大型盾構(gòu)出洞凍結(jié)加固融沉控制技術(shù)研究

碩士學(xué)位論文表5-3，按噸（t）計。各注漿孔注漿量匯總Summarysheetofgountconsumptionineachgrouthole位置A12A14A15A18A20A22A4A9B14B16B19水泥用量(t)1.52.58.42.60.357.54.51.27.523.5位置B2B20B21B4B6B7B8C11C12C15C16水泥用量(t)4.5513.84.20.313.66.32.42.40.253.75位置C17C2C20C21C5C6C9D12D15D17D19水泥用量(t)21284.355.532.732.231位置D5E1E14E15E16E17E3E4E6E7E9水泥用量(t)2.711.211.54.64.52.83.53.58.88.3位置F10F12F14F15F16F2F3F4F6F7F9水泥用量(t)3.62.10.611.28.54.53.13.260.5碩士學(xué)位論文5凍結(jié)加固融沉控制技術(shù)研究PAGEiiPAGE922位置G10G12G13G14G15G16G17G3G5G6G7水泥用量(t)3.58.30.61.85.50.75.541.61.61.1位置G8G9H10H12H13H14H15H16H2H3H4水泥用量(t)3.210.25.17.94.42.64.222.267.5位置H5H6H9I1I10I13I14I15I16I2I3水泥用量(t)6.91.21114.234.621.854.54.5位置I5I8J13J16J17J2J3J5K13K15K16水泥用量(t)1.51.232.43.87.450.750.71.512.4位置K17K4K6K7K9F1J1水泥用量(t)2.52.51.74.61.221融沉注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)可用兩個指標(biāo)衡量：（1）地表變形是否滿足設(shè)計要求；（2）注漿量是否達(dá)到設(shè)計要求?，F(xiàn)場至1月22日，行車基礎(chǔ)累計最大沉降-30.43mm，日平均變化量-0.05mm/d，變形已趨于穩(wěn)定。地表沉降5日內(nèi)的平均變化量為-1.43mm/d，因后排沉降較大，2月8日至9日又對K排的部分孔進行了注漿，地表變形得到控制。融沉注漿量合計433.55t，日平均注漿量為12t/d，施工現(xiàn)場融沉注漿量約為原凍土體積的20%左右，滿足一般融沉注漿的要求，至此強制解凍融沉注漿施工結(jié)束。融沉注漿中漿體在填充凍土融化的體積減小量之后壓密和劈裂融土，在注漿鄰近區(qū)存在大的塑性變形帶，通過形成的漿脈擠壓融土，因此加速了土層的固結(jié)。注漿在及時控制地表變形的同時，也對填充盾尾間隙進行了填充，保證了超大型盾構(gòu)的穩(wěn)定。本章小結(jié)(ChapterConclusion)本章結(jié)合現(xiàn)場超大型盾構(gòu)施工的成功實踐，對豎向和水平凍結(jié)情況下的強制解凍融沉注漿技術(shù)進行了研究，內(nèi)容包括以下幾個方面：（1）與自然解凍注漿加固相比，強制解凍融沉注漿能在短時間內(nèi)化凍凍土，并通過融沉注漿及時加固融土，確保隧道管片的穩(wěn)定，并保證地表行車基礎(chǔ)的安全。解凍注漿工作主要包括拔管注漿管下放、解凍前管片上方土體加固、分區(qū)強制解凍、跟蹤融沉注漿、拔出凍結(jié)管注漿管并封孔等五個步驟。（2）凍結(jié)管拔出通過計算起拔力選擇拔管機械，拔管前先用熱鹽水在凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)3～4小時，拔出后在孔洞內(nèi)下放注漿管。豎向凍結(jié)條件下，由于其豎向凍脹較水平方向小，停止凍結(jié)后表層化凍融沉產(chǎn)生迅速，因此考慮在解凍前對土體預(yù)先進行注漿加固。（3）強制解凍溫度基本控制在70℃左右，利用經(jīng)驗公式估計所需碩士學(xué)位論文5凍結(jié)加固融沉控制技術(shù)研究PAGEiiPAGE922解凍功率選擇電加熱器的負(fù)荷，并通過增大鹽水的流量，可優(yōu)化解凍效率。水平凍結(jié)時小分區(qū)并未破壞整個凍土結(jié)構(gòu)，因此分區(qū)數(shù)目適當(dāng)可以較多，并且小分區(qū)也可以防止?jié){液逃竄，減小注漿量。豎向凍結(jié)時，可以根據(jù)現(xiàn)場解凍與注漿能力，盡可能減小解凍分區(qū)，除在預(yù)留注漿孔內(nèi)注漿外，在解凍孔周圍插入注漿管跟蹤注漿是及時提供上抬力，防止融沉的有效方法。（4）融沉注漿是漿液充填融化空隙，壓密土體以及融土發(fā)生水力劈裂，形成網(wǎng)狀漿脈骨架，加固融土的過程。與一般巖土介質(zhì)的可注性理論類似，融土的可注性主要取決于土凍結(jié)時的體積含冰量，融土的塑性變形，土體的可劈裂性和漿液的流動性。（5）融沉注漿過程分為漿體填充凍土融化空隙，漿體壓密融土和漿液劈裂流動三個階段。第I階段中，漿體填充凍土冰晶體融化所產(chǎn)生的孔洞，可根據(jù)體積含冰量估算注漿量。第II階段，漿泡徑向壓密融土，可近似按照彈性理論計算融土的徑向位移。第III階段中，水平向應(yīng)力轉(zhuǎn)化為被動土壓力狀態(tài)，漿液沿軟弱面發(fā)生水平方向的劈裂流動，豎向應(yīng)力逐漸增大，出現(xiàn)地表隆起現(xiàn)象，該階段是縮小土體內(nèi)大小主應(yīng)力差別，提高融土穩(wěn)定性的關(guān)鍵。（6）注漿量包括對凍土融化的填充和融土的壓縮，由體積含冰量可以得到融化空隙的大小，融土的壓縮可由注漿壓力與融土的壓縮系數(shù)求得。工程中比較合理的辦法是通過觀測注漿應(yīng)力的變化來確定注漿量。融沉注漿一般為地表淺部注漿，注漿壓力基本在0.3～0.5MPa，也可由注漿深度和融土的抗拉強度求得，施工現(xiàn)場多由觀察地表上抬情況得到。（7）融沉注漿可采用鉆桿注漿或者花管注漿，如條件允許盡量采用花管注漿以減小注漿壓力與漿液涌到地表的可能性，提高漿液在地層中的均勻度。豎向凍結(jié)時，除在預(yù)留注漿管內(nèi)注漿，采取解凍孔周圍跟蹤注漿是必要的。注漿管口需進行封堵，壓力較大時需在頭部安裝閥門。注漿期間對每個孔的注漿情況作詳細(xì)記錄，保證注漿加固區(qū)域在平面和深度范圍內(nèi)形成一個整體。（8）上中路超大型盾構(gòu)隧道凍結(jié)加固融沉注漿的成功實踐給豎向凍結(jié)條件下的強制解凍和注漿加固工作提出了新施工工藝，現(xiàn)場解凍和注漿能力允許的前提下，大分區(qū)和解凍孔周圍跟蹤注漿大為加快了強制解凍融沉注漿的效率，為豎向凍結(jié)條件下的融沉注漿施工開辟了新路。碩士學(xué)位論文6主要結(jié)論和展望PAGEiiPAGE922主要結(jié)論和展望Chapter6MainConclusionsandForecasts主要結(jié)論(MainConclusions)人工地層凍結(jié)技術(shù)是在含水豐富軟弱土層中建設(shè)地下工程的可靠工法，在盾構(gòu)進出洞工程中得到了廣泛應(yīng)。但隨著盾構(gòu)隧道的大深度、大口徑化，大范圍的凍結(jié)加固區(qū)域產(chǎn)生融沉危及隧道和地表建筑物的安全，而目前采用的自然解凍注漿加固方法融沉控制效果欠佳，因此超大型盾構(gòu)出洞凍結(jié)加固后的融沉控制成為急待解決的問題。上中路超大型盾構(gòu)隧道凍結(jié)加固融沉注漿的成功實踐給豎向凍結(jié)條件下的強制解凍和注漿加固工作提出了新施工工藝，現(xiàn)場解凍和注漿能力允許的前提下，大分區(qū)和解凍孔周圍跟蹤注漿大為加快了強制解凍融沉注漿的效率，為豎向凍結(jié)條件下的融沉注漿施工開辟了新路。本論文通過數(shù)值模擬、物理模擬和現(xiàn)場實測等手段，對盾構(gòu)出洞豎向凍結(jié)狀態(tài)下的解凍溫度場發(fā)展規(guī)律，融沉控制技術(shù)進行了比較深入的研究，主要結(jié)論如下：（1）分析了土體在凍融狀態(tài)下的熱物理指標(biāo)，指出凍融溫度場的主要影響因素是未凍水含量（也可認(rèn)為是體積含冰量）以及土體的凍結(jié)和融化溫度。天然條件下，土的凍結(jié)溫度和融化溫度應(yīng)取現(xiàn)場擾動土進行實測。（2）凍土墻達(dá)到設(shè)計厚度后，采用間隔一個凍結(jié)孔解凍土體，解凍開始后解凍孔周圍迅速形成圓形解凍區(qū)域。解凍連通后，解凍鋒面推進的速度減緩，但化凍范圍的增長速度并未降低，直到20d后才逐漸減小。凍結(jié)和解凍天數(shù)隨著第一排凍結(jié)管與地連墻的距離增大而減小，但為保證凍土的封水效果，一般不大于0.5m。同一排內(nèi)凍結(jié)孔間距在1m左右，設(shè)計時適當(dāng)加大后三排凍結(jié)孔的排間距可以減少凍結(jié)壁達(dá)到設(shè)計厚度的時間，一般增量=0.1m。在其它條件不變的情況下，提高解凍溫度，解凍天數(shù)減小，但當(dāng)溫度達(dá)到70℃后，降幅減緩。（3）解凍10天后，對解凍范圍的影響最為顯著。對凍結(jié)和解凍天數(shù)，以及解凍范圍進行多元非線性回歸，得到：當(dāng)因素、、和一定，解凍范圍與解凍時間呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。這給日融沉注漿量的確定提供了依據(jù)，但也應(yīng)指出兩者的線性關(guān)系只在解凍中前期和解凍條件保持不變時成立。碩士學(xué)位論文6主要結(jié)論和展望PAGEiiPAGE922（4）對上中路盾構(gòu)出洞凍結(jié)加固的凍融溫度場反演，因忽略了融沉注漿的影響，計算溫度與實測值略有偏差，但測點處完全化凍時間與實測值基本相同，因此利用數(shù)值計算可以大致預(yù)測解凍范圍，為融沉注漿作指導(dǎo)。通過計算對解凍薄弱區(qū)域可考慮加大鹽水流量和注漿量等措施，以加速解凍。（5）對凍結(jié)管直徑Ф95mm，四周為絕熱邊界，凍結(jié)管排距從左至右分別為1m，1.1m和1.1m時，采用70℃熱鹽水解凍情況進行了物理模擬。分析得到內(nèi)排孔解凍速度43mm/h，外排孔軸面上的解凍速度為36mm/d，當(dāng)解凍鋒面推進至0.6m后，解凍速度衰減降至31.8mm/d。建議多排孔凍結(jié)時，外排孔應(yīng)全部用于強制解凍，多排孔隔孔解凍時凍結(jié)管也不宜連續(xù)拔出，以保證足夠的化凍速度。（6）由數(shù)值模擬得到的溫度變化曲線可得，內(nèi)排孔解凍連通時間為11.6d，外排孔解凍連通時間為13.9d，外排孔解凍鋒面到達(dá)0.6m需17.4d，推進至1.2m的時間為36d。對部分時間點的解凍范圍進行整理，得到解凍中前期解凍范圍隨時間呈線性變化。試驗數(shù)據(jù)擬合的直線方程為，，式中E表示解凍范圍，cm2；表示解凍時間，h。解凍范圍與解凍時間線性相關(guān)程度很好。（7）現(xiàn)場實測中，分析溫度變化曲線，得到強制解凍過程包括負(fù)溫期、解凍連通期和正溫期；凍脹壓力在凍結(jié)壁交圈后仍有增大的空間，在凍土體積達(dá)到最到后趨于穩(wěn)定，土體解凍后土壓力接近水土壓力；根據(jù)地表變形監(jiān)測，總結(jié)得到豎向凍結(jié)條件下采用解凍孔內(nèi)跟蹤注漿的方法融沉能得到較好的控制。（8）盾構(gòu)出洞凍結(jié)加固解凍注漿工作主要包括拔管注漿管下放、解凍前管片上方土體加固、分區(qū)強制解凍、跟蹤融沉注漿、拔出凍結(jié)管注漿管并封孔等五個步驟。強制解凍溫度基本控制在70℃左右，利用經(jīng)驗公式估計所需解凍功率選擇電加熱器的負(fù)荷，并通過增大鹽水的流量，可優(yōu)化解凍效率。水平凍結(jié)時小分區(qū)并未破壞整個凍土結(jié)構(gòu)，因此分區(qū)數(shù)目適當(dāng)可以較多，并且小分區(qū)也可以防止?jié){液逃竄，減小注漿量。豎向凍結(jié)時，可根據(jù)現(xiàn)場解凍與注漿能力，盡可能減小解凍分區(qū)，除在預(yù)留注漿孔內(nèi)注漿外，在解凍孔周圍插入注漿管跟蹤注漿是及時提供上抬力，防止融沉的有效方法。（9）融沉注漿是漿液充填融化空隙，壓密土體以及融土發(fā)生水力劈裂，形成網(wǎng)狀漿脈骨架，加固融土的過程。與一般巖土介質(zhì)的可注性理論類似，融土的可注性主要取決于土凍結(jié)時的體積含冰量，融土的塑性變形，土體的可劈裂性和漿液的流動性。融沉注漿過程分為漿體填充凍土融化空隙，漿體壓密融土和漿液劈裂流動三個階段。第I階段中，漿體填充凍土冰晶體融化所產(chǎn)生的孔洞，可根據(jù)體積含冰量估算注漿量。第II階段，漿泡徑向壓密融土，可近似按照彈性理論計算融土的徑向位移。第III階段中，水平向應(yīng)力轉(zhuǎn)化為被動土壓力狀態(tài)，漿液沿軟弱面發(fā)生水平方向的劈裂流動，豎向應(yīng)力逐漸增大，出現(xiàn)地表隆起現(xiàn)象，該階段是縮小土體內(nèi)大小主應(yīng)力差別，提高融土穩(wěn)定性的關(guān)鍵。（10碩士學(xué)位論文6主要結(jié)論和展望PAGEiiPAGE922）注漿量包括對凍土融化的填充和融土的壓縮，由體積含冰量可以得到融化空隙的大小，融土的壓縮可由注漿壓力與融土的壓縮系數(shù)求得。工程中比較合理的辦法是通過觀測注漿應(yīng)力的變化來確定注漿量。注漿壓力可由注漿深度和融土的抗拉強度求得，施工現(xiàn)場多由觀察地表上抬情況得到。融沉注漿可采用鉆桿注漿或者花管注漿，如條件允許盡量采用花管注漿以減小注漿壓力與漿液涌到地表的可能性，提高漿液在地層中的均勻度。注漿管口需進行封堵，壓力較大時需在頭部安裝閥門。注漿期間對每個孔的注漿情況作詳細(xì)記錄，保證注漿加固區(qū)域在平面和深度范圍內(nèi)形成一個整體。研究展望(ResearchForecasts)由于時間的有限和知識水平的不足，本文的研究內(nèi)容對較多的因素作了簡化，存在很多不足的地方，還需要做進一步的研究工作：（1）本論文數(shù)值模擬僅對凍融溫度場進行了分析，而沒有涉及到融降量的預(yù)測問題，還有待在今后做進一步的研究。（2）物理模擬中缺乏對融沉注漿模擬，并且沒有現(xiàn)場數(shù)據(jù)與之比較，還需要進一步研究。碩士學(xué)位論文參考文獻(xiàn)PAGEiiPAGE922參考文獻(xiàn)References秦愛芳，李永和．人工土層凍結(jié)法加固在盾構(gòu)出洞施工中的應(yīng)用[J]．巖土力學(xué)，2004，25(11)．張風(fēng)祥，朱合華，傅德明．盾構(gòu)隧道[M]．北京：人民交通出版社，2004．Tanska,M,lji,M,Nakaii,I,Kashiwaqi,T.Groundfreezingapplicationintunnelconstructions.Proc7IntSympGroundFreezing,1994,p405-406.翁家杰等．盾構(gòu)出洞凍結(jié)加固土體變形研究[J]．地下工程與隧道，1999，4．翁家杰．群孔凍結(jié)凍土加固體的應(yīng)力和變形[J]．地下工程與隧道，1998，1．周希圣等．凍結(jié)輔助工法在泥水平衡盾構(gòu)進洞施工中的應(yīng)用[J]．施工技術(shù)，1999，28(1)．楊太華．越江隧道工程大型泥水盾構(gòu)進出洞施工關(guān)鍵技術(shù)[J]．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2005，42(2)：45~48．周松等．翔殷路隧道Φ11.58m泥水平衡盾構(gòu)出洞技術(shù)探討[J]．2004年度上海市土力學(xué)與巖土工程學(xué)術(shù)年會論文集，2004．ErikSimonsen,UlfIsacsson.Thawweakeningofpavementstructuresincoldregions.ColdRegionsScienceandTechnology.29(1999):135-151.Suzuki,Shuichi(NipponTelegraphandTelephoneCorp);Mizuno,Ryoichi;Kimura,Katsuhiko.Constructionofextensionshieldtunnelusinggroundfreezingmethod.Proc7IntSympGroundFreezing,1994,p289-293.Funasaki,T,Izumi,Y,Miki,K,Nakamura,T.UndergroundshielddockingfortheTrans-TokyoBayHighway.ProceedingsoftheInternationalOffshoreandPolarEngineeringConference,v1,1998,p635-642.周真云．凍結(jié)法施工快速解凍研究及施工實踐[J]．西部探礦工程，2003，10．翁家杰．井巷特殊施工[M]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1991．陳明雄．城市地下工程凍結(jié)加固地表變形的研究[J]．中國礦業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文．1997，6．蕭巖，程工．城市地下工程凍結(jié)法施工技術(shù)及其應(yīng)用[J]．市政技術(shù)．2002,3．Takashi,Tsutomu,Kiriyama,Shiroh,Kato,Tetsuji.Jointingoftwotunnelshieldusingartificicalundergroundfreezing.EngineeringGeology,v13,n1-4,Apr,1978,p519-529Sara,F.,Tanaka,M.,Takimoto,K.Applicationoffreezingmethodtolaunchalargediametershieldtunnel.Proc7IntSympGroundFreezing,1994,p281-288.程國棟．凍土力學(xué)與工程的國際研究新進展─2000年國際地層凍結(jié)和土凍結(jié)作用會議綜述[J]．地球科學(xué)進展，2000，16(3)：293~299．碩士學(xué)位論文參考文獻(xiàn)PAGEiiPAGE922翁家杰．液氮凍結(jié)土層的理論與實踐[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，1994，22(9)：11~14．湯志武等．地下工程結(jié)構(gòu)物凍脹施工[J]．中國地層凍結(jié)工程40年論文集，煤炭工業(yè)出版社，1995．周紅，王貴虎．人工凍土凍脹融沉問題研究現(xiàn)狀與展望[J]．淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2002，2（4）：37~40．Smith,SharonL.,Williams,PeterJ.Icelensformationatasilt-sandinterface.CanadianGeotechnicalJournal,32(1995):488~495.P.Viklander.Laboratorystudyofstoneheaveintillexposedtofreezingandthawing.ColdRegionsScienceandTechnology.27(1998):141~152.TaskinOztas,FerhanFayetorbay.Effectoffreezingandthawingprocessesonsoilaggregatestability.Catena.52(2003):1~8.Konrad,J.-M.(UnivofWaterloo).Physicalprocessesduringfreeze-thawcyclesinclayeysilts.ColdRegionsScienceandTechnology,v16,n3,Jul,1989,p291-303.柯潔銘，楊平，凍土凍脹融沉的研究進展[J]，南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，28（4）：105~108．翁家杰．群孔凍結(jié)凍土加固體的應(yīng)力與變形[J]．地下工程與隧道，1998.1：2~9．喬京生，陶龍光，弭尚銀．地鐵隧道水平凍結(jié)施工地表變形特性的模擬研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(15)：2643~264．付厚利．飽和土中單樁融沉附加力的試驗研究[J]．巖土力學(xué)，2004，25(9)．Foriero,A,Ladanyi,B.FEMassessmentoflarge-strainconsolidation.JournalofGeotechnicalEngineering,v121,n2,Feb,1995,p126-138.Konrad,J.-M.Predictionoffreezing-inducedmovementsforanundergroundconstructionprojectinJapan.CanadianGeotechnicalJournal,v39,n6,December,2002,p1231-1242.Shoop,Sally;Affleck,Rosa.Capplasticitymodelforthawingsoil.GeotechnicalSpecialPublication,n130-142,Geo-Frontiers2005,2005,p2605-2615.尚松浩等．凍結(jié)條件下土壤水熱耦合遷移數(shù)值模擬的改進[J]．清華大學(xué)學(xué)報，1997，37（8）．王建平．人工凍土凍脹融沉規(guī)律的研究[D]：[博士論文]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)建工學(xué)院，1999.5．周希圣．凍結(jié)前期水、溫度、應(yīng)力、位移場的耦合分析[D]：[博士論文]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，1999.5．程知言．淺表隧道工程多冷源凍結(jié)溫度、應(yīng)力、水分場耦合研究[D]：[博士論文]．長沙：中南大學(xué)，2003.5．王貴虎，周紅，宋學(xué)成．人工凍融土地基極限承載力彈塑性數(shù)值分析[J]．建井技術(shù)，2004.8，碩士學(xué)位論文參考文獻(xiàn)PAGEiiPAGE92225(4)．汪仁和，李棟偉．人工多圈管凍結(jié)水熱耦合數(shù)值模擬研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007.2，26(2)．李大勇，呂愛鐘，張慶賀等．南京地鐵旁通道凍結(jié)實測分析研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(2)：334～338．裴烈烽等．“零距離”穿越運營地鐵車站的綜