冻结法原理及应用

地铁盾构联络通道及端头井冻结法施工工艺提纲一、冻结法施工技术概况二、冻结法施工技术适用条件及特点三、冻结法凿井工艺及原理四、冻土的特性五、冻结法设计及施工组织1、基本资料2、冻结壁设计3、冻结孔设计4、冻结需冷量及制冷系统设计六、冻结器施工及主要技术要求七、冻结壁监测八、开挖和冻结壁维护九、冻结收尾及壁后充填注浆和融沉注浆十、冻结法施工的常见事故及处理十一、液氮冻结技术十二、主要工程案例一、冻结法施工技术概况1、冻结法施工技术的起源：1880年德国人彼茨舒（F.H.poetsch)提出了人工冻结法原理，1883年将这个原理首先用于人工冻结法凿井。冻结法施工技术起源于人工天然冻结，人们最初利用天然冻土开挖地下基础，后来有了人工制冷技术，人们才开始利用人工制冷技术来冻结含水土层，含水土层被冻结成冻土并达到一定的强度，人们利用冻土结构的掩护进行基坑施工。1.2、冻结法技术的定义：冻结法凿井是在井筒开凿前，采用人工制冷技术，将井筒周围的不稳定地层和含水层冻结成封闭的冻结壁，以抵抗地压隔绝地下水和施工井筒的联系。暂时改变井筒周围的地质条件，然后在冻结壁的保护下进行掘砌工作的一种凿井方法。一、冻结法施工技术概况冻结法凿井技术的工艺流程一、冻结法施工技术概况冻结法施工的原理图盐水系统氟系统清水系统盐水泵盐水箱闸阀螺杆压缩机冷却塔清水泵去路回路去路回路一、冻结法施工技术概况3、国内外现状：1）、国外：广泛应用于城市基坑施工、地下铁隧道、煤矿井筒等工程领域；煤矿井筒冻结深度最大930米。2）、国内：1955年从前苏联引进冻结法凿井技术，冻结煤矿井筒约600多个，冻结冲积层最大厚度近600米，冻结最大深度737米，冻结法凿井技术应用于城市市政工程起始于上世纪90年代，至今冻结市政工程项目超过200个，水平冻结最长140米。上世纪末冻结法凿井技术进一步推广到交通、水利领域，使用冻结法凿井技术施工桥墩基础、引水通道等。•中国的冻结法凿井技术后来者居上，整体水平处世界领先水平；体现：1）、制冷设备2）、工程的难度3）、冻结设计及工程管理4）、产品的多样性一、冻结法施工技术概况•人工冻结法施工技术分常规冻结和低温冻结；•常温冻结的冻结温度-35~-25℃；•低温冻结的冻结温度-180~-70℃左右。一、冻结法施工技术概况•液氮冻结是一种低温地层人工冻结技术,液氮在冻结管内直接汽化,利用液氮汽化吸收地层中的热量，实现土层的快速冻结,属于物态变化的制冷范畴。•近年来，液氮冻结技术在盾构进出洞施工中也开始得到了应用。•液氮制冷使土体冻结发展速度是普通盐水制冷使土体冻结速度的5-10倍。一、冻结法施工技术概况二、冻结法施工技术的应用条件1、适用范围：①含水量大于10%的土层、岩层；②盐水冻结地下水流速≤5m/昼夜，超低温冻结地下水流速≤40m/昼夜；③地下水含盐量实验结冰点满足冻结要求。均可使用冻结法。二、冻结法施工技术的应用条件2、特点:（1）适应性强。适应于各种复杂含水地层的土层加固。（2）隔水性好。冻结壁防渗性能是其它施工方法所无法相比的。（3）支护结构灵活、易控制。可根据不同结构形式及场地条件灵活布置冻结孔：垂直冻结、水平冻结、斜孔冻结、局部冻结。东线西线掘进方向图4施工示意图冻结孔-42°3°12°22°36°64°-6°-15°-24°-33°-42°-62°-56°-88°47°-52°-74°-88°-74°17°-65°40°说明：1.图中尺寸单位为mm，标高单位为m。6.7m2m30.3m冻结加固体破洞推进方向3.0m连续墙+4.5m冻结管-19.44m底部倾斜冻结孔3.0m三、冻结法施工技术工艺与原理冻结法施工技术的工艺与原理在地下工程开挖之前，用人工制冷的方法将地下工程周围的含水地层冻结成一个封闭的不透水帷幕—冻结壁，用以抵抗地压、水压、隔绝地下水与地下工程的联系。而后在其保护下进行开挖施工。为形成冻结壁，首先在欲开挖的地下工程周围打一定数量的冻结孔，孔内安装冻结器。冷冻站制出的低温盐水经管路送到冻结器，低温盐水在冻结器中循环后，回到冷冻站被重新降温。低温盐水在冻结器中循环吸收其周围地层中的热量，形成冻结圆柱，冻结圆柱逐渐扩大并连接形成冻结壁，直至达到设计厚度和强度为止。垂直局部冻结法施工工艺非冻区冻结管供液管盖板隔板底锥冻结区回液管去路回路1、当盾构进出洞洞口加固区范围内无任何管线、箱涵及建筑物等时可采用垂直冻结法进行洞口加固；2、为减少冻结需冻量和控制土体冻胀、融沉，垂直冻结加固盾构进出洞土体时，设计采用局部冻结方式施工。局部冻结加固区局部冻结管加工工艺盾构穿越区污水箱涵冻结加固体盾构机洞圈内冻结管水平冻结法施工进洞土体加固•首次采用水平冻结法施工的地铁盾构进洞工程-----上海地铁二号线西延伸线古北路站～中山公园站盾构进洞工程。•工程地面为交通繁忙的长宁路、凯旋路交叉口，距盾构进洞口顶部1.4m处有一紧靠工作井槽壁，尺寸为4.22m（宽）×2.7m（高）的污水箱涵，施工难度非常大，采用水平冻结法施工获得圆满成功。盾构外围冻结管卸压孔、注浆孔四、冻土特性1、流变特性冻土是一种弹塑性体，具有在外荷载作用下强度降低的特性。又称强度松弛。2、抗压强度高，抗拉强度低冻土的抗压强度较高，随温度降低呈近线性增长。冻土的抗拉强度较低，一般是抗压强度的三分之一～二分之一。3、冻土的弹性模量冻土的弹性模量一般在100～300之间，具有随温度降低而增加的特性。4、冻土具有冻胀性和融沉性四、冻土特性图6冻结细砂无侧限抗压强度与负温的关系0481216-20-15-10-50温度℃无侧限抗压强度MPa抗压强度0962.17358.030T四、冻土特性弹性模量607.36301.411398.1250TTE图7冻砂无侧限抗压弹性模量与温度的关系0100200300400-20-15-10-50温度℃弹性模量MPa四、冻土特性图8波松比同温度的关系00.050.10.150.2-20-15-10-50温度℃波松比泊松比冻土的泊松比一般不大于0.3,最大不大于0.5，强度越高，泊松比越小。五、冻结法设计及施工组织1、基本资料：1）地质检查孔地质报告。包括下列资料：检查钻孔位置、地质柱状图及岩（土）层主要特征的描述、地质构造及地温、常规土工试验指标、冲积层、基岩中各含水层的特征，地下水流速。2）人工冻土物理力学性能试验报告。内容包括：冻胀试验、单轴抗压强度、三轴剪切强度、温度导热系数、热容量、冻结温度等。3）构筑物上下场所地形地貌特征；4）构筑物周围永久、临时设施（含管线、建筑物、设备等）布置；5）构筑物施工图；6）地区气象资料。五、冻结法设计及施工组织2、冻结壁设计•原则：1）冻结壁作为临时支撑结构，能承受地下荷载、地面荷载的作用，保护结构施工期间的作业安全。2）冻结壁的几何形状宜与拟建地下结构的轮廓接近，并易于冻结孔布置，冻结壁作为封水结构应能抵抗地下水的作用并保证开挖结构外形成一个封闭的隔水帷幕。五、冻结法设计及施工组织•冻结设计基础参数确定1）冻结壁平均温度冻结壁平均温度应根据冻结壁承受荷载大小(或开挖深度)确定，一般在-8~-12℃左右。冻结壁承受荷载大、安全要求高的工程宜取较低的冻结壁平均温度。2）盐水温度与盐水流量最低盐水温度应根据设计冻结壁平均温度、地层环境及气候条件确定，一般在-25~-30℃左右范围选取。设计冻结壁平均温度低、地温高、气温低时取较低的盐水温度。3）冻结管应选用采用低碳钢无缝钢管，直径可选用Φ89~127mm，不宜小于Φ73mm，管壁厚度不宜小于5mm。五、冻结法设计及施工组织•冻结壁厚度设计与强度检验1）冻结壁应按承载力要求设计冻结壁厚度。2）冻结壁内力宜采用通用结构力学计算方法计算。冻结壁的力学计算模型可按均质线弹性体简化，其力学特性参数宜取冻结壁平均温度下的冻土力学特性试验值。3）冻结壁内力和变形计算可考虑设置有内支撑的工况，但必须对内支撑的结构形式、承载力及其施工时序等有明确的设计。设内支撑时，冻结壁的空帮时间不宜大于24小时。4）冻结壁强度检验安全系数要满足有关规程要求。有特殊要求时验算冻结壁的变形。五、冻结法设计及施工组织•冻结壁扩展厚度预测：可以根据冻结测温孔的测温资料预测冻结壁的扩展厚度，也可以根据冻土发展速度的经验数据预测冻结壁厚度。•冻结壁交圈时间可按下式估算T=L/2v式中T为预计冻结壁交圈时间，d；L为冻结孔最大孔间距，m；v为冻土平均发展速度，m/d。单排孔冻结壁扩展速度设计参考值冻结时间t（d）2030405060冻土平均扩展速度vdp（mm/d）1714121110五、冻结法设计及施工组织3、冻结孔布置设计1）冻结孔布置参数包括冻结孔成孔控制间距、冻结孔开孔间距、冻结孔孔位、冻结孔深度和冻结孔偏斜精度要求等。单排冻结孔成孔控制间距设计参考值冻结孔类型水平或倾斜冻结孔竖直冻结孔冻结孔深度H（m）≤1010~3030~60≤4040~100冻结孔终孔控制间距Smax，mm1100~13001300~16001600~20001200~14001400~18002）冻结孔成孔控制间距应按冻结工期要求、设计盐水温度和冻结冻平均温度等确定，布置单排冻结孔时冻结孔成孔控制间距可按表中参考值选取，但不宜大于冻结壁设计厚度。多排冻结孔密集布置时，内部冻结孔成孔控制间距可取边孔的1.2倍~1.5倍左右。3）冻结孔深度要考虑从冻结孔孔口到冻结壁设计边界的距离、不能循环盐水的冻结管端部长度和冻结管端部冻结削弱影响深度。五、冻结法设计及施工组织五、冻结法设计及施工组织4、冻结需冷量计算及制冷系统设计：•冻结需冷量式中Q——冻结管总吸热能力（kJ/h）；L——冻结管长度（m）;d——冻结管外径（m）;K——冻结管吸热系数，取1047～1172（kJ／）。•冷冻站制冷系统设计冷冻站制冷能力确定式中——冷冻站制冷能力（kJ/h）；m——冷量损失系数，取1.1～1.2。dKLQiTTmQQ''Q五、冻结法设计及施工组织•冷冻设备的选型1）制冷剂循环系统的冷凝温度高于冷却水循环系统的出水温度3～5℃。2）制冷剂循环系统的蒸发温度低于冷媒剂循环系统的温度5～7℃。3）由冷冻站的制冷能力、制冷剂循环系统的冷凝温度、蒸发温度确定冷冻设备的型号与数量。一般选用氟利昂制冷剂冷冻机，目前多选用氟利昂螺杆压缩机组制冷机。五、冻结法设计及施工组织•冷媒剂循环系统的溶液为氯化钙水溶液。氯化钙水溶液的凝固点应低于设计盐水温度8～10℃；•冷冻站冷却水总用水量应满足冷凝器和压缩机冷却水的用量。1）应采取冷却塔、高效冷凝器等节水措施。•冷却水的水温水质应符合要求：1）水温：螺杆机组运转宜低于28℃。2）水质：PH值应为6.5－8.5；•碳酸盐硬度(毫克当量/升)、浑浊度(mg/L)都有相应要求。五、冻结法设计及施工组织•必须保温的容器和管路：制冷剂循环系统的中压、低压容器和管路；冷媒剂循环系统的盐水箱、干管、配集液管、低温管路；•所有容器、管路保温层必须铺设防潮层。•供电要求：1）一般情况不得停电，停电必须提前至少2小时以上通知，冻结壁交圈前停电时间超过3小时，对冻结影响较大。2）变压器容量计算：变压器容量应根据最大用电负荷来选择。宜选用多台变压器，当运行变压器因故障或定期停电检修，其余变压器应承受用电最大负荷的75%以上。六、盾构端头井冻结加固施工工艺水平加固冻结孔的布置探孔工作井底版盾构φ6.34水平冻结孔测温孔冻结孔平面布置图上海10#线虹桥路站盾构端头井接收冻结图隧道主要埋藏在第④层淤泥质粘土、第⑤1-1层粘土之中隧道中心埋深约为13米隧道中心标高-15.792m,地面标高+4.59m，隧道主要埋置于⑤2灰色砂质粉土13#线世博园左线盾构接收井冻结加固冻结孔剖面图冻结加固体30.3m2m6.7m3.0m底部倾斜冻结孔-19.44m冻结管+4.5m连续墙3.0m破洞推进方向9#世纪大道盾构接收井垂直局部冻结加水平冻结加固破洞推进方向3.0m连续墙+4.46m冻结管-20.34m3.0m6.7m2m冻结加固体11#江