地铁隧道冻结法施工关键问题分析

中国矿业大学力学与建筑工程学院

2014~2015学年度第二学期

地铁与轻轨课程论文

学 号

班 级 姓 名

力学与建筑工程学院教学管理办公室

地铁隧道冻结法施工关键问题分析

（中国矿业大学孙越崎学院 越崎12-02 周桂平）

摘要：在地铁隧道的施工过程中，通常会遇见含水量较多的不良地质，这时，通常采用一种人工制冷的方法，将隧道周围的不稳定地层和含水层冻结成不透水且能抗地压、水压的围岩体以暂时加固和改良地层，然后在围岩体的保护下进行开挖工作。冻结的围岩体是通过在隧道周围打一定数量的冻结孔，孔内安装冻结管，以输送冷媒介质吸收热量，使之降温而形成的。要想合理正确地在地铁隧道施工中运用冻结法，那么，对冻结法施工中常见的关键问题进行整理和分析，这是很重要的。

关键词：地铁隧道，冻结法，关键问题，分析

Abstract:In the process of subway tunneling construction,we usually meet the unfavorable geology with major moisture content.At this moment,a method of artificial refrigeration will be adopted,it will make the unstrable strata and the water-bearing stratum around the tunnel to be frozen into an surrounding rock that is impermeble and can be able to resist the earth pressure and water gage to reinforce and improve the formation temporarily,then we can excavate unde -r the portection of the surrounding rock.The freezing surrounding rock ’s forma -tion is through making a certain number of freezing holes around the tunnel, the holes are installed with the brine intake to deliver the cold medium quality to absorb heat.To properly and correctly use the freezing process in the constr -uction metro tunnel,it is important to collate and analyze the key issues in the construction.

Key Words:subway tunnel;freezing process;the key issues;analyze;

1 前言

冻结技术来自于天然冻结现象，1862年在英国威尔士的建筑基础中首次使用了这种人工制冷技术来加固土壤；1880年德国工程师F.H.Poetch 提出了人工冻结法原理，并于1883年在德国阿尔巴里煤矿中采用冻结法建筑井筒。冻结法诞生100多年以来，已广泛应用于矿山、地铁、隧道、基坑、边坡等许多工程建设中，显示出其独特的截水性和可靠性。我国采用冻结法施工技术至今也已有40多年的历史，主要用于煤矿井筒开挖施工，其中冻结最大深度达435m ，冻结表土层最大厚度达375m 。自1992年起，冻结法工艺被广泛应用于上海、北京、深圳、南京等城市地铁工程施工中。

随着城市化进程的加快，人们对地下空间的开发和利用是越发的重视。对于地下空间各种复杂的工程地质和水文地质条件（如软土、含水不稳定层、流砂、高水压及高地压地层），在如此复杂的环境下施工，就经常使用冻结法技术。

冻结法的定义是利用人工制冷技术，通过埋设在在地层中的冻结管带走地层中的热量，使地层中的水结冰，天然岩土变成冻土，形成具有较高强度和稳定性的冻土帷幕以隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻土帷幕的保护下进行地下

工程掘砌施工的特殊施工方法。

2 基本原理及其特点

2.1 冻结法基本原理

使用冻结法来加固地层主要是利用了冻土具有强度高、可隔水的性质。在含水土体中将低温的制冷介质送入人工埋设的冻结管，在冻结管内循环冷媒剂，通过热质交换带走土体中热量，使地层中分散的颗粒水冻结凝聚，将天然岩石中的颗粒水凝聚而逐渐形成拥有一定耐受力的冻土壁，在隧道周围，封闭而介质连续的冻土在冷凝中逐渐形成型，对隧道周围土体在施工期间的弹性模量和土体应力情况有了改善，对其土体的力学性能如抗剪强度、抗压强度和稳定持续性进行了优化，以抵抗土体侧向的动荷载和土体中不均匀力导致的侧向压缩，并将地层中的水与导挖土层剥离开，起到承受荷载和封闭防水作用，在冻土壁的维护下提供了进行地下空间安全施工的条件。

2.2 冻结法特点

在地铁隧道的施工中，工程地质和水文地质的评估和解析都是作为安全设计中最为重要的，因为地下工程的设计和施工都必须依赖于地质勘察说明书；而在地下的安全系数和土样的环境数据未知的情况下，冻结法对于土质的含水量标准几乎没有要求，而在含水量相对饱和的土层中，冻结法的效率与其他支护形式相比，就有了比较明显的优势。冻结法具有适应性强、安全可靠、无污染的优点；能够适应各种复杂的工程地质和水文地质，其冻结管布置具有任意性，用作地层加固时，冻土壁形状不受加固场合的限制。同时，冻结法也存在以下缺点：（1）冻结时引起地层胀起，融化时引起地层沉陷；（2）当地下水含盐量过高及地下水流速过快时，难以冻结；（3）需要较大功率的电源；（4）工期较长，造价相对较高等；其中特别是冻土在融化时因排水固结引起的融沉，会对环境带来较大危害。

由于在一般情况下，冻结法采用室外砂浆砌筑的方法，其砂浆不掺外加剂，砂浆在有一定强度后砌体很快冻结，融化后砂浆强度接近于零，当气温升高转入正温后砂浆的强度继续增加。由于砂浆经过了冻结、融化、再硬化的三个阶段，其强度会降低，同时也减弱了砂浆与砖石砌体的粘结力。结构在砂浆融化阶段的变形也较大，严重的影响砌体的稳定性。故规范规定在下列工程不允许采用冻结法施工：（1）空斗墙；（2）毛石砌体；（3）砖薄壳、双曲砖拱、筒式拱及承受侧压力的砌体；（4）在解冻期间可能受到振动或其他动力荷载的砌体；（5）在解冻时，砌体不允许产生沉降的结构；

3 施工中的关键问题及其分析

冻结法在地铁隧道工程的运用中，常遇见冻结管管壁破坏、地铁隧道管片损坏、冻土帷幕故障、冻胀和融沉等情况；要想合理安全地运用冻结法，解决上面的关键问题是最为重要的。

3.1 冻结管管壁破坏

冷凝管在冷冻墙中处于三相应力状态，在早期的开挖时，冻结壁受力处于平衡，冷凝管在冷凝降温过程中的盐溶液由于降温速度快，管壁在这过程中急剧收缩，沿管的纵向产生应力，在热量吸收和释放过程中管壁的应力出现失衡，再加上疲劳应力作用下导致管壁破坏。

在冻结过程中，管的端部冻结，而其他部位的冷凝之后，冷凝的延迟使管壁

的温度差异下、在土体不同温度的膨胀性下会产生剪应力。在黏土层、砂层与硬石层介面之间，由于热应力所产生的形变差，在土层交界面处的冷凝管壁最容易发生破裂，因此：（1）溶液的介质应相对均匀。在对冷冻管进行加液中，盐溶液需要进行均匀充分地搅拌，以免在后续的冷冻过程中，由于溶液的溶解度下降而导致溶剂析出的情况；（2）设备用电以及设备运转。在施工期间，应尽量防止停电停机的情况，确保供电系统正常和设备正常，在设计初期应考虑备用电力系统，防止因电力不足影响冻结效率；（3）溶液温度的控制。溶液的温度应循序渐进，在冻结之前应对设备进行预热，以免机器瞬间的功率过大影响土体和冷凝管受温度影响导致热应变。

3.2 地铁隧道管片损坏

管片损坏有两种情况，钻孔对管片造成过大损伤和开挖时拆除部分管片使管片丧失完整性，导致管片的过大变形甚至失稳。

过密的冻结孔布置方案难免会切断过多的管片主筋、破坏结构的完整性，对管片造成过大损伤。开挖时拆除部分管片使管片环丧失完整性，造成隧道开口处出现较大应力集中，导致管片的过大变形甚至失稳。

3.3 冻土帷幕故障

1）冻土帷幕形成不足

形成的冻土帷幕不满足要求的原因有冻结冷量不足、冻结管缺陷、冷量流失、地层冻结温度低和难冻地层等。

冷量不足是由设计制冷量不足、制冷设备效率不足、冻结器盐水流量不足等原因造成的。制冷设备效率不足一般是机器本身存在的问题，也可能是由于高温季节冷却水温度过高导致制冷效率下降导致。盐水流量不足的原因可能是盐水配给不合理，也可能是冻结器意外堵塞或冻结器内残留空气。

冻结管缺陷主要是由钻孔偏斜或设计不合理造成的，一般表现为间距过大或长度不足。

产生冷量流失的原因一般有结构散热、地下水流速过大、地层中有高导热的异物和异常热源，其中结构散热最为常见。结构散热可能导致冻土帷幕温度过高、冻土帷幕与结构之间的胶结面积不足和两者之间的胶着强度不足。

地层冻结温度低指地层结冰的温度比预料的低，导致冻土帷幕厚度小于设计厚度。这种情况多发生于黏性土和含盐土层。

难冻地层指地层冻结发展速度过低，不能在计划时间内达到设计要求。

2）冻土帷幕恶化

冻土帷幕恶化的主要原因有盐水泄漏、结构散热、冻土开挖面散热、异常热源和冷冻机导异常停机等。

盐水在冻土中泄漏会引起冻土融化。盐水泄漏可由于冻结管缺陷（如接头焊缝质量）和冻结管断裂而发生。冻结管断裂的原因可以是:冻土帷幕变形过大、冻胀过大、开挖变形过大、开挖损伤和冻结孔成孔弯曲导致的冻结管变形应力过大。

结构散热主要是由于保温层失效、高温空气对流和表面冻结管（冷排管）失效等因素造成的。结构散热引起的冻土帷幕恶化不仅表现在冻土帷幕温度升高、体积减小，更具有危害性的是减小冻土帷幕与结构之间的冻着面积和降低两者之间的冻着强度。

冻土开挖面散热也是引起冻土帷幕恶化的一个因素。开挖面使冻土帷幕接触空气对流而温度升高，从而强度降低。当开挖面暴露时间过长时冻土帷幕较大程

度恶化的可能性增大。

异常热源（如混凝土水化热、高温管道、温泉等）的热侵蚀也会引起冻土帷幕恶化。

冷冻机异常停机供冷中断时间过长也必定恶化冻土帷幕。

3.4 冻胀

冻胀现象是自然规律。在冻结过程中会因土体冻胀而引起冻结管断裂和地下结构变形破坏，前者有可能造成冻土帷幕薄弱区进而导致冻土帷幕失稳，后者可能影响到地下结构的使用寿命。其主要原因有冻胀敏感地层、冻结时间过长、冻土体积过大和冻胀控制措施不力。

冻胀敏感性地层是发生冻胀的必要条件，对地层的冻胀敏感性认识不足是冻胀超出预料的原因之一。冻结时间过长必将产生过大的冻土体积，导致绝对冻胀量越大，这在施工中最为常见。

3.5 融沉

冻土的融沉是一种自然规律。冻结法在支护工作完毕后，凝结土将会出现融沉，从而影响周围土体。由于土的融沉幅度和土层的构造、土粒的颗粒形态密集程度有着紧密的联系（其中面状、片状构造相对来说融沉量较大），因此在施工前应对可能出现的融沉量进行预测和分析；目前主要通过在冻土融后注浆来控制融沉，因此注浆措施的执行出错是发生融沉事故的最主要原因。一方面，若采用冻土自然解冻、跟踪注浆的措施，由于自然解冻时间较长，工程中往往缺乏长期跟踪注浆的条件。若采用强制解冻措施，虽可大幅度缩短注浆周期，但工程中往往因为解冻进程监测数据的缺乏，使注浆不能保证准确到位。另一方面，由于各种条件的限制，难以将注浆管布置到最佳位置，在整个冻结区不能保证注浆的充分进行。

4 结论与展望

冻结法作为地铁隧道工程中工法的新宠，在施工过程中，难免会因认识不够深刻、准备不够充分而难以处理一系列的问题，所以，我们要加多了解以往的案例，对冻结法施工中遇见的问题和处理方法进行整理分析，为以后冻结法的运用提供更加完备的知识。并在施工准备期间、施工期和施工后续阶段应进行有效地管理，对于施工的进展和情况能够有比较全面地了解，对可能出现的状况进行预测，并对可能发生的一些情况进行分析和评估，最后通过整理数据和勘察报告制定方案和应对措施。

5 对该课程的体会和意见

我本是一个城市地下方向的学生，在进行了半个学期的《地铁与轻轨》课程后，对地铁隧道的相关知识有了进一步的了解，增加了我对本方向的了解和相关知识的兴趣，如地铁与轻轨交通路网的规划、结构设计、施工方法和一干设备系统等。相信在以后的工作学习中，这些认识都会起到应有的作用。

在这半个学期的学习中，田老师交得很好，上课耐心讲授相关知识，下课作业加深对所学知识的印象。在此提出一点意见吧，希望田老师在以后的讲课中，可以让同学自学部分内容，让后同学讲解自己对相关内容的理解，这样，既锻炼了同学们的自主学习能力，又能提高同学们的胆识，同时也为以后的上台演讲提供了锻炼机会。相信，有了如此的锻炼，以后的毕业答辩就不是问题了。

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