大型地铁隧道局部垂直冻结加固技术研究_孙钦帅.pdf

广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年7月第30卷 第7期JUL 2023Vol.30 No.7DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.07.007作者简介：孙钦帅（1986-），男，硕士，工程师，主要从事冻结法工程技术、全过程工程咨询研究。E-mail：冻结法通过人工制冷技术将地层中的自由水结冰，从而形成抵抗地压并隔绝地下水的封闭式冻土体 1-2。我国首次成功应用冻结法凿井技术在1955年3，此后冻结法在矿井建设中得到了广泛的应用，随着我国城市轨道交通和地下工程的蓬勃发展，冻结法被逐步引入市政工程领域。最初冻结法主要应用于联络通道和端头井的小型冻结工程中，用于封水和承载4-7。但随着冻结法被业界的广泛接受，越来越多的大型工程逐步开始使用冻结法进行加固8-11。但由于市政工程中的冻结法往往具有埋深浅、管线多、风险高的特点，因此如何有效开展大体量冻结工程一直是困扰施工者的重要问题。有鉴于此，本文以广州某大型地铁隧道为工程背景，对其局部垂直冻结加固方案进行介绍，探讨了对大体量、长距离、高风险地下工程进行冻结施工的可行性。相关结论和数据对类似工程具有一定的参考意义。1工程概况广州地铁3号线北延伸段某施工隧道设计全长59.26 m，为单洞双线曲线隧道。本段隧道拱顶覆土厚度约 7.638.08 m，为超浅埋隧道。该段隧道为曲线段，曲率为 R=400 m。由于隧道一侧为运行车站，不具备大型施工条件，且地面为机场空管中心，地面有通行需求，同时加固区上方有数根军用通讯光缆等限制，因此不具备明挖条件。综合考虑隧道断面形式、埋深及所处地质条件，最终决定采用地面垂直冻结法加固+矿山法暗挖施工的方法进行施工，从而减少对地面交通的影响。本项目暗挖隧道所处地层主要为 4-1 含砂粉质粘土、3-3 细砂砾砂、9C-2 含砂粉质粘土地层。暗挖隧道宽为12.6 m，高为8.82 m，底板埋深约为16 m。根据地勘资料显示地下水水位平均埋深为 2.59 m。隧道所处 3-3 细砂砾砂层渗透系数为515 m/d，为高渗透性地层，施工中需严格注意防水。2冻结方案设计2.1冻结壁设计参照以往浅埋冻结工程施工经验，初步选定两侧及顶部冻结壁厚度为3.0 m，其中底部冻结壁厚度为4.0 m，冻结壁平均温度为-10。通过有限差分法对埋深最深截面的冻土帷幕受力与变形进行计算。计算模大型地铁隧道局部垂直冻结加固技术研究孙钦帅（北京北咨工程项目管理咨询有限公司北京100025）摘要：大型地下工程如何进行精准、可靠的冻结加固一直是困扰施工者的主要难题之一。以广州地铁3号线机场段隧道冻结加固工程为例，从冻结壁设计和冻结孔设计两个方面入手，介绍了大体量冻结工程的设计方法，并根据现场实测数据，对该工程冻结过程温度场演化以及关键技术指标的形成情况进行分析。研究结果表明冻结壁设计平均温度-10、厚度3 m（底部平底4 m）时，冻土帷幕的总体承载能力足够满足项目需求。在不具备明挖和水平加固条件下，垂直冻结技术的应用能够节约能量，有效降低了项目成本，也为后续类似工程的开展提供了参考依据。关键词：局部垂直冻结；大型地铁隧；设计方法；冻结效果中图分类号：U455.49文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）07-028-04Study on Regional Vertical Freezing Preservation for Large Tunnel of Civil Subsurface StationStudy on Regional Vertical Freezing Preservation for Large Tunnel of Civil Subsurface StationSUN Qingshuai（Beijing Becc Engineering Project Management Consulting Co.，Ltd.Beijing 100025，China）AbstractAbstract：Accurate and reliable freezing reinforcement of large underground engineering projects is one of the primary challenges for construction practitioners.Takes the freezing reinforcement project of Guangzhou metro line 3 airport section tunnel as an example，introducesthe design methods of large-volume freezing projects from two perspectives：freezing wall design and freezing bore design，and analyzes theevolution of layer temperature field during the freezing process and the formation of key technical indicators based on field experimental data.The research results show that when the average temperature of the freezing wall is-10 and the thickness is 3 meters（4 meters at thebottom），the overall bearing capacity of the frozen soil curtain is sufficient to meet the project requirements.Without the availability of excavation and horizontal reinforcement，the application of vertical freezing technology can save energy，effectively reduce project costs，and alsoprovide reference basis for the development of similar projects in the future.Key wordsKey words：regional vertical freezing；large underground metro tunnel；design method；freezing effect28孙钦帅：大型地铁隧道局部垂直冻结加固技术研究JUL 2023 Vol.30 No.72023年7月 第30卷 第7期型及相关结果如图1和表1所示。根据设计要求，采用许用应力法对冻结壁应力状态进行分析，其中安全系数采用冻结法技术规程规定的类冻结壁相关数据选取 12。从计算结果中可以看出，冻结壁平均温度-10、厚度3.0 m（底部4.0 m）时，冻土帷幕的总体承载能力足够，冻土帷幕两侧及底部有应力集中，但应力值小于强度值，且各项安全系数满足要求，因此认为该设计参数合格。2.2主要设计参数根据隧道冻结壁设计的形式和特点，决定采用局部垂直冻结方案。其中非冻结段的冻结器采用双套管填充保温材料的处理方案，从而减少该区域的冷量传递。为保证冻结壁的形成，将冻结孔的布置轴线与开挖隧道中心线平行，并布置9排冻结孔：A排I排。排间距：外侧两排（A-B排，H-I排）排间距1 800 mm；其他排间距为2 1502 225 mm。冻结孔布置形式如图1所示，具体设计参数如表2所示。3施工效果分析3.1制冷方案确定由于本工程冻结体量较大，冻结管数目众多，为了减少运转体量，将冻结加固区域划分为两个独立的区域和。冻结施工中，首先将区接入盐水循环系统进行积极冻结，同时对区倒排工期，待区开挖至距离区工作面50 d（积极冻结45 d，冗余考虑5 d），将纳入冻结系统，进行正常冻结。3.2盐水温度情况本工程于 2017 年 1 月 24 日开始积极冻结，至2017 年 4 月 12 日，盐水温度降至-27.25 （去路）、-25.43 （回路），干管温差为1.81，满足设计要求，冻结过程中盐水温度变化如图2所示。由图2可知，积极冻结初期盐水温度迅速下降，后期在-20 出现了一定的稳定，随后积极冻结 30 d左右进一步下降至-28 左右，其中第5058 d左右出现的温度上升是由于区冻结管开机所造成，后续温度迅速回降至-28 左右。整个冻结过程基本满足要求。3.3测温孔的布置冻结段共设计5个测温孔其中，2个位于A、排孔的外侧界面，2个位于开挖断面内，1个位于冻结段端头，深度与相邻冻结孔相同。温度测点布置如图3所示。数值计算结果图1数值计算截面及其结果Fig.1The Numerical Calculation Cross-sections andthe Results（mm）计算截面1800A保温段冻结管冻结壁边界非保温段冻结管2225B2225C2150D2150E2225F2225G1800HI136598376757363915123337930808334670648424439419840008820135694230300044395073308067064842833441983379837675736391表1冻结壁结果统计Tab.1Frozen Wall Results Statistics项目计算值强度指标安全系数安全准则判别条件应力/MPa11.523.62.372合格30.592.03.393合格应力max/MPa0.581.52.592合格表2主要冻结设计参数Tab.2Main Freezing Design Parameters序号123467891011项目冻结壁设计厚度/m冻结壁平均温度/冻结壁交圈时间/d积极冻结时间/d冻结孔个数/个有效冻结段冻结管规格/mm无效冻结段冻结管规格总需冷量/万kcalh/mm设计单孔盐水流量/m3h测温孔个数/个冻结管长度/m数量拱顶及侧墙3 m，底板4 m-1040451551084.5894/133322.85553 350图2盐水干管去回路温度变化曲线Fig.2The Temperature Variation Curve of theSalt Water Dry Pipe Return Loop进水温度回水温度1-7温度/日期10-1001-2520-202-113-1-303-194-74-2529孙钦帅：大型地铁隧道局部垂直冻结加固技术研究JUL 2023 Vol.30 No.72023年7月 第30卷 第7期3.4测温孔温度变化部分典型测温孔温度随时间变化曲线如图 4所示。各测温孔温度随时间逐渐降低，设计积极冻结末期冻结壁范围内的测温孔温度均已降为负温。通过T3测温曲线可以看出，在顶板段冻土内发展速度慢于底板段冻土发展速度，中间保温段冻土发展最慢，截止数据统计时间仍处于正温，说明通过冻结器的局部保温布置在一定程度上节约了冷量，并有利于隧道的开挖施工。3.5冻结壁分析3.5.1冻结壁发展分析 隧道顶板：-8 m处位于隧道顶板设计冻结壁内，A、I排在此深度设有保温层，无冻土；CG排群孔冻土发展速度以 26 mm/d计。测温孔分布位置、孔间距和冻土发展速度如表3所示。隧道侧帮：-12 m 处位于隧道中部，A、B、H、I排冻结管形成冻结壁侧帮，CG 排冻结管开挖断面保温，理想状况下无冻土。B、H 排孔冻土发展速度以32 mm/d计，测温孔分布位置、孔间距和冻土发展速度如表3所示。隧道底板：-18 m 处位于隧道底板设计冻结壁内，A、I排冻结管深度17 m，无冻土；BH排其余孔冻土发展速度以 42 mm/