冻结法加固技术在联络通道施工中的应用11.docx
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冻结法加固技术在联络通道施工中的应用11
1工程背景
1.1工程概况
苏州市轨道交通4号线及支线工程某标包含二站三区间，每个盾构区间各1条联络通道及泵房，共有3个联络通道及泵房。
1.2工程地质
根据地质资料，本工程3个联络通道及泵房所处地层主要为④1粉质粘土、④2粉砂、④3粉土夹粉砂层、⑤1粉质粘土层。
3区间联络通道地质如表1
表1联络通道主要设计参数表
序号
盾构区间
里程位置
部位
地层
设计
线间距
隧道中心埋深
1
联络通道及泵房
左DK14+483.140
（右DK14+478.250）
联络通道
④1粉质粘土、
④2粉砂
⑤1粉质粘土层
12.005m
17.94m
泵房
⑤1粉质粘土
2
联络通道及泵房
左DK15+220.850
（右DK15+218.741）
联络通道
④2粉砂
⑤1粉质粘土层
13.000m
19.881m
泵房
⑤1粉质粘土层
3
联络通道及泵房
左DK16+387.932
（右DK16+387.410）
联络通道
④3粉土夹粉砂层、⑤1粉质粘土层
13.000m
21.193m
泵房
⑤1粉质粘土
在施工中，对于工程地质，特别是在冻结孔施工过程中，要防止④2粉土夹粉质粘土可能发生泥、水突涌和地层沉降现象发生。
1.3水文地质
1.3.1地表水
苏州市属于亚热带季风气候，雨量较大，轻度潮湿，沿线河道纵横，地表水系极其发育，太湖中水经河道源源不断给场区内补给地表水，地表水另一来源为大气降水，水位标高的变化主要受太湖水位影响。
1.3.2地下水
根据地下水埋藏条件，可将地下水分为孔隙潜水、微承压水及承压水。
①.潜水
潜水含水层主要由全新统Q4填土层组成，主要接受大气降水的入渗补给，同时接受沿线污水、自来水的渗漏补给。
潜水稳定水位为地面下1.0～1.50m左右，标高1.46～1.48m。
苏州地区降雨主要集中在6～9月份，在此期间，地下水位一般最高；旱季为12月份至翌年3月份，在此期间地下水位一般最低。
潜水位年变幅一般为1～2m。
②.微承压水
微承压水含水层由晚更新世沉积成因的③3、④3粉土、④2粉土或粉砂层组成，其隔水顶板为③1、③2粘性土层，隔水层底板为⑥1、⑥2粘性土层，具微承压性。
微承压水水头标高在-0.20～1.90m。
近3～5年最高微承压水水位为1.60m左右，年变幅1m左右。
③.承压水
承压水含水层由晚更新世沉积成因的土层组成，主要为⑤2粉砂或粉土、⑦2、⑦4粉土或粉砂及⑨粉土层，具承压性，属于本区第I承压水。
据区域资料，承压水水头标高在-2.70m左右，年变幅1m左右。
2冻结法施工技术
2.1冻结法概述
冻结只是临时创造冻土良好的承载、密封性能，为构筑新的地下空间服务，施工完成后，根据需要可拔除冻结管，冻土将解冻融化，土将逐渐恢复到未冻结状态。
在冻结法施工中，没有像喷射混凝土时的混凝土、板桩施工时的钢板或注浆时的浆液材料那些附加物质进入地层。
冻结法不污染环境，是“绿色”施工方法。
2.1.1人工地层冻结法定义：
用人工制冷的方法，将待开挖地下空间周围的土体中的水冻结为冰并与土体胶结在一起，形成一个按设计轮廓的冻土墙或密闭的冻土体，用以抵抗土体压力、隔绝地下水，并在冻土墙的保护下，进行地下工程的施工。
2.1.2冻结土体性质的改变
若将含水地层（松散土层和裂隙岩层）在结冰温度下冷却，岩石裂隙或土孔隙中的水转换成冰，岩土的性质将发生决定性的变化。
这一变化具有双重意义：
材料：
（1）土体中水分冻结，提高一定范围内岩土的强度
（2）减低一定范围岩土体渗透性——创造新工程材料
结构：
在普通结构内部构建了新的工程结构。
2.1.3方法具备的优点
①安全性好，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；
2.1.4冻土的形成
为构造高承载力和密封防水的冻土体，在土中相应位置布置和施工冻结孔——安设冻结管，通过冻结管中循环的低温冷媒剂将土体中的热量带出，使地层降温并使土中水结为冰。
在冻结初期，冻土仅在紧靠冻结管周围形成冻土柱；随冻结过程的继续，冻土柱渐渐扩大并相互连接，在预计的冻结时间后，冻土体达到设计厚度——形成冻土。
2.2冻结法施工
2.2.1施工准备
1、人员进场后针对施工过程中的施工技术交底、安全技术交底内业等资料整理，相关作业管理人员培训；
2、水、电进场至施工作业面；
3、施工工作平台工字钢加工、搭设；
4、配件加工施工作业；
5、冷却塔、冷冻机等设备进场。
2.2.2钻孔施工
2.5联络通道及泵房结构概况
区间联络通道及泵房结构如图2-13。
联络通道及泵房主体结构均为钢筋混凝土结构。
主体结构为线间距不同的同一构造样式。
联络通道采用矿山法施工，结构为复合式衬砌。
联络通道及泵房的防水原则是“以预防为主、刚柔结合、多道防线、因地制宜、综合治理”，关键是处理好施工缝的防水。
二次衬砌结构采用C35高性能防水混凝土，抗渗等级≧P10。
衬砌采用二次衬砌方式，所有初期支护层厚度均为250mm；结构层为400mm厚的现浇钢筋混凝土，泵房排水管采用DN200铸铁管。
图2-13联络通道及泵房结构图
3施工重难点分析及应对措施
联络通道施工涉及冻结和开挖等诸多施工工序，施工难度大，风险高，在施工前，需对施工重难点进行分析，并做好应对措施，确保在施工过程中施工安全，针对本工程特点及重难点进行分析，制定相应对策，特点及重难点分析及对策见下表。
表3-1工程特点及重难点分析与对策表
工序
存在的风险
风险特征
产生风险的原因
如何预防风险
产生风险后应对措施
钻孔施工
①联络通道所处土层为粉土夹粉质粘土，且有承压水，冻结孔施工时有涌水冒砂的风险；②冻结管断裂
孔口涌水冒砂
①冻结孔施工不当②冻结管焊接不牢固
①严格按设计进行施工，并做好安全技术交底
②实行冻结管焊接检查制度，确保焊接质量
①及时封堵
冻结施工
隧道产生冻胀变形，冻胀使地面及管线上抬隆起
管片渗漏
冻土融化
冻结管断裂
管片及结构渗漏
冻土融化
接触面渗水
盐水漏失
冻结技术控制不当
冻结设备损坏
注浆效果不理想
联络通道处含有多个土层
严格按照设计方案执行
现场配备用设备
及时补充接缝注浆
及时进行冻结参数调整
启用备用设备
补充注浆
开挖及
结构施工
塌方
涌水涌砂
地面管线下沉
地面沉降过大
塌方
涌水涌砂
冻土融化
开挖步距过大
支护不及时
冻结帷幕质量差
冻结帷幕变形过大
停水、停电等突发故障
严格按开挖方案执行
及时进行支护
开挖前必须进行冻结效果检查
控制冻结参数
及时进行注浆填充，同时加强地表沉降监测
现场配置备用电源、备用设备
及时进行支护
立即进行注浆
启动备用电源及设备
及时根据沉降监测数据调整注浆参数，保证沉降正常
融沉注浆施工
地面、管线下沉
地面沉降过大③小井内涌水涌砂
地面明显下沉
②管片碎裂
解冻速度过快，注浆未及时补充
沉降监测数据有误或沟通不及时
③浇筑砼时振捣不密实
在结构浇筑完成拆模后对结构施工质量进行检查。
及时进行融沉补偿注浆，根据沉降数据，及时调整注浆参数，确保施工安全
及时补充浆液，控制并减少沉降数值上升
4施工总体组织方案
目前南团、团宝盾构区间已双线贯通，竹南区间正在推进。
团宝区间联络通道及泵房计划2014年12月18日开始冻结孔施工，南团盾构区间联络通道及泵房计划2014年12月28日开始进行冻结孔施工，竹南区间联络通道及泵房计划2015年6月1日开始冻结孔施工。
表4-1联络通道及泵房冻结孔统计表
名称
联络通道位置
冻结孔数
透孔数
测温孔数
冷冻站布置位置
备注
左线
右线
竹辉路站~南门路站联络通道及泵房
左线
144环～145环
56个
19个
4
9
左线92环~132环
南门路站~团结桥站联络通道及泵房
左线
288环～289环
56个
19个
4
9
左线236环~276环
团结桥站~宝带东路站联络通道及泵房
左线
433环～434环
56个
19个
4
9
左线446环~486环
5施工方案的选择
5.1施工方案设计的基本原则
采用冻结法加固土体安全可靠，适应该区工程地质和水文地质条件。
本施工方案设计的基本原则是：
（1）水平孔冻结帷幕技术性能必须满足联络通道施工的安全和质量要求，加固土体应遍达待加固区域；
（2）水平孔冻结方案应符合现场实际条件，具有可操作性；
（3）施工方案应在满足工程要求工期的前提下具备优化潜力；
（4）施工方案中考虑关联公共设施的位置及其安全保障，满足城市环境保护及节能要求；
（5）减小冻胀与融沉的危害，采取自然解冻融沉注浆措施控制联络通道和管片变形在允许范围内。
5.2冻结加固方案设计的主要技术要点
为控制冻结孔钻进、地层冻胀和融沉等对隧道及地面的影响，根据国内外最新研究成果和施工经验，提出以下冻结设计技术要点：
（1）在隧道内钻冻结孔，根据联络通道的结构采用近水平成孔或斜孔，每个钻孔都设孔口管，并安装孔口密封装置，以防钻进时大量泥水涌出。
每一个钻孔完成后根据该孔流出物的方量，同时结合地表沉降监测数据的变化，及时注浆。
（2）冻土帷幕的厚度及强度应满足联络通道开挖的要求，尤其保证喇叭口处冻结帷幕的厚度，同时确保冻结帷幕与隧道管片的完全胶结。
做好冻结和开挖的配合工作，并根据开挖后冻结帷幕变形情况及时调整开挖构筑工艺。
（3）为减小冻胀对隧道的影响，在左、右线隧道管片靠近喇叭口侧敷设冷管和保温层。
减小冻结孔与对侧隧道管片的距离，并采用小开孔距、较低盐水温度、较大盐水流量等措施，以加快冻结速度，并在适当部位布设泄压孔，以减小土层冻胀对隧道的影响。
（4）通过测温孔和泄压孔，监测冻土帷幕的形成过程和形成状况。
特别监测冻土帷幕与对面隧道管片的胶结情况。
（5）在联络通道底板、两侧、顶部及泵房混凝土中预埋注浆孔，必要时在隧道管片上钻注浆孔，以便注浆防止冻土融沉引起的地面沉降及隧道、联络通道的沉降变形。
进行冻结地层温度监测、地层沉降变形的监测、隧道变形的监测，以指导联络通道的施工。
（6）为减小冻融的不利影响，采用自然解冻融沉注浆方案，控制地面的不均匀沉降。
（7）加强地表沉降监测频率，及时掌握地表沉降变化情况，进而指导施工。
5.3施工方案
联络通道是地铁线路的重要附属工程之一，其主要作用是连通左右两条地铁隧道作为安全和维护通道，同时在联络通道内设置泵房，用于集排隧道内积水。
本工程联络通道采用冻结法加固土层，即用人工制冷方法使联络通道外围的土层降温冻结，形成一个封闭的冻土帷幕结构，集水井采用实体冻结，然后在冻土帷幕结构中进行联络通道和泵房的掘砌施工。
冻结法施工具有如下几个优点：
（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）经济上合理。
冻结法其工艺流程见图5-1。
图5-1联络通道冻结法施工工艺流程
根据工程地质条件及其它施工条件，确定采用“隧道内水平冻结加固土体、隧道内矿山法开挖构筑”的施工方案，即：
在隧道内利用水平孔和部分倾斜孔冻结加固地层，使联络通道及泵房外围土体冻结，形成强度高，封闭性好的冻土帷幕，然后根据“新奥法”的基本原理，在冻土中采用矿山法进行联络通道及泵房的开挖构筑施工，地层冻结和开挖构筑施工均在区间隧道内进行，其主要施工顺序为：
施工准备→冻结孔施工（同时安装冻结制冷系统，盐水系统和监测系统）→进行隧道支撑→积极冻结→探孔试挖→拆钢管片→联络通道掘进与初期支护→联络通道永久支护→泵房开挖与初期支护→泵房永久支护→结构充填注浆→进行自然解冻融沉注浆充填→撤场。
冻结孔施工和联络通道初期支护施工为本工程的关键工序；排水管的敷设及与钢管片的连接为重要控制点；冻结监测和温度，土体变形，压力监测及联络通道永久支护施工为特殊工序。
6冻结帷幕设计
6.1方案设计技术要点
由于上述3个联络通道所处地层主要为④1粉质粘土、④2粉砂夹粉土、④3粉土夹粉砂、⑤1粉质粘土层，为了确保施工安全，特别是在冻结孔施工过程中，要防止可能发生泥、水突涌和地层沉降现象发生。
在施工中必须采取切实可靠的技术措施，以确保联络通道施工的安全并保证施工工期。
提出以下技术要点：
1、由于混凝土和钢管片相对于土层要容易散热得多，会影响隧道管片附近土层的冻结速度，从而影响冻土帷幕的整体稳定性和封水性。
特别是要保证联络通道喇叭口部位冻土帷幕的厚度和强度及与管片的完全胶结，在冻结孔施工端喇叭口部位布置两排（拱顶部位四排）孔加强冻结，在对侧隧道布置冷冻板。
所有的钢管片的格栅要用砼充填密实，同时管片外面采用泡沫保温板隔热保温，以减少冷量损失，在冻土墙与管片胶结处放置测温点，以加强对冻土墙与管片胶结状况的检测。
2、用金刚石取芯钻开孔，跟管钻进法下冻结管。
冻结孔开孔前，在布孔范围内打小孔径探孔，探测地层稳定情况。
如发现有严重漏水冒泥现象，先进行水泥—水玻璃双液壁后注浆，以提高孔口附近地层稳定性，然后再钻进冻结孔。
每个钻孔都设有孔口管，并安装钻孔密封装置，以防钻进时大量出泥、出水。
3、针对施工冻结孔时容易产生涌水现象，采用强力水平钻机，尽量实现无泥浆钻进。
如发现钻孔泥水流失，及时进行补浆。
4、加强冻结过程监测。
在冻土帷幕内布置测温孔，以便正确判断冻土帷幕是否交圈和测定冻土帷幕厚度。
对侧隧道管片附近土层的冻结情况将成为控制整个联络通道冻土帷幕安全的关键，为此，在对侧隧道管片上沿冻土帷幕四周布置测温孔，以全面监测冻土帷幕的形成过程。
5、在联络通道两端布设卸压孔，以减小土层冻胀对隧道的影响。
该孔可作为冻结帷幕压力变化的观测孔，同时利用管片上的注浆孔来卸压。
6、联络通道在交圈前完成隧道内预应力支架安装，以防止冻结过程隧道变形及打开预留钢管片时隧道变形和破坏。
施工完联络通道初期支护层后再打开对侧隧道联络通道的预留钢管片。
在联络通道衬砌中预埋压浆管，采用注浆方式以补偿土层融沉。
注浆应配合冻土帷幕融化过程进行。
7、由于冻土的蠕变性很强，冻土帷幕在破坏前必然有一个较大的蠕变过程，可以通过检查开挖过程中的冻土帷幕变形情况判断其安全性。
为此，在开挖过程中必须及时进行冻土帷幕变形和温度观测，如遇冻土帷幕有明显变形，立即用钢支架加木背板支撑，调整开挖构筑工艺，并同时加强冻结。
8、为了进一步提高联络通道掘砌施工的安全性，特采取以下措施：
选用可靠的冻结施工机械；准备足够的备用设备；加强停冻时的冻土帷幕监测；尽快施工衬砌，必要时用堆土法密闭开挖工作面。
9、由于冻胀力和冻土融沉的作用，影响周围土层的力系平衡，使隧道产生水平位移和沉降，故在整个施工过程中，加强隧道变形的监测，确保隧道安全。
在冻土帷幕关键部位，多布置测温孔，监测冻土帷幕的形成过程和形成状况。
6.2冻结帷幕设计
本次分析采用大型通用有限元数值计算软件——ANSYS，它融结构、热、电磁、声学于一体，可广泛应用于核工业、铁道、航空航天、机械制造、土木工程、地矿、水利等一般工业及科学研究。
就结构分析来讲，ANSYS软件提供的结构分析类型如下：
（1）结构静力学分析
（2）结构动力学分析
（3）结构非线性分析
采用ANSYS对钢筋混凝土和钢结构进行数值分析是一种行之有效的方法，它可以很好的模拟混凝土和钢结构的受力条件及其构关系，还可以按照原型几何参数直接进行计算，可以方便获得包括结构的截面应力、应变和变形特性等完备数据。
6.2.1冻结帷幕承载力验算
1、有限元方法验算
1）设计计算参数
联络通道冻土帷幕结构的几何尺寸见设计施工图。
三个联络通道兼泵房水平通道外围冻土帷幕有效厚度分别为1.8m、2.0m、2.0m，冻土帷幕平均温度为小于等于-10℃。
参考类似工程冻土物理力学性质，偏安全考虑，设计取-10℃下土层弹性模量和泊松比分别为150MPa和0.3，强度指标为：
抗压3.5MPa，抗折1.8MPa，抗剪1.5Mpa。
冻结帷幕承载力验算采用许用应力法，强度检验安全系数取：
抗压2.0，抗折3.0，抗剪2.0。
冻土帷幕顶面所受土压力根据开挖向下变形特性按主动土压力计算，侧面承受水土压力静止侧压力系数取0.7计算，土的平均重度取18.5kN/m3。
2）水平通道和喇叭口冻土帷幕承载力验算
水平通道冻土帷幕力学分析采用均质线弹性三维模型，其力学特性参数取冻土帷幕平均温度下的冻土力学特性值。
根据联络通道对称性，取结构的1/4作为计算模型。
冻结帷幕顶板反力主要受静水压力和开挖时因顶板向下变形，上部土体的作用力（偏安全考虑顶部荷载按静止土压力进行计算）。
三维计算模型如图6-1所示，共划分为8394个单元，单元类型为三维实体单元SOLID65单元。
模型对称面约束法相位移，模型和管片交界处约束3个方向位移，模型底板约束竖向位移。
冻土结构采用三维实体单元SOLID65单元建立模型。
SOLID65单元是一具有8节点的三维非线性实体材料单元类型，其几何形状、节点位置以及坐标系取向如图6-1所示。
图6-1SOLID65三维实体单元
图6-2通道冻土帷幕有限元计算模型
表6-1竹辉路站～南门路站区间通道冻土帷幕应力、位移计算值及安全系数
项目
压/弯拉应力（MPa）
剪应力（MPa）
位移（mm）
σ1
σ3
τmax
Umax
计算值
0.25
0.99
0.51
17.2
强度指标
1.8
3.5
1.5
安全系数
7.2
3.5
2.9
位置
直墙和底板连接处
直墙和底板连接处
顶板中间位置
表6-2南门路站~团结桥站通道冻土帷幕应力、位移计算值及安全系数
项目
压/弯拉应力（MPa）
剪应力（MPa）
位移（mm）
σ1
σ3
τmax
Umax
计算值
0.43
1.38
0.69
24.7
强度指标
1.8
3.5
1.5
安全系数
4.2
2.5
2.17
位置
直墙和底板连接处
直墙和底板连接处
顶板中间位置
表6-3团结桥站~宝带东路站通道冻土帷幕应力、位移计算值及安全系数
项目
压/弯拉应力（MPa）
剪应力（MPa）
位移（mm）
σ1
σ3
τmax
Umax
计算值
0.13
0.94
0.48
16.3
强度指标
1.8
3.5
1.5
安全系数
13.8
3.7
2.1
位置
直墙和底板连接处
直墙和底板连接处
顶板中间位置
用有限元法进行冻土帷幕的受力分析与变形计算，从计算结果可以看出，计算的应力值小于强度值，冻土帷幕的总体承载能力是足够的。
计算显示在冻土帷幕内侧局部存在应力集中，但是范围很小，且冻土帷幕角部是圆弧过渡的，并且冻土帷幕中间尚有土体或支撑，因此是安全的。
图6-3（a）竹辉路站～南门路站区间联络通道冻土σ1分布
图6-3（b）竹辉路站～南门路站区间联络通道冻土σ3分布
图6-3（c）竹辉路站～南门路站区间联络通道冻土stressintensity分布
图6-3（d）竹辉路站～南门路站区间联络通道冻土变形分布
图6-4（a）南门路站~团结桥站区间联络通道冻土σ1分布
图6-4（b）南门路站~团结桥站区间联络通道冻土σ3分布
图6-4（c）南门路站~团结桥站区间联络通道冻土stressintensity分布
图6-4（d）南门路站~团结桥站区间联络通道冻土变形分布
图6-5（a）团结桥站~宝带东路站区间联络通道冻土σ1分布
图6-5（b）团结桥站~宝带东路站区间联络通道冻土σ3分布
图6-5（c）团结桥站~宝带东路站区间联络通道冻土stressintensity分布
图6-5（d）团结桥站~宝带东路站区间联络通道冻土变形分布
以上计算表明：
通过有限元计算，通道部分的冻结帷幕强度和位移均满足《旁通道冻结法技术规程》，设计采用厚冻结帷幕厚度1.8m和2.0m，平均温度-10℃能够满足施工要求。
3）泵房冻土帷幕有限元计算
三个区间联络泵房处冻土设计冻土厚度分别为1.8m、2.0m、2.0m，不考虑临时支护作用，根据对称性取泵房1/4作为计算模型。
图6-6泵房有限元计算模型
侧向土压力为：
底板开挖后向上变形，计算底板土反力采用被动土压力公式，则底板土反力为：
计算得三个区间泵房冻结帷幕底部荷载分别为：
q1=0.241MPaq2=0.300MPaq3=0.282MPa
其中摩擦角Φ取18.1°。
图6-7泵房模型单元
表6-4：
竹辉路站～南门路站区间泵房冻土帷幕有限元计算结果
泵
站
项目
压/弯拉应力（MPa）
剪应力（MPa）
位移（mm）
σ1
σ3
τmax
Umax
计算值
0.78
1.42
0.50
15.5
强度指标
1.8
3.5
1.5
安全系数
2.3
2.5
3.0
位置
底板中心
侧墙和底板
交界处
侧墙和底板
交界处
侧墙中间
向内位移
表6-5：
南门路站~团结桥站区间泵房冻土帷幕有限元计算结果
泵
站
项目
压/弯拉应力（MPa）
剪应力（MPa）
位移（mm）
σ1
σ3
τmax
Umax
计算值
0.76
1.64
0.59
16.4
强度指标
1.8
3.5
1.5
安全系数
2.4
2.13
2.5
位置
底板中心
侧墙和底板
交界处
侧墙和底板交界处
侧墙中间向
内位移
表6-6：
南门路站~团结桥站区间泵房冻土帷幕有限元计算结果
泵
站
项目
压/弯拉应力（MPa）
剪应力（MPa）
位移（mm）
σ1
σ3
τmax
Umax
计算值
0.90
1.55
0.54
16.4
强度指标
1.8
3.5
1.5
安全系数
2.0
2.25
2.78
位置
底板中心
侧墙和底板
交界处
侧墙和底板交界处
侧墙中间
向内位移
图6-8（a）竹辉路站～南门路站区间泵房冻土σ1分布
图6-8（b）竹辉路站～南门路站区间泵房冻土σ3分布
图6-8（c）竹辉路站～南门路站区间泵房冻土stressintensity分布
图6-8（d
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