆孔在凍結孔施工過程中，針對可能出現(xiàn)的水土涌入情況，我們采取二次開孔，同時安裝孔口防噴裝置（BOP）措施，從結構內向結構外鉆孔。1.1開孔經過精確測量確定孔位后，在孔位處管片上開直徑為130mm，深度約250-300mm（管

15、片厚度為350 mm）的小孔，以不鉆穿管片為宜。取出巖芯，打入加工好的127mm孔口管，并用鋼筋焊接（至少有4個固定點）固定在管片上，然后安裝球閥和孔口密封裝置（如下圖所示）。用89×8mm凍結管作鉆桿，凍結管之間采用套管絲扣連接，將接頭螺紋緊固后再用手工電弧焊焊接，應確保凍結管的同心度和焊接強度，做好這些工作后，開始進行二次開孔。 凍結孔開孔密封裝置示意圖1.2鉆進防水土涌入控制剛開始鉆進時采用輕壓緩慢鉆進，通過密封裝置（即密封盒）控制鉆進時的出泥量，防止水土涌入。2、隧道變形控制為防止聯(lián)絡通道附近成型隧道的變形，在積極凍結之前，應安裝隧道預應力支撐，如圖2-1所示。支撐共4榀，分

16、別安裝在聯(lián)絡通道的預留口兩側的第一條隧道管片環(huán)縫處。圖2-1預應力支撐2.1、隧道支撐安裝偏離管片環(huán)縫處截面應不大于20mm；2.2、安裝好隧道支撐后頂實千斤頂 ，但每個千斤頂?shù)捻斄Σ坏么笥?00KN,且每個千斤頂?shù)捻斄σ揪鶆颍?.3、根據(jù)實測隧道的收斂變形調整每個千斤頂?shù)捻斄?，收斂大的部位要求千斤頂頂力大，不收斂的部位不加力。隧道收斂達到報警值10mm時，千斤頂頂力達到設計值500KN；2.4、當如千斤頂頂力達到設計值后隧道仍繼續(xù)收斂，則應采取其它措施加強隧道支撐。3、防淹門裝置為防止帷幕發(fā)生大量砂、水涌出，或位移變形超值，其它措施搶救無效的情況下，為確保通道開挖的安全，鋼管片拆除前須按

17、圖3-1、3-2分別安裝通道應急防護門。圖3-1應急防護門安裝示意圖圖3-2應急防護門安裝實物圖4、鋼管片拆除施工管片拆除時的風險極大，所以管片拆除前應做好以下幾點： 4.1、在拆除鋼管片開洞前，利用扭矩扳手將聯(lián)絡通道前后各1015環(huán)管片的縱向和環(huán)向連接螺栓全部進行復緊，包括鋼管片和砼管片間的連接螺栓； 4.2、此外將未拆除鋼管片的環(huán)、縱縫進行焊接連接，提高鋼管片門架結構的剛度和整體穩(wěn)定性。焊接前應首先對拼裝縫進行除銹除垢處理，避免虛焊。 4.3、應急防護門必須裝好，且完成密閉試驗； 4.4、必須探明凍結效果；5、聯(lián)絡通道開挖由于土體采用凍結法加固，凍土強度較高，凍結帷幕承載能力大，因而開挖時

18、可以采用分上下臺階法開挖，其開挖及內部結構施工就不熬述，就凍結法聯(lián)絡通道開挖步序做一介紹，如圖5-1所示先挖1區(qū)導洞，然后依次開挖2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)、5區(qū)、6區(qū)圖5-1 聯(lián)絡通道開挖施工次序示意圖6、凍結孔封孔凍結孔封堵施工也是一個比較關鍵的工序，如封孔質量控制不好，將后患無窮，尤其在含具腐蝕性的地下水地層中。上海某已運營的地鐵隧道從聯(lián)絡通道凍結孔處涌沙的現(xiàn)象也存出現(xiàn)過。7、融沉注漿融沉注漿分充填注漿和融沉注漿兩部分7.1、填充注漿 根據(jù)施工經驗填充注漿在停止凍結前施工完成較好：原因：在凍結體與結構間形成一個密閉的腔體，注漿效果好，如果按設計停止凍結2-3天后注漿，凍結薄弱的管片與凍結體接觸部位已經融化，形成通道，達不到填充效果。7.2、融沉控制 為了控制凍融沉降和失水固結沉降，融沉注漿應少量多次進行。四、凍結法聯(lián)絡通道施工應急材料準備 凍結法聯(lián)絡通道施工期間其應急設備及物資的準備一定要有正對性。1、 凍結孔施工期間凍結孔孔徑大35cm的圓木楔子10個，雙快水泥0.5t，普通水泥1t，棉紗50kg，8磅大錘一把，單液注漿機一臺；2、通道開挖期間小木楔子50個，雙快水泥0.5t，普通水