冷冻法施工.docx

1、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

2、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：、冷媒剂(盐水)吸热：氨 (-33.4)；干冰(-78.5)；、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：、封闭系统（盐水冻结）；、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：、冻土范围可变；、冻土温度可变；、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

3、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：、冻土强度较高；、冻土连续性可靠、封水性好7.2、适用性强：、适用于几乎所有具有一定含水量的松散地层（包括岩石）；、复杂地质条件可行（流砂、大深度、高水压）7.3、灵活性高：、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

4、，给国家造成严重的经济损失。8.1、冻胀融沉：、对环境有一定的影响，严重时具有一定的破坏力；、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：、供冷不足或外部热源可导致冻土帷幕性能退化（范围、强度）；、流水作用下冻土可快速消融8.3、局限性：、地下水流速影响冻结效果；、地层含盐影响冻结效果；、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、

5、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：、矿山凿井：竖井、斜井；、隧道施工：隧道掘进；盾构、顶管进出洞、联络通道；、隧道扩建；、基坑工程；、穿越；、地下对接；、事故处理；、管线工程；、基础加固；、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：、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n0.5黏性土n1；a, b与冻土的孔

6、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。、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26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

7、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， 冻土厚度， t开挖面温度，4、冻胀与融沉4.1、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

8、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。、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。、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

9、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。、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113.53.56612 12 冻胀率（俄罗斯）11447710 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

10、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。、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。、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。、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。、与冻胀类似，融沉的影响因素有：a、内因：土的热

11、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：、间歇冻结法：降低冻结速度，减小水分迁移、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、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：、强制解冻，跟踪注浆。尽快固结土体，避免长期沉降、先注浆，后冻结。降低土壤透水系数，阻

12、止水分迁移；加强土体强度，减小压缩沉降。、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12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

13、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。

14、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350 mm）的小孔，以不钻穿管片为宜。取出岩芯，打入加工好的127mm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

15、示）。用898mm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