地铁联络通道冻结加固技术研究

中国矿业大学岳丰田地铁联络通道冻结加固技术研究1概述人工冻结是在天然冻结基础上，随着人工冻结凿井技术逐步发展起来的。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，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行隧道、立井和地下工程的开挖与衬砌施工技术。其实质是利用人工制冷技术临时改变岩土的状态以固结地层。1862年，英国首次在南威尔士的建筑基坑中使用了冻结法；1880年，德国工程师F．H．Poetch在国际上首次提出并获得人工冻结法专利；1概述1955年，我国首次在开滦林西风井使用盐水冻结法凿井并获得成功；80年代，随着我国地下工程的增多，逐渐由矿山工程，向城市各类工程推广应用，完成了北京、上海地铁的多项隧道水平冻结工程，预计3年内上海轨道交通使用冻结法施工的联络通道近100个；迄今为止，各国冻结井最大深度分别为：英国930m，美国915m，波兰860m，加拿大634m，比利时638m，前苏联620m，德国531m，法国550m，中国702m。1概述冻结法的优点:1安全可靠性好,可有效的隔绝地下水；2适应面广。适用于任何含一定水量的松散岩土层，在复杂水文地质如软土、含水不稳定土层、流砂、高水压及高地压地层条件下冻结技术有效、可行；3灵活性好。可以人为地控制冻结体的形状和扩展范围，必要时可以绕过地下障碍物进行冻结；4可控性较好。冻结加固土体均匀、完整；5污染性小。“绿色”施工方法，符合环境岩土工程发展趋势；6经济上较合理。2冻结原理根据使用冷媒的不同，制冷方式包括四种系统：1氨（氟利昂）－盐水冻结系统（BrineSystem）；2液化气体系统（液氮）（LiquefiedGasSystem，LiquidNitrogen）3二氧化碳（干冰，CO2）；4混合冻结系统（盐水+干冰；盐水+液氮）。盐水冻结系统液化气体系统干冰系统2冻结原理冻结法适用的条件：(1)土层宜为砂性土、粘性土(包括砂层、淤泥质土等)及强风化基岩，对于卵砾石地层，因成孔困难，应有相应的钻孔设备；(2)土层的含水量＞10％；(3)地下水的临界流速＜2m／d。3冻胀融沉3.1冻胀机理冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀。孔隙水原位冻结造成体积增大约9％，但由于外界水分补给并在土体迁移到某个冻结位置，体积增大会远大于9％，所以开放系统饱和土中分凝冻胀是构成土体冻胀的主要分量。一般说来，分凝冻胀的机理包括两个物理过程：水分迁移和成冰作用。3.2融沉机理富冰冻土融化时,融化后的土体由于冰变成水体积减小产生融化性沉降,同时由于在融化区域发生排水固结,引起土层的压密沉降。3.3冻胀融沉的影响因素土体的冻胀融沉与土体本身的性质和各种外部影响因素有关。土体本身的性质包括土的矿物成分、粒度组成、土体的含水量、土的结构、压缩系数以及土的热物理性质。外部影响因素主要包括，上覆荷载、水源补给条件、冻结和融化温度、温度梯度等。4联络通道冻结设计计算4.1联络通道结构冻结帷幕设计冻土帷幕设计方法是采用常规结构力学方法进行结构计算，利用大型有限元分析软件ANSYS程序进行验算。下面以一中心埋深22.226m的旁通道为例，给出旁通道冻结的设计。旁通道位置处隧道中心标高-18.366m，地面标高为+3.86m。旁通道由两个与隧道相交的喇叭口、旁通道和泵站组成，其结构包括隧道管片相接的喇叭口、直墙圆弧拱结构的通道和中部矩形集水井三个部分。喇叭口开挖尺寸为：1.1m(长)×4.4m(宽)×4.83m(高)通道开挖尺寸为：4.72m(长)×3.3m(宽)×4.23m(高)集水井开挖尺寸为：4.8m(长)×3.3m(宽)×4.2m(高)。4冻结设计计算4.1联络通道结构冻结帷幕设计旁通道模型简化为如图所示的刚架，其中拱顶的角度为99.93°，拱上作用均布载荷0.255MPa，垂直部分受梯形载荷（0.255+0.013*h）MPa。4冻结设计计算4.1联络通道结构冻结帷幕设计将应力结果和冻土的强度相比较,得出安全系数,结果列于下表厚度(m)1.61.82.0应力类型压拉压拉压拉应力值(Mpa)0.8670.4790.7060.3930.5870.328安全系数k3.924.384.825.345.796.40表中的安全系数K是由冻土强度与其相应的应力比值。由于旁通道断面的土层以粘土为主，故冻土强度以冻土平均温度为-10℃时的粘土强度为准，σ=3.4Mpa,σ拉=2.1Mpa。从表中数据可见冻土厚度取1.6m即可。4冻结设计计算4.2有限元法联络通道冻结帷幕验算利用大型有限元分析软件（常用的为ANSYS）,取冻结壁厚度分别为1.6m、1.8m、2.0m，按旁通道和泵站两部分进行应力和变形的分析计算。5冻结孔布置及制冷设计5.1冻结孔的布置根据冻结帷幕设计及旁通道的结构，冻结孔按上仰、近水平、下俯三种角度布置在旁通道和泵站的周围，在通道下部布置一排冻结孔，加强冻结效果，把旁通道和泵站分为两个独立的冻结区域。5冻结孔布置及制冷设计5.1冻结孔的布置5冻结孔布置及制冷设计5.2制冷设计冻结参数确定:设计盐水温度为-25℃～-30℃。冻结孔单孔流量不小于4～5m3/h。冻结孔终孔间距Lmax≤1200mm，冻土发展速度取25mm/T，冻结帷幕交圈时间为20天，达到设计厚度时间为35天。积极冻结时间35天，维护冻结时间为30天。6冻结法施工顺序6.1钻孔施工6冻结法施工顺序6.2积极冻结与维护冻结设备安装完毕后进行调试和试运转。冻结系统运转正常后进入积极冻结。在积极冻结过程中，要根据实测温度数据判断冻土帷幕是否交圈和达到设计厚度，测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度后进行正式开挖。再根据冻土帷幕的稳定性，可适当提高盐水温度，进入维护冻结，但盐水温度不应高于-20℃。6冻结法施工顺序6.3临时支护6冻结法施工顺序6.4开挖顺序根据工程结构特点，拉开钢管片以后，联络通道开挖掘进建议采取分区分层方式进行，其施工顺序如图6冻结法施工顺序6.5支护层施工6.6防水层施工6冻结法施工顺序6.7钢筋工程6冻结法施工顺序6.8永久支护6冻结法施工顺序7强制解冻融沉注浆技术7.1概述目前上海地区的区间隧道联络通道冻结施工后的融沉注浆，主要是根据冻结加固体的自然解冻情况进行的。由于冻土自然解冻的时间一般都比较长，一般需要半年以上的时间，而由于施工工期的限制，后期融沉注浆施工的质量不能够得到保证，造成地表沉降大，影响地面建筑物和道路的使用。为了缩短融沉注浆施工工期，减少冻融对地面的影响，需要对冻结加固体进行强制解冻融沉注浆。目前仅在上海市轨道交通杨浦线工程（M8线）曲阳路站～虹口足球场站区间隧道旁通道及泵站冻结加固工程中实施了强制解冻融沉注浆的相关技术和施工工艺的研究。7强制解冻融沉注浆技术7.2注浆流程注浆管下放方法冻结管拔除后，快速下放注浆管，进行孔口密封。在注浆管的前部安装丝堵，内部跟进4”的供水管，边供水边推进。如果使用这种方法下放冻结管有困难，则使用水平钻机将注浆管钻进。7强制解冻融沉注浆技术7.2注浆流程7强制解冻融沉注浆技术7.2注浆流程7强制解冻融沉注浆技术7.3注浆原则和方法注浆以少量多次为原则。垂直单孔一次注浆量为0.5m3左右，水平孔单孔一次注浆量为1.5m3左右。注浆前，将待注浆的注浆管和其相邻的注浆管阀门全部打开，注浆过程中，当相邻孔连续出浆时关闭邻孔阀门，定量压入惰性浆后即可停止本孔注浆，关闭阀门，然后接着对邻孔注浆。遇到注浆管内窜浆固结而引起堵管时，需用加长冲击钻头通管。根据地面变形情况，调整劳动组织，适时进行反复注浆。直至地面变形基本稳定在2mm以内。8工程实例8.1大连路越江隧道联络通道大连路越江隧道工程是上海市重点工程，两条隧道之间的连接通道均位于黄浦江底下，相距约400m。位于浦西通道(一)，东西线隧道中心间距35.705m，隧道间高差3.565m、，连接通道净距约25.665m。位于浦东通道(二)，东西线隧道中心间距27.575m，隧道间高差0.345m，连接通道净距约17.175m。8工程实例8工程实例8.1.1工程概况连接通道所处地表为黄浦江江底，工程地段土层自上而下为：①2：淤泥，含煤屑、石块等；③1：灰色淤泥质粉质粘土；④：灰色淤泥质粘土；⑤1-1：灰色粘土；⑤1-2：灰色粉质粘土；⑥：暗绿色～草黄色粘土，厚约4.5～6.5m；⑦1-1：草黄色砂质粉土，厚约6～10m；⑦1-2：草黄色粉细砂。连接通道施工范围内土层主要为草黄色砂质粉土。根据土层资料，该地层具有孔隙比大、含水丰富、承载力低、容易压缩和在动力作用下易流变的特点，开挖后天然土体本身难以自稳，砂质粉土易发生水砂突出。因此，在该地层内开挖构筑连接通道，必须先对施工影响范围内的土体进行安全、可靠的加固处理。8工程实例8.1.2设计原则：1）水平孔冻结帷幕技术性能必须满足连接通道施工的安全和质量要求；2）水平孔冻结方案应符合现场实际条件的施工可行性和良好的可操作性。3）施工方案应在工程要求工期的条件下具备优化能力。4）施工方案措施必须满足城市环保及节能要求。5）减少冻胀与融沉的危害。8工程实例8工程实例8工程实例8.2上海市轨道交通明珠线二期工程上体场站穿越段明珠线上体场站穿越段隧道横截面图8工程实例8.2上海市轨道交通明珠线二期工程上体场站穿越段1.轨道高差（纵向）4mm/10m2.轨道高差（横向）2mm3.轨距变化-2～+6mm4.地铁结构绝对沉降量及水平位移量≤20mm5.隧道变形曲线的曲率半径r≥15000m6.结构相对变曲≤1/25007.日地铁结构沉降量及水平位移量≤1mm8工程实例冻土帷幕结构透视图8工程实例谢谢！中国矿业大学岳丰田电话：[phone]E-mail：[e-mail]