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1、某地下高铁站暗挖段冻结法技术总结-工程概况苏州某地下高铁站位于苏州市工业园区。车站除下穿地铁2、6号线区间处采用矿山法施工外，其余均采用明挖法施工。图1-1工程概况图二、冻结法介绍2.1冻结法的基本概念人工冻结法是利用人工制冷技术使地层中的水结冰形成冻土，隔绝地下水与地下工程的联系，在冻结壁保护下进行地下工程施工的地基处理方法。作为一种临时地基加固方法，目前已被广泛应用于城市地下工程施工中。2.1冻结法的特点国内外人工冻结法施工实践经验证明该工法有以下特点：可有效隔绝地下水，其抗渗透性能是其他任何方法不能相比的，对于含水率大于10%的任何含水、松散、不稳定地层均可采用冻结法施工技术;可在极其复
2、杂的工程地质和水文地质条件下使用，几乎不受地质条件的限制；可用于地下水流速小于40md的条件下。(2)冻结壁是典型黏弹塑性材料，其强度与土质、重度、含水率、含盐量及温度等因素有关，冻结后冻土强度可提高几十到一百多倍,一般可以达到2IOMPao可形成任意深度、任意形状的冻结壁；可根据结构尺寸及围岩地质条件灵活布置冻结孔和调节盐水温度、改变和控制冻结壁厚度和强度，不受形状和尺寸限制。冻结法是一种环境友好的施工方法，用电能换取冷能，对周围环境无污染，无有害物质排放，对地下水无污染，无异物进入土壤；噪声小，冻结结束后，不影响建筑物周围地下结构。冻结只是临时改变岩土的承载、密封性能,为构筑新的地下空间服
3、务,施工完成后，根据需要可拔除冻结管，冻土将解冻融化；因此不污染环境，是绿色施工方法。人工冻结法存在冻胀融沉的危害。实践证明，在含粗粒成分特别是砂砾土中，几乎无冻胀和冻融沉陷现象。在黏土等细粒土中，冻胀融沉可通过理论计算对其预测，并采取有关措施，抑制冻胀，减小融沉，达到工程要求。冻结法是相对昂贵、需要精细施工管理、需要较多施工经验的方法，但在工程规模大、地质条件较为复杂的情况下，人工冻结法可一次加固成功，相比先进行化学加固再进行冻结补充加固的方法，经济性较好。2.3冻结法施工的阶段及工序1.冻结法施工可分为三个阶段：积极冻结期。冻结壁首先从每个冻结管向外扩展，在每个冻结管周围形成冻结柱，当各冻
4、结管的冻结圆柱连成一片时随着冻结时间的延长，地层的平均温度逐渐降低,冻土墙的强度也逐渐增大。当地层温度达到设计阻度时，该阶段结束。维护冻结期。此阶段主要是补充地层的冷量损失，维持地层的温度稳定。(3)解冻(恢复)期。当地层开挖和永久结构施工完成,就可以解冻,拔除冻结管。2、冻结法施工的四大工序：冻结站安装。冻结站由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀、中间冷却器、盐水循环系统设备等组成。冻结管的施工。钻冻结孔，在冻结孔内设置冻结器，将不同冻结孔内的冻结器连成一个系统，并与冻结站连接。地层冻结。(4)地下工程掘进施工。三、冻结法各类型的孔3.1冻结孔冻结孔是在地面或地下有限空间环境中，对拟构建冻结壁的
5、地层进行钻进施工，形成用于能安装冻结器的钻孔，有垂直、水平、倾斜等多种形式之分。其布置应符合下列规定：1.冻结孔的布置应满足设计冻结壁的厚度和冻结平均温度要求；2、冻结孔布置参数应包括冻结孔开孔孔位、开孔间距、顶(倾)角、方位角、孔深、成孔偏斜度等；3、冻结偏斜控制参数应包括偏斜率、偏值、偏向，最大相邻孔钻孔控制间距；4、冻结孔最大允许偏斜值即冻结孔钻孔轨迹与设计轨迹之间的距离；5、冻结孔钻孔间距应按设计冻结壁厚度、冻结壁平均温度、盐水温度、积极冻结时间和冻结工期要求等确定。本次下穿暗挖冻结法的横向冻结孔布置还应符合下列规定:1.区间两隧道中心线间距小于20m时,可采用在隧道的单侧布置冻结孔:
6、区间两隧道中心线间距大于等于20m时，宜采用在隧道的两侧布置冻结孔；2、横通道冻结孔宜单侧布置冻结孔,开孔应避开支护结构主筋，分段冻结时接续冻结孔应留有搭接位置；3、单排冻结孑冰能满足冻结壁设计要求时,可布置双排或多排冻结孔。多排冻结孔密集布置时，中间冻结孔距可适当放大；4、单侧供冷且隧道中心线间距小于20m的冻结孔布置，设计时应布置不少于2个透孔；5、横向冻结孔偏斜精度要求：6、单排横向冻结孔钻孔控制间距设计值3.2 测温孔测温孔是在人工地层冻结工程中，布置在冻结壁及冻结降温区内，用于安装温度监测装置，观测地层温度变化而设置的管孔。测温孔应监测冻结壁厚度、冻结壁平均温度、冻结壁与衬砌结构（管
7、片）界面温度和开挖区附近地层冻结情况。横向冻结壁测温孔布置应符合下列规定:1.测温孔宜布置在冻结孔间距较大的冻结壁界面上或冻结薄弱处；2、每个导洞测冻结壁厚度的测温孔隧道每侧不宜少于4个，冻结壁内、外设计边界上均应布置测温孔；3、冻结壁与地下建筑结构交界面处，地下水流影响到的冻结壁位置处。3.3 泄压孔泄压孔是在人工地层冻结工程施工中，为了减小地层冻胀的不利作用或危害，用来释放因地层冻胀产生的水土压力而设置的管孔。泄压孔布置应符合下列规定：1.当冻结壁邻近存在敏感管线、既有线轨道等重要地上地下建筑时，应根据冻胀融沉分析设置泄压孔；2、既止水又承载的冻结壁结构内至少布置2个以上泄压孔，可与水文观
8、测孔共用；3、冻结工程中的泄压孔，长度、孔径、方位和数量应冻胀防护要求匹配。3.4透孔用于校正钻孔角度和穿设电缆线等。四、冻胀融沉人工冻结法能够良好的达到止水、承载的作用，但冻胀和融沉对周围环境产生不良影响。土体的冻胀融沉与土体本身的性质和各种外部影响因素有关。本项目采用大直径水平超高压旋喷桩加固抑制冻胀融沉，以下从水泥掺入比、含水率、龄期、冷端温度、荷载、渗透系数来分析冻胀特性的影响，从水泥掺入比和融化温度分析融沉特性的影响。4.1 水泥土对冻胀的影响控制因素4.1.1 水泥掺入比对冻胀特性的影响如图4.1给出了砂土质水泥土和黏土质水泥土的冻胀率和水泥掺入比的关系曲线。封闭系统中，未掺入水泥
9、的粉质黏土冻胀率为11.56%,属于强冻胀土；砂土胀率为2.73%,属于弱冻胀土。随掺入比增大，水泥熟料中的矿物发生水化反应，水化产物填充了孔隙并将土颗粒连接在一起，增大了固体颗粒结构之间的抗力，且随水泥掺入比增大才氐抗破坏颗粒骨架能力越大,冻胀率越小。两种水泥土的冻胀率随水泥掺入比增大均呈下降趋势，满足较好的指数关系。黏土、砂土中水泥掺入比对冻胀率影响均存在一最佳掺入比，当水泥掺入比小于最佳掺入比时，水泥土对冻胀的抑制较显著，当大于最佳掺入比时，随掺入比增大，冻胀抑制效果增大不明显。最佳掺入比随土质不同而不同，黏土和砂土的最佳掺入比分别为10%.5%（此时冻胀率分别为1%和0.5%）o因此冻
10、结法施工时，可预先采用水泥土（旋喷桩）改良相应的冻结地层来抑制冻胀，减轻冻胀对周围环境的影响。图4.1.1冻胀率与水泥掺入比关系曲线4.1.2 含水率对冻胀特性的影响如图4.2给出了砂土质水泥土和黏土质水泥土的冻胀率和含水率关系曲线。相同密度、龄期、冷端温度和荷载条件下，两种水泥土的冻胀率与含水率呈良好的线性关系，黏土质水泥土的斜率略大于砂土质水泥土的斜率，即含水率的变化对黏土质水泥土的影响略大于砂土质水泥土。由于水泥掺人土中后经过28d的标准养护，已具备了一定的强度,砂土质水泥土较黏土质水泥土强度更大，形成的水泥土颗粒胶结骨架能够抵抗冻胀力，因此当含水率变化1%时,砂土质水泥土和黏土质水泥土
11、的冻胀率分别变化0.05%和0.08%,说明含水率变化对具有一定龄期的水泥土的冻胀影响不显著。据线性关系式可推算出砂土质水泥土和黏土质水泥土的起始冻胀含水率分别为7.4%和10.3%o图4.1.2冻胀率与含水率关系曲线4.1.3 期对冻胀特性的影响图4.1.3给出了砂土质水泥土和黏土质水泥土的冻胀率和龄期的关系曲线。两种水泥土的冻胀率均随龄期的增长而下降并逐渐稳定，曲线均分为快速下降阶段和逐渐稳定阶段。由于初期水泥在砂土中主要发生水化反应，填充颗粒间的间隙，水泥胶结物和砂土颗粒产生凝结作用，因此14d以前砂土质水泥土的冻胀率随龄期快速减小，14d以后逐渐稳定不变；而水泥在黏土中不仅发生水化、填
12、充颗粒，胶结物与黏土颗粒之间的抱团作用增强了颗粒之间的作用力，强度缓慢增长，故龄期28d以前，由于黏土质水泥土处于冻胀率处于快速下降阶段，水泥对土体的冻胀抑制作用较为明显，28d以后抑制作用减弱。但黏土质水.泥土和砂土质水泥14d时的冻胀率分别仅为3%、0.5%,冻胀率已较小，可以满足抑制冻胀的要求，因此对于冻结水泥改良土的养护龄期砂土质水泥和黏土质水泥土均可定为14d,既节约了工期，同时也抑制了冻胀。图4.1.3冻胀率与龄期关系曲线4.1.4 冷端温度对冻胀特性的影响冻胀率和冷端温度在试验温度范围内均呈良好的线性关系。砂土质水泥土的冻胀率虽温度升高变化不大，冷端温度升高13冻胀率增大0.01
13、2%黏土质水泥土冻胀率随温度升高而明显增大,冷端温度升高1,冻胀率增大0.22%o图4.1.4冻胀率与冷端温度关系曲线4.1.5 荷载对冻胀特性的影响两种水泥土冻胀率与荷载的关系曲线见图4.1.5,二者之间呈明显对数关系，冻胀率随荷载增大而减小，即荷载对冻胀变形存在抑制作用，荷载越大抑制作用越明显。外荷载的存在抵消了一部分冻胀力，影响了冰的体积膨胀，阻碍了水分的进一步迁移，故冻胀变形减小。图4.1.5冻胀率与冷端温度关系曲线4.1.6 渗透系数对冻胀特性的影响水泥掺入比与渗透系数的关系曲线见图4.1.6-lo相同水泥掺入比情况下，黏土质水泥土的渗透系数较砂土质水泥土大。两种水泥土的渗透系数随水
14、泥掺入比的增大而减小。曲线分为两个阶段,砂土质水泥土水泥掺入比小于5%时其渗透系数变化速率较大，水泥掺入比大于5%时渗透系数减小缓慢；水泥掺入比小于10%时黏土质水泥土的渗透系数减小较快，水泥掺入比大于10%时黏土质水泥土的渗透系数减小趋于平缓；与冻胀率随水泥掺量变化出现临界点是一致的，由此可知渗透系数与冻胀率之间联系密切。渗透系数和冻胀率的关系曲线见图4.1.6-2o水泥土冻胀率随渗透系数减小而减小，相同渗透系数下黏土质水泥土冻胀率较砂土质水泥土大，水泥掺入比的增大两种水泥土的渗透系数接近，其冻胀率也趋于一致。大量试验表明，水分迁移作用是导致土体冻胀的主要根源，因此控制水分迁移是控制冻胀从而
15、控制融沉的根本途径。由于水分迁移的根本原因在于存在水分迁移的通道，试3佥证明了水泥的掺入可从内部减弱水分迁移的动力、堵塞水分迁移的通道，使土体冻胀率减小。图4.1.6-1渗透系数与水泥掺入比关系曲线图4.1.6-2冻胀率与渗透系数关系曲线4.2 水泥土对融沉的影响控制因素4.2.1 水泥掺入比对融沉特性的影响结合4.1.1和图421,黏土、砂土中分别掺入10%、5%水泥量可使水泥土冻胀率较小，同时融沉也较小。图4.2.1融沉系数与水泥掺入比关系曲线4.2.2 融化温度对融沉特性的影响融化温度越高,融沉结束需要时间越短，但融化温度对水泥土的融沉系数大小无影响，说明融化温度只会改变地层的融沉速度,
16、因此工程中采取强制解冻措施能够加速融沉发生，但不会增加最终融沉量。4.3 冻胀控制的工程措施4.3.1 冻结体提前加固改良工程上常用的预加固方法有超前锚杆、超前小导管、旋喷加固、超前管棚加固、搅拌桩加固等。本工程采用大直径水平超高压旋喷桩和超前管棚抑制冻胀融沉，加固后的土体，除了强度提高以外，还会由于含水量的减少而减少土的冻胀、融沉效应。冻结孔布设在加固体中，达到减缓冻胀的作用。4.3.2 设置合理的冻结范围和厚度，设置热水孔控制冻结边界冻土帷幕具有封水和承载两大功能。为尽量减小冻胀的不利影响及减小冻土体量，设计冻土帷幕厚度应以能提供足够封水能力为主。根据施工方案制定原则,该工程采用分区冻结、分部构
