冻结法加固在盾构隧道施工中应用文档格式.docx
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2过冷段：
土体温度达到0ｏC以下，但土中自由水尚未结冰，呈现出过冷现象；
3突变段：
水过冷后，一旦结晶就立即放出结冰潜热，出现升温现象；
4冻结段：
温度上升到接近0ｏC时稳定下来，自由水开始结冰过程，将土体颗粒胶结成整体，形成冻土；
5继续冷却段：
随着温度降低，冻土的强度逐渐增大。
·
冻结加固岩土的特点：
①强度高：
冻结后地层的抗压强度明显提高，可达到2～10。
各种土层其强度是不一样的；
冻土瞬时极限抗压强度参考值（）
温度
砂
砂土
粘土
－2ｏC
4.8
3.8
1.7
－4ｏC
7.8
6.8
2.7
－6ｏC
10.0
9.0
3.6
－8ｏC
12.0
11.0
4.5
－10ｏC
13.8
12.5
5.4
－12ｏC
15.1
－14ｏC
16.0
一般而言，土体中含水量越高，其冻土强度越高
②封水效果好：
可保证不漏、不渗，在无水条件下工作；
③适应性强：
适用于一切含水、尤其是含水量大的地层。
无论是砂土、粘土、软粘土，以及其他方法无法施工地层；
④支护性能好：
冻结体为一完整的支护体；
⑤安全性好：
由于冻结体为一个整体，在冻结体的遮护下，可保证隧道掘进的安全施工；
⑥灵活性好：
可人为冻结任意需要的形状，可绕过障碍物进行冻结；
⑦环境保护好：
因为冻结是一个临时措施，先将水结成冰，工程完成后又恢复到原来状态，对环境不造成污染。
冻结工艺：
①冻结施工的三个阶段：
a、积极冻结阶段—在施工地层中开始冷冻，并将地层中的冻结壁扩展到设计厚度的工作阶段；
b、维护冻结阶段—维护施工需要的冻结壁厚度，以满足地下结构施工的正常操作；
c、解冻阶段—地下结构施工完成，停止制冷，地温恢复原状阶段。
②冻结施工的四大工序：
a、冻结站安装：
冻结站的位置必须满足供冷、供电、供水、排水都比较方便的地方，还要兼顾到井口、洞口施工时材料，施工器材进出方便。
一般而言，冻结站设在距井口30～50m距离为好。
冻结站安装工序见图3。
b、钻孔施工：
即冻结孔的钻孔和观察孔的钻孔。
冻结孔是用来安装冻结管的。
冻结管的作用是：
管体置于地层钻孔内，用来输送低温盐水与地层直接进行热交换，使冻结管周围的土体温度降低，自由水冻结，形成有足够强度的冻结壁。
冻结孔采用钻机完成。
过去，钻孔完成后需撤出钻杆，换装冻结管。
现在，采用特别的专利技术可以做到不必取出钻杆，钻杆直接用作冻结管。
冻结管一般选用直径Φ127mm～Φ139，壁厚5～10的钢管，目前常采用Φ127×
7.5的无缝钢管，也可以根据地下工程实际情况减小冻结管的直径。
冻结管的构造可见图4所示：
冻结孔大多分布在冻结壁的设计中心线上，用来安装冻结管，其孔径、间距和设计倾角依地层的土质、水文条件、工程要求而定。
钻孔容易发生偏斜，特别是水平钻孔和斜向钻孔，发生偏斜，对冻结效果影响很大，对地下工程的施工也有一定的影响。
为保证施工质量，避免对相邻建筑物造成损害和减少地面沉降，对孔的允许偏斜率要求较高，钻孔的偏斜率一般小于5‰。
除了冻结孔之外，还要安设计要求钻观察孔，用于安装温度传感器、土压传感器、土层位移传感器和孔隙水压力传感器等。
c、地层冻结：
一挨地层开始冻结，就要求以最快速度达到设计所要求的冻结厚度，称为积极冻结期。
在此期间应保证冻结站正常工作。
最好选在冬季，以求提高冻结站的制冷效率。
当然要勤观察冻结温度，注意盐水循环是否正常。
冻结壁的厚度既要满足强度要求，又要满足变形条件要求。
通常由计算确定。
根据已有的工程经验，在城市浅土层下施工时，冻结壁厚度主要受埋深和地面荷载状况的影响，常在1.2m～2.0m之间选用。
冻结前，同一深度的地层具有相同的原始温度。
冻结开始以后，在冻结管周围产生降温区，形成以冻结管为中心的冻结圆柱，并逐渐扩大直至与相邻的冻结圆柱连接成封闭的冻结壁。
冻结壁的交圈时间主要与冻结孔的间距、盐水温度、土层性质、冻结管直径、地层原始温度等因素有关。
根据试验资料看出：
交圈时间随着冻结孔间距的增大而延长，随着地层土体颗粒的直径的增大和冻结管直径的加大而缩短。
下表可作为参考：
冻结壁交圈时间参考表
冻结孔间距（m）
1.0
1.3
1.5
1.8
2.0
2.3
2.5
2.8
3.0
3.3
3.5
冻结
孔交
圈时
间
（d）
粉细砂
10
15
22
35
44
59
67
82
94
114
128
细中砂
9.5
14
21
33
42
55
64
78
89
108
121
粗砂
8.5
13
19
30
37
49
57
70
80
97
109
砾石
8
12
18
28
46
54
66
75
91
102
砂质粘土
10.5
16
23
61
86
99
120
134
11.5
17
25
40
51
77
131
147
钙质粘土
26
53
98
113
137
154
注：
盐水温度为－25ｏC；
冻结管直径为159
冻结壁交圈以后，相邻冻结圆柱体的相交界面的温度会在冻结的过程中继续降低，该部分的冻结壁厚度会逐渐增大。
冻结管中心温度最低，逐渐向冻结壁边缘升高，见图5所示。
d、地下工程掘进施工：
积极冻结阶段完成后应立即进入地下工程的掘进施工。
掘进施工应注意各工序的合理衔接，以最快的速度完成地下结构的施工。
因为无论是积极冻结还是维护冻结，每天的电能消耗是可观的。
经过积极冻结、维护冻结两个阶段，完成地下结构物的施工以后，冻结站可以停止工作。
冷量的供应停止后，地层温度会自然升高，冻结壁会自然解冻。
根据试验资料，砂性土体由停冻到冻结壁开始解冻的时间约为80～90天，而粘性土层从停冻到冻结壁开始解冻的时间为90～110天。
3、冻结法施工的设备：
制冷设备：
①制冷压缩机：
我国冻结法施工所使用的制冷压缩机主要有活塞式和螺杆式两种。
以氨为制冷工质的制冷机常采用活塞式压缩机。
活塞式压缩机按制冷能力可分为：
小型机：
功率小于60；
中型机：
功率介于60至600之间；
大型机：
功率大于600。
活塞式压缩机按其气缸中心线的位置又可以分为卧式机、立式机、V型机和扇型机等。
②冷凝器和蒸发器：
冷凝器和蒸发器是完成制冷循环所必须的辅助设备。
它们的换热效率直接影响冻结站的技术经济指标。
蒸发器由置于盐水箱中的多组金属管组成。
在制冷循环中，压缩后的液态工质（液态氟利昂或液态氨）在蒸发器中蒸发，变为饱和蒸气，同时吸收周围管路中盐水热量，形成低温盐水。
冷凝器是一个装有多组冷却水管的密闭筒体，高约2m～3m，直径1m～2m。
冷凝水从筒体内的冷却管通过，使筒内的过热氟利昂或氨的蒸气冷却而形成气态和液态混合物。
③盐水循环设备：
盐水循环系统的作用是将通过蒸发器得到冷量的低温盐水输送到需要冻结的地层中的冻结器，并将吸收了地层热量的升温盐水通过管路回到蒸发器，以完成利用盐水作介质的热交换循环。
盐水循环系统主要设备有盐水泵、盐水干管、配液及集液环、冻结器等。
在一般保温情况下，冷量损失约占冻结站总制冷量的20％～25％，所以为降低能量消耗、盐水循环系统应有良好的保温措施。
配液器和集液环设在冻结工作面附近，使去、回盐水管路阻力相等，配液均匀。
冻结器由冻结管、供液管、回液管组成，冻结管常用直径127或139的无缝钢管制成。
而供液管可采用直径50～60塑料管或橡胶管。
（图4）
移动式制冷机组：
随着城市地下工程中采用冻结法施工越来越多，在每个工作现场建立冻结站相当繁锁。
为方便工程使用，近来，已研制了可移动制冷机组。
将制冷机、冷凝器、蒸发器、盐水泵、电控柜等配置在一个底盘上。
只要用平板车拖到现场，只需在现场增设盐水箱，安装盐水循环泵，接上电源、冷却水源后即可投入运行。
大大方便了现场施工。
4、冻结法施工的监测：
冻结法施工是包含多工种的复杂施工过程，地层温度场控制、制冷量控制、现场水文地质条件的不确定性、以及暗挖工程自身所包含的信息化施工因素等，都使量测监控工作成为冻结法施工中不可缺少的重要环节。
冻结法施工过程中，有以下几方面量测监控工作：
①钻孔质量检测：
钻孔的平面位置或垂直距离（斜向或水平钻孔）及钻孔的垂直度或水平夹角（斜向或水平钻孔）。
用激光定位法确定孔位，用陀螺议检测孔的倾角。
这一工作相当重要，要随时纠偏；
②冻结设备工作情况监测：
冻结设备在冻结施工期间必须安全正常运行。
监测内容包括：
机组运行电流和温度、系统供冷监测、冻结器工作状态监测等；
③地层温度场监测：
冻结地层温度分布、冻结壁部位温度观测、开挖断面上土体温度观测、初衬浇筑时断面壁温度观测等。
这些部位温度观测数据是确定制冷量是否足够，施工是否安全的重要保证。
观测方法常采用地层中钻孔预埋传感器。
必要时在关键点补充埋设测温点；
④土体位移和地层压力监测：
地层中的自由水会在土体内引起附加应力和位移，当地下开挖掘进时也会使冻结土层内应力发生变化，为确保施工安全，需要用测斜议、分层沉降议观测地层的水平位移，重要部位地层应埋设压力传感器进行观测，以防冻土崩塌、冻结管折断、地下水喷涌等意外事故出现；
⑤地表位移及邻近建筑物地下管线变形观测：
在浅层土中，土层的冻胀融沉和暗挖所引起的地层沉降较为明显。
因此，冻结法施工全过程必须对地表的隆起、沉陷，邻近建筑物的沉降进行连续观测，以合理调整冻结和开挖方案，最大限度减少对环境影响。
4、冻结法施工其他注意点：
①地下水质对冻结效果影响：
当水中含有一定盐分时，水溶液的结冰温度就要降低。
因此，采用冻结法时，测量地层水溶液的低温冰点是必须的，以确定冻结法施工方案的冻结温度；
②地层含水率和地下水流速：
只要地层含水率大于10％、地下水流速小于6m，冻结壁就可以形成。
但地层含水率小于10％时，冻结壁难于形成。
当地下水流速过大而影响冻结时，应采取措施。
如加大制冷功率、降低冻结温度、加密上流区域冻结管分布密度或采取注浆等方法封闭土层孔隙，以减缓地下水流速完成冻结；
③冻胀融沉对环境影响：
地层中的自由水结冰后，体积会增大约9.07％，土中自由水要迁移。
而冻结地层解冻后，土体中的冰会融为水，体积要减少，自由水也要迁移。
在砂性土地层中孔隙水移动很快完成，土体冻胀融沉影响相对较小。
而在粘土或淤泥质地层中，自由水的移动很困难，所以粘土或淤泥质地层中冻结壁在冻结过程中要产生比较明显的冻胀，在解冻过程中要产生明显的融沉。
因此，在该土层施工中当采用冻结法施工地下工程时，由于冻结使地面上升，由于解冻使地面下降，从而造成建筑物和地下管线危害必须充分考虑并采取相应措施；
④冻土壁蠕变的影响：
冻土是一种弹塑性的粘滞体，在持久外荷载作用下，会产生塑性变形并引起应力松驰。
因此在冻土面开挖和开挖面暴露时间过长都必须考虑冻土壁的蠕变对开挖安全性的影响；
⑤低温环境对混凝土浇筑影响：
地层温度降低在一定程度上延长了混凝土的凝结时间。
为保证结构混凝土的正常养护，常采取加热骨料、加热水搅拌、添加外加剂等方法解决。
但也应考虑水泥水化热对冻土壁融解不利影响。
可以采取隔热措施。
其实，冻结法施工的理论并不深奥，但成套的冷冻设备、熟练的操作人员、丰富的施工经验却是短时间内难以形成的。
采取与社会上有相当资质的专业冻结法施工队伍合作，并在合作的过程中注意学习和积累，以便尽快掌握应用。
二、冻结法施工的实际应用举例：
A进出洞：
冻结法加固出洞段土体，使土变成冻土结构，承受周围水土压力，然而凿除洞门，待盾构刀盘顶上冻土体后，强制解冻拔出盾构推进范围内冻结管，盾构进入正常推进作业。
1、上海大连路隧道：
①大连路隧道采用Φ11.22m泥水平衡盾构，开洞直径为11.6m，始发覆土厚度为10，工作井洞口底深21.6m。
洞口处土层为灰色淤泥质粘土，灰色粘土和暗绿-草黄色粘土。
地下水位约在地表下1m。
②冻结加固计算：
采取板状冻结加固方式。
该出洞口冻结加固体，其承受的荷载、计算模型及冻结管布置的示意图如图5所示。
应用重液理论计算水土压力，其出洞口的水土压力为：
P＝0.013H＝0.013×
21.6＝0.279
加固体为整体板块而承受水土压力，运用日本计算理论计算加固体的厚度h＝［kβ·
p·
D2/4σ］1/2，数据见下表：
冻土平均温度cο
冻土弯拉强度σ
水土压力
p
加固体开挖内直径D
系数β
安全系数k
计算加固体厚度h
－10
0.279
11.6m
1.2
3.06m
园板中心所受最大弯曲应力计算为：
σ＝p·
（1/2·
D）2·
（3＋μ）/16·
62，结果见下表：
水土压力p
加固体开挖内直径D
冻土泊松比μ
计算加固体厚度h
计算得加固体最大弯拉应力σ
冻土弯拉强度σ－10c
安全系数k
11.60
0.35
1.26
1.43
沿工作井开洞口周边验算加固体剪切应力τ＝p·
4h，计算结果见下表：
（安全）
冻土抗剪强度τ－10c
加固体厚度h
剪切应力τ
0.26
③冻结加固范围
洞口冻结加固体计算厚度3.06m，取3.1m，采用垂直冻结，冻结宽度17m，隧道两侧各2.5m，冻结深度自地面下7.3m～24m。
为增加泥水盾构初始掘进的安全，再在整体冻结体外，离洞口3.1m～10m加拱形顶棚保护，冻结加固长度7m，拱棚最小厚度2.5m，总体冻结长度10m，见图6、图7所示：
2002年3月，大连路隧道Φ11.22m泥水盾构顺利始发。
2003年和2004年上海复兴东路隧道和上海翔殷路隧道的泥水盾构也采用冻结法加固洞口土体实现安全始发。
2005年上海上中路隧道Φ14.87m超大直径泥水盾构又采用了冻结法加固方案取得成功。
2、上海上中路隧道
①概况：
上海上中路越江公路隧道为双管双层双向4车道越江公路隧道。
采用超大直径泥水平衡盾构，外径14.87m，盾构长17.6m。
出洞口中心标高-11.35m，洞口地面经垫高后标高为4.9m。
盾构出洞工作井槽壁上破洞口径15.2m。
场地地势平坦，无永久性建筑物和市政管线。
上层土为褐黄-灰黄粘土和灰色粘质粘土，洞门口为淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土、粉质粘土，洞门下为砂质粘土和粉质粘土。
2005年７月冻结系统安装，8月10日开始冻结，10月28日盾构出洞，11月18日盾构推出冻结区，冷冻机组停机，冻结工期共100天。
②冻结设计：
设计方案应考虑到：
洞口土体稳定和不透水性；
泥水盾构的压力泥浆不上窜、不流逸；
盾构机出洞后在封堵洞门时盾构刀盘前土体稳定；
具有动态的温度、变形和压力监测；
冻结过程应具备吸收变形和调节、减小外载和冻胀力的手段。
据此，冻结设计采用二个冻土板块，一是位于洞口前的冻结板块，在盾构机出洞时起抵御水土压力、土层塌落和防止泥水涌入工作井的作用；
二是位于盾构机完全出洞后的刀盘前，保证封堵洞口施工时盾构机停滞时前方土体稳定的后冻结板块；
在二个冻结板块之间为冻结棚拱，以保证盾构机进入正常推进前建立压力泥浆系统，进入正常工况。
见图8图9示意。
经计算（计算方法同大连路隧道）：
a、前冻结板块厚度：
前冻结板块开洞口底缘深为23.85m。
据重液公式：
p＝0.013h＝0.310。
根据日本经验公式计算加固体厚度h＝［kβ2/4σ］1/2，得到冻土设计厚度4.2m，取为4.3m。
b、冻土棚拱确定：
冻土棚拱在两冻土板块之间，拱基与盾构下口齐平，从洞口到洞外11.5m，可使盾构机尾部全部脱离密封圈。
冻土棚拱可看作在深度上受不均匀压力作用的圆拱，通过解二次超静定得到截面上的轴力和弯矩，再应用曲梁理论求得截面应力，并以此确定冻土棚拱的厚度。
经计算棚拱冻结壁厚度1.5m时最大拉应力1.393、厚2.0m时最大拉应力为0.869、厚2.5m时最大拉应力为0.693。
为安全计，决定棚拱设计厚度取2.5m。
c、后冻结板块厚度：
后冻结板块是保证封堵洞口施工盾构机停滞时前方土体的稳定，只要设置单排冻结管使冻结壁达到一定厚度即可。
在单排冻结管作用下，按冻结发展速度25计算，盾构完全出洞进行洞口封门施工时，厚度可达1.54m，满足要求。
③冻结管布置：
整个冻结区域共布置冻结孔11排，1～4排为前冻结板块冻结孔，孔深27.0m，5.8m～27.0m局部冻结；
5～10排为棚拱区冻结孔，孔深从长8.8m弧线变化到24.2m，局部冻结深度由5.8m～8.8m变化到5.8m～24.2m；
第11排冻结管为后冻结板块，冻结管深24.2m，局部冻结从5.8m～24.2m。
共205个冻结孔。
见图10示意。
前冻结板块内在盾构出洞前需要拔除的冻结管选用
Φ127×
6.0、20号低碳钢无缝钢管，不需要拔除的冻结管用Φ127×
5、20号低碳钢无缝钢管，考虑到封洞门时间较长，后冻结板块用Φ159×
6、20号低碳钢无缝钢管，以满足冻土体与冻结管共同受力作用。
④冻结施工：
原计划前冻结板块和棚拱均分二次冻结，以减小地面冻胀融沉，后因地面无重要建筑物和管线，采用前冻结板块一次冻结，冻结30d后再开始冻结棚拱区。
洞门连续墙凿除，根据冻结壁发展厚度，分层分阶段凿除。
⑤监测：
施工中进行了以下内容的监测：
盐水温度、冻土温度、冻胀压力、地表变形、土体分层变形、冻土对槽壁冻胀压力、槽壁顶端位移、土体水平位移、槽壁水平位移等。
冻结区内共设测温孔14个，测压孔4个，土体分层变形孔5个，土体位移孔2个，并在洞门槽壁内设槽壁位移孔1个，冻胀压力孔5个。
监测表明：
冻结初期热负荷较大，盐水去回路温降
2～3ｏC，35d后当冻土交圈后热负荷减小，盐水去回路温差降到1ｏC；
土体压力变化是顶部大、深部小的变化趋势，当冻结第10～35d交圈期，土体应力发生突变，分析为大量水分冻结，体积急剧膨胀所致。
交圈结束反而略有减小；
最大冻胀压力为Y4孔8m深处，达3.25；
地面冻胀最大值为12左右。
根据以往经验，融沉值将超过200以上，为防止融沉过大造成管片变形过大，采取强制解冻注浆加固冻结土体。
B、联络通道：
联络通道采用地面加固地层方法主要有：
三重管旋喷、深层搅拌、垂直冻结。
这些方法需要占用较大地面施工场地，在市中心或过江段就没法做。
采用水平冻结技术与暗挖施工能完成联络通道地下施工。
联络通道水平冻结暗挖施工技术施工要点为：
①地层冻结加固与开挖均在隧道内进行，冻土单轴抗压强度要达4～5，冻结壁厚度均匀，地表隆起或沉降不超过30，隧道最终位移不超过10；
②通道冻结壁设计为矩形，冻结与开挖在一侧隧道内进行（为处理冻结壁与对侧隧道管片间的薄弱点，可在对侧隧道管片内侧敷设冷冻板，以增加冷冻效果）；
③对冻结过程进行严密监测，在冻结壁内布置测温孔和压力释放孔，以测定冻结壁厚度和冻结壁是否交圈；
④通道开挖采用钢支架背板临时支护，人工进行开挖；
⑤控制地表沉降和隧道变形是冻结法施工的关键点，冻结设计中的泄压孔和采用注浆方式补偿冻结壁融沉是必须的。
1、水平冻结法在上海地铁2号线运用：
上海地铁2号线九座联络通道，有四座采用水平冻结法加固：
杨高路站—中央公园站，江苏路站—中山公园站，静安寺站—石门一路站，河南路站—陆家嘴站（黄浦江中）。
①冻结壁设计：
确定在一条隧道内施工冻结孔，并成放射状布置，集水井土层加固用冻结孔成向下倾斜状见图示：
冻结孔控制间距为900～1100，经计算，冻结壁厚度1.2m～1.5m。
用于黄浦江联络通道的冻结壁厚度为1.5m（实际冻结壁拱部和底部厚度要大得多）。
再用有限元法计算冻结壁的内力，得到冻结壁薄弱处的应力和安全系数分别为：
侧墙中点附近外侧最大受压1.45，安全系数3.1；
顶板中点外侧受压1.
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