地下工程冻结法施工工程实例

126 实例8：用于隧道支护中的地层冷冻法（隧道译丛1985-5）1．以往的应用在冻结的地层中开挖洞室，采用任何一种方法，有时总会遇到意外的困难。

而爆破法或许是一种有效的方法。

与岩石比较，当然冻结的材料不如其坚硬，但对于起爆点来说不存在裂化。

冻结的地层是致密和不透水的。

用人工法来冻结地层使地层更加坚固和密实，这一概念是在大约一百年以前产生的。

德国人首先采用在通过含水土层的矿山竖井施工中。

在瑞士第一次考虑采用这种方法要追溯到1908年对勒奇堡铁路隧道的病害处理。

当时松散地层伴随高压水意外地坍塌，水和碎石涌入开挖的坑道，大约充填了1km ，淹没了25个人(图1)。

为了定出沿隧道轴向劣质土体的长度，用一台德国冷冻压缩机从地表打下两个勘探孔，一直打下220米深，超过隧道底部，发现底下没有岩石，即确定出隧道的位置后，沿轴向必须要通过350米极坏地层。

若用冷冻压缩机从地表通过钻孔来冻结地层或许能够开挖，然而当时这样一种装置的造价超过一般通用的设备，造价昂贵。

因此，决定改变隧道方向，来一个大的拐弯，使隧道轴线不脱离密实的岩层。

这样就使隧道延长了约800米，但允许用常规的爆破法继续开挖。

在瑞士第一次真正使用冷冻法是1968年在翁格林(Hongrin ）属于水工用途的一个过水隧洞。

当时证明，在不得已的情况下冷冻法是最后一种可采用的手段。

由于隧洞完全位于岩层之中，又加上高压水的作用，使隧洞堵塞停工达两年。

在试用其它方法处理以后，在这种情况下求助于冷冻法。

围绕奥尔滕(Olten)铁路系统改建工程中，有一浅埋的博尔纳(Born)隧道已经施工。

部分位于粘土层斜坡上，由于覆盖层相当薄，冷冻是靠从地表垂直打下或多或少的管子来实现的。

2．米尔黑布克隧道最近的一个工程实例是在苏黎士市区的米尔黑布克(Milchbuck)公路隧道。

对于这个例子我们将比较详细地加以讨论，不仅阐述这—施工方法的特性，还要对如何解决与市区的正确位置有关的问题进行讨论。

米尔黑布克隧道在苏黎士市高速公路网内，是一条重要线路。

它从利马(Limmat)山谷通向米尔黑布克山，位于2.7％的坡道上(图3)，其中有1300米长的一段是用常规明挖法施工的。

上部位于泥灰岩和砂岩地层，不需赘述，剩下350米的一段通过冰积层，而更不利的127 条件是覆盖层很薄，而且隧道上方有很多建筑物。

由于公路有三条车道，因此隧道断面非常大，开挖断面为145`195平方米。

这样大的尺寸，再加上隧道与地面建筑物基础之间的距离又很近，有的地方还不到6米，因此，隧道开挖中引起的地面沉陷对于这些建筑物是相当危险的。

各种不同的施工方法已经被研究和提出。

当然，各种方法都不可绝对没有下沉。

最浅显的方法是以所谓“德国法”为基础提出的，但是由于地面不可避免地会出现沉陷的内在危险，必须在建筑物受影响前加固。

提出的第二种方法是地层冷冻法。

考虑到这些附加费用，并经过总结很多正、反两方面的经验，证明此法更经济而最后选用了。

第三种企图是采取盾构法施工，同样比较昂贵，但无需加固建筑物的基础。

128 3．调查研究隧道施工现场安装地层冷冻设备，特别是在米尔黑布克隧道这种困难条件下，需要有一个十分完整的现场调查，如图5所示的研究流程图。

这个问题不仅要考虑土层的力学性态、冰冻或非冰冻状态，而且也要考虑热的能量平衡问题，包括冷冻设备的容量等问题。

4．冷冻土（土力学）首先，进行土体的粒度的分类，定出土的干容重和含水量(图6)。

这种冰积层是一种粒径极不相同的混合体，大部分是透水性低的粉砂，由一些粘土提供粘着力，也有含水的砂和砾石以及石块或有时大漂砾。

为安全起见，选择了大面积细心的探测以供进一步研究。

单轴和三轴试验最适合于鉴定材料的强度和形变性能。

图7指出，同样的土体在非冰冻和冰冻状态下，特别是在约束压力低的情况下，它们之间的巨大差别。

荷载的增高总是伴随着压力也就是体积缩小。

相反地，峰值荷载试验停止时却标出了体积增大。

冰冻土层其残余强度仍然高出未冻结土层的两倍。

图7很难说是属于正常的弹性曲线，但形变模量能容易地弄明确，例如，在1％应变处。

在冰冻状态下，这个模量要大出六倍，当然冰冻的混凝土比松散土的刚度要大得多。

5．温度刚度和压碎强度根据温度而定，例如，图8所示，随着温度降低两者都升高。

借助于129莫尔／库伦理论，内摩擦角φ和粘着系数C 可以从三轴试验中得到，如图9指出，冰冻状态下的摩擦角小于非冰冻状态，但未发现与温度的特殊相互关系。

而粘着力与温度呈现明显的线性关系，仅在破碎强度以内是随着温度升高而变化的。

图10也可以看到同样的趋势，而且流程图也清楚地指出，干燥土体对破碎强度也有影响。

较粗颗粒的土层以及密实性较好的土层可以制备较强的冰冻混凝土，这种混凝土完全按照混凝土的工艺规程。

水的含量应该使接近饱和。

6．蠕 变众所周知，冰的蠕变很缓慢，在瑞土这个高山地区，有时会形成相当独特的构造。

因此，可以料到，以冰作为胶结成分的混凝土可以表示为一个与时间有关的变化过程。

正如图11所示的在不同荷载条件下位移随时间变化的情况。

在小于破碎强度下的荷载使它产生位移，约一天后位移减缓并逐渐趋于稳定。

我们知道蠕变过程分为三个阶段，而确定每一阶段的荷载是困难的。

（1）弹塑性变形；(2)粘滞性变形；（3）粘塑性变形直到破坏。

当荷载一接近破断强度，破坏出现相当快。

实际上第二阶段的线性变形可以忽略。

冰冻土层的变形与时间的关系，很多人对此提出了不同的数学模拟。

这些模拟是经验性的，是以试验为基础的，对内推短期试验是有助的。

无论如何对上述与时间的相关点问题用现场特殊土层所进行的试验是较有把握的，这样就使模拟成为多余的，不管怎样在参130 考文献中涉及这个问题。

下一步是对隧道开挖中作为临时支护的冰冻体进行设计，引入上述的土体参数进行静力计算。

7．施工程序在米尔黑布克隧道施工中，打算在隧道顶部搞一种冷冻防护屏蔽，这种冷冻屏蔽可根据现场实际要求来变化其宽度和厚度(图12)。

实际上，在整个上半圆，按照C 型屏蔽冻结了厚1.5米的冻层，在整个350米的冰积层范围内划分成11个冰冻段，平均每段长32米。

支护的步骤如下：（1）从隧道扩大断面处(钻眼槽)打冻结管孔，钻孔角度微向外长约35米，形成一个扇形，越过顺次的开挖断面。

（2）安装冻结管并连续冻结，直到形成冻层大约需要7~10天。

（3）在未冻结的冰积层，隧道开挖断面主要地用一台臂式开挖机从项部开始开挖。

用一台大型压气凿岩机在底部凿松岩石，为了围岩稳定，在开挖面的前方经常保持斜坡。

（4）每开挖前进一米，立即在冻结土层面上喷上混凝土。

根据不同的岩层，依次喷上40~45厘米厚的混凝土，并敷设两层金属网以及架上钢拱架。

饶柯兴趣的是，喷混凝土与冻结地层粘结得相当牢固，并且由于它产生硬化热而融解了邻近地层。

持续冷冻约4天后，地层又重新冻结，这时已经获得足够的强度来支承压力而不会出现危险。

（5）在底部设置仰拱，灌注混凝土2米一段。

考虑到日进度为1.3~1.4米，6天为一期的施工速度，根据上面提到的掌子面前方的斜坡和混凝土灌注顺序；在隧道8米长范围内，应尽可能地使外衬砌形成封闭环。

一般地认为，为了将沉陷限制到最小程度，这样的封闭131 环应该尽早地实现。

8．静力分析静力计算也必须按照上述施工的步骤：（1）冻结的地层不改变原地层的初始应力场。

（2）隧道断面的开挖，逐步地引起冷冻体以及周围的岩体一起进入第二阶段的应力场，并承受着上部覆盖层的重量。

（3）由于存在力的平衡，刚敷设的喷混凝土衬砌在初始不承受任何荷载。

（4）只是在冻结体融化后地层软化，从而荷载作用在混凝土衬砌上。

应力场和应力场的变化目前用有限元来计算是最方便的。

例如，瑞士联邦技术科学院利用RHEO —Staub 计算程序进行有限元计算。

最后这些应力要与先前在试验中得到的强度数值进行比较。

在米尔黑布克隧道的具体情况下，引入计算的数据列入图14内。

9．冻 胀另外一个问题这里的确引起我们一些耽心，现在有必要讨论，就是冰冻引起的冻胀，它有可能使地表或建筑物的基础产生更大的位移。

事实上，在第一次冷冻完成后和隧道施工阶段，这样的冻胀值达10厘米。

幸好这个范围内没有建筑物，但是如何保护顺次的施工段上方的房屋作为问题提出来了。

当然，科学家们告诉我们，水从其集聚状态变成冰，体积增大9％。

上述的含水量为土体的13％，由于冷冻，土的膨胀量相当于1.2％或总膨胀量达2.5厘米。

(计算厚度为2米的冷冻体)。

因此，实际测得大的变形值必定与额外的冻胀有关。

10．冰透镜体在冬季有冰冻的国家里，道路工程师们都知道，冻胀的原因可以被描述成独特的现象(图15)，当土里贮存的热量被冷空气带走后，0℃或略低些的冷冻极限将慢慢移向地层。

冻结地下水是把土体弄干而且会产生负的孔隙压力。

这种现象在冷冻试验中已经测得，对于粘土来说压力为－0.2兆帕或更低。

从而，水从低处被吸出又变为冰。

由于它的结晶压力高达13.3兆帕，这种新冻结的冰，足以把地层胀裂开并用固体冰充填空间，形成冰透镜体。

当然,这样的冰层使冻胀更加严重。

讨论这个过程需要时间。

附加的水量决定于土层的渗透性。

当冻结范围保持稳定时，冰透镜体总是自由地发展的。

通常的情况，从上部给定深度输入的冷空气，正好是带走来自下部的热量，加上由冷冻过程自由注入水的溶解热。

冰透镜体以及由此而产生的冻胀总是要产生的，由于热转换中的平衡，在冷冻进行的长时间内，冻结区域保持稳定。

道路工程师们的观测结果可以容易地转移为人工地层冻结法所应用。

在米尔黑布克隧道第一段施工期间，考虑冷冻作业，经过大约一周严格地冷冻，冻结体已达到了要求的厚度。

其后，对冻层又进行了3个月适当冷冻，总共持续冷冻了100天(图16)。

这样的延缓部分地是难免的。

通常，空压机开始阶段工作较困难，而实际上由于噪音的影响使空压机能在夜间工作。

它不是由内燃机和卡车发出通常的工程噪音，而是隧道进口开挖中的噪音。

为了防止这种噪音，在洞门设置了噪音防护装置。

由于开挖噪音、锤击声甚至钻孔声音在围岩中通过建筑物基础进入建筑物，所以，夜间除喷混凝土外，其余所132有干扰居民生活的作业都很早就被禁止。

在长时的固定冻结期间，刚才讨论的热平衡问题必定影响到冰透镜的形成和冻胀,在最不利处，这种变形达105毫米。

为了减少在建筑物前方的这种冻胀，想出种种不同的冷冻方法,用其力的理论来避免这种不受欢迎的平衡(图17)。

冷冻系统在开始必须全负荷地工作，亦即利用液体的最低温度。

在这期间冷冻体在增长，冷冻的边界在移动。

在达到需要的冷冻厚度后，完全停止冷冻。

间隔一天后，再一次几乎全部制冷。

这是一种间歇冷冻法，即一天冻结，一天解冻，冻结边界不会因此而产生一点失稳。

这个影响可从图17中看到。

靠后的施工段产生非常小的冻胀，这还有助于减少整个冷冻时间，空压机前方的冻胀可以迅速地获得。