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1、328垂直冷冻施工技术1前言1。1冻结法概述1.1。1冻结法冻结法是利用人工制冷技术，在地下开挖体周围需加固的含水软弱地层中钻孔铺管,安装冷冻器，然后利用制冷压缩机提供冷气，通过低温盐水在冻结器中循环，带走地层热量,使地层中的水结冰,将天然岩土变成冻土，形成完整、密闭、高强度的临时加固体，从而达到加固地层、隔绝地下水与地下工程联系的目的。然后，在冻结体的保护下进行地下工程的开挖施工，待衬砌支护完成后,冻结地层逐步解冻，最终恢复到原始状态。1。1.2地层冻结技术的特点同其它土体加固方法相比,冻结法具有以下优点：1、冻结加固使土体中的大部分水分结冰，提高了土的强度,而且强度均匀.2、整体支护性能好
2、，冻结帷幕形成后，冻结帷幕内不会存在任何缝隙，是一个完整的支护体;封水效果好,可保证开挖工作面在无水条件下作业。3、能适应不同的地质条件,冻结深度不受限制，而注浆、地下连续墙等方法对地质条件的适应能力差，而且其加固深度有一定的限制。4、适应各种结构形状地下工程的施工。冻结加固体的形状、大小，可以根据需要灵活设计.5、环保型工法。由于冻结法是一种临时措施，所冻地层最终要恢复到原始状况,因而能够保护城市地层地质结构和地下水不受污染。6、施工方便，简单，经济上合理.国外的工程实例表明，冻结工程成本与其它施工（如注浆和旋喷)处于相同的数量级，而且随着加固深度的加大，冻结工法的经济性越来越来明显。基于以
3、上优点，冻结法在城市地下工程越来越受到重视,已经被广泛应用于地基基础工程、城市地铁、隧道工程、水利工程等市政工程中.1.2冻结法的适用条件根据相关资料及建井工程手册规定,冻结法主要适用于含水量超过10，地下水速度不大于10m/d的软弱围岩隧道预加固工程中，遇有流砂、淤泥、卵石、砂砾等含水不稳定冲击层或裂隙中含水的岩层时都可采用。目前冻结法在城市隧道工程中主要应用于：1.盾构法隧道施工中，盾构进出洞土体加固。盾构进出洞时，承受着工作井附近土体产生的巨大地压和水压，可能导致涌水和土体坍塌。目前常用旋喷技术和注浆法加固土体,效果不够理想，常遇到注浆不均匀和盾构刀盘切削浆液结石体等困难，而冻结技术能有
4、效地解决这些问题。2.盾构法隧道施工中,地下或海底对接时土体加固.近年来，世界上许多国家的盾构隧道采用对头掘进，以缩短工期，除采用立井对接方式外，还采用不开凿立井而在地下或海底直接对接。3。城市地铁泵房、旁通道和急转弯部分根据地铁设计要求,间距1km左右需在并排隧道间设立泵站。地下工程经常遇到旁通道和急转弯部分，因其施工距离短、形状不规整，采用盾构施工困难，且经济上不合理，各国常采用冻结法对周围土层加固，然后用矿山法掘进。4。建筑基坑加固。基坑冻结加固具有加固体均匀，强度高，阻水性好,加固深度大等优点,因而，采用冻结技术加固基坑越来越受到重视。5.地下工程涌水、坍塌事故的抢险修复。6.地下隧道
5、交叉处施工.1.3冻结法的发展历史人工地层冻结技术起源于天然冻结现象，在土木工程中的应用是随19世纪制冷机械设备的发展开始的。冻结法的第一次应用是1862年在南威尔士（South Wales)的一个矿山竖井施工中,使用人工地层冻结技术加固基坑。该竖井穿越了含水地层,采用由SiebeGorman有限公司提供的乙醚制冷设备冷却盐水，盐水在埋设于地层中的冻结管路系统里循环。早期冻结法主要应用于采矿行业。1880年,德国的F。H。Poetch首先提出冻结法原理，并应用于煤矿开凿立井，1883年，F。H。Poetell在Schneidlingen开发煤矿,采用冻结法施工深103m的立井，并以此获得德国人
6、工地层冻结法凿井专利。此后,该技术广泛应用于各国地下工程建设中。1885年在比利时，1888年，在美国Michigan，1892年在法国，1896年在奥地利,1900年在荷兰相继应用了冻结法.在这些工程中，开始仅冻结岩石顶部以上的表层饱和含水层,以使竖井达到下部的矿床。冻结法初期应用得最多的领域是矿山工程，随着技术的成熟,逐步引入至城市隧道工程中。1886年瑞典一个长24m的人行隧道采用冻结法施工。1906年法国把冻结法应用于横穿河底地铁工程中。前苏联在70年代前，采用冻结法构筑了70个地铁斜井隧道。同矿山垂直孔冻结法相比，水平冻结或斜孔冻结的难度更大。瑞士苏黎士Milachounck公路隧道
7、一段断面达146m2，宽度达15m,用每冻结段长度达35m共10段构筑了总长度达350m的隧道。80年代中期维也纳一段双轨地下隧道，水平冻结长度64m，采用相向钻35m水平冻结孔的方法安全建成。德国杜塞尔道夫一个115m的隧道单向钻冻结孔的方法进行了水平冻结。日本1962年首次在大阪市应用冻结法安全建成一个过河隧道，至今大约有340多项冻结工程，主要用于隧道、地铁、污水道工程等困难和特殊条件下的各类工程，其中最大的一项工程是80年代建设的东京地铁10号线和11号线冻结工程，在日本桥川河下施工，其冻结改良土体达37000m3，水平冻结长度47m,共计水平冻结管总长度达13750m.大阪交通局在该
8、市地铁5号线工程中,也采用了冻结法确保盾构顺利出洞；日本东京湾隧道施工期间,川崎、木更津人工岛及浮岛八个盾构出洞工程都成功使用了冻结法，该隧道已于1998顺利通车。我国于1955年开始应用冻结法凿井技术，迄今，应用冻结法共建造立井450多个，累计冻结长度70km之多，冻结法凿井所通过的第四纪地层最厚为383。1m(山东全桥煤矿副井）;穿过最厚表土层374。5m，最大冻结深度435m（河南永夏矿区陈四楼矿副井)；最大成井净直径8m;冻结深度超过300m的立井有50多个，其规模仅次于原苏联.1998年在北京地铁国贸站隧道进行的45m水平冻结加固的成功标志我国水平地层冻结施工进入城市地下工程的一个新
9、阶段；1998年上海地铁2号线5个区间联络通道中有4个采用冻结法施工；2000年广州地铁1号线纪越区间过清泉街断层采用水平冻结，隧道长距离64m冻结取得成功，之后南京、深圳等地铁旁通道也相继使用了地层冻结法.地层冻结技术已全面进入我国城市地下工程领域.2冻结设计2.1确定冻结类型和冻结方法按制冷原理，冻结法采用的冻结方式一般可分为直接冻结方式(直接冻结法）和间接冻结方式（间接冻结法）两类.直接冻结方式一般靠低温液化气直接制冷，主要采用液氮冻结技术.液氮在常压下沸点为-195。8，气化潜热197。6KJ/kg，其理化性质稳定,是一种良好的制冷工质，和传统盐水氨循环制冷相比，液氮冻结具有系统简单、
10、低温、快速、高强等特点。目前使用的液氮温度通常在196,经工厂加工后用储罐车将其运送到工地，并输入预先埋设在地层中的冻结管内，液氮在气化过程中大量吸收热量，使冻结管周围的地层冻结，经气化后的氮气逸入大气层后可自由扩散，浓度迅速降低.这类冻结方式由于直接冻结速度快，往往用于局部土体冻结或工程抢险中；同时由于其所需费用相对较高,目前仅用于处理规格较小的危急工程。间接冻结方式又称盐水常规冻结法。采用这类冻结方式地面需建冷冻站,其内设有压缩调节制冷装置和输送泵，用氨、氟利昂等制冷剂通过制冷压缩机循环压缩制冷，使低温制冷剂与作为冷媒剂的盐水溶液进行热交换，将盐水冷却到30-20，输送到埋设在土层中的冻结
11、管中然后回到冷冻站，经重新冷却后再输入冻结管，形成循环流动。冷却盐水在循环不息的流动过程中产生热交换,带走冻结管周围土体的热量，直至土体冻结，达到加固和稳定土体、封闭地下水的目的使冻结管周围的土层逐渐冻结,现形成冻土圆柱体，然后连成冻土帷幕，并达到设计规定的厚度和强度.盐水冻结法的费用一般较直接冻结法便宜,常用于冻土量大、施工期较长的工程.由于成本低，形成冻结帷幕均匀易于控制，已被工程界广泛采用.2。2冻结参数的设计冻结参数的设计包括冻结帷幕平均温度和厚度、冻结孔布置、积极冻结期时间、盐水温度等.2.2。1基本冻结参数盐水温度：积极期：-28C-25C；维护期：22C20C；冻结帷幕平均温度：
12、8C；冻结孔偏斜要求在0.15%以内,最大孔间距中部1。6m，边部1.1m；冻结管选用1274。5mm无缝钢管.2。2。2冻结帷幕厚度对于城市地下工程冻结方案设计而言，可采用如下步骤和方法来确定冻结帷幕的计算厚度。垂直冷冻中,冻结帷幕厚度主要受地面荷载和埋深的影响，地压是确定冻结帷幕厚度的主要考虑因素.通过计算求得冻结帷幕处最大地压。根据地下工程埋深不同，结合现有施工经验和工程类比，初选一个合适的冻结帷幕平均温度值。通常埋深小于200m时，平均温度选-7-8；当深度大于200m时，且深部有厚层粘土层时，通常选用较低的平均温度，常用-10的平均温度.根据选定的平均温度和试验资料或有关经验公式，求
13、得砂土层及一些粘土层的计算强度值.冻结帷幕厚度的初步计算.一般而言,水平冻结工程冻结帷幕厚度取值更多依赖于类似工程经验，但也可根据选定的控制砂层深度、地压大小、该处的荒径大小和土层的强度指标，用拉麦公式求出冻结帷幕的初选厚度作为参考：(21）式中：-冻结帷幕计算厚度，cm；-筒掘进荒半径，cm-计算层位的地压,Pa-系数,-冻土的允许抗压强度，一般取用瞬时单轴抗压强度的1/2。51/5;砂土取小值时,粘土取大值 （22） -冻土瞬时极限抗压强度； -安全系数当冲积层较厚，地压值较大时,按多姆克公式计算.（23）式中：系数,用第三强度理论时0.29，2.3；用第四强度理论时0.56,1.33平均
14、温度核算。冻结帷幕的平均温度是确定冻结帷幕强度和稳定性的基本参数之一.从工程应用出发，一般取最大地压水平的冻结孔间距处的主、界面冻结帷幕平均温度的平均值作为冻结帷幕设计核算的依据，可参考煤矿系统相应的经验公式（如式24)。冻结帷幕平均温度能否达到按中选用的平均温度值.（24)式中：冻结帷幕有效厚度中的平均温度；-盐水温度，；-冻结孔间距，m;冻结帷幕厚度，m；经验系数，=0.250。3；计算水平的井帮温度,根据要求或经验给出。上述计算是针对砂层进行的.用上述方法得到的冻结帷幕厚度和实际施工可能有一定偏差，可在施工中进一步调整。2。2.3冻结孔布置冻结孔的间距和偏斜率是影响冻结孔布置圈直径的主要
15、因素。开孔间距直接影响冻结孔的数量,终孔间距直接影响冻结帷幕的形成时间及其平均温度.冻结孔布置圈直径 （2-5）式中:冻结孔布置圈直径，m； 立井开挖直径,m; -冻结帷幕厚度,m 钻孔偏斜率，一般取0。30.5；最大地压层位的冻结的水平长度，m冻结孔数量： （26)式中：冻结孔计算个数；-冻结孔布置圈直径,m; 冻结孔开孔间距，m；立井冻结工程中，冻结孔开孔间距一般为11。3m。确定冻结孔数量后，进一步核算冻结孔开孔间距 (2-7）2。2.4积极冻结期时间积极冻结期是指冷冻站投入正式运转后，在最大地压水平的冻结管最大间距处，冻结帷幕扩展到设计厚度和强度的时间。积极冻结期时间主要与冻结孔的间距、盐水温度、土层性质、冻结管直径、地表温度等有关。根据已有的冻土扩展速度推算冻结时间参考经验公式如式（2-8）。
