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冻结法在盾构隧道的应用
冻结法在盾构隧道中的应用
翁家杰王朝晖
摘要本文第一简要叙述丁冻结法的进展历史进程,举例分析丁冻结技术在国际盾构隧
道工程中的应用情形,并对其大体理论及应用的若干技术问题迸行丁较为详细的论述。
一、冻结法的进展
冻结法是利用人工制冷技术,使地层中的水结成冰,把天然岩土变成冻土,增加其强度和稳固性,以隔间地下水与地下工程的联系。
在冻结壁的保护下进行地下工程掘砌施工,是一种有效的特殊施工技术。
19世纪60年代,冻结法第一应用于英国南威上的建筑基础工程。
1883年,徳国工程师波茨舒(F.H.Poetsch)在阿尔巴里得煤矿采用冻结法施工深103m的井筒,并取得专利:
引发工程界的关注。
随着地下空间的慢慢开发利用,新工程的不断出现,增进了冻结技术的迅速进展。
近几年来,冻结法已进展成为一门较为成熟的特殊施工技术,被普遍应用于水利工程、地基基础工程:
隧道工程和矿井建设等工程中。
目前世界各国应用冻结法凿井的最大深度见表1。
冻结法凿井的最大深度表1
国名
何二
英国
加拿大
波兰
比利时
徳国
俄国
法国
中国
最大冻深,m
338
930
915
725
638
628
620
550
435
冻结法在我国起步较晚,但进展速度却专门快。
自1955年开滦矿区应用冻结法凿井以来,现已在12个省区推行,共施工360多个立井井简、斜井井筒和风道口等,冻结总长度约6万米。
冻结法已成为我国通过不稳固冲积层和裂隙含水层的主要施工方式,专门是自1675年以来,冻结工程量有较大的增加,年平均冻结长度达2300m。
本世纪60年代,液氮冻结法的出现为冻结法的进展历史揭开了新的一页。
由于炼钢工业和空分技术的进展,大量的制氧副产品氮气通过液化取得的液氮已被应用到实用的工业领域和国民经济部门。
液氮在常压下沸点为一195.8°C,气化潜热为kg,氯的显热为1.05J/(kg・k)。
液氮对震动、热和电火花是稳固的,且没有侵蚀性。
其良好的理化性质使之成为一种比较理想的制冷工质。
和传统冻结法的氨循环、盐水循环、冷却水循、一环组成的复杂系统相较,液氮冻结系统简单,具有低温、快速和高强的特点°1992年中煤特凿公司、上海隧道公司和中国矿业大学合作完成上海地铁1号线151井以北软上盾构隧道的贯通工程,实现了液氮冻结在我国的第一次工程应用。
二、盾构隧道冻结辅助工法
1825年,英国在太晤士河下第一次采用盾构法修建第一条水下隧道。
至今盾构施工技术已普遍应用于软上隧道的施工中,并取得了明显的技术进步。
本世纪60年代盾构的机型取得迅速的完善和进展。
70年代我国泥水平衡盾构和上压平衡盾构的应用,使隧道开挖而的稳固性得以保证。
80年代的大型网格挤压式盾构已被成功地用于上海延女东路越江隧道工程中,推动总长1476m.盾构法作为软上地层大直径、长距离隧道的主要施工技术之一,已被世界各国所普遍采用。
据80年代的统汁资料,盾构隧道中的12%作为地铁或水下交通隧道,13%作为电力、通信电缆隧道,作为供水管道的占25%,50%的盾构隧道用于排水通道。
由于盾构隧道直径的增大、埋深的加大和盾构机型的复杂化,冻结法的应用愈来愈多,在诸多的辅助工法中,苴应用比重日渐增大。
这是因为与井点、电渗、注浆等方式相较,冻结法具有以下特点:
1.冻结法适用于复杂的地质条件,冻土强度高,阻水效果好。
2.适用于多种情形下工程的施工。
施工方式灵活,大至整块街区,小至局部抢险都可采用。
3.冻结法对地层、地下水和周囤环境的影响较小,不产生污染,不产生超负荷的噪声。
4.冻结加固上体的效果可按照工程设计要求,在施工进程加以人工控制,从而达到令人满意的效果。
冻结法是土层的一种物理加固方式。
它是一种临时加固技术。
当工程需要时冻上可具有岩石般的强度,如不需要强度时、(当盾构推动时,刀盘切'削范国内的土层),又能够采取强制解冻技术使其融化。
因此,冻结辅助工法是一种既靠得住又灵活的施工方式,尤其适用于我国东南沿海软土盾构隧道施工中利用。
分析活着界上一些国家应用的实例,将盾构隧道的冻结辅助工法的应用可归纳为以下几个方面:
1.盾构进岀洞时土体的加固
盾构进、出洞时,经受着工作井周用上体产生的庞大土压和水压的转变,可能致使涌水和上体坍塌。
目前,咱们常常利用旋喷技术或注浆法加固丄体,效果不十分理想,常常碰到注浆不均匀和盾构刀盘切割浆液结石体等困难,而冻结辅助工法却能有效地解决这些问题。
日本东京环7线2号调节水仓盾构隧道的岀洞作业采用冻结辅助工法。
该水仓分两期建成总容量540,000m\以避免Kanda河水泛滥。
直径13.94m的大型盾构从深60m的工作井岀洞,其周围是砂丄层。
盾构出洞前对上体进行冻结加固处置(图1)。
冻结管采用水平和垂直两种布苣方式,冻结65d后,冻土温度达到一20°C以下,冻结壁厚达到4.3m,(图2)(略),安全系数为2,知足安全施工的要求。
同时辅以注浆法加固,英厚度为5.2m,总加固上体厚度为9.5m,保证了盾构完全出洞以后,其盾尾也处于稳固上体的保是护之下。
平面图
图1东京环7线盾构隧道出洞冻结示用意
另外,东京森崎污水处置场的盾构出洞、日本千叶县市川市江户川的排水隧道、名古屋知多武平町输电线隧道和日本某热电站冷却水排放隧道的盾构进洞,均采用了冻结辅助工法取得成功。
2.盾构隧道地下或海底对接时人体稳固
最近几年来,世界上许多国家的盾构隧逍采用对头掘进,从而缩短工期。
除采用立井对接方式之外,还常常不开凿立井而在地下或海底宜接对接。
这对于在水下施工或建筑浓密、交通拥堵、地价高的市区施工有着超级重要的意义。
采用冻结法加固对接区域,实为安全靠得住的补强堵水方式。
日本大阪东南部的排水隧道直径6.5m,位于地表以下23.44m处。
该盾构隧道总长8.5km,划分5个区施工,其中两区施工的对接采用冻结法地下对接。
冻结管以长、短两种管在对接区域周用按圆锥而布置,长管8.2和7.7m,短管3.6m和3.3m,冻结土体1100m\确保盾构隧道如期顺利贯通(图3)(略)。
由于采用地下对接,免去工作井的开凿,使工程造价降低13%。
东京污水处巻大1+1干线的地下对接和莫里嘎萨基(Morigasaki)与那姆比(Nambui)排污隧道的海底对接均采用了冻结辅助工法。
经实践证明,冻结法是用于对接的一种安全靠得住技术,可有效地降低工程本钱。
3.城市地铁泵房、旁通道和急转弯部份的施工
现代城市地铁安全设计要求,大约间距lkm左右时,需在并排隧道间设立泵站。
另外,地下工程常常碰到旁通道和急转弯部份盾构施工困难的情形。
它们具有施工距离短、形状不规整等特点,采用盾构施工困难,在经济上亦不合理,因此,日本、美国、英国等国,常采用冻结法对周围土层加固,然后以矿山法掘进。
日本京都地铁泵房位于鸭川河周用,处于砾石层中,该地层含水量丰硕。
专家通过量种方案的分析比较,决左采用冻结法。
在竖排水井周用布程重直冻结管,泵房底部布置料冻结管,形成“V”形圆锥面封底,同时,在泵房的周用上层埋设附加冻结管,以增强两帮和提高阻水效果(图4),布置的冻结管总长2516m。
工程采用2台150kW的螺杆冷冻机,盐水工作温度维持在-25°C〜-30C之间,冻结工期13月,冻土体积共il-1650m\施工进程中土体向上发生最大冻胀量为25mm,侧向冻胀量17mm,完全知足工程设讣安全的标准。
平面图
图4京都地铁泵房冻结示用意
4•盾构隧道涌水、坍塌事故的冻结修复
盾构隧道施工发生涌水、土体坍塌等突发性事故时,利用液氮冻结快速、低温和髙强的特点,可迅速在短时刻内有效地处置事故。
该技术日趋成熟,已被世界上许多国家采用。
意大利波太兹(Poicnza)的一项输水隧道工程,成功地运用液氮冻结技术处宜了一路严峻涌砂事故。
该隧道采用直径6m的全自动盾构施工。
当盾构掘进2630m时,发生严峻的涌砂事故,共讣涌入泥砂6000m\完全掩埋了盾构。
该地域水文地质条件复杂,土层中赋存大量的孔洞,而且水压较大,采用注浆法处宜未能奏效(图5)
图5AgriSauro隧道事故破坏示用意
专家通过度析研究,决左釆用液氮冻结技术修复隧道。
第一在距盾构50m处砌筑混凝上墙,封锁隧道,避免涌砂进一步扩展。
在安装冻结管工作之前,对渗漏段土体进行注浆处置。
增大体的密度,提高冻结速度,尽快形成致密稳固的冻结壁,确保在70m水头作用下的水流不进入隧道。
冻结管沿隧道的轴向略倾斜布置36根24m长的冻结管,形成厚的锥形护壁(图6)。
在事故处苣进程中,平均每立方上体消耗液氮12001。
冻结工作中还采用了套管钻进、增强支护和温度监控等办法,使冻结施工达到了令人满意的效果。
图6冻结管布置示用意
三、土层人工冻结的基础理论
1.冻结温度场
在冻结进程中上层温度随时刻而转变,这是一个相变、移动边界的、有内热源的、边界条件复杂的不稳固导热问题。
现有解析法、模拟法和数值法三种解决问题的途径。
目前比较有效的是数值近似法,主要为有限元法和差分法。
通常将冻结工作的研究对彖视为均质持续的,导热方程经坐标变换为:
(t>0,0 式中tn—一温度散布,9 n——表示岩土状态,如n=1融上: n=2冻土: T——冻结时刻,S; 了一一圆柱坐标,以冻结壁的圆心为原点(图7) An、Cn——表示导热系数和容积比热。 液氮低温快速冻结,通过推导有限差分近似方程成立热力模型,采用运算机模拟,可取得该情形下冻结进程温度场的转变、零度等温线的推移、冻上扩展速度和冻结壁平均温度等重要参数。 2.冻结冷量 冻结冷量是冻结理论研究的重要部份,为冻结站的设计和冻结工作提供科学依据。 冻结冷量由下式决定: Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5 (2) 式中Q-lm3岩上从原始温度to降到冻结温度;所需冻结冷量,KJ/m3; Ql-ln? 岩土中水从原始温度to降至结冰温度id(—般为0°C)时放出的热量: Qi=WCw(to-td)Pw W-土中含水量,% Cw冰的比热,(kgK); pw-水的密度,1000kg/m3; to-岩土初始温度,°C: Q-lm3岩上中水结冰时放岀的潜热量: Qi=W-%)〃 L-单位重量水结冰放的潜热量,336KJ/kg; Wu—冻土中未冻水含呈: ,%: Qs—lm3冻上中冰由冰点降至冻结温度所放岀的热量: Qi=(W-Wu)Cipi(td-'i) Ci—冰的比热,(kg・K); Pi—冰的密度,900kg/m3; [冻结温度,即冻结壁的平均温度,°C; Qy1nF岩上颗粒由to降至: 所放出的热量: Q4=(\-W)Csys(t0-t) Cs—土颗粒的比热,KJ/(Kg-K); 、$-上颗粒的比重,KJ/nP; Qs-lm3冻上所肯泄降温区内岩上和水降低温度所需的热量: Qs=V^tlCsyx(1-W)+Cwp^vW] V-lnP冻上所肯上的降温区岩上体积,nP: △t-降温区岩上的降低温度平均值,*C 3.冻土强度 冻丄的强度指标有抗压强度、抗剪强度、抗拉强度和其流变特性等,它们受冻上温度、含水量、颗粒组成、矿物成份、荷载作历时刻和冻结速度等因素的影响。 在工程中常常利用冻上的坑压强度,它的值一般随英主要影响因素冻土温度的降低而增大。 但冻上温度降到-70°C〜80°C以下时,其强度呈下降趋势(图8)。 冻上具有塑性和变形疑大的特点,发生塑性流动时,其残余强度约为峰值的30%〜25%。 由于实际工程中冻结壁是非均质、非对称、非均压的复杂结构体,试块的力学性质已不能知足冻结壁的设计要求,故常常采用冻结壁模型实验和理论分析计算的方式探求冻结壁整体强度及其稳固性。 图8冻上的应力一应变关系曲线 4.冻结壁结构的力学模型 在我国矿井建设中,一般按强度极限状态汁算冻上结构。 100m之内的井筒采用拉麦公式计算,把冻结壁视为弹性厚壁圆筒;100m以上的探井采用多姆克公式,冻结壁被视为弹塑性体或塑性体。 而盾构隧道工程中的冻结土体常视作弹性体。 盾构出洞时冻结加固土体以水平圆筒体处置,将其视为自由支撑的厚板,通过计算加固土体中n-n断面经受的最大弯曲应力,控制加固土体的外形尺寸(图9),如下式 f=Paf? » 图9盾构岀洞冻结加固体的力学结构图 '=(3) 式中E-土压与水压之和(土压利用朗金公式计算); r-D/2; D-盾构的直径: (八冻结加固体的变曲坑拉强度; K-安全系数,。 图中f>,f>t/2<. 地下盾构隧道对接时,冻上体常按固端梁受弯进行计算,采用经验安全系数对结构设计强度进行工程验算。 四、盾构隧道冻结若干技术问题 1.1.冻胀与融降 城市隧道冻结进程中存在两个比较突出的问题就是冻胀与融降,过量的冻胀与融降量均会对城市地而建筑、交通和地下管线产生严峻的破坏作用。 冻胀的机理是上体中的水冻结成冰时体积增大9%,同时丄体中产生水压差,地下水向冰结邮而迁移,致使冻胀现象愈来愈显著(图10)。 当冻上融化时,体积减小,又会产生较大的土层沉降。 图10冻胀形成机理图 通过比较分析可知,不同上质条件下冻胀与沉降量是不同的,粘土的变形量专门大,粉砂、砂次之;融降量一般大于冻胀变形虽: 。 虽然它们对工程的影响较大,但并非是不能控制的。 由于冻胀必然产生对结构物的压力,日本东京环7线盾构出洞的冻结施工中,采用压力释放孔的办法,使冻结压力降低约40%o最近几年来,通过人们的不断探索,已形成一套比较成熟的技术。 压力释放孔、注浆充填、工作而释放水和强制解冻等均取得了专门好的效果。 日本两项冻结工程中实测的冻胀与融降量见表2。 隧道冻胀与融降量的实测值表2 工程位豐 参数 东京都下水道大ED干线 大阪排水隧道 按合点上路面 隧道底而 (距地表24m) 按合点上路面 隧道底面 (距地表30m) 冻胀S(inm) 11 120 7 52 隔降虽(mm) 26 200 35 280 2.2.冻土扩展 在冻结工作中及时监控冻土的扩展情形,可保证盾构的顺利推动。 我国煤矿冻结工作经 验已总结岀冻上扩展速度的规律,它与上质条件有关,见表3。 你石层冻结速度最快,砂上次之,粘土层最小。 冻结壁的冻结时刻可按下列经验公式计算: T=n・Ed/V(4) 式中t-冻结时刻,d: Ed-冻结壁设讣厚度,mm; n-冻结壁向内侧的扩展系数, n=〜; V-冻结壁向内侧的平均扩展速度,mm/d 日本大阪输水隧道的冻结扩展情形(图11),表明砂上的冻结速度大于粘上。 冻结前25d的冻结速度较快,以后冻结壁的厚度随时刻成线性增加。 日前,盾构隧道的冻结工作采用理论计算进行冻结设计,理论汁算结果较好(图12)o然后在冻结进程中通过铜一锚铜热电偶监测冻丄的扩展情形,可取得令人满意的效果。 日本大阪输水隧道的冻结扩展曲线图 图]2 3•地下水对冻结的影响 一般地下水的自然流速比较小,但通过人工钻孔抽水以后,地下水流速往往大于5m/d,影响冻结壁的正常交圈,对冻结工作产生专门大危害。 下列冻丄圆柱的热平衡方程,用于分析地下水流对降温度的影响(图13) 地下水使上层降温区延长,推延冻结壁的交圈时刻。 采取缩短冻结管间距的办法,在必然程度上可减少地下水的影响(图14) 图14临界地下水流速度与冻结管间距的关系曲线 2水心-『1)=80勿匚水2心5+欣;GPiX +厶&\c2p2(l-n)+C^p^n\\t2 +LV\c2p2(l-n)+C^p^n^i3(5) 式中 V—地下水流速,m/d; —地下水流动引发的延长区的平均降低湿度,°C K—每米冻丄圆柱的热导系数: Kg/md-°C; n—土的孔隙率,%; R2—冻土圆柱半径,m: p*、pi、P2别离为水、冻结岩土和非冻结岩土的比重,kg/m3; §—冻土的扩展速度,m/d: C木、Ci、C2—别离为水、冻结岩上和非冻结岩土的比热: L—两冻结管的间距,m; △“、Al2.冻结一天时冻结岩土平均降低湿度、降温区平均降低温度和延长区平均最 低湿度,°C &—与冻土圆柱直径相应的降温区域长度,m。 最近几年来,人们通过钻探取(芯)、物探测井法等预选了解地质条件,设置水位观测孔观测地下水。 采用注浆充填法等减小地下水的流速,以处宜地下水流条件下的冻结问题。 由于液氮冻结技术日趋成熟,人们逐渐利用其快速,低温和高强等特点来处置涌水、涌砂等紧急事故,但液氮冻结大流速地下水条件下的规律还有待于进一步的研究。 五、结论 冻结技术作为临时加固上层、阻隔地下水的一项较为成熟的技术,以英良好的可控性,已逐渐引发世界齐国工程界的重视。 此刻日本、美国、俄国、英国等地下工程比较发达的国家,已成功地将冻结法与盾构施工结合起来,解决了许多软土隧逍的工程问题,近几年,我国实行改革开放,经济举步腾飞,上海、广州、天津等大城市以地铁为主的地下隧道取得快快速进展,冻结技术作为盾构隧道施工的辅助工法具有广漠的进展前景。 摘自《上海隧道》1995/3
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