冷冻法施工.docx

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冷冻法施工

地铁施工技术交流材料

冷冻法联络通道施工技术及风险控制措施

一、冻结法的基本原理与特点

采用冻结法对地层土体进行加固，是指利用人工制冷技术,使地层中的水结冰,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地下工程掘砌施工的特殊施工技术。

其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。

1、岩土冻结实质

岩土冻结性质的改变，即将含水地层（松散土层或裂隙岩层）冷却至结冰温度下，使土中孔隙水或岩石裂隙水变成冰，岩土的性质发生重要变化，形成一种新的工程材料——“冻土”。

2、冻土结构特点

而冻土结构具有较高的强度和绝对的封水性。

3、冻土结构功能

冻土结构的承载功能和封水的不承载功能。

4、制冷方法

其制冷技术方法，通常使用制冷设备，利用物质由液态变为气态,即气化过程的吸热现象来完成的。

4.1、有两种类型：

⑴、冷媒剂（盐水）吸热：

氨（-33.4℃）；干冰（-78.5℃）；⑵、直接气化吸热：

液氮（-195.8℃）；干冰（-78.5℃）

4.2、冻结系统常有两种类型：

⑴、封闭系统（盐水冻结）；⑵、开放系统（液氮冻结）

5、冻结法的适应性

冻结法加固与其它加固方法相比，其适应性更强，能够适应粘土、粉土、砂层以及砾石、卵石等任何地层。

6、冻结法的特点

6.1、冻土帷幕的变化性：

⑴、冻土范围可变；⑵、冻土温度可变；⑶、冻土强度可变（强度是温度的函数）

6.2、冻土帷幕的连续性：

水在负温下结冰的必然性；

6.3、冻土帷幕的可知性：

通过温度测试可判断冻结范围、冻土强度

7、冻结法施工的优点

7.1、安全性好：

⑴、冻土强度较高；⑵、冻土连续性可靠、封水性好

7.2、适用性强：

⑴、适用于几乎所有具有一定含水量的松散地层（包括岩石）；

⑵、复杂地质条件可行（流砂、大深度、高水压）

7.3、灵活性高：

⑴、冻土帷幕性状（范围、形状、温度、强度）可控

8、冻结法施工缺点

由于冻结法所形成的冻土帷幕其范围、温度、强度具有变化性，其冻结范围、强度随温度的变化而变化，如果供冷不足或外部热源可导致冻土帷幕性能（范围、强度）退化，安全性能降低，施工风险增大。

众所周知，上海地铁4号线联络通道施工时，其冻结帷幕失效，发生重大工程风险事故，给国家造成严重的经济损失。

8.1、冻胀融沉：

⑴、对环境有一定的影响，严重时具有一定的破坏力；

⑵、融沉控制不当可导致结构差异沉降和长期沉降；

8.2、风险性：

⑴、供冷不足或外部热源可导致冻土帷幕性能退化（范围、强度）；⑵、流水作用下冻土可快速消融

8.3、局限性：

⑴、地下水流速影响冻结效果；⑵、地层含盐影响冻结效果；

⑶、含气地层可影响冻结效果

9、冻结法的应用

通过冻结法加固所形成的冻土帷幕，其形状、范围、温度、强度完全可以受控，且通过温度测试可判断冻结范围、冻土强度。

因此，人工冻结地层加固方法被广泛用于需要进行地层加固和封水（冻土帷幕）要求工程施工领域。

特别是随着我国城市地铁轨道交通的发展，软土隧道盾构的进出洞、联络通道等风险性较高的工程项目，常采用冻结法加固进行施工。

9.1、土木工程和岩土工程如：

⑴、矿山凿井：

竖井、斜井；⑵、隧道施工：

隧道掘进；盾构、顶管进出洞、联络通道；⑶、隧道扩建；⑷、基坑工程；⑸、穿越；⑹、地下对接；⑺、事故处理；⑻、管线工程；⑼、基础加固；⑽、边坡加固

9.2、土工试验：

原状土取样

二、冻结法的理论与工程问题

1、热力学性质

1.1、主要参数：

比热、热传导系数、潜热、结冰温度等；

1.2、最主要影响因素：

含水量

1.3、特点：

冻土与未冻土的热力学参数有明显区别

2、物理力学性质

2.1、强度：

⑴、单轴抗压；

同等条件下，冻土强度是温度的函数：

n－随土性变化的参数，砂性土n→0.5黏性土n→1；

a,b－与冻土的孔隙度、含水量相关的系数。

在相同温度下，含水量对冻土极限强度影响很大。

在非饱和时，强度随含水量增长；过饱和时，强度随含水量降低。

其中，未冻水含量对冻土强度影响也很显著。

未冻水含量越高，强度越低。

⑵、抗拉、抗剪强度；

冻土抗拉强度规律与抗压强度相同。

强度随着温度的降低增长，同时取决于土的成分、含水量等因素。

数值上，抗拉强度比抗压强度低2~6倍

3、热传导与温度场：

3.1、导热形态：

a、冻结管冻结过程是非稳态导热问题；b、冻结后期，热交换趋于平衡，可近似看作稳态导热问题；c、温度场分析时一般看作稳态导热问题

3.2冻结发展动态过程：

单排冻结管冻结过程三阶段：

单管冻结、管间影响冻结和管间冻土相接后冻结

a、单管冻结：

管间独立冻结，冻土呈圆柱状发展；b、管间影响冻结：

管间相互影响，冻土在冻结管之间（轴向）发展快，两侧慢，冻土呈椭圆柱形；c、管间冻土相接后冻结：

冻土相接（“交圈”）后，形成波浪形冻土墙，但凹陷部位（界面）发展快，凸出部位（主面）发展慢，凹陷部位将很快填满，冻土墙两侧呈直线形。

之后冻土直墙继续向两侧发展。

3.3、温度场与平均温度

现在国内计算冻土的平均温度的公式：

其中：

tcp＝冻土平均温度℃

tp＝盐水温度

S＝孔间距，

δ＝冻土厚度，

t＝开挖面温度，

4、冻胀与融沉

4.1、冻胀机理

⑴、冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀。

孔隙水原位冻结体积增大9%（原位冻胀），外来迁移水分则体积增大1.09%（分凝冻胀）。

所以开放系统饱水土中的分凝冻胀是构成土体冻胀的主要分量。

原位冻胀量非常小，土体冻胀量主要取决于水分迁移通量。

因此，冻胀量的主要影响因素是冻土的导湿系数和土水势梯度。

土水势梯度由重力势、压力势、渗压势、温度势、电力势和磁力势梯度中的某一项或几项之和组成。

而影响这些量的外观因素可表现为：

a、内因：

土的粒径、组织构造、透水系数、盐分浓度等；

b、外因：

约束应力、冻结速度、冻结历时、孔隙水压等。

总之，冻胀是一个非常复杂的问题。

⑵、土壤的冻胀敏感性

土的粒径是影响冻胀敏感性的一个重要因素，颗粒越小冻胀性越强。

砂性土冻胀不敏感，黏性土冻胀敏感。

⑶、冻结参数对冻胀量的影响

a、冻结速度：

在一定范围内，冻胀量与冻结速度成正比。

b、冻结历时：

冻结时间越长，冻胀冻胀量越大。

c、冻结温度：

冻结温度越低，冻胀冻胀量越大。

⑷、衡量冻胀的主要指标是冻胀率。

a、冻胀率指冻土单向冻结方向上的尺寸与冻结前的比值。

b、一般按冻胀率大小来划分土壤冻胀等级。

冻胀等级

不冻胀

弱冻胀

冻胀

强冻胀

特强冻胀

冻胀率

1

1<3.5

3.5<6

6<12

12<

冻胀率（俄罗斯）

1

1<4

4<7

7<10

10<

4.2、冻胀力是冻胀受到约束时产生的力。

由于约束条件的差异，冻胀力数值的可比性很差。

标准试验可测试冻胀力，但主要用于不同土壤之间的比较，工程实际意义不大。

工程上关心的冻胀力是因冻胀结构上受到的力，这个力不是单纯的冻胀力，因此也称“冻结压力”。

由于不同工程的差异性，实测冻胀力之值离散性很明显。

因此，准确估计结构上受到的冻结压力是非常困难的。

⑴、封闭式冻土帷幕的冻结过程中，交圈前几乎不显现冻胀力，开始交圈时冻胀力开始显现，在冻土帷幕形成闭合体后，冻胀力急剧增长几乎达到最大值。

后续的冻结过程中，冻胀力变化不明显，有的略有增长，有的略有降低

4.3、融沉机理

冻土融化后产生融沉，它由融化沉降和压缩沉降两部分组成。

⑴、冻土融化时，冰变成水体积缩小产生融化沉降。

融化区域排水固结，导致土体压缩沉降。

融化沉降量与压力无关，压缩沉降与压力成正比。

⑵、工程上用融沉系数As来描述融化沉降，用压缩系数Ar来描述压缩沉降。

通常，融沉量大于冻胀量。

⑶、与冻胀类似，融沉的影响因素有：

a、内因：

土的热学、物理、力学性质等。

b、外因：

温度、温度梯度、压力等。

4.4、冻土融沉性，可用融沉率表示。

工程上融沉量的估算可以简单地用融沉率与冻土高度的乘积来计算。

4.5冻胀抑制措施

抑制冻胀的措施主要有：

⑴、间歇冻结法：

降低冻结速度，减小水分迁移

⑵、快速冻结法：

足够高的冻结速度使得大量水分迁移来不及，无法形成大量冰晶体

⑶、减小冻胀力的措施主要有：

a、避免采用封闭式冻土帷幕；b、限制冻结范围；c、卸压孔；d、冻胀释放管

4.6、冻胀、融沉综合控制措施

融沉与冻胀密切相关。

通常，控制冻胀就间接控制了融沉。

冻胀融沉综合控制措施主要有：

⑴、强制解冻，跟踪注浆。

尽快固结土体，避免长期沉降

⑵、先注浆，后冻结。

降低土壤透水系数，阻止水分迁移；加强土体强度，减小压缩沉降。

⑶、预注CMC。

增加土体黏性，降低透水系数，阻碍水分迁移。

5、人工冻土解冻

人工冻土的解冻有三种情况：

中断或终止冻结时的自然解冻；盐水泄漏导致的解冻；强制解冻。

5.1、自然解冻

自然解冻速度与冻土量、冻土温度、环境温度及周围供热量相关。

停止冻结后，每日解冻量与原先冻结时间成反比。

冻结时间越长，解冻速度越低。

一般情况下，冻土厚度1米以上时，中断1~2天的冻结，冻土帷幕解冻厚度基本上可以忽略不计，可以认为是安全的。

但是，必须注意，如果有较大流速的地下水作用时，解冻速度会加速。

5.2、盐水泄漏解冻

盐水泄漏解冻是盐水扩散引起的，解冻厚度主要与冻土温度相关，当然与时间也有关。

当冻土帷幕足够厚，盐水包不与外界沟通时，盐水温度被保持低温，对冻土帷幕功能影响不大。

例如，当冻土温度保持-20℃时，在泄漏后2个月内不采取任何措施的情况下，冻土帷幕解冻厚度才6cm，其安全性不必担心。

但是，必须注意，在砂性冻土中，盐水扩散快，解冻速度会加速。

此外，如果盐水泄漏发生在早期，冻土温度不够低，冻土厚度不够大，盐水易与外界沟通，会带来安全威胁。

5.3、强制解冻

强制解冻是指通过冻结管循环热盐水进行的积极解冻，其解冻速度主要与盐水温度相关，当然与冻土温度、环境温度也有关。

自然解冻与强制解冻效果的比较：

冻土厚度1.8m，强制解冻和自然解冻共同作用需要70，而单纯自然解冻则需要约6倍的时间。

日本鹿岛试验：

冻土半径1.5米（厚度3m）。

自然解冻需要200-300天，用60℃热水循环需要约60天，如用温度90℃，解冻时间减半（60天减到30天）。

三、冻结法联络通道施工重大风险源控制措施

1、从结构内向外钻孔

在冻结孔施工过程中，针对可能出现的水土涌入情况，我们采取二次开孔，同时安装孔口防喷装置（BOP）措施，从结构内向结构外钻孔。

1.1开孔

经过精确测量确定孔位后，在孔位处管片上开直径为130mm，深度约250-300mm（管片厚度为350mm）的小孔，以不钻穿管片为宜。

取出岩芯，打入加工好的φ127mm孔口管，并用钢筋焊接（至少有4个固定点）固定在管片上，然后安装球阀和孔口密封装置（如下图所示）。

用Φ89×8mm冻结管作钻杆，冻结管之间采用套管丝扣连接，将接头螺纹紧固后再用手工电弧焊焊接，应确保冻结管的同心度和焊接强度，做好这些工作后，开始进行二次开孔。

冻结孔开孔密封装置示意图

1.2钻进防水土涌入控制

刚开始钻进时采用轻压缓慢钻进，通过密封装置（即密封盒）控制钻进时的出泥量，防止水土涌入。

2、隧道变形控制

为防止联络通道附近成型隧道的变形，在积极冻结之前，应安装隧道预应力支撑，如图2-1所示。

支撑共4榀，分别安装在联络通道的预留口两侧的第一条隧道管片环缝处。

图2-1预应力支撑

2.1、隧道支撑安装偏离管片环缝处截面应不大于20mm；

2.2、安装好隧道支撑后顶实千斤顶，但每个千斤顶的顶力不得大于100KN,且每个千斤顶的顶力要基本均匀；

2.3、根据实测隧道的收敛变形调整每个千斤顶的顶力，收敛大的部位要求千斤顶顶力大，不收敛的部位不加力。

隧道收敛达到报警值10mm时，千斤顶顶力达