冻结法在地铁隧道联络通道中应用
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1862年，英国首次在南威尔士的建筑基坑中使用了冻结法； 1880年，德国工程师F．H．Poetch在国际上首次提出并获得人工
冻结法专利； 1962年，日本从开始在岩土工程中应用人工地层冻结技术，随后
20年中约施工了250个冻结工程； 20世纪70～80年代，前苏联应用冻结法施工城市地铁、矿井和其
它工业建筑的大型工程达200余项。
图2 冻土帷幕受力简图
5 冻结帷幕计算
表中的安全系数K是由冻土强度与其相应的冻土结构相关 位置的应力比值。由于联络通道断面的土层以粉砂土为 主，故冻土强度以冻土平均温度为-10℃时的粉土强度为 准，σ压=4.0Mpa, σ拉=2.0Mpa,σ剪=1.7Mpa。从数据可见， 各截面的压应力安全系数K >2.19，拉应力安全系数K >1.94，剪应力安全系数K >3.64，安全储备较大 。
冷却水循环--------冷却水在冷却水泵，冷凝器和管路 中的循环叫冷却水循环。将地热和压缩机产生的热 量传递给大气。
2 冻结原理
氨（氟利昂）－盐水冻结系统原理图
3 技术指标
制冷温度 ：-10 ℃ ～-35 ℃ 土 层 ：任何含水地层 地下水流速：υ≤5．7﹡10-5m/s 冷量估算 ：Q=1.3.π.d.H.K 制冷效率 ：30% ~50% 冻土速度 ：2cm/d
衬砌采用二次衬砌方式，所有临时支护层厚度均为 200mm；结构层为400mm厚的现浇钢筋混凝土，通道底 板结构层为1000mm厚的现浇钢筋混凝土。临时支护层和
结构层之间安装防水层
4 工程概况
图1 联络通道结构剖面示意图
5 冻结Baidu Nhomakorabea幕计算
根据地质资料，联络通道底板埋深18.572m，冻结帷幕中 心的埋深为18.572m+0.8m=19.372m。按静止土压力计算 旁通道的上部荷载和侧向荷载（如图2所示）。设冻土帷 幕厚度为1.6m，通道开挖轮廓高为4.24m，宽3.20m，计 算该结构内部的弯矩和轴力，进而求得截面内的压应力、 拉应力的剪应力。
1 冻胀和融沉； 2 对土体加固为临时性质，不能长期起作用。
2 冻结原理
盐水循环------盐水吸收地层热量，在盐水箱内将热量 传递给蒸发器中的液氨；
氨循环------液氨变为饱和蒸气氨，再被氨压缩机压缩 成过热蒸气进入冷凝器冷却，高压液氨从冷凝器经 贮氨器，经节流阀流入蒸发器液氨在蒸发器中气化 吸收周围盐水的热量；
地质如软土、含水不稳定土层、流砂、高水压及高地压地层条 件下冻结技术有效、可行； 3 灵活性好。可以人为地控制冻结体的形状和扩展范围，必要时 可以绕过地下障碍物进行冻结； 4 可控性较好。冻结加固土体均匀、完整； 5 污染性小。 “绿色”施工方法，符合环境岩土工程发展趋势； 6 经济上合理。
冻结法的缺点:
6 冻结孔布置
根据冻结帷幕设计及联络通道的结构，冻结孔按上仰、 近水平、下俯三种角度布置。冻结孔数55个。冻结孔的 布置详见下图。
图3 冻结孔布置展开图
6 冻结孔布置
7 制冷设计计算
冻结需冷量由下式计算：Q=1.3.π.d.H.K； 式中:H—冻结总长度； d—冻结管直径； K—冻结管散热系数。 将上述参数代入公式得： Q=1.3.π.d.H.K =58169 Kcal/h=67.6KW/h 根据冷量计算，选用YSKF212.5型螺杆机组2台套，单台设计工
4 工程概况
上海市M8线成山路站～杨思站区间隧道，采用盾 构法施工，衬砌采用预制钢筋混凝土管片，通缝拼装。 管片内径：5500mm；管片外径：6200mm；管片厚度： 350mm；管片宽度：1200mm；管片混凝土强度C55；隧 道底板埋深约14.9～21.6m，底板标高约为-10.2～-16.4m。 联络通道所在位置较浅，联络通道施工涉及土层主要为 淤泥质粘土和粉土，且有微承压水，工程风险较大，确 定采用“隧道内钻孔，冻结临时加固土体，矿山法暗挖 构筑”的施工方案，即：在隧道内利用水平孔和部分傾 斜孔冻结加固地层，使联络通道及集水井外围土体冻结， 形成强度高，封闭性好的冻土帷幕，然后根据“新奥法” 的基本原理，在冻土中采用矿山法进行联络通道及泵站 的开挖构筑施工，地层冻结和开挖构筑施工均在区间隧 道内进行。
迄今为止，各国冻结井最大深度分别为：英国930m，美国915m， 波 兰 8 6 0 m， 加 拿 大 6 3 4 m， 比 利 时 6 3 8 m， 前 苏 联 6 2 0 m， 德国531m，法国550m，中国702m。
1 冻结法概述
冻结法的优点:
1 安全可靠性好,可有效的隔绝地下水； 2 适应面广。适用于任何含一定水量的松散岩土层，在复杂水文
地层冻结法在地铁 联络通道施工中应用
1 冻结法概述
人工冻结的应用和研究是以天然冻结条件下冻土的物理力学 性质研究为基础，随着人工冻结凿井逐步发展起来的。冻结法是 利用人工制冷技术，使地层中的水冻结，把天然岩土变成冻土， 增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻 结壁的保护下进行隧道、立井和地下工程的开挖与衬砌施工技术。 其实质是利用人工制冷技术临时改变岩土的状态以固结地层。
1 冻结法概述
20世纪中叶，波兰、德国、法国、加拿大等国家相继开展了人 工冻结技术的应用研究； 近年来，美国、日本、南韩等国正在研究将人工冻结技术用于 核废料处理工程中； 1955年，我国首次在开滦林西风井使用盐水冻结法凿井并获得 成功； 80年代，随着我国地下工程的增多，逐渐由矿山工程，向城市各 类工程推广应用，完成了北京、上海地铁的多项隧道水 平冻结工程，尤其2000年以来，冻结法在上海得到大规模应用。
4 工程概况
联络通道处上、下行盾构中心间距为12.80m，上行线隧 道中心标高－13.712m，下行线隧道中心标高－13.738m， 联络通道对应地面标高为4.17m。 喇叭口开挖尺寸为：1.458m(长)×4.40m(宽)×4.844m(高) 通道开挖尺寸为：5.13(长)×3.30m(宽)×4.244m(高) 集水井开挖尺寸为：4.80m(长)×3.30m(宽)×4.20m(高) 防火门尺寸为1.40m×2.05m。
冻结法专利； 1962年，日本从开始在岩土工程中应用人工地层冻结技术，随后
20年中约施工了250个冻结工程； 20世纪70～80年代，前苏联应用冻结法施工城市地铁、矿井和其
它工业建筑的大型工程达200余项。
图2 冻土帷幕受力简图
5 冻结帷幕计算
表中的安全系数K是由冻土强度与其相应的冻土结构相关 位置的应力比值。由于联络通道断面的土层以粉砂土为 主，故冻土强度以冻土平均温度为-10℃时的粉土强度为 准，σ压=4.0Mpa, σ拉=2.0Mpa,σ剪=1.7Mpa。从数据可见， 各截面的压应力安全系数K >2.19，拉应力安全系数K >1.94，剪应力安全系数K >3.64，安全储备较大 。
冷却水循环--------冷却水在冷却水泵，冷凝器和管路 中的循环叫冷却水循环。将地热和压缩机产生的热 量传递给大气。
2 冻结原理
氨（氟利昂）－盐水冻结系统原理图
3 技术指标
制冷温度 ：-10 ℃ ～-35 ℃ 土 层 ：任何含水地层 地下水流速：υ≤5．7﹡10-5m/s 冷量估算 ：Q=1.3.π.d.H.K 制冷效率 ：30% ~50% 冻土速度 ：2cm/d
衬砌采用二次衬砌方式，所有临时支护层厚度均为 200mm；结构层为400mm厚的现浇钢筋混凝土，通道底 板结构层为1000mm厚的现浇钢筋混凝土。临时支护层和
结构层之间安装防水层
4 工程概况
图1 联络通道结构剖面示意图
5 冻结Baidu Nhomakorabea幕计算
根据地质资料，联络通道底板埋深18.572m，冻结帷幕中 心的埋深为18.572m+0.8m=19.372m。按静止土压力计算 旁通道的上部荷载和侧向荷载（如图2所示）。设冻土帷 幕厚度为1.6m，通道开挖轮廓高为4.24m，宽3.20m，计 算该结构内部的弯矩和轴力，进而求得截面内的压应力、 拉应力的剪应力。
1 冻胀和融沉； 2 对土体加固为临时性质，不能长期起作用。
2 冻结原理
盐水循环------盐水吸收地层热量，在盐水箱内将热量 传递给蒸发器中的液氨；
氨循环------液氨变为饱和蒸气氨，再被氨压缩机压缩 成过热蒸气进入冷凝器冷却，高压液氨从冷凝器经 贮氨器，经节流阀流入蒸发器液氨在蒸发器中气化 吸收周围盐水的热量；
地质如软土、含水不稳定土层、流砂、高水压及高地压地层条 件下冻结技术有效、可行； 3 灵活性好。可以人为地控制冻结体的形状和扩展范围，必要时 可以绕过地下障碍物进行冻结； 4 可控性较好。冻结加固土体均匀、完整； 5 污染性小。 “绿色”施工方法，符合环境岩土工程发展趋势； 6 经济上合理。
冻结法的缺点:
6 冻结孔布置
根据冻结帷幕设计及联络通道的结构，冻结孔按上仰、 近水平、下俯三种角度布置。冻结孔数55个。冻结孔的 布置详见下图。
图3 冻结孔布置展开图
6 冻结孔布置
7 制冷设计计算
冻结需冷量由下式计算：Q=1.3.π.d.H.K； 式中:H—冻结总长度； d—冻结管直径； K—冻结管散热系数。 将上述参数代入公式得： Q=1.3.π.d.H.K =58169 Kcal/h=67.6KW/h 根据冷量计算，选用YSKF212.5型螺杆机组2台套，单台设计工
4 工程概况
上海市M8线成山路站～杨思站区间隧道，采用盾 构法施工，衬砌采用预制钢筋混凝土管片，通缝拼装。 管片内径：5500mm；管片外径：6200mm；管片厚度： 350mm；管片宽度：1200mm；管片混凝土强度C55；隧 道底板埋深约14.9～21.6m，底板标高约为-10.2～-16.4m。 联络通道所在位置较浅，联络通道施工涉及土层主要为 淤泥质粘土和粉土，且有微承压水，工程风险较大，确 定采用“隧道内钻孔，冻结临时加固土体，矿山法暗挖 构筑”的施工方案，即：在隧道内利用水平孔和部分傾 斜孔冻结加固地层，使联络通道及集水井外围土体冻结， 形成强度高，封闭性好的冻土帷幕，然后根据“新奥法” 的基本原理，在冻土中采用矿山法进行联络通道及泵站 的开挖构筑施工，地层冻结和开挖构筑施工均在区间隧 道内进行。
迄今为止，各国冻结井最大深度分别为：英国930m，美国915m， 波 兰 8 6 0 m， 加 拿 大 6 3 4 m， 比 利 时 6 3 8 m， 前 苏 联 6 2 0 m， 德国531m，法国550m，中国702m。
1 冻结法概述
冻结法的优点:
1 安全可靠性好,可有效的隔绝地下水； 2 适应面广。适用于任何含一定水量的松散岩土层，在复杂水文
地层冻结法在地铁 联络通道施工中应用
1 冻结法概述
人工冻结的应用和研究是以天然冻结条件下冻土的物理力学 性质研究为基础，随着人工冻结凿井逐步发展起来的。冻结法是 利用人工制冷技术，使地层中的水冻结，把天然岩土变成冻土， 增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻 结壁的保护下进行隧道、立井和地下工程的开挖与衬砌施工技术。 其实质是利用人工制冷技术临时改变岩土的状态以固结地层。
1 冻结法概述
20世纪中叶，波兰、德国、法国、加拿大等国家相继开展了人 工冻结技术的应用研究； 近年来，美国、日本、南韩等国正在研究将人工冻结技术用于 核废料处理工程中； 1955年，我国首次在开滦林西风井使用盐水冻结法凿井并获得 成功； 80年代，随着我国地下工程的增多，逐渐由矿山工程，向城市各 类工程推广应用，完成了北京、上海地铁的多项隧道水 平冻结工程，尤其2000年以来，冻结法在上海得到大规模应用。
4 工程概况
联络通道处上、下行盾构中心间距为12.80m，上行线隧 道中心标高－13.712m，下行线隧道中心标高－13.738m， 联络通道对应地面标高为4.17m。 喇叭口开挖尺寸为：1.458m(长)×4.40m(宽)×4.844m(高) 通道开挖尺寸为：5.13(长)×3.30m(宽)×4.244m(高) 集水井开挖尺寸为：4.80m(长)×3.30m(宽)×4.20m(高) 防火门尺寸为1.40m×2.05m。