冻结法在盾构隧道的应用

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1、冻结法在盾构隧道中的应用翁家杰王朝晖 摘要本文首先简要叙述了冻结法的发展历史过程，举例分析了冻结技术在国际盾构隧道工程中的应用情况，并对其基本理论及应用的若干技术问题进行了较为详细的阐述。一、冻结法的发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，增加其强度和稳定性，以隔绝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，冻结法首先应用于英国南威土的建筑基础工程。1883年，德国工程师波茨舒(F．H．Poetsch)在阿尔巴里得煤矿采用冻结法施工深103m的井筒，并获得专利；引起工程界的关注。随着地下空间的逐步开发

2、利用，新工程的不断出现，促进了冻结技术的迅速发展。近几年来，冻结法已发展成为一门较为成熟的特殊施工技术，被广泛应用于水利工程、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l。冻结法凿井的最大深度表1国名荷兰英国加拿大波兰比利时德国俄国法国中国最大冻深,m338930915725638628620550435冻结法在我国起步较晚，但发展速度却很快。自1955年开滦矿区应用冻结法凿井以来，现已在12个省区推广，共施工360多个立井井筒、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定冲积层和裂隙含水层的主要施工方法，特别是自1675年以来，

3、冻结工程量有较大的增长，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发展历史揭开了新的一页。由于炼钢工业和空分技术的发展，大量的制氧副产品氮气经过液化得到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℃，气化潜热为197.6kJ/kg，氯的显热为1．05J／(kg·k)。液氮对震动、热和电火花是稳定的，且没有腐蚀性。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、—环构成的复杂系统相比，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

4、铁l号线151井以北软土盾构隧道的贯通工程，实现了液氮冻结在我国的首次工程应用。二、盾构隧道冻结辅助工法1825年，英国在太晤士河下首次采用盾构法修建第一条水下隧道。至今盾构施工技术已广泛应用于软土隧道的施工中，并取得了明显的技术进步。本世纪60年代盾构的机型得到迅速的完善和发展。70年代我国泥水平衡盾构和土压平衡盾构的应用，使隧道开挖面的稳定性得以保证。80年代的大型网格挤压式盾构已被成功地用于上海延安东路越江隧道工程中，推进总长1476m。盾构法作为软土地层大直径、长距离隧道的主要施工技术之一，已被世界各国所广泛采用。据80年代的统计资料，盾构隧道中的12％作为地铁或水下交通隧道，13％

5、作为电力、通讯电缆隧道，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，冻结法的应用越来越多，在诸多的辅助工法中，其应用比重日渐增大。这是因为与井点、电渗、注浆等方法相比，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.适用于多种情况下工程的施工。施工方式灵活，大至整块街区，小至局部抢险均可采用。3．冻结法对地层、地下水以及周围环境的影响较小，不产生污染，不产生超负荷的噪声。4．冻结加固土体的效果可根据工程设计要求，在施工过程加以人工控制，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法。它是一

6、种临时加固技术。当工程需要时冻土可具有岩石般的强度，如不需要强度时、(当盾构推进时，刀盘切`削范围内的土层)，又可以采取强制解冻技术使其融化。因此，冻结辅助工法是一种既可靠又灵活的施工方法，尤其适用于我国东南沿海软土盾构隧道施工中使用。分析在世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．盾构进出洞时土体的加固盾构进、出洞时，承受着工作井附近土体产生的巨大土压和水压的变化，可能导致涌水和土体坍塌。目前，我们常用旋喷技术或注浆法加固土体，效果不十分理想，常常遇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

7、节水仓盾构隧道的出洞作业采用冻结辅助工法。该水仓分两期建成总容量540，000m3，以防止Kanda河水泛滥。直径13．94m的大型盾构从深60m的工作井出洞，其周围是砂土层。盾构出洞前对土体进行冻结加固处理(图1)。冻结管采用水平和垂直两种布置方式，冻结65d后，冻土温度达到一20℃以下，冻结壁厚达到4．3m，(图2)（略），安全系数为2，满足安全施工的要求。同时辅以注浆法加固，其厚度为5．2m，总加固土体