大型地铁隧道局部垂直冻结加固技术研究.pdf

广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年7月第30卷 第7期JUL 2023Vol.30 No.7DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.07.007作者简介：孙钦帅（1986-），男，硕士，工程师，主要从事冻结法工程技术、全过程工程咨询研究。E-mail：冻结法通过人工制冷技术将地层中的自由水结冰，从而形成抵抗地压并隔绝地下水的封闭式冻土体 1-2。我国首次成功应用冻结法凿井技术在1955年3，此后冻结法在矿井建设中得到了广泛的应用，随着我国城市轨道交通和地下工程的蓬勃发展，冻结法被逐步引入市政工程领域。最初冻结法主要应用于联络通道和端头井的小型冻结工程中，用于封水和承载4-7。但随着冻结法被业界的广泛接受，越来越多的大型工程逐步开始使用冻结法进行加固8-11。但由于市政工程中的冻结法往往具有埋深浅、管线多、风险高的特点，因此如何有效开展大体量冻结工程一直是困扰施工者的重要问题。有鉴于此，本文以广州某大型地铁隧道为工程背景，对其局部垂直冻结加固方案进行介绍，探讨了对大体量、长距离、高风险地下工程进行冻结施工的可行性。相关结论和数据对类似工程具有一定的参考意义。1工程概况广州地铁3号线北延伸段某施工隧道设计全长59.26 m，为单洞双线曲线隧道。本段隧道拱顶覆土厚度约 7.638.08 m，为超浅埋隧道。该段隧道为曲线段，曲率为 R=400 m。由于隧道一侧为运行车站，不具备大型施工条件，且地面为机场空管中心，地面有通行需求，同时加固区上方有数根军用通讯光缆等限制，因此不具备明挖条件。综合考虑隧道断面形式、埋深及所处地质条件，最终决定采用地面垂直冻结法加固+矿山法暗挖施工的方法进行施工，从而减少对地面交通的影响。本项目暗挖隧道所处地层主要为 4-1 含砂粉质粘土、3-3 细砂砾砂、9C-2 含砂粉质粘土地层。暗挖隧道宽为12.6 m，高为8.82 m，底板埋深约为16 m。根据地勘资料显示地下水水位平均埋深为 2.59 m。隧道所处 3-3 细砂砾砂层渗透系数为515 m/d，为高渗透性地层，施工中需严格注意防水。2冻结方案设计2.1冻结壁设计参照以往浅埋冻结工程施工经验，初步选定两侧及顶部冻结壁厚度为3.0 m，其中底部冻结壁厚度为4.0 m，冻结壁平均温度为-10。通过有限差分法对埋深最深截面的冻土帷幕受力与变形进行计算。计算模大型地铁隧道局部垂直冻结加固技术研究孙钦帅（北京北咨工程项目管理咨询有限公司北京100025）摘要：大型地下工程如何进行精准、可靠的冻结加固一直是困扰施工者的主要难题之一。以广州地铁3号线机场段隧道冻结加固工程为例，从冻结壁设计和冻结孔设计两个方面入手，介绍了大体量冻结工程的设计方法，并根据现场实测数据，对该工程冻结过程温度场演化以及关键技术指标的形成情况进行分析。研究结果表明冻结壁设计平均温度-10、厚度3 m（底部平底4 m）时，冻土帷幕的总体承载能力足够满足项目需求。在不具备明挖和水平加固条件下，垂直冻结技术的应用能够节约能量，有效降低了项目成本，也为后续类似工程的开展提供了参考依据。关键词：局部垂直冻结；大型地铁隧；设计方法；冻结效果中图分类号：U455.49文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）07-028-04Study on Regional Vertical Freezing Preservation for Large Tunnel of Civil Subsurface StationStudy on Regional Vertical Freezing Preservation for Large Tunnel of Civil Subsurface StationSUN Qingshuai（Beijing Becc Engineering Project Management Consulting Co.，Ltd.Beijing 100025，China）AbstractAbstract：Accurate and reliable freezing reinforcement of large underground engineering projects is one of the primary challenges for construction practitioners.Takes the freezing reinforcement project of Guangzhou metro line 3 airport section tunnel as an example，introducesthe design methods of large-volume freezing projects from two perspectives：freezing wall design and freezing bore design，and analyzes theevolution of layer temperature field during the freezing process and the formation of key technical indicators based on field experimental data.The research results show that when the average temperature of the freezing wall is-10 and the thickness is 3 meters（4 meters at thebottom），the overall bearing capacity of the frozen soil curtain is sufficient to meet the project requirements.Without the availability of excavation and horizontal reinforcement，the application of vertical freezing technology can save energy，effectively reduce project costs，and alsoprovide reference basis for the development of similar projects in the future.Key wordsKey words：regional vertical freezing；large underground metro tunnel；design method；freezing effect28孙钦帅：大型地铁隧道局部垂直冻结加固技术研究JUL 2023 Vol.30 No.72023年7月 第30卷 第7期型及相关结果如图1和表1所示。根据设计要求，采用许用应力法对冻结壁应力状态进行分析，其中安全系数采用冻结法技术规程规定的类冻结壁相关数据选取 12。从计算结果中可以看出，冻结壁平均温度-10、厚度3.0 m（底部4.0 m）时，冻土帷幕的总体承载能力足够，冻土帷幕两侧及底部有应力集中，但应力值小于强度值，且各项安全系数满足要求，因此认为该设计参数合格。2.2主要设计参数根据隧道冻结壁设计的形式和特点，决定采用局部垂直冻结方案。其中非冻结段的冻结器采用双套管填充保温材料的处理方案，从而减少该区域的冷量传递。为保证冻结壁的形成，将冻结孔的布置轴线与开挖隧道中心线平行，并布置9排冻结孔：A排I排。排间距：外侧两排（A-B排，H-I排）排间距1 800 mm；其他排间距为 2 1502 225 mm。冻结孔布置形式如图1所示，具体设计参数如表2所示。3施工效果分析3.1制冷方案确定由于本工程冻结体量较大，冻结管数目众多，为了减少运转体量，将冻结加固区域划分为两个独立的区域和。冻结施工中，首先将区接入盐水循环系统进行积极冻结，同时对区倒排工期，待区开挖至距离区工作面50 d（积极冻结45 d，冗余考虑5 d），将纳入冻结系统，进行正常冻结。3.2盐水温度情况本工程于 2017 年 1 月 24 日开始积极冻结，至2017 年 4 月 12 日，盐水温度降至-27.25 （去路）、-25.43 （回路），干管温差为1.81，满足设计要求，冻结过程中盐水温度变化如图2所示。由图2可知，积极冻结初期盐水温度迅速下降，后期在-20 出现了一定的稳定，随后积极冻结 30 d左右进一步下降至-28 左右，其中第5058 d左右出现的温度上升是由于区冻结管开机所造成，后续温度迅速回降至-28 左右。整个冻结过程基本满足要求。3.3测温孔的布置冻结段共设计5个测温孔其中，2个位于A、排孔的外侧界面，2个位于开挖断面内，1个位于冻结段端头，深度与相邻冻结孔相同。温度测点布置如图3所示。数值计算结果图1数值计算截面及其结果Fig.1The Numerical Calculation Cross-sections andthe Results（mm）计算截面1800A保温段冻结管冻结壁边界非保温段冻结管2225B2225C2150D2150E2225F2225G1800HI136598376757363915123337930808334670648424439419840008820135694230300044395073308067064842833441983379837675736391表1冻结壁结果统计Tab.1Frozen Wall Results Statistics项目计算值强度指标安全系数安全准则判别条件应力/MPas11.523.62.372合格s30.592.03.393合格应力tmax/MPa0.581.52.592合格表2主要冻结设计参数Tab.2Main Freezing Design Parameters序号123467891011项目冻结壁设计厚度/m冻结壁平均温度/冻结壁交圈时间/d积极冻结时间/d冻结孔个数/个有效冻结段冻结管规格/mm无效冻结段冻结管规格总需冷量/万kcalh/mm设计单孔盐水流量/mh测温孔个数/个冻结管长度/m数量拱顶及侧墙3 m，底板4 m-104045155f1084.5f894/f133322.85553 350图2盐水干管去回路温度变化曲线Fig.2The Temperature Variation Curve of theSalt Water Dry Pipe Return Loop进水温度回水温度1-7温度/日期10-1001-2520-202-113-1-303-194-74-2529孙钦帅：大型地铁隧道局部垂直冻结加固技术研究JUL 2023 Vol.30 No.72023年7月 第30卷 第7期3.4测温孔温度变化部分典型测温孔温度随时间变化曲线如图 4所示。各测温孔温度随时间逐渐降低，设计积极冻结末期冻结壁范围内的测温孔温度均已降为负温。通过T3测温曲线可以看出，在顶板段冻土内发展速度慢于底板段冻土发展速度，中间保温段冻土发展最慢，截止数据统计时间仍处于正温，说明通过冻结器的局部保温布置在一定程度上节约了冷量，并有利于隧道的开挖施工。3.5冻结壁分析3.5.1冻结壁发展分析 隧道顶板：-8 m处位于隧道顶板设计冻结壁内，A、I排在此深度设有保温层，无冻土；CG排群孔冻土发展速度以 26 mm/d计。测温孔分布位置、孔间距和冻土发展速度如表3所示。隧道侧帮：-12 m 处位于隧道中部，A、B、H、I排冻结管形成冻结壁侧帮，CG 排冻结管开挖断面保温，理想状况下无冻土。B、H 排孔冻土发展速度以32 mm/d计，测温孔分布位置、孔间距和冻土发展速度如表3所示。隧道底板：-18 m 处位于隧道底板设计冻结壁内，A、I排冻结管深度17 m，无冻土；BH排其余孔冻土发展速度以 42 mm/d 计，测温孔分布位置、孔间距和冻土发展速度如表3所示。从表3综合来看，可以初步判定计算时刻隧道顶板、底板和侧帮已交圈，封尾孔也已经交圈达到封水效果。隧道顶板正常段冻土平均发展速度为26 mm/d，底板冻土正常段发展速度为42 mm/d，是顶板发展速度的 1.6 倍，侧墙正常段发展速度为32 mm/d，速度居中。3.5.2平均温度计算根据冻结设计顶板、侧帮冻结壁厚度为3 m，底板厚度为4 m。根据测温情况，顶板、底板的冻结壁厚度均大于设计要求，采用面域作图法计算得冻结壁平均温度均低于设计的-10 要求；侧帮冻结壁平均温度采用双圈孔成冰公式进行计算，相关参数及结果如表4所示，按照B、H排孔间距和A、I排孔间距计算，平均温度均低于设计温度，满足设计要求。由表4可知侧墙和拱顶冻结壁厚度大于3 m，底板冻结壁厚度大于4 m；冻结壁的平均温度低于-10，满足设计要求。且环形冻结壁底板平均温度比顶板平均温度低4.78 左右。底板冻结效果明显优于顶板冻结效果。侧墙冻结壁平均温度为-11.17，明显高于顶板和侧墙计算结果，从实测角度分析，侧墙冻结器的流量和温度和其他冻结器并无明显差别，隧道开挖后实测侧帮温度达到-8，经修正后，侧帮冻土平均温度为-13.05。总体结果及后续开挖后测试表明成冰公式计算的平均温度与面域作图法比较还是偏向于保守。4结论 在不具备明挖和水平加固条件下，垂直冻结-8 m-12 m-18 m孔号T3T5T1T2T3T5位置C11D13F16G15H1I1A9A10C11D13F16G15孔间距/mmT3C11T3D13T5F16T5G15T1H1T1I1T2A9T2A10T3C11T3D13T5F16T5G151 1171 1131 2269657687961 0651 0851 1871 0481 253946Ti到0 时间/d393724532522冻土发展速度/mmd-128.5426.0832.0020.0941.9243.00冻结时间/d797979797979冻土半径/mm2 254.662 060.322 528.001 587.113 311.683 397.00表3冻土发展情况汇总Tab.3Summary of Soil Development图3测温孔布置示意图Fig.3Diagram Showing the Layout ofTemperature Sensing Holes图4T3纵向温度分布曲线（C11和D13之间）Fig.4T3 Vertical Temperature Distribution Curve（between C11 and D13）-1 0121-24温度/深度/m-211621531041151261371416 17 18 19820921 22 23 24 25048201-261-281-302-12-32-52-72-92-112-132-152-172-192-212-232-252-273-13-31-251-271-291-312-22-42-62-82-102-122-142-162-182-202-222-242-262-283-2C11T3D135.674.973.383.087.118.734.644.00T2T3T5T1 T430孙钦帅：大型地铁隧道局部垂直冻结加固技术研究JUL 2023 Vol.30 No.72023年7月 第30卷 第7期技术在大型地铁隧道中得以成功应用。得益于良好的局部保温，节约了能量，有效降低了项目成本。本工程中冻结壁设计平均温度-10、厚度3 m（底部平底4 m）时，冻土帷幕的总体承载能力足够满足项目需求，冻土帷幕两侧及底部有应力集中，但应力值小于强度值，且各项安全系数满足要求。但在实际施工中，部分区域冻结壁侵入开挖区域较为严重，因此后续施工中应根据实际钻孔偏斜对靠近开挖面一侧冻结孔进行适当冷量调控。富水地层中冻土顶板平均发展速度为26 mm/d，冻土底板平均发展速度为42 mm/d。侧墙平均发展速度为32 mm/d。环形冻结壁底板平均温度比顶板平均温度低4.78 左右。底板冻结效果明显优于顶板冻结效果，后期可进行优化设计，适当增加顶板冻结厚度，减小底板冻结厚度。参考文献1鲁先龙，陈湘生，陈曦.人工地层冻结法风险预控 J.岩土工程学报，2021，43（12）：2308-2314.2陈湘生.地层冻结法 M.北京：人民交通出版社，2013.3 李鹏飞.基于冻土正交各向异性变形的地铁隧道冻结期地层三维冻胀规律研究 D.淮南：安徽理工大学，2020.4李博，张盛林，张伟，等.兰州地铁联络通道人工冻结法温度场分析 J.特种结构，2021，38（5）：79-83.5 叶松明.地铁联络通道冻结法施工中的漏水抢险及后续修复关键技术研究 J.建筑施工，2018，40（12）：2132-2136.6王志鑫，胡俊，高林，等.盾构进出洞洞门环形冻结加固温度场数值分析 J.公路，2021，66（5）：316-321.7朱俊涛，孙盼盼，刘媛莹，等.富水粉砂地层杯形水平冻结法端头加固技术 J.施工技术，2020，49（10）：95-98.8袁宝远，王江，朱文白，等.排桩冻结法深基坑排桩监测水平位移校正模型 J.水利水电科技进展，2006（6）：58-61.9李小利.青岛隆基汇源基坑冻结法支护方案分析 J.北京工业职业技术学院学报，2007（2）：55-57.10 刘伟俊，张晋勋，单仁亮，等.渗流作用下北京砂卵石地层多排管局部水平冻结体温度场试验 J.岩土力学，2019，40（9）：3425-3434.11 刘波，陈玉超，李东阳，等.局部地层扩孔填充导热材料强化冻结试验 J.煤炭科学技术，2014，42（7）：5-9.12 王书磊，丁国胜，吴强.复杂工况下超长联络通道冻结法设计与施工 J .地下空间与工程学报，2021，17（6）：1894-1905.表4冻结壁厚度和平均温度计算Tab.4Calculated Frozen Wall Thickness and Average Temperatures序号123部位顶板底板侧帮依据T5T3T5T3双圈孔深度/m温度/深度/m温度/深度/m温度/深度/m温度/公式参数选取-9.07-1.50-9.07-1.31-20.80-11.00-20.80-7.93tc2=tc1+gstc1=tc0+tntc0=tb（1.135-0.352L0.5-0.785E-1/3+0.266 （L/E）1/2）-0.466g=-0.8，S=1.8，=0.25，tn=0，tb=-27，L=1.8，E=3.6-8.07-3.37-8.07-2.68-18.80-15.81-18.80-15.75-6.87-2.62-6.87-3.25-16.80-14.18-16.80-12.50-5.67-1.50-5.67-1.62-15.80-10.25-15.80-6.93冻结壁厚度/m3.43.45.05.0测温孔所在位置冻土柱纵向平均温度/-2.24-2.21-12.81-10.78盐水温度/-27-27-27-27冻结壁平均温度/-14.81-14.79-20.09-19.07-11.1731