人工土冻结法在天津地铁工程中的应用 67页

中文摘要本文首先介绍了人工冻结法原理、国际及国内人工冻结法的研究与应用现状及冻结法施工优缺点。文中进一步介绍了人工冻土的力学参数和特性。主要是通过人工土冻结模拟试验，得出冻土结构物的物理力学变化规律。同时还阐述了冻土墙厚度和冻结参数设计的一般原理和设计方法。本文的重点在于结合天津地铁工程实例介绍了冻结法施工方案，并应用有限元计算程序对冻土壁的强度及变形进行验算，确保工程有了一定的安全储备。同时阐述了在冻结施工过程中容易出现的问题、工程难点、技术要点及保证工程质量的措施等。还简要论述了冻结法在不同的施工阶段对周围环境的所带来的影响以及减少这种影响所采取的措施。该工程的成功对其他类似工程施工方案的确定具有一定的参考价值。最后，对冻结法信息化施工进行了论述。其关键就是反馈信息的获取。只有对施工过程的温度、沉降等参数进行定时、准确的监测，才能对开挖、支护、注浆等施工操作进行及时调整，达到冻结法施工更加经济、安全的目的。关键词：区问隧道联络通道；冻结法施工；强度及变形及计算：有限元法；信息化施工技术 ABSTRACTInthispaper,thetheoryofartificialfreezingmethodandtheconditionofresearchandapplicationathomeandabroadalepresented．Theadvantageanddisadvantageoffreezingmethodconstructionaleintroduced．Thispaperintroducestheartificialfrozenearthsmechanicsparametersandproperty．Throughtheartificialfreezingearthsimulationtest,thephysicalandmechanicvariationlawsofthefreezingstructurearcgained．Theprincipleandmethodofdesigningelaboratedonthefrozensoilwallandthefreezingparametersarestated．The锄phasisofthepaperisthedesigningproposalofthefreezingmethodbytheeaseofametrosubway．Thefrozensoilwallsstrengthanddeformationaretestedbythefiniteelementmethodtoassuretheproject’Ssafetymargin．Atthesametime，somequestions，difficulties，technicalpoints，themeasuresofqualityassurancedudngthecourseofthefreezingconstructionareexpounded．Thepaperdiscussestheenvironmentaleffectcausedbythefreezingmethodandthecountermeasuresindifferentconstructionphasebriefly．Theprojectissuccessfulinsafetyandsocialefficiency．ThatexperienceCanbereferredtObyothersimilarconstructions．Informationconstructioninfreezingmethodisalsodiscussedinthethesis．Thekeypointofinformationconstructionistheacquirementoffeedbackinformation．Onlywhentheprocessoftheconstructionismonitoredregularlyandtimelycaninformationontemperatureanddeformationbefedbackwithoutdelay．Theconstructionsolutionincludestimelyadjustmentofexcavation，supportingandslip-casting．Throughthesolutionmentionedabovethefreezingeonstructionwillbemoreeconomical，safeandreliable．KEYWORDS：ametrosubway；freezingmethodconstruction；calculationofinterualforceanddeformation；finiteelementmethod；informationconstruction 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘茎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：；嵌玉嫡签字日期：矿易年驴月{。日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解鑫叠盘茎有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨童盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：；畏立·旃签字日期：k易年g月{一日 第一章绪论1．1选题意义随着社会经济的不断发展，人口的不断增长和土地资源的稀缺性。开发地下空间已经成为人类扩大生存空间的重要手段和发展趋势。专家预测2l世纪是建设地下工程的世纪。各种地下工程如矿山工程、深基础建筑及地下室、城市地铁和河底、海底及穿山隧道等正在兴建中，并且呈现不断增加的趋势，与之俱来的基坑壁的支护、隔水等问题也变得越来越突出，尤其是在恶劣的地质、水文条件以及苛刻的周围环境下。人工土冻结法由于基本不受支护范围和支护深度的限制，以及能有效防止涌水以及施工中相临土体的变形而受到越来越多的重视，并将是完成地下工程的主要技术手段之一。完善和发展人工土冻结理论和技术体系不仅具有重要的社会效益，而且具有良好的经济前景。在饱和含水软弱地层中，在刚建好的两条区间隧道再建通道、泵站，这在天津是首次，虽然可以借鉴上海地铁一号线区间隧道旁通道施工经验，但由于国内没有相应的人工土冻结法施工规范，所以冻结法作为一种辅助施工工法，其实施的可行性、安全可靠度、施工速度、工程造价等多方面都面临考验。如何保证工程及周围环境的安全，采用何种施工技术，如何确定合理的冻结参数并降低造价等，具有很大的意义。地层土人工冻结技术是一种起源于天然冻结现象的土层加固技术。传统上较普遍的人工土冻结是使用盐溶液间接制冷法，就是将盐溶液用氨或氟里昂压缩方法冷却后，作为冷媒在土体内埋设的管道中循环，吸收土体热量，增加自身显热，不断循环制冷，直到土体冻结，达到加固和稳固土体的目的。发展和使用较晚的人工土冻结方法有直接制冷法，即不循环制冷，例如使用液氮或干冰等物质，使它们在土体内发生相变，直接作为冷媒吸收土体热量，使土体降温，土中水分冻结，形成冻土体。采用人工制冷加固(冻结法)，可以使士体中的大部分水结冰，这不仅提高了土的强度，增强了土体的稳定性和整体性，而且可以达到其他止水方法所无法比拟的隔水性能；同时随着地层开挖深度的增加，冻结法施工更具有经济上的优势。此外，冻结法施工不污染环境，不受冻结深度和冻结范围的限制。 第一章绪论1．2国际上人工土冻结法应用现状人工冻结土的应用开始于上个世纪．1862年英国工程师南威尔士在建筑基础施工中，首次使用了人工冻结技术加固土壤。1883年人工冻结法首次在德国阿尔里德煤矿井筒施工中应用并获得成功。人工土冻结在城市土木工程中的应用始于1886年瑞典24米长的人行隧道建设工程。在此后的一个世纪里。人工土冻结法在许多国家的煤矿、隧道、水利工程、地铁和建筑基础等领域中得到不断应用和发展。进入20世纪90年代以来，国际上对人工土冻结的应用更为广泛。1991年在西班牙巴伦西亚地铁建设中，钻凿在地下水位以下进行，同时使用了几种支护处理方法，结果表明传统的支护方法都不能令人满意，土冻结方法最为灵活、方便，能有效地避免涌水。液氮人工冻结用于加固地层在国外始于上世纪60年代，在近十年报道的液氮人工冻结工程实例中，较著名的有德国幕尼黑地铁，美国肯塔基大型机械经过GreenRiver700m的冲积平原等。由于液氮相对成本较高，其应用不如盐溶液方法那么多，目前多数用于抢险。1．3国内人工土冻结法应用现状我国于1955年首次在开滦林西风井使用盐溶液冻结法凿井并获成功，之后便在全国推广使用。我国冻结法的应用已有50年的成熟经验，主要是用人工制冷技术暂时加固不稳定地层和隔绝地下水的施』=方法，已建成400余项冻结立井工程，总延米超过67km。从20世纪80年代中期开始，随着我国地下工程的增多，冻结维护技术逐渐从矿山推广到各类市政工程的应用中，完成了一些北京和上海的隧道水平冻结工程。发挥了该工法的优势和特点，取得了良好效果。2003年，润扬长江大桥锚碇基础施工采用封水效果好，施工可操作性强的“排桩冻结法”。即利用人工冻结地层技术，把零下28℃的盐水，注入地下，使含水地层冻结，在基坑阴周形成厚I．3米，深40米的冻结帷幕墙体，很好地解决了地下水渗流问题：同时在冻土内侧排列140根嵌入基岩的钻孔灌注桩作为挡土受力结构，从而在基坑四周彤成一个既挡水抗渗又能抵抗水土压力的坚固围护屏障。这是国际上将排桩和冻结相结合的施工方法在桥梁工程施工的首次运用。取得了很好的经济效果，工程的可靠度也得到了满足。 第一章绪论1．4人工冻结应用研究现状研究冻结井壁的形成规律和冻结壁的温度变化特征，采用的方法主要有分析方法、数值方法(主要是有限元法)，实验方法和现场实测。、1．4．1解析分析研究目前人工土冻结理论中关于冻结速度、冻结温度场及均匀温度下冻土强度的计算方法比较成熟，但对冻土结构物特别是非均匀温度场的冻土体的强度和稳定性分析离应用还有一定的距离。实际的冻土墙，从物理、力学性质来讲，是一个非均质各向异性的非线性体。随着水土压力的逐渐增大，由弹性体、弹塑性体向塑性体过渡。从几何特征看，它是不等厚板体。当盐水温度和冻结管布置参数一定时，代表冻土墙强度和稳定性的综合指标是厚度，而反映冻土墙整体性能的综合指标是冻土墙的变形。当挖掘工艺和参数、盐水温度和冻结管间距一定时，控制冻土墙的厚度是控制冻土墙变形的最主要的手段。解析分析研究的目的就是试图通过对冻土墙进行一定程度的简化，建立力学模型，得出冻土墙的厚度的计算公式。国外用做基坑支护的冻土墙较多采用圆形或椭圆形或一系列的圆弧组成的冻土墙，运用弹性厚壁圆筒理论进行分析，按虑力条件进行设计。仅在某些特殊或墙体尺寸比较小的情况下才采用直墙形式，并采取一定的补充支撑或增强结构，以减小拉应力。1．4．2物理模拟实验研究人工土冻结模拟实验研究方法可以模拟冻土结构物的物理力学变化规律，因此受到越来越多的霞视。本世纪初期法国工程师索维斯特尔最早用模型实验研究了冻结壁强度，之后苏联学者格莫申斯基用模型实验研究了冻结壁变形。他按准则的形式转换了所要研究的各个物理晕，并按准则关系整理了实验结果，研究了冻结壁变形和破坏的规律，分析了合理的冻结壁厚度与地压、段高、冻土性质与允许变形等参数之间的关系。国内崔广心、卢清国等采用大型立井模拟实验台，对冻结壁的径向变形，外荷载、掘进段高、冻土温度和时间等参数间的关系，以及冻结管变形、应力 第一章绪论与冻结壁厚度的关系进行了模拟实验研究，获得了冻结壁厚度与诸参数间关系的回归方程，得出的一些结论可作为冻结壁设计的参考依据。吴紫汪等用物理模型实验研究了立井冻结壁径向变形规律和工作面底鼓问题，并取得一定成果。郁楚侯、杨平、汪仁和等也对冻结壁的整体稳定性进行了模拟研究。以上这些实验尽管是针对圆形墙的，它们对直线形冻土墙的稳定性模拟研究提供很好的借鉴作用。1994年淮南矿业学院和中煤特殊凿井工程公司用盐溶液冻结法联合开展了深软土冻土墙稳定性的模拟实验。他们分析了冻土墙变形的特点及冻土墙暴露时间、冻土平均温度、侧压力、冻土墙跨度等因素对冻土墙变形的影响程度。该模型实验是对实际冻结工程在一定程度上的简化。它存在一些问题，主要表现为：①模型实验是先冻结后受力，而实际冻结过程是在土压力作用下进行冻结，因而实际冻土强度要高；②冻土墙所受主动土压力简化为均布荷载并且保持不变，实际工程中土压力分布比较复杂，并且其压力值随墙体的位移而发生变化；③没有模拟墙前被动土压力的大小；④冻土墙维护期不能做到温度场的相似。此外，翁家杰介绍了我国首次将液氮冻结用于上海地铁隧道与盾构拆卸井贯通工程的软土加固，论述了我国液氮冻结的热力学模型、温度场、冻上扩展半径及低温冻土的应力．应变特性的理论研究成果。1．4．3数值模拟研究随着电子计算机的发展，各种数值方法如有限元法、有限差分法、边界元法等得到了充分发展，其中有限元法是目前最常用的数值分析法。通过数值模拟研究，一方面可以用计算的结果与模拟实验的结果相互验证，互相补充；另一方面它可以得到模拟实验无法得到的计算结果，比模拟实验省时，省钱，也能考虑更复杂的情况，可以考虑更多的影响因素。数值方法用于冻上结构的计算主要是两方面：冻结温度场和冻上结构物的内力与变形。冻土是一种非均质的、受温度和时间影响的流变体。人工冻结中往往需要预测冻结土体随时间的发展，以及维持冻结所需的能。由于必须考虑热传导、相变、水分迁移和土体冻胀以及冻土结构物的几何形状，使冻结过程的热学计算相当复杂。目前只有简单几何形状和条件的移动边界问题有精确解。为解决这个问题使用了数值方法，主要是有限差分近似法和有限元法。4 第一章绪论冻土结构体的内力与变形计算实质是一个非线性的热与结构耦合问题，常用有限元法计算。首先对冻结体进行传热分析以确定其温度分布，从而能够确定每一单元的物理参数，其次进行结构体的力学计算，同时要考虑冻土的蠕变特性。．国外一般采用有限元法对冻结壁进行设计计算，冻土的本构方程一般采用双曲线型的应力应变关系，对未冻土采用线弹性的本构关系。国内80年代初开始将有限元法用于冻结壁变形的研究，许多学者利用ANSYS等软件包或自编软件对冻结温度场、冻结壁变形规律进行了研究，取得了一定结果。1．4．4现场实测分析现场实测分析是根据实测资料归纳总结，给出经验公式或数据，为施工设计提供依据。1．5冻结法优缺点1．5．1主要优点1、结法适用复杂的地质条件，不污染地层。2、封水严密，冻土墙厚度和强度可以控制。3、可以形成任意的连续冻土墙，具有灵活性。4、冻土墙的连续性和均匀性得到保证。5、可以和其它方法结合使用。6、用液氮和干冰对工程事故的处理和抢险的速度比其它方法快。7、比其他地层加固方法可靠。1．5．2主要缺点l、由于冻结引起地层胀起，融化时引起地层沉陷，对地面及建筑物有一定影响，应采用有关技术解决这一问题。2、地下水含盐晕过高及地下水流速度过快，难以冻结。3、要较大功率的电源。 第一章绪论4、工期较长，造价相对较高。1．6本文研究探讨的内容有许多专家发表相关论文断言，以英吉利海峡越海隧道为里程碑，建筑工程已开始进入地下工程时代。人工土冻结技术的支护、隔水作用，以及几乎不受深度的限制，将会受到越来越多的重视，使其发挥特有的作用和优势。各种含水松软地层的隧道、地铁和地铁车站、排水泵房、地铁主干道问的联系通道的施工，矿山工程和海港工程中都将有广阔的应用前景。随着人类对环境的日益重视，在特殊垃圾掩埋和废料处理方面也将发挥其特有的作用。由于冻结法施工工期较长，难度和风险较大，所以目前工程中使用的设计方法大多偏于保守，即加大冻结壁厚度或降低冻结温度。虽然确保了工程和周边环境的安全，但也耗费了巨大的电能及资金，亦将给后期的挖掘带来困难。导致这种现象的原因是多方面的，例如冻土地层结构的复杂程度，冻土的流变性，冻结壁的变形缺乏规律以及冻结温度场的不稳定性和复杂的边界条件等。目前，我国人工土冻结法在人工冻结凿井中得到了广泛应用，在城市地下建筑以及遂道等工程中还远没有达到普及，除了一定的社会原因如工程部门的观望态度等，主要是理论和技术储备还有一定的差距，直墙型冻结壁的强度及稳定性比圆筒形冻结壁要复杂，特别是随着施工深度的增加，遇到的问题也越来越多。本文结合一个工程实例，先按照弹性厚譬圆筒理论对冻结壁厚度进行设计试算，然后参考上海类似工程经验确定，并用有限元方法进行强度校核及变形计算。具体工作主要有：l、结合工程实例论述了地铁联络通道冻结法设计、施工的技术要点、难点及对策；2、用有限元对冻结壁进行强度及变形验算，并将结果作为监测施工安全的依据；3、在本工程中采用信息化施工，保证了工程的顺利完工；4、根据监测结果对冻结地层温度、地面及隧道变形、冻胀压力等进行分析，探讨其变化规律；依据本文的分析结果，关于冻结参数的设计，提出一些自己的看法，对类似工程冻结法施工提供有益的参考，并期望冻结法能在其它地F工程施工中发挥越来越大的作用。6 第二章人工土冻结法原理及其力学参数和特性2．1人工土冻结法原理2．1．1冻土的形成及地下水对冻结的影响土体是一个多相和多成分混合体系，由水、各种矿物质和化合物颗粒，气体等组成，而土中的水又可有自由水、结合水、结晶水三种形态。当降到负温时，土中的自由水结冰并将土体颗粒胶结在一起形成冻结整体。冻土的形成是一个物理力学过程，随着温度的降低，冻土的强度逐渐增大。人工土冻结法施工原理：在人工制冷作用下，形成低温盐水，通过低温盐水在埋设在地层管道内的循环，在冻结孔内完成与地层的热交换，带走地层热量，使地温逐渐下降并达结冰。随着制冷的继续，结冰区逐渐发展，形成设计要求的冻土结构，且满足安全掘砌施工要求。常规的土层冻结对地下水水流速度和水中的盐分有一定的要求，因为水中盐分过高，会降低水溶液的结冰温度，而土中水流速度过大，除了增加冻结难度，而且也会影响冻结壁的稳定性。2．1．2温度场和冻结速度1、冻结地层的温度场地层冻结是通过一个个的冻结管向地层输送冷量的结果。每个冻结管四周形成多个单独的圆柱状冻结地基体，相邻的冻结圆柱体相交，形成冻土墙帷幕结构，冻土墙向两侧扩展，向内的扩展速度比向外的扩展速度要快，通常向内的扩展范罔要到达开挖边界。土体冻结先是在每个冻结管的周围形成以冻结管为中心的降温区，分为冻十区、融七降温区、常温士层区。在靠近冻结管的周围，温度呈同心圆状分布的特征，但越向远处，该特征越不明显，由于土体中水一冰问的相变作用，土体中的温度分布曲线在相变温度点(．O．54"C)出现平台，据此可划分出冻结区和未冻区。地层中温度曲线呈对数曲线分布。 第二章人工土冻结法原理及其力学参数和特性2、土的冻结速度冻结管间距是影响冻土圆柱交圈和冻结壁扩展速度的主要因素，冻土圆柱交圈时间是冻结由围绕单根冻结管的圆柱形向冻结体厚度方向转变的标志性时间。土的冻结速度越快，冻土强度越高。它还与冻结管内的盐水温度、盐水流量和流动状态、土层性质、冻结管直径、地层原始地温等有关，影响因素较多，解析理论分析很复杂，一般按冻结过程中测温孔观测到的数据和经验公式推算。2．1．3冻胀和融沉效应土的冷却使土体中产生一定的温度梯度，使土中的水流向土的冷却部分。当温度低于孔隙水的冻结点时，土孔隙中的水冻结、膨胀，要增大9％，土体会出现冻胀现象，尤其是在粘土和细砂等冻结敏感的土层中，由此诱发的负压力使其他部分的水迁移，进入冻结区。冻结中被移动的水形成冰凌，造成与冻结锋面垂直方向的体积膨胀。当土中的冰融化时，其体积缩小，在土体中产生沉降或固结，大小取决于融化体四周的压力，冻土融化时的沉降量还与融层厚度、融层土的特性有关。土中的冰融化还意味着土中含水量的增加，并可能重新导致过饱和土中孔隙压力的显著增加。2．2人工冻土的力学参数和特性冻土是一种非弹性材料，在外荷载作用下，应力．应变关系随时间发生变化，其变化有明显的流变特性一蠕变：即在外荷载不变的情况下，冻土材料的变形随时间而发展：松弛：即维持一定的变形量所需要的应力随时间而减小；强度降低：即随着载荷的作用时间的增加，材料抵抗破坏的能力降低。实验表明冻土的应力应变曲线是一系列随时问变化而彼此相似的曲线，，不同时刻的应力应变曲可以用幂函数方程表示，如图2．1所示。G=A．￡m式中，Al称为可变模量(MPa)，数。基本上足随时间及温度变化。(2．1)为随时间和温度变化的参数；m为强化系 第二章人工土冻结法原理及其力学参数和特性2．2．1冻土强度￡(!o)图2-l冻土应力应变曲线In冻土的强度是指导致破坏和稳定性丧失的某一应力标准。在工程应用中根据冻土结构设计目的有相应的设计方法和标准。冻土是一种非均质、各向异性的非弹性材料，有其特殊的受力特征。冻土有两个强度指标，一是冻土的瞬时强度，即接近于最大值的强度，通常采用极限强度。它表征土体抵抗破坏的能力，它有三个指标，即瞬时抗压强度、瞬时抗拉强度、瞬时剪切强度。二是冻土的持久强度(或称长期强度极限)，即超过它才能发生蠕变破坏的最小的应力，它也有三个指标，即持久抗压强度，持久抗拉强度，持久剪切强度。由于在冻土内存在冰和未冻水，故其具有流变性，即冻土强度随着载荷作用时间的延长而降低。瞬时强度比长时强度要大许多，负温值越高，两者相差越大。。当冻土温度在．和-15"C时，冻土长时强度与瞬时强度的关系如下：l、长时抗压强度约为瞬时抗压强度的1／2～1／2．5；2、长时抗剪强度约为瞬时抗剪强度的I／1．8--1／2．5；3、长时抗拉强度约为瞬时抗拉强度的I门2～1／16。冻上的这种特性要求在掘土施工时尽量缩短冻土帮的暴露时间，及早施工初衬支护。冻结壁的形成是在外力作用下，达到一定强度的，因而比实验室内的冻土试样强度大，而且冻结壁是三向受力状态，这些在设计时都应考虑到。9 第二章人工土冻结法原理及其力学参数和特性2．2．1．1冻土的单轴抗压强度冻土极限抗压强度6。(Mpa)，按下列方程式确定(在一定的负温范围内)：中砂粉砂和粘土6c《1+C2t1尼6c=C1+C2t(2-2)(2．3)式中Cl和C2-—根据土的空隙率和温度选取的系数；l、t一冻结土的温度(℃)温度是控制冻土强度的主要因素。无论是砂土、砂砾石土、还是粘性土，其抗压强度都随温度的降低而增大。当负温度值不太大时，温度对强度的影响较明显。然而，随着负温的增加，强度的增长逐渐变缓，所以，强度并非随温度下降呈线性增长。2、土质是影响冻土抗压强度的重要因素之一。实验表明，在其它条件相同时，土颗粒越粗，冻土强度越高，反之，越低。这是因为结合水的含量与土的颗粒大小有关。在粗砂、砂粒和砾石中颗粒大，几乎没有结合水。负温值刚超过O"C，空隙水便全部冻结，所以强度高。相反，粘土类土的颗粒很细，总表面积大，表面能也大，其中有较多的吸附水和薄膜水。吸附水完全不冻结，薄膜水只有部分冻结，所以，在同一负温下小颗粒土中保存有较多的未冻水，从而使强度降低。3、含水量对冻土强度的影响。实验表明，土中含水量未达到饱和时，冻土强度随着含水率增加而增高；一旦达到饱和后，含水量再增加时，冻土强度反而会降低。当含水量大大超过饱和含水率时，冻土强度就降低到接近冰的强度。4、冻结速度对冻土强度的影响冻结速度快，冻土中的细粒冰就多，呈六面晶体结构，冻土强度就高。反之，冻结速度慢，冻土中的粗粒冰含量增多，呈片状晶体结构，冻土强度相应降低。为了加快积极冻结速度可尽量降低盐水温度或缩小冻结孔间距，以加速冻结壁形成。2．2．1．2冻土的单轴抗拉强度砂土与粘土的抗拉强度(见下表2．1)表2-l砂土与粘土的的抗拉强度瞬时抗搦照(MPa)岩胜含水量C％)．10-15珈-25砂十嬲3躬2804204弱粘上33彤1街2乃2543mO 第二章人工土冻结法原理及其力学参数和特性2．2．1．3冻土抗剪强度实验表明，对于砂土和粘性土，无论是原状土还是重塑土，于9．8Mpa，其冻结后的抗剪强度均可用库仑公式表示：T《+o’tg巾只要当应力小(2-4)式中，t为瞬时剪切强度：o为正压力；C为粘聚力；巾为内摩擦角．1、温度是控制冻土抗剪强度的主要因素。无论是砂土，砂砾石土，还是粘性土，一般可用下式表示：C=Col0la(0三一0．2℃)(2-5)巾=a+k10I(0堇0．3℃)(2-6)式中Co，a，I【_实验参数；o为温度。2、土质是影响冻土抗剪强度的重要因素之一。粗颗粒的冻土的抗剪强度要比粘性土高。2．2．1．4人工冻土的弹性模量E及泊松比p冻土在瞬时荷载作用下会发生弹性变形。程知言等对上海软土人工冻结热力学性质研究发现了软土的弹性模量、泊松比与温泊松度的关系：弹性模量与温度的关系是非线性的，总体趋势是随温度的降低而增大，但增大幅度逐渐减小。人工冻土的弹性模量可通过降低土体温度来提高，同时，弹性模量还与土质有关，因此，不同的土质要得到同样的弹性模量，则需给予不同的冻结温度；泊松比与温度的关系呈近似线性关系，随温度的减低，泊松比减小，即对周边环境影响降低。就岩土工程施工信息化而言，冻结工法可提供其工法无法比拟的优越条件。2．2．1．5复杂条件下的人工冻结土蠕变特性冻土在受力变形时，除了瞬时弹性和塑性变形外，最显著的一个特征是随时间延长而改变的变形(称为人工冻土的蠕变性)占变形总量的主要部分。冻土的变形主要受温度、荷载、土壤类型和时间的影响。另外还与加载历史有关。不同应力水平(o1)的单轴压缩蠕变曲线可表明这种效果。见图2-2。 第二章人工土冻结法原理及其力学参数和特性图2-2冻土蟠变曲线图可用如下方程来表示这种蠕变形状，该方程已利用VYALOV的资料修正：￡1=A．OlB．tc(2—7)式中et：蠕变引起的变形oI：固定的垂直压力t：时问A，B，c：土的蠕变参数由图2-2可以看出，当载荷作用时，首先产生初始的标准瞬时变形(OA段)，随后变形速率逐渐见小，进入非稳定的第一蠕变阶段(AB)段，在衰减的蠕变过程中，变形速率逐渐将到最小值，变成一常数而进入第二蠕变阶段(BC段)，随着变形的发展，变形速率增加进入第三蠕变阶段，渐进流阶段(CD段)，最后以土体的破坏而告终。2．2．1．6冻结壁的平均温度冻上地层中，温度曲线呈对数曲线分布。冻结温度场是一个不稳定的相变温度场，它有移动内热源和较为复杂的边界条件，而温度对冻土力学性能的影响非常大，可以说冻土的温度决定着冻土的强度和流变性。在设计时，为了简化，评价冻结壁的应力场及强度问题时，常用平均温度这一概念。而在冻结过程中，要做到温度场相似很难，为了安全，一般的做法是适当降低冻结温度。实际设计中，为了简便，冻结壁的平均温度是按冻结壁主面平均温度与界面平均温度之和的一半来计算。12 第二章人工土冻结法原理及其力学参数和特性2．3人工土冻结法设计及厚度计算理论2．3．1冻土墙结构设计冻结法施工首先要确定施工方案根据地质条件、技术、设备、经济条件，选择技术先进可靠、经济合理、条件适宜的方案。而施工方案首先应根据施工需要选择冻结壁的形式。2．3．1．1冻结壁的形式l、圆形和椭圆形帷幕。对煤矿井筒和隧道工程等一些圆形和近圆形结构，选用圆形和椭圆形帷幕，能充分利用冻土墙的抗压承载能力，具有最好的受力性能，经济也较合理。2、直墙和重力连续墙。直墙结构受力性能较差，冻土会出现拉应力，一般需要内支撑。而且冻土墙体结构要通过传统的墙、板的稳定性分析理论进行计算。3、连拱型冻土连续墙。为了克服冻土直墙的不利受力条件，将多个圆拱或扁拱排列起来组成冻土连续墙。这样可使墙体中出现压应力，同时还可利用未冻土体的自身拱形作用来改善受力情况。2．3．1．2设计方法设计方法的依据是利用环状设置的冻土帷幕来抵抗未冻土的作用。先是根据荷载分布确定冻土帷幕的应力及弯矩分布，然后假定冻土帷幕的性质类似弹性体，将计算出的应力结果与冻土强度随时间及温度的变化进行比较。当然，也可以利用有限元法进行变形、热交换及稳定性分析。2．3．2冻土墙参数设计设计参数有冻土壁厚度，平均温度，布孔参数，冻结时间等。1．根据冻结壁结构和打钻技术水平选取开孔距离，钻孔控制偏斜率：2、根据施工计划和制冷技术和装备水平，初选盐水温度和积极冻结时间；3、根据布孔参数，盐水温度．冻结时问进行温度场计算，得出冻结壁厚度和平均温度；4、根据土压力和冻结壁结构验算冻结壁厚度；5、若冻结壁厚度达不到技术要求的需要，则需要调整上述冻结参数，反复 第二章人工土冻结法原理及其力学参数和特性计算直到技术可靠、费用和工期目标最优。2．3．3冻土墙厚度计算冻土墙厚度与外部压力、冻土强度与变形特征，冻结壁暴露时间及掘砌段高、冻土的温度场及应力场等有直接关系。由于所采用的数学力学模型及强度理论不同，计算公式也不同。早期浅冻结井冻土墙厚设计是按拉姆无限长弹性厚壁圆筒厚度公式设计的。6瑚{Ⅻ／(【q】-2p)。置1)(2—8)式中6为冻土墙设计厚度；a为井筒开挖半径；P为计算层位处的总侧向压力值，在冲积层中计算时取P=-0．013H，H为计算层厚度；【q】为冻土瞬时抗压强度允许值。1915年德局多姆克教授假设冻结壁是均质的连续的厚壁圆筒，并认为冻土是弹塑性体，在外载作用下，冻结壁内侧已进入塑性状态时，外侧仍处于弹性状态，这时冻结壁并未失掉承载能力。根据第三强度理论的塑性条件，经推导得：E=Ra[0．29(P／6)+2．3(p／6)。】(2-9)按第四强度理论推导得：E=Ra[0．56(P／6)+1．33(p／6)1(2—10)式中E一冻结壁厚度，米；Ra一井筒掘进半径，米；P一最大地压值，吨／米2；6一冻土的极限抗压强度，吨／米2。该公式较合理地利用了冻土的强度储备。但它没有考虑冻土墙与围岩的共同变形，将士压力视为主动压力，忽略了十的内摩擦角及冻土流变性；塑性条件的确定又没有考虑冻结深度影响等，因此当冻结深度超过一定长度时，利用该公式计算结果也偏大。苏联科学院冻土研究所维旺洛夫博士提出了按变形条件计算冻结壁厚的公式。该公式考虑了冻土的流变性，他认为在冻结壁未破坏时，随时间的延续，冻结壁的变形会发展到工程所不允许的程度，即在冻结壁未失掉承载能力时，冻土的流变性就可能使冻结管断裂。所以，在计算冻结壁时要求其厚度和段高必须满足冻结管的相对挠度，不得超过其极限值的要求。公式形式如下：14 第二章人工土冻结法原理及其力学参数和特性B采《【l+(1·I)(1-m)—～f取)．fvR)哆承以)1”1(2-11)式中IIr冻土的强化系数；根据实验，亚粘土m=0．27，粘土m=0．4A(T"t)一与荷载作用时间和温度有关的冻土变形模量：Ir冻结壁内表面允许的最大位移量，米：g一段高上下两段固定程度差异系数，0蓦§薹0．5；如上端固定，下端基本不固定，§=o，如下端也固定时t—O．5：t—载荷作用时间；t一冻土温度。这两种计算方法是具有代表性的。莱姆和多姆克公式均是按强度计算的，迄今国内外都广泛应用；维亚洛夫公式是按变形条件计算的，从理论上讲更符合冻土的特性，但流变参数较难确定。所有这些，都与时间有关。2．4人工土冻结法信息化施工技术在人工冻结法施工中，人工冻土的力学参数是很复杂的变量，它不仅与土层的土质、温度、含水量、冻结速度等有关，而且由于人工冻土具有蠕变的特征，人工冻土的特性还和时间有很大的关系；在冻结壁形成和联络通道道掘砌过程中，隧道冻结压力与冻土温度、冻结壁埋深、地层、地压、掘砌步距、掘砌速度等因素有关；开挖构筑前，联络通道是否具备开挖条件，要根据盐水降温情况、温度场和冻胀压力等变化进行判断；而在冻结孔施工、积极冻结阶段、开挖构筑和解冻阶段，要对地面及建筑物、地下管线沉降变形、隧道变形等的观测，来确定开挖方案及注浆方案，以保证周围环境的安全。在实际施工中，可通过加快掘砌速度减少空帮(未支护)暴露时间，来减薄冻土墙厚度：也可通过减小掘进步距来减薄冻土墙厚度；必要时可降低冻土墙平均温度来满足。地下工程建设往往有许多难以预料的情况，如有时地层判断不准确，在地下施工时，可通过现场测量及观察，及时改变施工工艺(包括时间t，掘进步距h等)来预防事故。这就是信息施工的要索。 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用3．1工程概况南楼站一土城站区间遂道是天津地铁1号线一个重要组成部分，本工程位于天津市河西区爱国道与解放南路之间，起迄里程为DKl8+224．8～DKi9+124．8。联络通道及泵站工程在区间遂道里程DKl8+700处。联络通道由与左右线遂道正交的水平通道及通道中部的集水井组成(图3．1)。按设计，联络通道位置左、右线遂道的轨面标高分别为．16．275和．16．283，左右行线遂道中心线间距约】2．600m。通道为直墙圆弧拱结构，集水井为矩形结构。通道和集水井均采用两次衬砌，其中初衬(支护层)厚度为250mm，通道墙、拱和集水井内衬(结构层)厚度为400mm，通道底板和通道与遂道连接处(喇叭口)内衬厚度为1200mm。通道的开挖．高为4．583m，宽3．3m，喇叭口处为高5．05m，宽4．5m；集水井开挖为长5．2m，宽3．3m，深3．32m。开挖区标高范围约为．12．375m～-20．753m。本工程包括联络通道及集水井周围土层的冻结加固和开挖构筑施工两部分内容。图3-l联络通道结构图16 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用3．1．1工程地质及水文条件根据南楼—土城区间勘查孔zN广12及联络通道位置的二个补充详细勘察孔zNTB．1、zNTB-2的地质柱状图，联络通道位置地面标高+3．31m，地下水稳定水位为1．80m。本段地层地下水较丰富，洞身易发生坍塌变形和不均匀沉降，侧壁易坍塌失稳，基底易产生涌泥砂、涌水、隆起等不利现象，地质条件差。联络通道及集水井所处地层土力学参数见表3·l。表3-l土的物理力学性能参数层号地层名称层厚(m)层底标高(m)①杂填土2．oo1．17③粉质粘土5．20-4．03④粉质粘土7．63．11．66⑤粉质粘±5．10．16．76⑥6粘土4．00．20．76⑥I粉土lt36．22．12⑥3细砂2．30-23．06⑥粉质粘土4．14之7．20⑥3细砂2．80-30．oo骖④榜质I古土锄-1102掣一n篱耍．F一雠◇荔一l‘72鋈—嵩@6粘土lf]卜——：：：‘：：’一缓t口12⑥3细砂一～～堕!墼淤c-，23一锄蛳，l!：墅豳=23一@_3细砂@B细砂④细砂c-，，—0一,00-2612图3-2联络通道地层剖面图17 第三章人工冻结法在天律地铁联络通道工程中的应用联络通道上方地层为④粉质粘土。在工程施工范围内，上部土层主要为⑤粉质粘土；下部土层为⑥6粘土、⑥1粉土、⑥3细砂。由于工程所处地层主要为第四系河漫滩相沉积层，其孔隙比大、含水丰富、承载力低、容易压缩、在动力作用下易流变，开挖后天然土体本身难以自稳，特别是集水井位置土层含水丰富、水压大、渗透性好，地下水具微承压性，容易引起水、砂突出。因此，在施工联络通道时必须对施工影响范围内的土体进行稳妥、可靠的加固处理。3．2人工土冻结法在天津市南楼一土城区间隧道联络通道工程中的应用性分析3．2．1施工方案比较联络通道施工是隧道施工中的一大难题，目前，国内工程界有三种做法。l、进行搅拌桩或旋喷桩加固联络通道外土体，然后从隧道内以类矿山法实施通道开挖。2、项管法施工，即制作矩形顶管机，从一侧隧道向另-N隧道项进。3、冻结法施工。即从一侧隧道内向外进行水平冻结加固土体，然后用类矿山法开挖。所谓类矿山法，就是在区间隧道施工前，预先对联络通道、泵站部位按设计要求进行地基加固，使土体达到一定要求，然后打开钢管片，按照类矿山法施工。第一种做法在上海地铁一号线联络通道施工中应用较多，但大部分施工效果不是很好。这是因为联络通道位置较深(一般需加固至地‘F26m深)，地质条件的差异及土体加固方法的多样性，很难保证加固土体的质量，而且隧道附近容易出现加固盲区，再加上联络通道所处地质条件恶劣，易发生流砂等险情，故此种方法具有一定的不安全性。其中“陕西南路～黄陂南路”段旁通道施工中采用搅拌桩加固土体，施工过程中发生三次大量涌砂，后进行局部冻结，工程才得以顺利完工。且联络通道～般位于市区交通繁忙地段，几乎不具备地面加固的可能性。施工阶段对周围地层扰动较大，对地面环境污染严重，容易对附近公共设施和居民生活造成不良影响。采用顶管法施t联络通道，对穿越的土层士质要求较高，顶管法较适合隔‘水和稳定性好的黏土层，如果遇到流砂等及不稳定地层时，其安全性尚待检验。另外，顶管法施工经常会遇到下列难题：①在深层软土地层中项进施工，18 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的戍用当洞口打开时，洞内自然土体存在崩塌的危险；②在地铁隧道内横向顶进施工时，无论出洞或进洞，隧道均受到顶进力的作用，容易产生变形；③当泵房井施工时，联络通道和隧道均受到～定推进力的作用而产生施工变形。根据上述施工条件，并结合上海地区软土中地铁联络通道的工程实践，经充分技术、经济比较，拟采用“隧道内水平冻结加固土体，隧道内开挖构筑”的全隧道内旌工方案，即：在隧道内采用冻结法加固地层，使联络通道外围土体冻结，形成强度高，封闭性好的冻土帷幕，然后在冻土帷幕中采用矿山法进行通道及集水井的开挖构筑旌工。2005．2．14--2005．3．25期间为冻结准备及冻结孔施工时间，历时40天；2005．3．26-2005．5．7期间为积极冻结阶段，历时42天；2005．5．8-2005．6．9期间为冻土开挖、维护冻结及结构构筑阶段，历时33天。3．2．2技术分析用冻结法加固地层的突出优点是：施工占用地面面积小，冻结和开挖引起的地表沉降容易控制在规范要求之内，对周围环境影响小，不影响交通。冻土帷幕均匀性好且与隧道管片结合严密，尤其适合于流砂地层的加固与封水。本工程与过去地铁联络通道工程的区别，主要是集水井结构尺寸较大，集水井所处地层地F水具微承压性，容易引起水砂突出，冻结孔施工难度相对较大。3．2．2．1施工方案技术要点由于该联络通道上方的地面位于市区，且所处地层复杂，在地层冻结施工中必须采取切实可靠的技术措施，以确保地铁隧道和联络通道施工安全。以下是本工程施工的技术要点及质量保证措施。I、冻土帷幕受力的关键点在其拱部，为此，在联络通道顶部设三排冻结孔，以加大冻土帷幕拱部厚度，并使联络通道顶部排冻结孔穿越对面隧道顶部管片，确保冻土帷幕拱部与隧道管片问有足够大的接触面积；为了确保冻土帷幕强度和稳定性，在具体结构设计时，选择比较安全的平面弹性计算模型，在工艺设计时，取较大的备用系数，即实际加固范围要比结构设计的大。2、由于混凝土和钢管片相对于土层要容易散热得多，会严重影响隧道管片附近土层的冻结扩展速度和冻土强度，从而影响冻土帷幕的整体稳定性和封水性。为此，采用水平钻机簏工两个对穿孔至对面隧道，并在对面隧道管片内侧敷设冷板和保温层的措施，以确保冻土帷幕不存在影响安全的薄弱环节，保温范围为侧墙对穿孔左右各800mm宽、上部喇叭口处以上1．2m宽及通道底部以下 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用保温至隧道中线。冷板安装见图3．3。图3-3右线隧道冷板保温示意图3、冻结孔施工采用夯管法和水平钻进法下冻结管，杜绝钻孔涌水喷砂问题，施工参见图3-4。升降架隧道管片图3-4钻孔施工示意图④根据本工程的施工特点，在冻结孔施工时，施工对穿孔选用水平钻机施工，其他冻结孔选用夯管锤夯进。4、采用二次开孔方法开孔并安装孔口密封装置，防止钻透隧道管片时和夯 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用管时孔口涌水涌砂，参见图3．5。f●图3-5二次开孔示意图5、加强冻结过程检测。在冻土帷幕内布置测温孔和水文孔，在开冻前要确认水文孔畅通。对侧隧道管片附近土层的冻结情况为控制整个冻土帷幕安全的关键，为此，在对侧隧道管片上冻土帷幕内安装测温孔，以全面监测冻土帷幕的形成过程。6、由于集水井深部地层为含水层，在开挖集水井时要边打探孔边向下掘进。探孔直径为中22ram，深度为0．5m。7、由于冻土具有蠕变性，冻土帷幕在破坏前必然有一个蠕变过程，开挖时通过检查冻土帷幕变形情况判断其安全性。8、由于联络通道的开挖和支护层施工时间很短，比冻土帷幕的化冻时间要短得多，根据冻结工程实践，由于偶然停冻，短时间内对开挖安全不会产生大的影响。但是，为了进一步提高施工安全性，还将采取以下措施：选用可靠的冻结施工机械；加强停冻时的冻土帷幕监测；尽快施工衬砌。9、吸取上海地铁四号线旁通道施工中曾发生流砂的险情的教训，在联络通道钢管片预留洞口处安装防护门，防护门门框直接焊接在预留洞口钢管片上。万一发生冻土帷幕透水险情，可立即关闭防护门，并用螺栓将其固定在门框上。然后，通过防护门门框上的预留阀门，向冻土帷幕内注水和压入空气，使冻土帷幕内外压力平衡，然后继续冻结并加强监测，待冻土帷幕扩展及强度达到预计要求时，放掉水和空气，确认冻土帷幕稳定后再打开防护门继续掘进。lO、在隧道左右线布设卸压孔。在积极冻结过程中随着冻土的逐渐扩展， 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用水分不断迁移，交圈后冻土形成一个封闭的土体，冻胀压力得不到释放，会造成隧道管片变形，通过卸压孔卸压减少冻胀压力对隧道管片的冻胀作用。ll、为节省地面空间，将制冷站设在联络通道附近隧道内，这样也可避免长距离输送盐水造成的冷量损失。但是，为了保证远距离供电安全，应在联络通道附近设临时变电站。12、在整个施工过程中，严密监测地面和隧道变形，确保隧道安全。3．2．2．2工程质量与安全技术保证措施由于本区间地层情况复杂，作业面狭窄，在冻结孔施工阶段、地层冻结阶段、开挖构筑阶段中均可能存在诸多影响冻结孔施工质量及施工安全的因素，如钻孔时孔口出现涌水涌砂；冻结管接缝不太密实，在冻结过程中可能使盐水进入地层影响冻结效果；冻结孔可能出现偏移，影响冻结孔施工精度；打冻结孔时，出土过多，可能导致钻孔过程中地表沉降过大等等。为了保证冻结孔施工质量及施工安全，针对上述可能出现的问题，采取了以下一系列相应的措施1、预防冻结孔施工漏水冒砂的措施(1)采取二次开孔工艺，孔口管用膨胀螺栓固定，管口安装控制阀门。(2)先充填钢管片格仓并焊上盖板后再在钢管片上开孔。(3)采用夯管法下冻结管，夯管时安装孔口密封压紧装置同水平钻进法相同。(4)预备橡胶止浆塞和冻结管盖板，以备冻结管万一漏水时封堵。(5)对拔出已夯入的冻结管须经项目部技术组论证，确定安全可行后进行。(6)钻孔完成后，立即在孔口管周围地层中注入水泥一水玻璃双液浆，注浆量根据钻孔长度确定，注浆压力控制在0．2~o．3Mpa。待浆液凝固后才拆除孔口密封装置。2、冻结孔旌工安全质量技术措施(1)准确定出开：fLffL位，并在隧道两帮布点，以便于施工中校验、控制冻结孔方向。增加钻机至开口之间的距离，架设孔外导向装置和开口短导向管。减少开孔误差。(2)考虑到管片中钢筋密集，在使用开孑L器开空前，根据管片施工图确定隧道管片内的结构钢筋位置，合理避开钢筋，调整开孔位置，但与设计偏差应控制在100mm以内。(3)先施工穿透两隧道的透孔，验证隧道预留洞门的相对位置，如两侧隧道通道中心线偏差大于200mm时修正冻结孔设计方位。 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用(4)施工第一个冻结孔时，分析主要地层钻进过程的参数变化情况，检查地质、水文情况，如有异常，及时采取针对性措施。(5)夯管法钻进采用破土效果好、夯管不易偏斜的塔形冻结管底锥。(6)确保冻结管加工质量，先配管确认冻结管连接顺直后再钻进。(7)采用内管箍对焊连接，提高接头质量。(8)采用稳定性好的升降施工平台，冻结孔施工前固定升降施工平台。(9)孔口段冻结管方位是影响整根冻结管偏斜的关键。在施工第一节冻结管时，要反复校验冻结管的方位，确保偏差在允许的范围之内。(10)每旌工一节冻结管检查一次冻结管偏斜情况，并根据冻结管偏斜情况调整夯进速度。(11)严格执行冻结管的焊接操作规程，冻结管焊接不但要确保焊缝不漏，而且要保证接缝强度。冻结管安装后及时进行测压试漏，并复测孔深和孔斜。(12)绘制冻土帷幕形成预计图，如不能按期达到冻土帷幕设计厚度，采取打补孔的措施。3、地层冻结安全质量技术措施(1)对冻结孔偏斜较大时，可增设辅助冻结孔，确保冻土帷幕不留薄弱环节。(2)选用效率高、体积小、制冷量大、便于运输安装和操作控制的螺杆冷冻机组。(3)采用串并联循环方式，加大盐水在冻结管内的流量，加快冻结管的热交换。(4)采用地层冻结实时监测系统，自动定时检测冻土帷幕温度和冻结系统运转工况，包括盐水温度、流量，冻土帷幕的扩展速度和扩展厚度等。(5)在盐水管路高处设自动放空阀，并定时观察冻结器头部结霜情况，分析冻结器运转是，含正常。(6)设盐水箱液位自动报警装置。(7)在泄压孔上安装压力表，通过检测冻土帷幕内的卒隙水压力，判断冻土帷幕较圈。(8)快速降低盐水温度，并在管片上敷设保温板，以加快冻结速度，减少冻胀量。(9)冻结过程中可在联通道内布置多个泄压孔，以减小冻胀对隧道的影响。 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用(IO)提前安装隧道支撑，防止冻胀造成隧道管片变形。(11)整个结构施工结束，利用预埋注浆管对地层进行充填注浆和融沉注浆。(12)作好冻结站的运转记录，严格执行各项规章制度和冻结站的岗位责任制。4、开挖构筑安全质量技术措施(1)在打开钢管片前，须将连接通道两边的钢管片拼接缝进行焊接，焊缝高度以填满拼装缝为准。(2)在隧道左、右线内各安装两榀预应力钢支架，每榀支架设7个支点，均匀地支撑在隧道管片上，施工中可根据观测到的隧道变形情况，调整各个支点的预应力大小，控制隧道变形。(3)在打开管片前，打探孔验证附近土层的冻结状况。打开管片后，要严密监测暴露土层的温度变化和变形情况。(4)采用型钢支撑+木背板+网喷混凝土I临时支护，背板与冻土帷幕之间用水泥砂浆充填密实。(5)根据冻土帷幕稳定情况，调整开挖和临时支护步距。要求冻土帷幕最大位移不大于20mm。(6)不欠挖、超挖，以免影响冻土帷幕承载力和结构厚度。(7)在浇筑砼前，将管片上污物冲洗干净，以保证喇叭口与隧道的连接质量。(8)开挖面温度在一2～8℃，隧道内空气温度2～10℃，按普通冬季喷射混凝土施工加入复合防冻剂即可满足要求。(9)预备砂袋、水泥、水玻璃和钢支撑等应急抢险材料。(10)通过隧道及联通道预留注浆孔，在停止冻结后进行跟踪注浆，以控制联络通道及泵站结构开挖和冻土融化引起的地层沉降。5、地面建筑、管线保护技术措施(1)确定联络通道施工时地表变形的监控范围。根据经验，联络通道施工引起地面隆沉的水平影响距离约为25m。在开工前，要检查、核实建筑物和重要管线位置和使用状况。(2)在联络通道正上方布置地层沉降深层测点。在旋工影响范围内有建筑物和重要管线时，将沉降监测点布置建筑物和管线上。(3)定期巡查地面和建构筑物是否有变形、开裂情况发生，管线是否漏水、漏气。发现问题，及时报修，并采取相应安全保障措施。 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用(4)在地面准备水泥一水玻璃双液注浆设备和注浆材料，如发现地层和建筑物沉降超标造成安全隐患，立即采取地面注浆加以补偿和控制。(5)采取二次开孔工艺和冻结孔钻进时，杜绝冻结孔施工时漏水出砂。如在施工冻结孔时意外发生漏水出砂，立即进行注浆。(6)确保冻土帷幕交圈并达到设计厚度后才打开钢管片。开挖联络通道时，要边探、边掘、边支，严格控制冻土帷幕位移小于设定值，冻土帷幕表面温度分布不出现异常。如冻土帷幕表面温度异常升高或严重变形到难以控制，用堆土法快速封闭开挖工作面，并加强支撑和冻结；万一发生冻土帷幕的透水险情，则立即关闭防护门。3．2．3工程风险分析与应急措施3．2．3．1工程风险分析根据工程所处的地面及地层条件、环境保护要求和施工工法特点，本工程的施工风险主要有：l、冻结孔施工阶段由于在冻结管施工范围内有透水性很好的饱和粉土层，水压大。若水平冻结孔施工不当，很难控制孔口出水、出泥，从而引起严重地地层沉降，影响到地面建筑的安全，甚至造成喷砂失控、隧道破坏和地面坍塌的灾难性事故。2、开挖阶段本阶段风险在于开挖、支护施工过程中，由于地质条件差，特别是冻土帷幕边界条件极为复杂，冻土帷幕存在薄弱环节，一旦在开挖、支护时冻土帷幕发生“开窗”漏水，冻土帷幕将融化，可能发生灾难事故。3．2．3．2应急措施1、夯管过程中冻结管断裂漏砂。在冻结孔施工过程中，一旦发牛冻结管断裂漏砂，立即用木寨堵住管口，并用夯管锤或钻机将木塞顶紧。然后，在冻结管上焊接旁通管和阀门，进行水泥一水玻璃注浆封堵。2、孔口管脱落。立即在冻结管上加焊挡环，用夯管锤或钻机将孔口管顶紧，然后通过孔口管旁通进行水泥一水玻璃注浆封堵，并用膨胀螺栓将孔口管固定在隧道管片上。3、如果发生长时间停电，或者开挖工作面发现冻土帷幕局部有温度升高、变形增大情况，迅速进行支护和保温封闭。4、在开挖过程中，预备砂袋、水泥、水玻璃和钢支撑等应急材料，如果冻 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用土帷幕表面温度异常升高或严重变形至难以控制，可快速封闭开挖工作面；在发生冻土帷幕透水险情时，则应立即关闭防护3．2．4经济分析在经济上，冻结法与其它加固方法相比，随着加固规模的加大，冻结法加固单位土体造价不断降低。据查有关资料，当冻结法加固体体积》5000立方米时，在经济上接近地下连续墙，当加固体体积》2000立方米时，具有竞争性。冻结法施工虽然造价相对较高，但安全性得到了保证，而且联络通道上面的路面不用加临时围挡从而影响交通。对地面及建筑物几乎没什么影响。社会效益还是比较可观的。3．3地层冻结施工方案有关参数设计3．3．1冻土帷幕厚度设计3．3．1．1联络通道冻土雌幕受力计算根据类似工程施工经验和设计试算，取联络通道冻土帷幕的有效厚度为1．6m，冻土帷幕的受力计算模型见图3-6(a)。联络通道冻土帷幕模型的宽度和高度分别为6．5m和7．78m。冻土帷幕顶面所受土压力按上覆土体重量计算，侧面土压力按侧压系数0．7计算。联络通道冻土帷幕的覆土厚度为14．56m，土的平均重度为18．5kN／m3，地面超载20kPa。冻土帷幕顶面土压力只=18．5kN／m3×14．56m+20kPa=0．289MPa冻十帷幕侧面七压力以I=(18．5kN／m3×14．56m+20kPa)×0．7=0．203MPan2=(18．5kN／m3×22．34m+20kPa)×0．7=O．303MPa用有限元法进行冻土帷幕的受力与变形计算，联络通道有限元计算模型见图3—6(a)。冻土强度指标为：抗折强度1．5MPa，抗压强度为4．5MPa(平均温度分别为-8"C)，抗剪强度为1．8MPa。联络通道冻土帷幕强度检验计算结果分别见图3·6(a)～(f)和表3-2。计算显示在冻土帷幕内侧角部存在应力集中， 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用但是范围很小(联络通道冻土帷幕的有限元分析模型及分析结果表3-2联络通道冻土帷幕应力、位移计算值及安全系数指标q(m)o-x(MPa)抗剪(MPa)最大位移(rm)位置墙外侧拱顶内侧角部～拱顶‰墙内侧‰计算值．1．48一1．090．77588．813．9强度指标4．54，51．8安全系数3．044．132．33．3．1．2集水井冻土帷幕受力计算图3．7(a)所示为集水井冻土帷幕的计算模型，按平面线弹性问题计算内力和变形。取冻土帷幕墙厚1．6m，底板厚2m，冻土帷幕空帮高度为3．32m，取3．4m，冻土帷幕底板深度约为26．045m。载荷计算：集水井冻土帷幕底面土压力P．=18．5kN，m3×26．045m+20kPa=O．502MPa集水井道冻土帷幕侧面土压力P“=(18．5kN／m3×(26．045—3．4—2)m+20kPa)x0．7=O．281MPaP，2=(18．5kN／m3x26．045m+20kPa)×0．7=O．351MPa用有限元法进行冻土帷幕的受力与变形计算。计算结果参见图3—7(a)～(f)，统计结果见表3—3。(-)集水井有限元计算模型(b)O。分布 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用oUy分布(c)o，分布(d)o。分布(t3T。分布图3．7(a)～(f)集水井冻土帷幕的有限元分析模型及分析结果表3-3集水井冻土帷幕应力、位移计算值及安全系数指标Oy(MPa)吒(MPa)勺(MPa)U(mm)q(m)位置侧墙内侧侧墙外侧底板墙脚侧墙底板计算值．1．22一I．530．263O．74325．9S21．1强度指标4．51．51．8安全系数3．692．9475．72．42备注一压应力，+拉应力根据图3．7(a)～(f)和表3．3所示的集水井冻土帷幕的应力分布计算结果可见，各截面的压应力、拉应力、剪应力安全系数在2．42-5．7之间，安全储备很 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的斑用大。集水井工作面底鼓位移21．1mm，超过安仝警戒值20mm，要求施工时选择合理的掘进步距，尽快旌工初衬，同时加强施工过程中的监测。3．3．2冻结孔布置和冻土帷幕形成预计地层冻结加固范围确定须满足两个基本要求：一是围护开挖区，确保开挖和支护施工能安全顺利地进行，主要是要保证冻±帷幕有足够的强度，也就是实际冻土帷幕豹有效厚度要达到设计厚度；二是便于隧道开挖和支护，降低施工费用，缩短施工工期。撼层冻结的冻结孔布置原刚是保证冻土帷幕的封闭往、冻土帷幕的厚度发强度。本工程结合上海地区类似地层工程旅工实例，根据上一节冻士帷幕厚度设计计算、联络通道及泵站结构特点，保证联络通道开挖时冻土帷幕厚度及强度达到计算值，(布置冻结乳66个)，加鄹遵邀周露土层的冻结孔沿暹道四阁布景，冻结孔布置莹水平，加阐泵站土层的冻结孔成向下倾斜状，隧道管片上冻结孔开孔控铡闻距不大予llOOmm。根据设计冻结孔阕蹑、冻结温度和盐水流量估算，冻土帷幕交圈时间为30～35天，冻土帷幕达到设计强度时间为40天，根据联络逶遂冻结施工监测结累，冻土帷幕的总厚度可达1．98m。圈3．8为冻结孔布置图。圈3_8冻结孔布置图 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用3．3．3其它冻结施工设计参数1、设计最低盐水温度为．26～．30℃，并要求冻结7天盐水温度达到一20℃。2、冻土帷幕平均温度不高于．8oc。3、冻结孔单孔盐水流量为3～5in3／h。4、冻结管外径为巾89mm。5、冻结管散热系数取300kcalh’1m。，冷量损耗取20％，冻结管总长655m，冷板管路长60m(采用毒40焊管)。计算得冻结需冷量：Q=1．2·K·Ⅱ·d·L=68610kcal／h式中：K-—冻结管散热系数；d—冻结管直径：L厂-拣结总长度；6、设计测温孔13个(根据钻孔实际施工偏斜情况进行位置调整)，深度2～6m；卸压孔2个，冻结施工设计参数详见表3-4。表3-4主要冻结施工参数一览表序号参数名称单位数量备注1冻土墙设计厚度1．6取冻土抗折、抗剪和抗压强度分2冻土墙平均温度℃．8别为1．5MPa、1．gma和4．5MPa3冻土帷幕交圈时间天33从正式开机计4积极冻结时间天40从正式开机到开挖5冻结孔个数个666冻结孔开孔控制闻距至1_l7冻结孔允许偏斜％1．08设计最低盐水温度℃-26～．30冻结7天盐水温度达-20℃以下9维护冻结盐水温度℃-26～一30可根据冻结情况调整lO单孔盐水流量m3／h3～5ll冻结管规格m89×8低碳钢尤缝钢管12测温孔个13擞据钻孔情况调整13测温孔深度2～614卸压孔个数个215冻结孔总长度735包括冻结孔、测温孔、泄压jL16冻结总需冷量kcal／h68610_[况条件 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用3．3．4施工流程与施工工艺3．3．4．1施工流程冻结施工流程见图3．9及3．10。图3-9冻结施工流程32 第三章人工冻结法在天津地铁鞋络通道工程中的应用Ca)设备进场，施Ⅱ拥；备，冻结孑【讯饱，村置、开孔(b)施工蹲g☆孔，同时安装冻结制拎设豁(c)积话磁．嚣，舜嘞妇．)隹备，爨拗描朗啵撑(d)探孔试挖。打开错臂啪蜘门维护嗨黠Ce)开挖恻鲁髓边麟幽睇嘞技撑(|)挖卿群g逶邈聪幻瓤口，柯嚣醐瞒龄豳强稍门 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用(g)联络通道挂网喷射湛凝士箍工(h)联络通道防水屡和结构层施工(i)舞挖集水弗，边掘边槊设钢支撑，挂隧喷射(1)集水势防水层襄缝极蘸工混凝土旌工(k)解冻、封孔、注浆、拆除隧道支捧、撤场图3-10联络通道泵站的冻结旋工流程圈 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用3．3．4．2施工准备1、要求提前供电到联络通道施工场地附近，并清理隧道及施工场地，保证施工通行顺畅。2、在隧道内铺设两趟2”水管至联络通道施工工作面，用于冻结孔旌工供水、排污和冻结时的供、排水。在联络通道施工工作面安装排污泵和排水泵各一台。在端头井中安装流量40ma／h潜水泵l台，在施工工作面安装流量40m‰的排污泵l台。3、安装两台7．5kw的轴流风机，用于隧道通风。4、安装钻机施工架。5、在联络通道施工工作面两端砌高约0．5m的泥浆挡墙，保证冻结孔施工时隧道内施工环境整洁。6、用l硎工字钢管搭建长约35m宽2．8m的钻孔和冻结施工平台，上铺厚6em、长2～3m的木板。7、施工设备进场。由于隧道内受空间限制，对施工的影响大，应合理安排施工设备运抵安装地点的时间顺序。8、移交施工坐标点和钻孔定位。3．3．4．3冻结孔施工r1、冻结管、测温管、卸压管和供液管规格冻结管选用的中89Xgram低碳无缝钢管，单根管材长度以l～2m为宜(视钻机与水泥管片距离而定)。测温管和泄压管材质同冻结管。供液管采用1．5”焊接钢管。2、打钻设备选型用夯管法施工选用l台H190型夯管锤和l台6m3／min空压机，电机功率为37kw。。’水平钻进法施工冻结孑L选用1台MKD．5S型钻机和l台BW．250／50泥浆泵。钻机和泥浆泵总功率为48kw。3、冻结孔钻孔偏斜与终孔控制(1)根据施工基准点，按冻结孔施工图布置冻结孔。孔位布置偏差不大于100mm。冻结孔孔径为中95mm。(2)为了保证夯管精度，开孔段是关键。夯进前2m时，反复校核冻结管方向，调整夯管机位置，并用精密罗盘或经纬仪检测偏斜无问题后方可继续夯进，冻结孔施工结束后用经纬仪进行孔斜测量。(3)在确保冻土帷幕厚度的情况下，钻孔的偏斜宜控制在1．O％以内，以控 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用制钻孔间距为最终目标，结构开挖区域内孔间距不得大于1．1m，否则应补孔。通道两侧冻结孔钻进深度以钻头碰到对侧隧道管片为准，通道上下方冻结孔钻进深度不小于设计深度，不大于设计深度0．5m。4、冻结孔开孔冻结孔开孔采用o120ram金刚石取芯钻。每个钻孔安装孔口管，孔口管用西121X6mm无缝钢管加工，孔口管头部车250ram长的鱼鳞扣，安装时在鱼鳞扣外面缠绕麻丝并涂抹锚固密封胶。钻进时，在孔口管尾端连接孔口密封装置。安装孔口管时管片要留100mm以上的保护层。如冻结孔位置为钢管片，则将孔口管直接焊接在钢管片上。冻结孔开孔采用二次开孔工艺。5、冻结孔钻进与冻结器安装(1)按冻结孔设计方位要求固定夯管机导轨，调整夯管方向。(2)压紧孔口密封装置，打开孔口阀门，开始夯管。(3)冻结管下入孔内前要先配管，保证冻结管同心度。夯好冻结管后，用测斜仪进行测斜，然后复测冻结孔深度，并进行打压试漏。冻结孔试漏压力控制在0．7～1．OMPa之间，稳定15分钟压力无变化者为试压合格。(4)冻结管安装完毕后，截去露出隧道管片的孔口管，并用堵漏材料密封冻结管与孔口管的间隙。测温孔施工方法与冻结管相同。(5)在冻结管内下入供液管。供液管底端连接0．2m长的支架。然后安装去、回路羊角和冻结管端盖。(6)冻结孔成孔后立即进行孔口注浆，然后拆卸孔口密封装置。图3-11冻结孔第一次开孔 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用图3-12冻结孔二次开孔图3-13施工好的冻结孔3．3．4．4冻结制冷系统安装1、冻结制冷设备选型与管路设计(1)选用YSLGF．300型冷冻机组l套，当盐水温度为．26℃，冷却水温度26 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用℃时，其最大制冷量约为86000kcal／h。冷冻机组电机总功率为102kw。(2)选用200S42A盐水循环泵l台，流量198m3／h，扬程43m，电机功率37kw。(3)选用ISl25．100-250冷却水循环泵1台，流量100m；／it，扬程20m，电机总功率llkw；DBNL3．50型冷却塔2台，电机总功率6kw。(4)设盐水箱一个，容积6m3。(5)盐水干管和集配液管均选用由159×5mm无缝钢管，集、配液管与羊角连接选用2”高压胶管。(6)冷却水管用5”焊管，冷冻板用】．5”管加工。(7)在冷冻机进出水管上安装温度传感器，在去，回路盐水管路上安装压力、温度传感器和控制阀门。在盐水管出口安装流量计。在盐水箱安装液面传感器。在配液圈与冻结器之间安装阀f3--个，以便控制冻结器盐水流量。(8)在盐水管路的高处安装放气阀，在去回路盐水干管上安装闸阀。(9)盐水和清水管路耐压分别为0．6MPa和0．3MPa，冻结施工冷却水用量为15m3／h，最大总用电量约171kw。(10)其它冷冻机油：选用N46冷冻机油。制冷剂：选用R22制冷剂。冷媒剂：用氯化钙溶液作为冷冻循环盐水。盐水比重为1．260～1．265。2、冻结站布置与设备安装冻结站设在联络通道附近隧道内。站内设备主要包括配电柜、冷冻机组、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及清水池等。盐水和冷却水管路用法兰连接，并用管架架设在施工平台上或隧道管片上。盐水管路要离地面安装，避免浸水和高低起伏。盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温，保温层厚度为50mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎。集配液圈与冻结管的连接用高压胶管，冻结采用单管内循环，联络通道四周的主冻结孔每2至4个孔一串联，短孔可以6至7个一串联，串联尽量应间隔进行。在对侧隧道管片内侧冻结加固范围内敷设冷冻板，敷设方法为用膨胀螺栓和压板直接固定在管片上。冷冻板与穿透冻结孔之间用胶管连接，并铺设50ram厚的聚苯乙料烯泡沫塑保温板。冷冻机组的蒸发器及低温管路保温用软质泡沫塑料或棉被并铺设一层塑料薄膜。盐水箱、盐水干管和冷冻板表面用50mm厚的聚苯乙烯泡沫板保温。 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用温度计，压力表和流量计安装要按有关规范进行。3、溶解氯化钙和机组充氟加油先在盐水箱内注入约l，4的清水，然后开泵循环并逐步加入固体氯化钙，直至盐水浓度达到设计要求。溶解氯化钙时要除去杂质。盐水箱内的盐水液面高度为盐水箱高度的2／3，避免因冻结管内盐水回流时溢出盐水箱。机组充氟和冷冻机加油按照设备使用说明书的要求进行。首先进行制冷系统的检漏和氮气冲洗，在确保系统无渗漏后，再充氟加油。3．3．4．5积极冻结与维护冻结1、冻结系统试运转与积极冻结设备安装完毕后进行调试和试运转。在试运转时，要随时调节压力、温度等各状态参数，使机组在有关工艺规程和设计要求的技术参数条件下运行。在冻结过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻土帷幕扩展情况，根据冻结监测情况调整冻结系统运行参数。冻结系统运转正常后进入积极冻结。要求一周内盐水温度降至．20。C以下。2、维护冻结通过测温孔温度及探孔检查，确认冻土帷幕达到设计要求后，冻结系统转入维护冻结。在开挖和结构施工期间不允许提高盐水温度。从开挖到施工结构层前，盐水温度宜保持在设计值的范围。维护冻结过程中，要与积极冻结时一样进行冻结施工监测，确保冻结系统运转正常，及时分析冻土帷幕的温度变化。在开挖过程中，每天监测暴露冻土帷幕的表面温度和位移量，如发现局部冻土帷幕温度较高、变形较大，采用串接管道泵的方法加大对应位置的冻结孔流量。开挖期间，不允许提高盐水温度和减小盐水流量。3、停止冻结浇筑完混凝土结构层后即可停止冻结，并进行自然解冻。、4、冻结孔密封截去露出隧道管片的孔臼管和冻结管，然后在孔口管管1：3焊接5mm厚的钢板。3．3．4．6施工情况分析1、水平冻结孔施工情况分析2005年2月15日试钻了2个水平冻结孔，发现有一定的夹砂水土流出，为了 第三章人工冻结法在天律地铁联络通道工程中的应用保证冻结孔施工安全，考虑钻进前安装孔口装置，钻进过程中压注水泥浆液．2005年2月18日正式进行水平冻结孔钻进．首先钻进的是底部的3排冻结孔，由于底部冻结管碰不到对面隧道管片，加强了底部冻结孔钻进深度控制，从实测结果来看，全部冻结孔均达到设计深度，一般超过设计深度0．2～O．5m，在底部冻结管施工中，发现流出一定的夹砂土，且水压较大，为了保证冻结孔施工的安全，在冻结孔施工过程中进行了注浆，起到了防水与加固地层的目的；底部冻结孔施工完后进行两侧2排冻结孔施工，2月25日施工对穿孔．施工第一个对穿孔时由于采用的是与主隧道垂直角度钻进，最终发现在右线有20cm的偏离，考虑到以后的冻结效果，在打剩下的两侧冻结孔及对穿孔时调整了角度，对其偏离进行了纠正．最后进行项部3排冻结孔施工，除上部两排加强孔，其他冻结孔在施工中均以碰到对侧管片为准。正式钻进后，平均每天钻30个孔，于2005年3月7日完成全部66个冻结孔，工期为2l天。从实测结果来看，除底部孔x46、孔x56的垂直偏斜率和对穿孔x62的水平偏斜率超过1％以外，其余均满足设计要求，为了不影响冻结效果，对偏斜的三个冻结孔采取了补孔措施。所有冻结孔施工完毕后，采用了耐压实验进行冻结孔密封性实验，实验结果全部合格．2、冻结效果分析冷冻机等设备于2005年3月26日运转成功，4月1日盐水去路温度下降到．21℃，4月4、5、6、7日盐水去路温度反而升高了3"C，分析原因可能是氟利昂量不够，因此增加了一定量的氟利昂。至4月16日盐水去路温度下降到一26℃，达到了设计盐水温度。为了控制冻结的发展及效果，在左线及右线隧道内各布置一定数量的测温孔。从测温孑L观测到的数据计算冻土的扩展速度，从而预测冻土帷幕的交圈时间为33天。为了保证开挖的安全，延长了7天的冻结时间。5月8日开始进行试开挖，并于同日取出钢管片进行正式开挖，至5月19日开挖至对面隧道。从开挖过程来看，冻结土体的强度完全达到设计要求，大部分地方开挖要用风镐进行。整个开挖期间，由于及时施工临时支护。冻土帷幕未出现较大变形，也未出现涌水涌砂现象。3．4开挖与构筑施工方案3．4．1开挖条件判断准确判断联络通道是否具备开挖条件，是保证开挖构筑施工安全的Iji『提， 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用同时也是节约成本的重要因素。联络通道是否具备开挖条件，可以根据系统运转情况、盐水降温情况、温度场和冻胀压力变化等进行判断，具体分析如下：l、系统运转情况：从开机到冷冻系统工作正常，中间没有其它原因的停机。2、降温情况。盐水温度开机7d下降到艺l℃，至2005年4月22日盐水温度·30℃，盐水的降温正常．盐水的去回路温度差已经降到l℃，说明地层的热负荷减少，冻土帏幕形成良好。3、温度场：在隧道的两侧共布置了13个测温孔(见图3．8)，根据测孔2的实测数据，测孔2距冻结主面650mm，4月18El该测温孔测点l、2、3温度分别下降至·0．2℃、一O．4℃、-0．6"C，此时冻结24天，冻土平均发展速度为27mm／d；根据测孔l的实测数据。测孔1距冻结主面1000mm，5月7日该测温孔测点1、2、3温度分别下降至-0．1℃、．o．3"C、．0．5"C，此时冻结40天，冻土平均发展速度25mm／d；根据测孔8的实测数据。测孔8距冻结主面1000mm，5f15日该测温孔测点l、2、3温度分别下降至．0．2℃、-0．4℃、．0．6℃，此时冻结4l天，冻土平均发展速度24．4mm／d。以上3孔的冻土平均发展速度为24．8mm／d，按此推算冻结N5月8日，冻结时间40天，冻土发展厚度1．98m，超过设计厚度0．38m。4、在隧道一侧(左线)共布置了3个测压孔(见3．8冻结孔布置图)，根据冻胀压力测孔l的实测数据，4月24日冻胀压力达到最大值0．62MPa。此时冻结时间30天；测孔3的实测数据，4ffJ24日冻胀压力达到最大值1．7lMPa，此时冻结时间30天。说明30d左右冻土柱已经交圈，冻土帷幕已基本形成。5、在隧道一侧(左线)联络通道开挖内布置一个泄压孔，到5月5日，压力不再抬升，说明冻结帷幕内的自由水由于水分迁移的作用已经基本补给到冻土中，2005年5月6日打开该泄压孔，有少量的水和水泥流出，6，根据地面变形的监测资料，到4月30日，联络通道上方地面的最大变形8．58mm，地面变形趋于稳定、说明冻土结构的扩展速度变缓慢。7、观察隧道内部管片上的结霜情况正常，结霜范围和程度比较均匀，说明冻结情况正常。3．4．2开挖构筑施工流程根据测温孔实测数据，推算出冻土发展速度、冻结帷幕厚度及冻结帷幕平均温度，若各个层位、各个部位的冻结帷幕的厚度和平均温度均达到设计要求，经探孔确认即可进行联络通道的开挖构筑施工。开挖构筑施工与冻结施工 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用在同一条隧道内进行。开挖构筑施工流程为：积极冻结运转同时进行开挖构筑施工准备一钢管片接缝焊接一隧道预应力支撑安装及防护门安装一探孔试挖，打开洞口钢管片一通道掘进与支护层(临时支撑)旌工一穿墙注浆孔设置一喷射混凝土找平一施工防水层一通道钢筋混凝土结构层施工一集水井开挖与临时支撑一集水井钢筋混凝土结构层施工一停止冻结一冻结孔封孔一壁后充填注浆。3．4．3开挖方式根据工程结构特点，联络通道开挖，采取分区分层方式进行施工，施工顺序如图所示。图3．．14联络通道开挖顺序图开挖采用短段掘砌技术，开挖步距控制在0．3～O．5m，两端喇叭口处断面较大，为减轻开挖对隧道变形的影响，开挖步距控制在0．3m。由于冻土强度高，韧性好，普通手镐无法施工，需采用风镐掘进。为了提高掘进效率，加快施工进度，缩短冻土暴露时间，风镐尖需做特殊处理。另外，在冻土中掘进，环境温度在O"C以下，输风管路及风镐中的冷凝水容易结冰，影响风镐的正常工作，每个掘进班配备5～6把风镐，以避免风镐不能正常工作而影响施工进度。在掘进施工中根据暴露土体的加固效果及施工监测信息，及时调整开挖步距和支护强度，确保安全旌工。 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用3．4．4支护方式图3-15通道下部开挖图3-16集水井开挖采用两次支护方式。第一次支护(支护层)采用预应力钢支撑加木背板，并挂嘲喷射混凝土找平。第二次支护(结构层)采用现浇钢筋混凝土。支护层 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用与结构层之间铺设防水卷材并通过预埋注浆管进行壁间注浆。3．4．4．1支护层联络通道泵站开挖后，地层中原有的应力平衡受到破坏，引起通道周围地层中的应力重新分布，这种重新分布的应力不仅使上部地层产生位移，而且会形成新的附加荷载作用在己加固好的冻土帷幕上，使冻土帷幕墙产生变形。为控制这种变形，冻土开挖后就要及时对冻结壁进行支护。此外及时支护对于防止冻土帷幕内侧局部融冻和空帮也是必须的。所以联络通道的支护层既作维护地层稳定、确保施工安全的一项重要技术措施，又作为结构层的一部分，是支护工艺最为关键的一步。联络通道支护层的结构形式为通道支撑为直腿圆拱封闭框架，除拱部用18#槽钢外，其他用18#I字钢。为增加支撑的稳定性，每道支架中部加有一根横撑，拱形支撑的间排距与通道的开挖步距相对应为0．3～0．5m，相邻支架间加设纵向拉杆，以增加整个支护体系的整体性和稳定性。集水井支护用矩形钢支撑，也用l蹦工字钢制作，支撑间距为0．5m，上下两排支撑间由8根拉杆相互连接。如开挖面冻土变形，在支撑框架内可增设横向支撑或支柱加强，以增加支撑的整体稳定性及抗变形能力。钢支撑与冻土之间加木背板，木背板厚度为50ram，木背板后空隙充填水泥砂桨。图3-17通道钢丝网挂网施工 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道T程中的应用图3_13初衬喷射混凝土施工3．4．4．2结构层结构层为钢筋混凝土结构。为减少混凝土施工接缝，联络通道开挖及支护层完成后，一次连续浇筑。由于结构的特殊性，通道顶板内的混凝土浇筑较为困难，为提高结构施工质量，采取分段浇筑的施工方式，采用喷浆机对浇筑空隙进行充填。施工完通道结构后开挖集水井，集水井开挖到设计深度后先浇筑集水井底板，然后一次完成集水井的钢筋混凝土浇筑施工。3．4．5施工准备3．4．5．1水、电和场地I、供水：将水管接送地面混凝土搅拌场地，水量为5m‰。2、供电：隧道内用冻结供电线路供电，用电量约50kw；工作井提升机用电约7kw。3、道路：允许5～lOt卡车进出施工场地，市内运输必要时办理通行证。4、在端头井附近提供200m2左右场地，用于施工材料和渣土存放。3．4．5．2提升运输端头井提升采用汽吊或小型电动车。隧道内运输采用小型翻斗车。3．4．5．3隧道内工作平台搭设按联络通道出口尺寸及施工需要，工作平台由上下两层平台和一个斜坡道 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用构成。在联络通道开口处的隧道支撑架底梁上表面搭设中间工作平台，主要作为通道材料运输手推车换向之用，面积约为2×3．5=7m2。在联络通道运输侧，搭设斜坡道与中间平台相连接，斜坡道高端宽约3m，坡长约18m，坡度以方便手推车运输为原则可以适当调整。在中间平台的另一侧搭设材料设备平台，为节省材料，平台面可低于中间平台0．3m，面积为4．5X8=36m2。平台粱用长4．5m，间距为2m的16#槽钢，直接搭在混凝土管片上，台面用50mm厚木板铺盖而成。3．4．5．4金属管片接缝焊接将联络通道口部的金属管片之间(欲拉开的管片除外)接缝采用满焊的方式将每条拼装缝一一焊接好，以提高其整体性。焊接前应首先对拼装缝进行除锈除垢处理，避免虚焊。3．4．5．5隧道预应力支撑及安全防护门安装开挖之前，需在通道开口处隧道中设置简易预应力隧道支架，以减轻联络通道开挖构筑施工对隧道产生不利的影响。在上、下行线隧道联络通道口两侧各架两榀，两榀钢支架间距2．0m，在联络通道两侧沿隧道方向对称布置，两榀支架间用67×67mm等边角钢搭焊组合。架设时要有专人负责指挥，拼装时螺栓必须拧紧，每榀支架有7个支点，由五个螺旋式千斤顶提供预应力，施加预应力时每个千斤顶要同时慢慢平稳加压，每个千斤顶以压实支撑点为宜。高处千斤顶应系在主架上，防止脱落。要定期检查千斤顶压力情况，发现卸压或漏油等情况要及时处理。安全防护门是考虑开挖构筑期间，帷幕发生大量涌砂、涌水，或位移变形超值，其它措施抢救无效的情况下，为确保隧道安全而使用的。根据结构施工图要求，设计安全应急门。安装要牢固可靠，门扇启闭方便。3．4．5．6通风排水系统利用冻结孔施工预留的通风与排水系统。3．4．5．7开管片加固土体强度达到设计要求及准备工作就绪后即可打开钢管片。钢管片可以用千斤顶及手拉葫芦拉开。开管片时，准备2台32t千斤顶，5t和2t手拉葫芦各一个。两台千斤顶架在被开管片两侧，中间用一根横梁同钢管片直接相连，通过顶推横梁向外推拉钢管片，5t葫芦作为主拉拔管片用，一端钩住欲拆管片，一端套挂在对面隧道管片上，水平方向加力向外(隧道内)拉拔管片。2t葫芦悬吊在欲拆管片上方管片上，一端钩住欲拆管片，以防管片拉出时突然砸落在 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用工作平台上。在用千斤顶及5t葫芦拉拔期间要注意观察管片外移情况，并随时注意调整2t葫芦拉紧程度和方向。因管片锈蚀拉出困难时，应用大锤锤振管片，减小拔出拉力。3．4．6开挖构筑施工3．4．6．1土方开挖土方开挖是按照前面提到的施工工序进行．由于土体采取冻结法加固，冻土强度较高(4～6Mpa)，冻结壁承载能力大，因而开挖时(除喇叭1：3侧墙和拱顶外)可以采用全断面一次开挖，开挖步距视土体加固情况，一般控制在0．5m。人工开挖的工具根据土体强度，可用风镐或手镐。由于通道中冻土温度较低，风镐中空气中的水凝结成冰屑经常积集在管子的接头或进风口处堵塞管路。解决该问题的办法是，把风管悬吊起来，每隔l～2小时向风管内注入酒精，防止冰屑的出现，保证施工的顺利进行。开挖断面严格按照施工图进行，尽量避免超挖。喇叭口处考虑到断面较大，而且一端冻结管分布较为密集，另一端冻土强度相对较弱，该处采取分断面开挖，缩短支护时间。3．4．6．2支护层土方开挖过程中，要对暴露段的土体及时施加支护层。它一方面对冻结壁起到保温和隔热的作用，另一方面能承受冻土压力和控制冻结壁的位移。支护层采用型钢支撑，钢支撑后面加木背板，并用木楔楔紧，外侧挂钢丝网，钢丝网搭接不小于15cm，用16#铁丝扎紧。型钢支撑为全封闭支护结构，为防止通道底板底鼓，支撑加底梁。支撑间距为0．3～O．5m，为增加支撑的稳定性，相邻两排支撑『日J必须用支撑杆相互连接。集水井的临时型钢支撑为矩形且上、下支撑间用中16mm圆钢吊挂，支撑间距为0．5m。立好钢支撑后喷射250ram混凝土。喷射混凝土应分层施工，每层厚度不大于50ram。开挖结束并架好钢支撑后，按设计要求施工喷射混凝土层找平以便铺设防水层。在开挖和支护层过程中，根据冻结譬位移监测情况，调整开挖步距和支护强度，以确保施工安全。3．4，6．3结构层由于结构尺寸的特殊性，通道项板内的混凝土浇筑较为困难，施工完通道结构后开挖泵站，泵站开挖到设计深度后先浇筑泵站底板，然后一次完成泵站的钢筋混凝土浇筑施工。 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用结构总的施工顺序为：匡亟互j垂蛩{亟丕司—目圈。通道中间段混凝土浇筑顺序为：豳一匝匿卜恒固。拱顶用地泵打入混凝土，并采取分段浇筑的施工方式，每段长度可达5m。泵站混凝土浇筑顺序为：匾亟卜{i固。浇灌混凝土时埋设注浆管进行后期地层注浆。3．5控制冻胀和融沉的措施3．5．1控制冻胀的措施3．5．1．1冻胀对周围环境的影响土层冻胀主要是地层中孔隙水结冰膨胀引起的。土层结冰时均要产生冻胀，冻胀量的大小与土层力学特性、约束条件、冻结速度、土层含水量及水分迁移等因素有关。水变冰的体积膨胀膨胀量约9％。而土体膨胀量一般约为3％---4％。根据上海施工经验，在浅土层进行冻结时，易产生较大的冻胀量，对于本工程，最大冻胀量有可能在5～lOmm之间，影响范围可能波及到非冻土区1-2m。因此，冻结施工前，需要对影响范围内的管线采取适当的保护措施。3．5．1．2控制冻胀的措施冻土产生的冻胀压力与冻土的’r均冻胀率及周围土体的弹性模量、泊松比有关，经实测，天津地区冻胀力在l～2Mpa。解决冻胀的主要措施是冻结卸压，为减小冻结施工对已建隧道及周围环境的影响，可在冻土体边缘适当位置布设一定数量的冻结泄压孔，以使部分冻胀力得到释放。3．5．2融沉控制融沉主要是冻土融化时排水崮结引起的，滞后于冻土的融化。冻十融化时的沉降量与融层厚度、融层土的特性有关，根据施工经验和土工实验，冻土融化后，会发生一定的地面沉降。为减少融沉量，解冻后应在隧道内进行适当的跟踪注浆，减小冻结对周围环境的影响。为防止低温对注浆强度的影响，可在水泥一黏土浆内掺防冻早强剂(2％--3％氯化钙)。 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用3．6后期注浆区间隧道联络通道和泵站开挖、构筑完成后，由于I临时支护结构与永久结构和周围冻土体间残留的空隙、冻土解冻等原因造成有关土体沉降。拟采用预埋注浆管充填注浆和融沉注浆的方法对以上问题进行解决。注浆浆液为水泥单液浆或水泥一水玻璃双液浆。注浆时间应在壁间解冻前，浇灌混凝土7天后。注浆时应观察周围注浆孔或缝隙的冒浆情况，确保壁间充填密实。3．6．1后期注浆总体方案后期注浆施工包括壁后充填注浆与冻土融沉注浆两大部分。依注浆管外端位置的不同(注浆管露出永久结构的～端，简称内端，另一端简称外端)共分三层布设：内层注浆管，外端位于支护层与结构层之间；中层注浆管外端位于支护层与冻土层之间；外层注浆管位于冻土层内。壁后充填注浆使用内、中两层注浆管。在泵站开挖、构筑工作完成后进行，采用先内后外、由下及上、注浆浆液先稀后稠的注浆方案；冻土融沉注浆使用外层注浆管和泵站旁管片上的预留注浆孔，在泵站壁后充填注浆工作完成后，根据地面和隧道监测情况分期、分批进行。3．6．1．1注浆孔布置l、沿通道和喇叭口环向，注浆孔布置为：拱顶中部1个、两侧墙底部各1个。2、轴线方向，喇叭口布置l环，通道布置2环。3、在集水井，四个侧面中部布置1个，底板布置1个。4、喇叭口底板布置1个。5、喇叭口顶部夹层1个。6、隧道底部和喇叭口处利用管片注浆孔注浆。预埋管选用巾40ram的焊接管，顶端接带螺纹的管箍，并用丝堵封闭。 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用萨?警交|≈∥。≈．’、Q。?，g＼__土_J!L。—一r。皇t∥‘起气t。拙．一．《j斗‘墨_-，h-_彩铈净}|、二1|11图$-19联络通道注浆管布置立面圈3．6．1．2注浆管预埋在开挖临时支护时，预埋由40ram注浆管，作为中层注浆管，深度至木背板后，做永久结构时，接长至结构表面，注浆管中间部位焊接止水钢板，穿墙管防水措施按设计要求施工，端部留管箍接头，并用丝堵堵死，模板拆除后，凿出注浆管，接上阀门即可注浆；做结构旅工时，在结构层与支护层之间埋内层注浆管，以做充填注浆之用。3．6．1．3充填注浆充填注浆在结构完成达到规定时间后进行。注入单液水泥浆，注浆材料为32．5号水泥，水灰比0．8：1～1：l。注浆压力不大于0．3Mpa。注浆方式为自下而上，先打开所有阀门，注底层注浆孔，待上一层注浆孔返浓浆时，停止本层注浆，进行上一层的注浆。顶部的4排注浆孔在最后完成，其注浆量也较大，每孔注浆量为2m3。充填注浆采取间歇方式，共注浆2～3次。3．6．1．4融沉注浆融沉注浆在停止冻结2～3周后，根据地面和隧道监测情况、地表沉降变化量进行跟踪注浆。 第三章人工冻结法在天津地铁联络通道工程中的应用3．6．1．5注浆方式用风钻从预埋的中层注浆管内钻孔，钻孔深度为进入土层lm，然后插入032mm注浆管，或者直接用振动法插入注浆管，孔口接上特制的孔口密封装置，注入双液浆；也可利用泵站旁管片上预留的注浆孔进行注浆。3．6．1．6注浆参数冻融注浆应结合监测进行少量、多次复注。注浆压力小于0．5Mpa，单孔单次注浆量0．2～O．5m3。双液浆配比为，水泥浆水灰比l：l，水玻璃30～45波密度，模数2．8～3．2，将水玻璃加l～2倍水稀释后使用。水泥浆：水玻璃(体积比)为l：l。3．6．2注浆安全措施l、严格控制注浆压力和注浆量不超过设计范围，结合监测数据，按照少注多次的原则，逐步控制地层沉降趋于稳定。2、浆管端部的接头丝扣应检查完好无损，阀门密封可靠，在出现孔口喷泥水时能及时关闭。并准备一些木楔，在丝扣失灵或阀门关闭不严时能堵塞孔口。3、浆时监测隧道变形，保证在注浆压力作用下变形量在设计允许范围内(士2cm)，防止注浆压力对管片的影响。3．6．3注浆设备主要注浆设备及用具如下：KBY双液注浆泵1台手压注浆泵l台搅拌机l台储料桶3-J"混合器2套3．6．4注浆效果工程竣工后，随着土体的解冻，联络通道内出现七、八处漏水点，通过注浆管跟踪注浆，三个月后，漏水现象得到控制，地面及隧道受到的影响也很小。 第四章施工监测内容及变形分析如前所述，信息化指导施工作为一个重要的课题正在不断的完善和推广，本工程中由于选用了传统的厚壁圆筒理论进行的分析，没有按照动态设计建立模型，而且联络通道上方的地面位于市区，埋深深，地层复杂，所以无法完全按照理论进行，但为准确掌握联络通道施工过程可能出现的异常情况，确保施工安全进行，对施工全过程进行监控量测与信息反馈，其主要目的如下：1、掌握地层、支护结构及通道土体受力特征、变形规律，确保施工期间支护结构、地层稳定和安全。2、过量测取得第一手资料，进行数据分析，及时反馈于施工，调整施工方法及支护参数，及时采取措施，控制地表及隧道变形，保证施工的正常运行。3、积累施工技术资料，对施工过程中的关键技术问题进行分析，为今后类似工程施工提供技术参考。4．1施工过程中监测的内容4．1．1冻结系统监测4．1．1．1去、回路盐水温度监测在去、回路盐水干管上安装精密水银温度计和数字温度传感器。测量频度为每天1次。4．1．1，2冻结器盐水流量检测与集液圈并联盐水流量测量回路测量各冻结器的盐水流量。在开冻时检测，或在发生问题时检测。4．1．1，3冻结器盐水温度监测在每个冻结器同路上设数字温度传感器测量冻结器盐水网路温度。测量频度为每天1次。4．1．1．4在盐水箱中安装液面监测、报警装置 第四章施工监测内容及变形分析4．1．1．5其它包括去、回路盐水压力、冷却水压力与温度等。测量频度不少于每天1次。4．1．2冻土帷幕监测4．1．2．1温度监测通过测温孔检测冻土帷幕温度。每个测温孔设l～3个测点，分别布置在靠近隧道管片处和测温管中部。测量频度为每天1～2次。温度量测用仪表为多点半导体测温仪，精度为0．5"12。4．1．2．2未冻土空隙水压力监测通过在泄压管口安装压力表测量未冻土空隙水压力变化。测量频度为每天1次。4．1．2．3冻土内冻结压力的监测冻土内冻结压力达到峰值，是冻土帷幕交圈的标志。4．1．2．4开挖时测量开挖工作面冻土或未冻土的表面温度4．1．3地面与隧道变形监测根据有限元分析结果，冻结施工的的影响范围约为泵站附近25m的区域，对影响区域进行地表隆起与沉降监测。地表变形监测时间应从开始施工冻结孔起，到冻结壁融化结束、地表变形基本稳定为止。测量频率视地表变形速度确定，一般在钻孔、冻结期问每星期测2～3次。隧道变形通过量测管片的水平和垂直位移来测定。监测范围为沿隧道40m。测点间距按2～5m考虑，在泵站附近测点布置应加密。测量仪器、方法同地表沉降监测。4．1．3．1监测内容1、地表沉降监测；2、隧道变形监测；(1)隧道的沉降位移监测：(2)隧道的水平及垂直方向的收敛变形监测；3、面建筑物沉降监测；4、地F管线沉降监测。 第四章施工监测内容及变形分析4．1．3．2监测方案1、地面沉降监测(1)测点布设在施工通道投影到地表边缘25米(方圆)范围内布置地表沉降监测点，如图4．1示，监测联络通道及泵站施工期间地表变形。●隧●‘道●·联通道·●参隧●。道●图4．1泵站地表监测布置图(2)仪器设备LEICANA2型水准仪及附设精度：±0．3mm／Km(3)测量方法沉降检测从水准控制点出发按二等水准测量要求测量各监测点的高程，测量闭合差小于±0．5mm*√川(N为测站数)。前后两次测量值之差为本次沉降变化量，测量值与初值之差为累计沉降变化量。2、隧道变形检测(】)测点布"歧基准点确设：在泵站50m以外的稳定区域分别布设水平位移检测基准点和两个垂直摹准点(其中一个作为复核点)。沉降点布设：在通道两侧20m范围内对隧道水平及垂直方向的收敛变形及施工影响范围内的隧道整体进行监测。沉降监测点布设在隧道底环片上，测点问距为2m，测点用水泥钉打入环片内。● 第四章施工监测内容及变形分析位移点布设：位移监测点布设在隧道两肩的环片上，测点间距为2m，测点用道钉打入环片内牢固。监测点位如图4-2：～‘Cl■2·C2_3●C3-4．C4■5●C5W6·C6v7●C7冒8·C8w9*C9W10●C10HJl图4-2隧道变形测点布置图sJl．／，、、j．‘＼／‘sJ2J2(2)仪器设备LEICANA2型水准仪及附设施精度：±0．3mm／KmJ2型经纬仪精度：测角±2”特制直尺：长度5米精度：±O．5mm(3)测量方法沉降监测从水准控制点出发按三、四等水准测量要求测量各监测点的高程，测量闭合差小于±0．5ram*√Ⅳ(N为测站数)。前后两次测量值之差为本次沉降变化量，测量值与初值之差为累计沉降变化量。水平位移检测方法；将经纬仪安置在基准点上，用视准直线法测量各测点到视准线的距离，以开工前两次测餐的平均值作为起始初值，以后每次的测量值与之比较得到本次位移量和累积位移量。隧道收敛检测方法：将特制的长5米的直尺分别置于同一环片上、下两测点上，用水准仪分别读取两次读数，相加即为直径，同样以开工前两次测量的平均值为初值，以后测量的结果与初值比较计算出竖径的变化量；用经纬仪以同样的方法测量横径，并计算出变化量。n""¨"¨耵"们Ⅲ●H23456可8净m 第四章施工监测内容及变形分析3、地面建筑物沉降监测(1)测点布设在施工过程中，由于地下土体被挖空与地面形成压力差，势必导致土体沉降，同时对联络通道及泵站的支护体系形成垂直压力，所以在施工过程中必须对地面建筑物进行监测，确保施工的安全性。本监测方案拟在建筑物上布设20个沉降监测点。(2)仪器设备同地表沉降监测。(3)测量方法同地表沉降监测。4、地下管线沉降监测(1)测点布设在联络通道顶部附近的地下管线上对应地面部位(主要针对上水、煤气)布设6个沉降测点。(2)仪器设备同地表沉降监测。(3)测量方法同地表沉降监测。4．1．4报警值地表沉降监测点按地铁测量监测规定执行，l／p+iOmm、一30ram为累计报警值，±3mm作为日变量报警值：地下管线沉降监测点，以±lOmm作为累计报警值，±3mm作为日变量报警值；周围建筑物沉降累计沉降报警按地下管线报警值为参考，其差异沉降(推算为房屋倾斜率报警值为1／300)隧道沉降变化报警值以±IOmm作为累计报警值，4-3mm作为口变量报警值；4．1．5监测频率4．1监测频率表钻孔期间J冻结期间l开挖期间施T结束～稳定1次／l天lI甜l天I2次／l天I1次／5天备注：监测频率可根据监测数据变化情况作适当调整。 第四章施工监测内容及变形分析4．2监测结果分析4．2．1测温孔数据统计表4-2表牝测温孔数据统计表日期3．263．273．283．293．303．3l4，l4．24．34．44．54．64．74．84．94．10盐水3“4i-s．I弘lO-15／-13-18／-16．1辨16-21^19鼎192l嬲17里1J18擘lIl弘l卫一l舭18瓣19五2垃lo她温度Wl13．21313．112．312．411．210．7O．110．29．510．98．28．17．87．16．8W317．82．1·3．2．3．9．7．5-6．6W414．513．910．47．34．97．I5．54．24．13．42，32．31．91．60．9O．2W912．813．112．211．39．9958．87．97．77．26．45．85．75，04．5日期4114124．134．144．154．164．174．184．194．204．2l4．224．234．244254．26盐水∞艇o∞-25／-230铋盏*荔!h5岱H蚴静5幻＆-2秘M5舰酚S‘蕊00啪幻5L弧-30／-29n蚴．3蚴温度Wl6．66．02．05．55．1524．24．03．83．33．O2．82．62．32．01．7W3-7．6．8．8-9．5-105．11．4-12．1．12．512．7-12．9．136-14．1．148-15．7．16l-16．6．17．OW4O．1_02．o．5-1．0．1．9·2．9．3．2-3．4-4．3．5．2．5．8-6．7．7．6．8．2．8．9-9．3W94．3373．43．02．52_31．81．51．40．9O．70．40．1-0．1．o，4．0．7日期4274284294，305．15．25．35．45．55．65．75．85．95．105．-l5．12盐水殳5垃8辫瑚-2蚴H锄-27卜26Z&5凹．0蚴-29／-瑚0蚴95嘲．30／-2_qnS^29-30／-2_9．30／-2E-30／-2S温度Wl1．61．51．0n80．60．5O．201．0，l-03-0．5’0．7-0．8．I．0-1．2．1．4W3-169-170-171．17．1．16．6．16．9．17．2．17．1一175一lZ3一18．1一18，1．18．2．17．7-17．1．8．0W4-105-11．6一120．12．1．124．12．7．129．13．3-14l—14l—145．14．9．15．1-148-13．5．12．9W9．07-O．5-0．9．1．2．1．3一1．8．18-21-2．4-2．6．2．8．3．1．34．3．7．3．9 第四章施工监测内容及变形分析日期5．135．145．155．165．175．485．195．205．2l5．225，235．245．255．265．575．28盐水．3舭2130^2E3Ⅳ-2E30—2E-3Ⅳ．2E30／．2E-2鼽2j08，-2’28^2j29，．2l29／-21．28^2j28卜2’28卜2：28卜2j2垒一2l温度W1．1．6．1．7．1．9_2．0．2．1．2．0-2．3．2-3．2．3-2．5．2．6．2．8．2．9-2．8．2．9·3．1w3-183．17．8．17．4-16．9．15．3．15．5-15．7．15．4．15．3-16．1．16．15．8．16．2．162-16．1．16．4W4．129-12．8．12．5．12．2．11．3-11．2．107W9．4．1-4．3-4．4．4．5-4．8-4．S．4．9_4．8-4．8．5．3-5．3-5．5-5．3—5．5-5．6-5．7日期5．295．305．3l6．16．26．36．46．56．66．76．86．9盐水．29，-28温度Wl-3．1．3．2．3．3．3．2-34-3．5-3．6．3．5-3．6W3．16．5-16．5．16．O·15．4-11．3-15．I．14．9-14．9-15．2-15．4W4W9-5．6．57_6．O．6．O-5．9．5．7．5．6．5．7-5．6．5．6由测温孔观测到的数据可以看出，由于洞室效应，冻土向内扩展速度要大于向外的扩展速度；在靠近冻接管的周围，温度呈同心圆分布的特征，但越向远处，该特征越不明显；冻结圆柱交圈后，冻结结构呈曲面发展。图4．3为冻结管半间距处(w3点)的冻结时间与冻结温度的关系曲线。温度T(℃)冻结时间t(d)图4-3冻结管半间距处(W3点)的冻结时间与冻结温度的关系曲线 第四章施工监测内容及变形分析4．2．2地面隆沉监测分析影响地表沉降的旌工因素主要有冻结孔施工、地层冻胀、联络通道开挖构筑和冻土帷幕冻融等，地表沉降可分为冻结孔钻进、积极冻结，开挖构筑、冻土帷幕融化和联络通道施工结束后的地层固结等四个阶段，不同阶段、不同因素引起的地表沉降可以是相互重叠的。下图是施工期间实测的一个比较典型的地面沉降曲线图。g盘‘一盘。．．厂●—、。、√划∥。、O-28dz钻4L：29～38d：曩装；39．8Id：冻结；82．114d：巧挖掬娩图4-4地面沉降一时问曲线l、第一阶段。这个阶段是冻结孔施工阶段，特征主要表现为地面发生沉降。沉降量不大，最大值为8．58mm，主要是因为在冻结孔施工过程中，有部分水土流出冻结孔，地层发生了一定的损失，后期为了减少地面变形，在每个冻结孔施工完成后进行了注桨，这样就有效地控制了地面沉降。2、第二阶段。这一阶段主要是冻结管施工完成后的积极冻结阶段。这一阶段的主要特征表现为开始一段时间地层变形平缓，主要是因为土体温度处于下降阶段，但还未冻结。随着土体温度的进一步下降军O"C以下，土体发生冻结：伴随着土中水分迁移过来的水分冻结，土体的体积发生膨胀，引起了地面的迅速膨胀。3、第三阶段。这一阶段主要是积极冻结完成后的开挖阶段，这一阶段的主要特征是地面隆起速率变小，几乎为零，主要是因为在开挖过程中采取了临时支护。4、第四阶段。这一阶段主要是开挖完成后的结构构筑阶段。这个阶段冻结继续进行，地面变形继续表现为缓慢的隆起，直至结构施工完毕。结构施工完8642Oo4巧罐m 第四章施工监测内容及变形分析成后，进入了解冻阶段，为了防止解冻造成地面的较大沉降，利用预埋注桨管进行了注浆处理，由于采取了这一措施，解冻阶段地面未发生大的沉降。4．2．3隧道的垂直位移和水平位移的最大值和终值该工程的隧道垂直和水平位移数值分布很离散，最大不超过lOmm，由于在隧道中设置了简易预应力支架，如果隧道在施工过程中产生较大的变形，就在相应的部位施加预应力，保证隧道安全。经监测，施工过程中，隧道的收敛变形最大值为8舢。60 第五章结论与展望5．1结论1、人工土冻结法适用的条件(1)市地下工程所处地层地质、水文条件复杂，其他支护方法不能保证隔水效果及工程质量。(2)对周围环境变形要求比较严格的工程。(3)特别适合在水体下或含水丰富、稳定性差的地层中应用。经采用相应的措施，可以将地面、建筑物等变形控制在允许的范围之内。(4)冻结法尤其适合在砂性地层使用，其冻土扩张速度快，而且冻结士体强度高。(5)可以和其他工法结合使用，发挥各自优势。(6)特别推荐用于深大基坑的冻结维护，能有效隔水，但要注意保温。(7)地下工程涌水、坍塌事故的抢险修复。2、人工土冻结法的经济效果该联络通道采用冻结法施工，完全达到了封堵流沙、加固地层、保护地下管线和防止地表沉陷的目的，保障了隧道的施工安全。同时在无水状态下施工，对隧道衬砌工程质量的提高起了很大的作用。该工程冻结施工总费用约300万元，造价相对较高，但安全度得到了满足，而且免除了路封对交通造成的不利影响，经济和社会效益显著。5．2进一步工作的展望l、土和冻土物理力学参数的精确化，系统化，特别是寻求这些参数随深度变化的规律。2、均匀温度场冻土结构物的强度和稳定性评价。3、开展室内模型实验，分析验证数值计算模型，如：是不是所有测温孔温度都必须达N0"C以下。4、开展人工冻结工程现场实测，对数值计算模型进行进一步验证。 第五章结论与展望响。5、冻结参数与工期、造价的优化设计。6、开展人工冻结对环境的影响，研究土体冻胀融沉对周围工程建筑物的影7、加强冻结施工中的信息化指导施工方面的研究。 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