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冻结法加固应用于盾构隧道施工
浙江大成建设集团有限公司 章履远
由于搅拌桩、注浆、高压旋喷等土体加固方法存在土体加
固不均,可能存在局部薄弱带而不能封堵具有压力的地下
水。而采用冻结土形成的冻结帷幕,其冻土墙均匀性好、强
度高(大于 3MPa )。尤其是冻结体与井壁能做到无缝对接,
可保证滴水不漏。因此,大直径的泥水平衡盾构大多采用冻
结法加固技术。大直径泥水平衡盾构使用最多的是日本,其
进出洞土体加固大多采用冻结法。
1995 年,上海延安东路南线隧道, 11.22m 泥水盾构,当
时始发井采用水泥土搅拌桩加固,盾构出洞始发,因覆土浅
产生冒浆而不能建立泥水平衡,影响了 3 个月工期后,最后
改用冻洁法加固土体取得成功(国内第一次) 。从 2001 年以
来,上海的泥水平衡越江隧道,如大连路隧道、复兴东路隧
道、翔殷路隧道、上中路隧道等都采用了冻结法加固取得成
功。因此,掌握冻结法施工技术对隧道工作者来说,也是必
不可少的工作。
然而,冻结法施工最大缺点是施工成本高,冻融隆沉大,
应该懂得采取相应技术措施。下面就来谈一谈冻结法的施工
和用冻结法施工的成功案例。
一、冻结法施工技术
1、概况:
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,从而增加岩土的强度和稳定性,隔绝地下水与
地下工程的联系,以便在冻结壁保护下进行隧道、竖井、地
下联络通道和其他地下工程的开挖与施工的一种特殊施工
技术。其实质是人工制冷技术临时性改变岩土的状态以固结
地层。
冻结法施工技术在矿井建设、地基基础工程、水利工程、
河底隧道、地下铁道和其他地下工程中,当遇到不稳定地层
或含水量丰富地层、 裂隙岩层等, 只要是地下水含盐量不大,
且流速慢( 6m/d )都可以采用冻结法固结地层,完成地下工
程施工。
英国人和德国人早在 1862 年、 1883 年利用冻结技术完成
建筑基础、煤矿深井施工。 1886 年、 1906 年瑞典和法国用
冻结法施工人行隧道,穿越河底地铁工程。前苏联、日本也
在 20 世纪 70 年代用冻结法施工地铁隧道,排水管等。据不
完全统计已有数百项工程用冻结法来完成工程施工。
我国从 1955 年~ 1999 年在煤炭系统,利用冻结技术,建
设煤矿竖井近 500 个,总长达 70Km ,最大冻结深度达 435m 。
随着冻结技术不断发展,水平冻结、斜井冻结也取得成功。
近年来,随着地下工程日益增多,特别是地下铁道建设兴
起,冻结技术开始应用于城市地铁工程的隧道施工。北京、
上海、广州已分别采用了垂直冻结、水平冻结技术完成了多
项地下工程。
岩土冻结常采用方法叫间接冻结法—低温盐水法。其原理
是以氨、氟利昂等制冷工质,经过压缩机对工质压缩成高温
液态,经冷却后到蒸发器膨胀汽化,在交换器中吸收盐水中
热量,负温盐水作为传递冷量的媒介。把冷量传递给需要冻
结的岩土层,达到冻结局部岩土目的。这种冻结方法由三大
循环系统构成。
① 氟利昂(或氨)循环系统
② 盐水循环系统
③ 冷却水循环系统
从而获得- 20 oC~- 35 oC 左右的低温盐水,用以冻结岩
土。
还有一种方法为直接冻结法—液氮法。
o
液氮在 1 个大气压下的蒸发温度为- 196 C。当要冻结的
土体不大,或抢险堵水的紧急情况下,可用液氮冻结技术,
达到快速便利的优点。
且液氮冻结设备简单,只要液氮槽车输送液氮到液氮储罐
内,再通过液氮输送管输送到冻结器(冻结管) ,再把汽化
氮气排出,即达到冻结目的。该法施工简单,唯施工成本
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