人工冻结技术在上海地铁施工中的应用.pdf

文章编号 1000 -0240 2005 04 -0550 -07 人工冻结技术在上海地铁施工中的应用 收稿日期 2004 -12 -17; 修订日期 2005 -02 -27 基金项目 国家自然科学基金项目 50279032 ; 上海市科委重大攻关项目 04DZ12019; 上海市教育委员会科学项目 04DC35 资助 作者简介 余占奎 1969 , 男, 甘肃庆阳人, 讲师, 1997 年在中国科学院兰州冰川冻土研究所获硕士学位, 现为同济大学在职博士生, 主要从事结构工程与岩土工程科研与教学. E -mail Yuzhankui3 163. com 余占奎 1, 2, 黄宏伟2, 王如路3 , 徐 凌 2, 李文婷1 1. 上海师范大学 建工学院, 上海, 201418; 2. 同济大学 地下建筑与工程系, 上海 200092; 3. 上海地铁运营有限公司, 上海 200031 摘 要 对人工冻结工程中的监测采集数据进行了全面分析. 结果表明 人工冻结法施工中冻结区的 温差较大边界和刚性约束边界对冻结法施工影响明显. 温差较大边界是冻土帷幕强度和止水作用的薄 弱环节, 而刚性约束边界距离人工冻结区越近冻土的冻胀力越大; 同时也表明在一定的工程地质条件 下, 通过合理选取盐水冻结系统所采用的各项指标、降温梯度及其设置冻胀吸收孔, 能够将冻结产生 的冻胀力与冻胀量控制在周围环境的容许范围内. 关键词 人工冻土; 冻结法; 冻土墙; 地下工程 中图分类号 U455. 49文献标识码 A 1 概述 随着社会、经济的迅速发展, 城市建设工程的 规模和难度愈来愈大, 维持工程周围土体的稳定就 成为施工过程中的技术难题. 特别在沿海城市, 不 仅地下水位埋深浅, 而且其地层软弱 如淤泥、淤 泥质土和流沙层等 . 在这种复杂环境下施工, 常规 施工方法不能维持周围土体稳定, 而要采用一些特 殊的施工方法, 人工冻结法就是其中之一. 人工冻结法形成的人工冻土与末冻结土体相 比, 冻土的工程性质要复杂得多, 其中最重要的原 因是土体在冻结过程中有冰的形成. 冰的形成往往 导致土体体积增大和内部水分的重新分布, 这使得 土体的力学性质变得极不稳定. 同时也是人工冻结 技术在地铁隧道施工中的主要问题, 主要表现在人 工冻土的冻胀与融沉问题及其在施工过程中的控制 方法, 冻胀力对地铁隧道纵向变形的影响及其分析 方法. 关于前者, 国内外已有众多学者[ 1 7]进行了 详细论述. 一般认为地表冻胀量是所观测某点冻胀 量沿冻深的叠加, 而法向冻胀力则是在冻结锋面上 冻胀应力沿基础影响范围内的积分, 二者无直接联 系; 同时认为引起土体冻胀的主要原因在于水分迁 移. 迁移量越大, 冻胀量越大, 其危害也越大. 关 于冻胀力对地铁隧道纵向变形的影响及其分析方 法, 现有文献对盾构施工对地铁隧道结构影响的监 测研究 [ 8] 、 人工冻土在不同温度下的泊松比 [ 9] 及地 铁结构纵向分析理论 [ 10] 的研究为分析冻胀力对地 铁结构变形影响确立了初步方法, 这些广泛的理论 研究是人工冻结施工影响分析的理论基础. 本文主 要通过上海地铁隧道的冻结法施工, 分析人工冻土 帷幕形成状况、人工冻土形成过程中冻胀力的变化 规律, 判断安全施工的条件, 探讨控制冻胀力对环 境影响的方法, 以便为理论分析提供事实依据. 2 人工冻结工程 2. 1 工程概况 明珠线二期 M4 上海体育场 简称上体场 车 站位于零陵路与漕溪北路丁字路口, 呈东向西设 置, 为曲线车站, 与原地铁一号线上体馆站呈 丁 字相接. 明珠线二期上体场车站为地下三层结构, 地铁一号线上体馆车站为地下二层结构, 二者共用 地下一层站厅层 如图 1 所示 . 明珠线上体场车站 第 27 期 第 4 期 2 00 5 年 8 月 冰 川 冻 土 JOURNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCRYOLOGY Vol. 27 No. 4 Aug. 2 0 0 5 穿越地铁一号线施工段, 与地铁一号线斜交成约 79, 大致为东西向. 根据扩初设计方案, 穿越段结 构由相邻的上行线 南 通道、两线换乘通道和下行 线 北 通道三部分组成, 结构横截面尺寸约为5. 74 m 高 21. 45 m 宽 , 穿越段顶面紧贴地铁一号 线车站底板 ,穿越段 结构顶部 绝对标高约 为 - 10. 08 m, 底板底标高约为- 15. 82 m, 地面绝对 标高为 4. 19 m. 图 1 明珠线上体场站穿越段通道横截面图 Fig. 1 Cross section of the Shanghai Stadium Station of M4 通过经济技术分析, 确定采用水平孔冻结加固 地层, 用矿山法进行开挖和结构施工, 即 采用水 平孔间接冻结法加固穿越段结构周围地层, 使外围 土体冻结, 形成强度高、封闭的冻土帷幕, 然后在 冻土帷幕中进行分区、分层开挖施工. 根据土工试 验资料, 穿越段施工范围内土层的孔隙比大、含水 丰富、 承载力低、容易压缩, 在动力作用下易流变, 开挖后天然土体本身难以自稳. 尤其是饱和砂质粉 土夹粉质粘土, 透水性好, 易发生流沙, 因此在该 地层内施工, 必须保证冻土帷幕的止水效果. 2. 2 人工冻结设计 设计冻土帷幕厚度为 2 m. 取冻结孔允许偏斜 率为 1 . 冻结孔开孔间距为 700 800 mm, 冻结 孔布置圈与隧道结构外缘间距为 1 300 mm. 冻结 孔成孔最大控制间距为 1. 2 m, 成孔与隧道外缘的 最小控制间距为 1 100 mm. 布置主冻结孔 62 个, 孔深为22. 6m;布置辅助冻结孔27个,孔深为 21. 8 m. 考虑 10 补孔率, 冻结孔累计长度为 2189 m. 设计最低盐水温度为- 28 - 30 , 并要 求冻结 7 d 盐水温度达到- 20 . 维护冻结盐水温 度一般不高于- 20 ; 冻土帷幕平均温度不高于 - 9 ; 冻结孔单孔盐水流量为 6 8 m 3 h - 1; 冻 结管规格为 89 6 8 mm; 设测温孔和泄压孔各 12 个, 深度均为 21. 8 m, 泄压孔孔口安装泄压阀 和压力表. 泄压孔下测温管以兼作测温孔. 每个测 温管内布置 3 个测温点, 测点位置为测温管的中部 和两端; 冻结总需冷量为 92. 18 104J h- 1. 2. 3 测点布置 为了对冻结土体冻结温度场和侧向及竖向冻胀 压力进行监测, 在开挖断面上共布置 7 个测温孔 C1 C7 和 5 个测压孔 Y1 Y5 , 测温孔及测压 孔具体布置图见图 2. 在各测温孔内深度为 1. 6 m、 6. 6 m、 11. 6 m、16. 6 m 和21. 6 m 设测点. 在测压 孔内不同深度安装压力盒测定冻胀力, 其中有效压 力盒为 Y11 表示 Y1 测压孔中的第一个压力盒 、 Y12、Y21、 Y22、 Y31、 Y41 和 Y51. 图 2 测温孔、 测压孔及冻胀释放孔平面布置图 Fig. 2 Plan sketch of the arrangement of the holes for temperature and pressure monitor and frost -heaving release 为了监测冻结土体对一号线车站底板的影响, 在一号线车站底板上布置 4 个测温孔 T1 T4 , 在每个测温孔内深度为 0. 3 m、0. 5 m、 0. 7 m、 0. 9 m 和 1. 1 m 处分别布置 5 个测点. 为了控制冻胀力对一号线车站底板的不利影 响, 共设置 4 个冻胀吸收孔 S2 S5 , 在 4 个冻胀 吸收孔中各布置两个测点, 冻胀吸收孔具体的位置 见图 2. 2. 4 监测数据 2. 4. 1 冻结概况 为确保穿越工程顺利施工, 在施工前首先进行 了人工冻土形成系统的试运转, 以保证系统正常. 穿越段冻结自 2003 年 6 月 10 日开始, 至 2003 年7 551 4 期余占奎等 人工冻结技术在上海地铁施工中的应用 月 23 日冻结 43 d. 该间接冻结法的运转过程为 6 月 10 日 14 00 运转一台冷冻机; 6 月 13 日 12 00 运转两台冷冻机; 6 月 16 日 13 00 中间一排冻结管 Q21 Q28 及冻结管 Q12 和 Q33 停止盐水循环; 6 月 20 日 19 00全部恢复正常盐水循环; 7 月3 日冻 结管 Q12 和 Q33 停止盐水循环; 7 月 7 日中间一排 冻结管 Q21 Q28 停止盐水循环; 7 月 9 日 Q21 Q23 冻结管开始盐水循环. 2. 4. 2 循环盐水温度和压力 循环盐水冻结法中, 循环盐水的温度是衡量人 工冻土形成状况的主要指标. 循环盐水的压力变化 主要反映循环系统的水力损失. 通过控制循环盐水 的压力可以调整循环盐水的温度, 从而对人工冻土 的范围和强度进行控制. 图 3 盐水干管温度随时间变化曲线 Fig. 3 Temperature vs. time curves of the refrigerated brine in the main pipe 从图 3 可知, 在测试期内干管去路与回路盐水 温度变化规律基本一致. 在开机时干管去路与回路 盐水温度约为 27 , 冻结 5 d 至 6 月14 日 后, 盐 水温度降到- 20 以下, 并保持在- 20 左右. 干管去路与回路盐水温度差相对来说变化比较小, 最大相差 2 , 最小相差 0. 5 , 平均相差 1 左 右. 从图 4 可知, 在测试期内盐水干管循环去路压 力与回路压力基本保持稳定. 其中, 干管循环去路 压力最大值 0. 44 MPa, 最小值 0. 36 MPa, 平均值 0. 4 MPa 左右; 回路压力最大值 0. 36 MPa, 最小 值 0. 25 MPa, 平均 0. 3 MPa 左右; 去回路压力差 最大值 0. 15 MPa, 最小值 0. 03 MPa, 平均 0. 1 MPa 左右. 因此, 整个测试期内冻结过程比较稳 定, 去回路压力变化小. 图 4 盐水干管压力随时间变化曲线 Fig. 4 Pressure vs. time curves of the refrigerated brine in the main pipe 2. 4. 3 测温孔温度 从图 5 7 可知, 尽管不同测温点由于温度边 界条件不同而实测温度差别较大, 但各测温孔不同 测点的温度随时间的变化规律和不同测温孔温度随 时间的变化规律基本一致. 说明人工冻土冻结系统 设计合理, 施工优良, 基本能使土体中的温度平稳 下降而形成稳定人工冻土帷幕. 图中的一段升温现 象是由于中间一排冻结管停止循环后又恢复时, 吸 收热量的突然增加, 致使盐水循环温度有所上升, 同时测温孔的温度变化也有升高的趋势, 但很快就 恢复正常的下降趋势. 由于冻结管和测温管受偏斜 和散热条件不同的影响, 同一测温孔不同深度测点 的温度变化有所差异. 2. 4. 4 回路端头温度 从冻结管回路温度监测数据来看, 冻结管回路 温度相差不大. 这说明盐水循环基本上平衡,但为 图 5 C2 测温孔温度随时间变化曲线 Fig. 5 Temperature vs. time curves in the temperature- measuring hole C2 552 冰 川 冻 土 27 卷 图 6 C3 测温孔温度随时间变化曲线 Fig. 6 Temperature vs. time curves in the temperature- measuring hole C3 图 7 C6 测温孔温度随时间变化曲线 Fig. 7 T emperature vs. time curves in the temperature- measuring hole C6 确保形成稳定均匀的人工冻土帷幕, 保证施工顺利 完成和施工阶段地铁一号线的正常运营, 仍要随着 冻结的进行, 通过对冻结管盐水流量的调节, 使冻 结管盐水循环更平衡, 保证各冻结管周围冻土发展 速度基本一致, 以达到预期的冻结效果. 2. 4. 5 测压孔压力 由于测压孔距冻结孔距离、测压孔周围边界条 件、介质热传导特性和冻结工艺等因素对冻胀力的 大小有明显影响, 因此图 8 所示的冻胀力差异较 大. 在冻结前 10 d 左右, 所测压力基本不随时间而 变化. 由于该期测温孔监测数据表明土体温度仍在 零度以上, 所以其值主要反映土体在冻结前的初始 压力; 冻结 10 d 后, 除 Y11、 Y12和 Y51 压力变化 不明显外, 其余均呈现增大趋势, 但增大速率有所 不同, 最大为 Y41, 最小为 Y31, Y21 和 Y22 介于 中间. 造成上述现象的主要原因有二 其一是Y11、 Y12 和 Y51 距离冻结管距离较远, 均为 900 mm, 而 Y21、Y22、Y41 和 Y31 分别为 300 mm、300 mm、 400 mm 和600 mm; 其二是Y11、 Y12 和Y51 距离刚性约束边界地铁一号线上海体育馆站底板和 地下连续墙较远. 距离冻结管越远, 土层温度越 高, 其冻胀力就越小, 反之亦然; 距离刚性约束边 界越远, 在同温度下冻结时冻胀力由于易变形土体 受力后的变形而减小, 而距离刚性约束边界越近, 在同温度下冻结时冻胀力由于受到刚性约束而冻胀 力较大. 由于开始冻结 24 d 后, 为了控制冻胀量, 在邻近 Y21 和 Y22 的冻结管 Q12 和邻近 Y41 的冻 结管 Q33 停止盐水循环, 因此, Y21、Y22 和 Y41 附近温度回升而冻胀力出现明显减少趋势. 这说明 人为控制人工冻土形成过程能够实现控制冻胀力变 化, 所以, 在人工冻土形成过程中的冻胀力对上海 地铁一号线上海体育馆站底板的影响是可以控制 的. 图 8 测压孔压力随时间变化曲线 Fig. 8 Pressure vs. time curves in the pressure- monitoring hole 2. 4. 6 地铁一号线车站底板温度 从图 9与图 10 可知, 各测点温度随时间增加 而降低, 而且测温点的埋深越大温度越低, 但与其 它测温数据相比, 其各深度上的降温速率明显小. 地铁一号线车站混凝土底板靠近冻土墙的地方, 温 度从 20 下降到 10 左右. 这主要由于受到地铁 运营的影响, 上部温度比较高, 而且混凝土的导热 率比土体大, 从而车站底板的降温率相对其它测温 孔数据明显小. 2. 4. 7 冻胀吸收孔温度 从图11和图 12 可知, 冻胀吸收孔内 11 m 和6 553 4 期余占奎等 人工冻结技术在上海地铁施工中的应用 图 9 T4 测温孔温度随时间变化曲线 Fig. 9 T emperature vs. time curves in the temperature -measuring hole T4 图 10 T4 测温孔温度随深度变化曲线 Fig. 10 T emperature vs. depth curves in the temperature -measuring hole T4 图 11 冻胀吸收孔 6 m 处温度随时间变化曲线 Fig. 11 T emperature vs. time curves in the holes for frost -heaving release at 6 m depth m 处所测温度变化规律基本一致. 在人工冻结系统 运转大约 10 d 后基本降到零度以下, 大约 24 d 后 其温度出现先升后降. 在同一吸收孔中, 11 m 和 6 m 处所测温度差随时间增长而减小. 这主要由于四 个冻胀吸收孔离冻结管的距离都比较近, 所以人工 冻结系统运转后温度下降比较快, 很快降到 0 以 下. 又由于开始冻结 24 d 后, 为了控制冻胀量, 邻 近 S2 和 S3 的冻结管 Q12 和邻近 S4 和 S5 的冻结 管 Q33 停止盐水循环, 致使各冻胀吸收孔内温度先 升后降. 随着冻结过程的继续, 冻土帷幕的逐渐形 成, 土层中的温度场逐渐趋于均匀稳定, 其同一冻 胀吸收孔内不同测点温度的差就越来越小. 图 12 冻胀吸收孔 11m 处温度随时间变化曲线 Fig. 12 Temperature vs. time curves in the holes for frost -heaving release at 11 m depth 2. 5 数据分析 本次测试的各项数据主要有施工区域及施工影 响范围内的温度和人工冻土形成过程中产生的冻胀 力. 测量前者主要为了评价人工冻土的范围及其强 度, 确保人工冻土帷幕在施工中安全承受各种荷 载. 而测量后者主要为了确定冻胀力对周围环境的 影响, 尤其对地铁一号线上海体育馆站结构的影 响, 以判断其是否影响地铁的安全运营及车站结构 的安全. 根据上述各组观测数据的分析, 可知 1 在温度方面, 在干管循环去路压力平均值 0. 4 MPa 左右、 温度在- 20 左右, 回路压力平均 值 0. 3 MPa 左右、去回路压力差平均值 0. 1 MPa 左右、盐水温度差平均相差 1 左右的条件下, 人 工冻土范围的温度 根据测温孔、地板测温孔和冻 胀吸收孔的温度 变化规律为 越靠近一号线车站 底板, 温度越高, 如冻结 40 d 时靠近一号线车站地 554 冰 川 冻 土 27 卷 板的 C3 温度约为 4 , 而测温点 C6 处约为- 7 ; 越靠近冻结管的区域, 温度越低, 如冻结 40 d 时靠近冻结管的测温点 C6 处约为- 7 , 而 S2 处 温度约为- 10 . 不仅各测温孔不同测点的温度 随时间的变化规律基本一致, 而且不同测温孔温度 随时间的变化规律也基本一致. 由于冻结管和测温 管受偏斜和散热条件不同的影响, 同一测温孔不同 深度测点的温度变化有所差异. 尤其在靠近一号线 车站底板的区域, 由于车站内热量通过混凝土底板 传递致使该处温度降速缓慢, 在部分区域接近或超 过冻土帷幕设计的平均温度- 9 时, 底板附近温 度还未达到负温. 这必将成为冻土帷幕强度和止水 作用的薄弱点, 影响施工的顺利进行. 因此, 施工 技术人员在施工前应该着重注意冻土帷幕区域的温 度场问题, 只有在该区温度达到设计值时才可进行 施工. 同时在冻土帷幕区域如何形成温度均匀的温 度场也是科研人员应进一步研究的问题. 2 在冻胀力方面, 在与上述同样的条件下, 人工冻结范围的冻胀力 根据测压孔的压力 变化规 律为 除个别点外, 大多数测压点压力随温度降低 和冻结时间的增加均呈现增大趋势, 但增大速率有 所不同, 最大为 Y41, 最小为 Y31, Y21 和 Y22 介 于中间. 冻胀力的大小与测压孔距冻结孔距离、测 压孔周围边界条件、介质热传导特性和冻结工艺等 因素有关. 距离冻结管越远, 土层温度越高, 其冻 胀力就越小, 反之亦然; 距离刚性约束边界越远, 冻胀力越小; 而距离刚性约束边界越近, 冻胀力越 大. 文献[ 1 7] 认为地表冻胀量是所观测某点冻胀 量沿冻深的叠加, 而法向冻胀力则是在冻结锋面上 冻胀应力沿基础影响范围内的积分, 二者无直接联 系. 然而, 本次实测数据表明在地铁一号线上海体 育馆站底板和地下连续墙这样的刚性约束边界附近 进行冻结时, 土体冻结过程中的体积膨胀由于受到 刚性约束而表现为冻胀力较大; 而距离刚性约束边 界较远时, 人工冻土在同温度下的体积膨胀由于其 周围易变形土体受力后的变形而表现为冻胀力较 小. 因此, 在刚性约束条件下, 人工冻土的冻胀量 显然与冻胀力有关. 而同样处于刚性约束边界附近 的上海体育馆站底版附近的冻胀力较小是由于受车 站内热量通过混凝土底板传导的影响. 相应的温度 监测数据也显示, 在部分区域接近或超过冻土帷幕 设计的平均温度- 9 时, 该底板附近温度还未达 到负温, 致使该区冻胀力较小. 由于土体中水分的重分布和土体中冰的形成与 温度和温度梯度及其变化紧密相关, 同时又受到土 质、 地下水位等因素的影响, 而土体的冻胀主要是 由液态水冻结成固态冰时体积增大所引起. 而本工 程冻结产生的冻胀力与冻胀量对周围环境的影响都 在地铁安全运营和车站结构安全的范围之内. 由此 可见, 在本工程所处的工程地质条件下, 设计的盐 水冻结系统所采用的各项冻结指标及其降温梯度基 本能够控制人工冻土中冰的形成数量, 从而使冻结 产生的冻胀力与冻胀量对周围环境的影响在容许的 范围内. 3 结论 通过对人工冻结工程的各项影响冻结效果的因 素分析, 说明在一定的工程地质条件下, 适当选择 盐水冻结系统所采用的各项冻结指标及其降温梯度 基本能够控制人工冻土中冰的形成数量, 从而使冻 结产生的冻胀力与冻胀量对周围环境的影响在容许 的范围内. 同时也表明, 人工冻结技术在城市地下 工程中, 尤其是在一些淤泥、淤泥质土和流沙层等 软弱地层地区对维持工程周围土体的稳定具有显著 的效果. 随着我国社会、经济的迅速发展, 城市化 进程的不断推进, 在地下铁道工程、地下污水管道 工程、高层建筑深基础工程、桥墩等工程中人工冻 结技术必将成为主要辅助施工方法, 在解决施工过 程中软土的技术难题上具有广阔的前景. 参考文献References [ 1] L iu Hongxu, Zhu Weizhong, Zhu Guangx iang,et al. 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T he boundary with greater temperature difference in frozen soil and the rigid boundary of the frozen wall have important impact on the artif- i cially frozen wall. T he strength of frozen wall near the boundary of greater temperature difference is obviously poor. The higher the temperature of the boundary of frozen wall is, the lower the strength of frozen wall is. So the area of the high tempera - ture difference has a great affect on the under - ground construction.T he distance between the rigid boundary and the frozen wall apparently in - fluences the frost -heaving force.The shorter the distance is, the greater the frost - heaving force is. T he study shows that selecting some proper pa - rameters of the freezing system and designing some holes for frost -heaving release can control the frost -heaving force and the amount of frost heav - ing. Key words artificially frozen soil; artificially ground freezing; frozen wall; underground construction 556 冰 川 冻 土 27 卷