含水软土地基加固的冻结技术.doc

含水软土地基加固的冻结技术含水软土地基加固的冻结技术摘摘 要：要：结合上海地铁建设工程实际，从工程设计、施工、加固效果等方面阐 述了全封闭水平冻结加固技术的应用该技术为我国含水软土地基加固，特别 是城市地下工程建设中的软土地基加固提供了新的安全可行的方法 关键词：关键词：水平冻结；软土地基；地基加固；信息施工；地下铁道；隧道北京中煤矿山工程公司(煤科院北京建井研究所)在我国人工地层冻结技术 多年研究成果基础上，研究开发了全封闭水平冻结技术，并于 1998 年 2～7 月 成功地将这种新技术应用在上海地铁 2 号线杨高路站-中央公园站区间隧道联络 通道泵站工程(以下简称旁通道)的软土加固中该工程已通过初验，得到了建 设单位及有关单位的一致认可和好评1 1 工程地质条件工程地质条件该工程位于上海市浦东，设在上海地铁 2 号线杨高路站-中央公园站之间最 低轨位处，作为地铁运营中两车站之间的集水、排水及两隧道间联络等用处 工程结构由两个与隧道相交的喇叭口、通道及集水井等部分组成(见图 1)联 络通道(包括喇叭口、通道)长约 7.9m，开挖荒径最大尺寸约为 4.4m×5m集水 井开挖深度为通道以下 4.5m，开挖荒径尺寸为 4.7m×3.2m。

结构最深处距地表 23.2m，距杨高路车站出入口约 550m图 1 冻结管与工程结构立面示意该地区地下水位 1.5m，土体含水丰富施工区域的土层以灰色粘土和灰色 淤泥质粘土为主，含水量为 22.6%～63.0%，孔隙比为 0.914～1.732，塑性指数 为 16.6～25.9，平均重度为 18.25kN/m3土层流塑性强，具有中-高压缩性 由于对施工造成上、下行线隧道和地表变形等影响的要求极严格，因此在这种 地层条件下施工难度很大地表主要为柏树林和即将拆除的两栋简易民房由于简易民房建筑物已受 两次隧道推进影响，并为密集人口的市区类似工程施工积累经验，因此对施工 引起地表影响的要求非常严格2 2 冻结加固设计冻结加固设计2.12.1 方案设计方案设计(1)采用从地铁隧道内钻进水平、近水平、上仰、下俯等几种方式的冻结孔 来实现全封闭水平冻结法加固土层的目的2)地铁隧道为5.5m 圆形隧道，空间小；同时，为减少冻结站运转时噪 音，冻结站应布设在车站内较空旷的平台上，铺设两趟盐水干管将盐水送至冻 结器内3)集水井全部冻实联络通道冻土帷幕截面选用拱形直墙形式，以尽量降 低其承受的拉应力冻土帷幕的安全可靠性是工程成败的关键，必须进行严格 的力学计算并保证足够大的安全系数。

4)采用小开孔间距和较低盐水温度、较大盐水流量加快冻结速度，以及埋 设卸压孔等方式来控制土层冻胀的不利影响采用跟踪注浆等方式，以解决冻 土融沉带来的不良隐患5)运用“新奥法”原理，加强隧道、地表沉降变形的监测，及时调整施工 工艺和措施，将施工对隧道和地表的影响降到最低限度 2.22.2 冻结参数设计冻结参数设计(1)联络通道冻土帷幕设计厚度为 1.2m，平均温度为-8℃经静力学验算， 其安全系数远在 2.8 以上2)冻结管材选用95mm×6mm 无缝钢管采用各自不同角度布置冻结管， 冻结孔开孔间距≤700mm，终孔间距≤1.1m(见图 1、2)图 2 冻结孔孔位与 A—A 剖面关系示意(3)设计制冷量 205446276J/h，冷却水需用量 20m3/h，耗电量 300kW选用 YSLGF600 型螺杆冷冻机组及配套的盐水泵及冷却塔等辅助设备4)设计盐水温度为-28～-25℃，单孔盐水流量为 6～8m3/h积极冻结期 25d，维护冻结期 55d5)设计冻结孔 55 个，测温孔 2 个，卸压孔 2 个冻结孔、测温孔的相对 偏斜小于 0.5%3 3 冻结加固施工冻结加固施工3.13.1 钻孔施工钻孔施工冻结孔和测温孔的良好施工质量是整个工程成功的关键。

施工中，按不同 设计孔位、倾角、深度，用小型坑道钻机施工，并将最新开发研制的冻结孔专 用的跟管钻进技术及具有独特低温密封性能的冻结器组合钻头直接应用于工程 钻孔中同时，运用灯光及激光经纬仪等对钻孔施工进行指向和测斜钻孔之 前，将冻结管材加工为 1.0m、1.5m、2.0m 的不同长度，并在两端分别加工成内 外矩形丝扣钻孔施工过程中，冻结管采用丝扣加焊接方式连接，以保证其同 心度和密封性经试压、孔斜复测，各冻结管均已达到设计要求为减少土体冻胀对旁通道两端隧道及地表的不良影响，在旁通道两端的隧 道钢管片上分别设置 2 个卸压孔，以满足适时卸除冻胀压力的作用根据冻结孔成孔图，预测冻土帷幕的薄弱部位，以确定测温孔的孔位及倾 角按设计孔位、角度、深度与冻结孔的要求进行施工 3.23.2 冻结系统安装冻结系统安装在冻结钻孔施工的同时，进行冻结各系统的安装工作下放冻结管是在跟 管钻进过程中完成的冻结管试压、测斜合格后，再下放内供液管至设计深度， 然后焊接冻结器羊角羊角同盐水干管之间用增强型压力胶管连接冻结站设置在距旁道 550m 的杨高路车站端头井空旷的地面平台上冻结站 内冷却水系统、制冷剂系统在 7d 内完成。

冻结站与冻结器之间的低温盐水循环 管路采用219mm×7mm 钢管+法兰连接解决好低温盐水长距离循环存在的问 题，特别是管路热胀冷缩问题是整个工程顺利进行的关键技术之一在施工中， 将盐水干管沿隧道一侧架设；同时，在管路上每隔 100m 布设测温仪、测压表、 流量计、闸阀和特制的低温伸缩接头，以监测和控制盐水循环的温度、压力、 流量变化，也很好地解决了长距离盐水干管冷缩引起的不利后患此外，还用 聚苯乙烯泡沫塑料对管路进行保温处理；在盐水泵出口管路上设置减振装置， 避免了冻结站与盐水管路系统的共振 3.33.3 制冷调试运转制冷调试运转冻结各系统形成后，在溶化氯化钙、充注制冷剂、注入冷却水的同时，进 行氟里昂制冷剂系统、盐水系统、冷却水系统及冻结站的调试运行，而后冻结 站进入正常运转在盐水达到设计温度-25℃后，维持该温度或稍低温度运行 25d，并定期监测地温变化情况为安全起见，当冻土帷幕达到设计厚度后，再 将积极冻结期延长一段时间经探孔触探后，冻土帷幕完全可以确保工程安全， 即开始旁通道的开挖构筑工作 3.43.4 结构施工与跟踪注浆结构施工与跟踪注浆 工程主体结构采用“新奥法”原理，进行矿山法短段掘砌技术施工。

在施工过 程中，定时测量开挖断面的收敛变形，并结合地表及隧道变形监测数据，及时 指导掘砌施工在进行混凝土浇注时，埋设注浆管，进行跟踪注浆，以控制和 消除冻土融沉4 4 加固效果及成功经验加固效果及成功经验旁通道开挖过程中冻土帷幕的温度和位移实测表明，冻土帷幕发展均匀， 强度较高，完全达到并超过了设计加固效果集水井部分全部冻实联络通道 拱顶及两侧冻土进入开挖荒径 300mm，下部进入荒径 800～1200mm；冻结帷幕厚 度达 1.8～2.4m，平均温度为-10℃左右，平均强度在 5MPa 以上监测数据显示，地面升降变化随钻孔、积极冻结、开挖、冻土融化等施工 过程呈现较明显的沉降、冻胀、缓沉及融沉的变化过程地面最大沉降终值为 13.8mm，隧道最大变形终值不足 20mm，均远远小于规范要求值工程实践证明，水平冻结加固技术是一项安全、可靠的含水地层加固新技 术它为我国城市地下工程基础加固提供了新的工法，也是我国冻结施工技术 的一次突破，取得了新的经验：(1)采用跟管钻进工艺与新型密封钻头装置、小型坑道钻机的配合使用，解决了软土层中水平冻结管下放和密封等一系列的关键难题2)长距离的低温盐水循环管路难题的解决，以及新型螺杆冷冻机组的应用， 既有利于节省工期和设备投资，又使冻结站布置灵活，有效地解决了市区施工 场地紧张和噪声扰民的难题。

3)利用地表及隧道的监测数据有力地指导工程施工的各个环节，大力提倡 信息施工4)工程冻胀融沉可控制技术，使冻结加固技术的优越性在含水软土地层条 件下的城市建设中得到了充分的显现。