盾构出洞冻结法加固施工技术

冻结法作为盾构进出洞土体加固的一种可靠方法,得到广泛的应用。以上海复兴东路隧道盾构出洞加固工程为例,介绍加固方案、冻土帷幕设计、冻结系统设计和施工工艺供设计、施工和研究人员参考。     

人工冻土解冻温度场数值分析

以某车站盾构到达人工水平冻结加固工程为背景,利用大型有限元软件建立自然解冻数值模型进行模拟分析,并将现场监测数据与数值模拟结果进行对比分析。研究表明:水平冻土帷幕在停止冻结后60 d可以完成自然解冻过程;冻土的自然解冻速率随解冻时间的延长而减慢;影响盾构达到人工水平冻土帷幕自然解冻的主要因素为隧道空气散热及未冻土的热传导。     

海底盾构修复冻结加固技术

在海底故障盾构修复施工中,在盾构切口前方采用双排冻结管和盾构两侧的辅助冻结管进行垂直局部冻结加固土体,使盾构前方形成罩形冻土帷幕,将切口端的漏水通道冻结封闭,为隧道清泥排水和盾构修复提供保障。考虑到海水含盐具有冻土帷幕厚度减小、冻土强度下降等对冻结的不利影响,对冻结方案进行了专门设计与冻结及施工过程的实测研究。通过对冻土温度监测数据的计算和分析,表明罩形冻土帷幕在海底盾构修复中取得了良好效果,验证了该冻结方案在海底盾构隧道修复中的可行性。     

上海长江隧道冻结监测优化设计及数据分析

以上海长江隧道联络通道冻结加固工程为背景,详细介绍了1# 联络通道人工地层冻结法工程的监测设计,提出了冻结监测的设计原则,对冻结监测数据进行了深入分析。通过盐水温度监测判断冻结设备运转情况,通过冻土帷幕监测得出冻土帷幕发展规律、冻土帷幕交圈时间、冻土帷幕有效厚度等。然后,将监测分析结果与解析计算对比。研究结果表明:通过优化的冻结监测设计,不仅减少了对管片的破坏,而且用较少的测点就可以实时地、准确地判断人工地层冻结法的土体加固效果。本文监测优化设计的思路和数据分析方法可以为同类工程的设计和施工提供指导。     

软土地层单排管冻土帷幕温度场分析

人工冻结法施工技术是软土地区隧道施工的一种经济可靠的方法,在上海地区得到了多次成功应用。不过,由于计算理论的不完善,也出现过诸如上海地铁四号线透水的重大工程事故。在冻结法施工过程中,冻土帷幕的温度场分析是非常重要的环节。作者对冻土的物理和力学性质作了相关的定性分析。通过相关的研究资料和实验数据总结了具有实用意义的单孔和单排孔温度场温度计算理论公式,并运用Ansys有限元软件,结合上海长江隧道工程冻结法施工的相关施工数据,建立了单排冻结孔数值计算模型。通过理论计算值、数值计算值和实际监测信息的比较,得出了单排孔冻结帷幕温度场发展变化的相关规律。     

人工冻结法技术应用方法研究

目前,在冻结法市政工程中的应用中,多采用监测温度的方法来反映冻结工程中存在的问题。而单纯根据监测数据,并不能系统地分析冻土帷幕场的发展规律。本文依托上海长江隧道1#联络通道冻结工程,采用了温度监测、解析计算和数值计算三种方法。通过这三种方法对比和结合分析,得出冻土帷幕温度场的形成规律,并计算出冻土帷幕厚度及平均温度等指标,进而指导并确保在这种复杂工程中冻结施工的安全。     

盾构尾刷冻结法更换的温度场数值分析

 对上海长江隧道长距离盾构掘进中盾尾刷更换预案的冻结法施工温度场进行三维有限元数值分析,对此特殊冻结法的可行性和可靠性进行论证。根据冻结法盾尾刷更换方案,依照实际工程的地质条件、盾构和管片结构以及密封油脂等相关介质的热物理性质,考虑盾尾刷更换的具体工艺,采用ANSYS软件对盾尾刷更换施工过程进行温度场数值计算,在此基础上对冻土帷幕的发展、厚度变化和封闭性进行分析。结果表明,开始冻结后在盾尾可以很快形成封闭的环形冻土帷幕并稳定发展,拆卸临时管片进行盾尾刷更换过程中,冻土帷幕略有弱化但很快转入继续增长并进入稳定的安全状态,论证设计的冻结法盾尾刷更换方法的可行性和可靠性。     

冻结加固盾构端头土体温度场数值分析

在人工冻结加固盾构到达端头土体施工过程中,土体温度是关系到冻土帷幕发展情况以及确定盾构机推进时机的重要参数。以南京地铁二号线集庆门车站北端头盾构进洞冻结加固工程为背景,利用大型有限元数值分析软件建立数学模型对冻结和自然解冻温度场进行计算,研究了多圈水平冻结条件下温度空间分布及温度随时间变化规律,并对左线开挖后垂直冻结管停冻和不停冻两种方案对温度场的影响进行对比,研究表明:采用多圈水平冻结并合理布置冻结圈径可以显著加快冻结壁的形成,从而缩短工期;自然解冻时存在两个解冻锋面,其中管片散热对解冻影响较大;自然解冻时温度上升速率先快后慢,而解冻锋面推进速度则越来越快;在左线开挖后可以停止左、右线洞门之间垂直冻结管的冷媒循环,同样能够保证右线冻结壁厚度达到设计要求。     

人工地层冻结技术在上海长江隧道工程的应用

在上海长江隧道双管之间8条连接通道的施工中,采用了人工冻结法作为临时的土体加固措施。本文简要介绍其冻结设计理念、施工计划以及风险控制方案。在施工过程中,为了掌握盐水和土体温度的变化情况,采用了一线总线数据采集记录系统,能够实现温度场分析和可视化,并根据得到的数据计算冻土帷幕厚度,从而对其安全状态做出评估以指导开挖。实测结果显示,冻结45d后冻土帷幕厚度达到2.4m,平均温度-15℃,满足设计要求。进一步分析发现,隧道管片散热会导致距离管片较远的冻土发展快于靠近管片的冻土。总体而言,冻结法技术形成的筒形冻土帷幕的强度足以满足施工要求。     

含盐地层冻土帷幕安全状态判断方法的工程应用

冻结法施工广泛运用隧道联络通道,而在含盐较高的土层中运用冻结法施工与普通土层则有所不同。本文依托上海长江隧道2#联络通道冻结工程,考虑到含盐土层的影响,对双排管冻结公式进行了修正,得出在高含盐地区的冻土帷幕温度场的形成规律,并计算出冻土帷幕厚度及平均温度等指标,进而指导并确保在这种复杂工程中冻结施工的安全。     

塑料冻结管冻土温度形成规律

为了获得PVC、PPR塑料冻结管在盐水冻结的温度场分布情况,采用物理模拟实验和理论求解相结合的研究方法,研究了PVC管、PPR管和钢管的单管冻结问题,分析了3种不同材质冻结管的冻结情况,获得了冻土区温度分布规律,掌握了PVC、PPR管作为冻结管冻土的发展速率,在同种情况下PPR冻结管的速度最慢,PVC管冻结的冻土帷幕平均发展速度约为钢管冻结发展速度的0.8倍。为采用PVC管作为冻结管,确定盐水冻结时间和计算冻结壁厚度,解决盾构进出洞免拔管问题提供基本参数。     

多排管局部冻结冻土壁温度场特性

上海地铁一区间隧道因施工联络通道发生工程事故导致隧道坍塌,修复工程中部分采用四排局部垂直冻结形成冻土墙,用于抵挡水土压力和嵌固完好隧道。针对冻结深度深以及冻结土层为扰动的粉质黏土、砂质粉土并承受较高承压水头这些特点,工程中对冻结壁温度场发展进行实时监测。从冻结深度、厚度方向上分析多排局部冻结排内和排外温度发展特征,并分析计算出积极冻结期排内冻土壁交圈时间、发展速度。鉴于目前计算冻土帷幕厚度公式并不适用于计算多排管冻结,引入双排管计算公式,并利用作图法推导出平均温度计算公式。利用这2个公式,分析多排局部冻结冻土壁特征,计算出积极冻结期结束时冻土壁厚度和平均温度,以及整个冻结期排外冻土壁单侧发展厚度和发展速度。     

人工冻土帷幕的冻结过程研究

人工冻土帷幕具有广泛的应用前景。研究表明,冻土的均匀性和冻结状态是影响人工冻土帷幕强度的重要指标。冻结方向、受力方向、冻结时间影响下的冻结锋面发展情况和温度场规律是描述冻土力学性能差异的四个重要特征。该文通过分析这些指标和特征,完善了人工冻土帷幕的分析计算内容,有助于验证冻结时间、冻结位置等重要工程指标的正确性。     

使用塑料冻结管的液氮冻结温度场试验研究

温度场分析是判断冻结土体性状进而反映冻结效果的重要手段,而盾构出洞液氮冻结加固中使用塑料冻结管对温度场的分布有较大影响。为获得使用塑料冻结管液氮冻结温度场的分布规律,以相似理论为基础,使用塑料冻结管进行上海淤泥质黏土的液氮冻结物理模拟试验,得出结论如下:沿塑料冻结管长度方向,冻结管壁的温度差别较大,造成不同位置冻结壁的发展范围不均匀,在冻结循环的末端管壁温度最高,冻结效果相对较差。冻结形成冻结区内的温度分布曲线较陡直,而在冷却区的温度分布曲线较平缓,其温度梯度较使用钢管的液氮冻结时小。在土层性质确定的情况下,液氮灌注状况、冻结管间距、冻结时间是影响液氮冻结效果的主要因素。冻结过程中,采用较小的冻结管间距,可以加快冻结速度,缩短冻结时间,发挥液氮冻结优势。研究结果表明,塑料冻结管可以应用于液氮冻结加固施工,研究成果可以为液氮冻结的工程应用提供有益的参考。     

基于地质雷达法探测冻结帷幕研究

人工冻结法的冻结帷幕直接关系到地下施工的环境安全,现阶段对于冻结帷幕形成与否的判定仅仅通过有限的测温孔和压力孔数据,常造成判定不准、开挖后透水无法施工、需二次冻结的情况发生。为了高效准确地探测冻结帷幕的性态,本文通过地质雷达法进行冻结帷幕的探测试验。在实际物理探测前,采用数值模拟进行可行性分析,数值模拟结果表明,地质雷达法是有效的。以此为依据,笔者对内蒙古某地铁采用冻结法施工的联络通道进行实际探测,表明采用地质雷达法进行冻结帷幕的探测是基本可行的,能够对冻结帷幕进行定性分析,但要做到定量分析还需要继续深入研究。     

斜井液氮补强冻结温度场分布特征

 针对地下有流水时盐水帷幕冻结方法无法形成封闭冻结壁的情况,采用液氮低温快速冻结的方式对未封闭区域进行补强冻结,对施工过程中土体的温度场分布进行监测和分析,得出以下基本结论：冻结管出口氮气温度低于－100 ℃时,冻结管内处于氮气和液氮的混合状态,可以有效发挥液氮快速冻结的优势,而供液管上开孔的结构,会影响冻结管内不同位置液氮量的分布,从而影响冻结效果。由于地下水流动会带走部分冷量,冻结区域封闭前后,土体降温速度差别较大,并且地下水的流动会影响冻结壁温度场的分布规律。由于液氮气化温度低,所以冻结形成的冻结壁温度梯度大,均匀性较差;停止冻结后,冻结孔位置土体温度升高迅速,而远离冻结孔的土体升温缓慢,这样缩小了冻结壁内的温度梯度。研究结果表明,利用液氮快速冻结的特点,进行盐水帷幕冻结下的补强冻结,可以有效封堵地下流水,解决盐水冻结不能形成封闭冻结帷幕的难题。     

长距离液氮冻结加固高承压富含水层温度实测研究

结合杭州庆春路过江隧道盾尾刷更换工程,给出了在高承压富含水层地层中采用长距离液氮冻结加固封水的冻结参数和工艺,并进行了冻结温度场实测研究。监测分析结果表明：长距离液氮冻结去路温度应保证在到达工作面时液氮温度为 - 100℃ 以下,经循环后出口温度应保持在 - 50℃ ～ - 70℃ ;采用 3 层 1 cm 厚的聚乙烯保温材料和 3 层密封薄膜交替包裹保温效果明显,温度回升为 0.070℃/m ,最长可用于 1000 m 的远距离液氮冻结;冻土体发展速度从大到小依次为圆砾层 > 粉细砂层 > 粉质黏土层;管片中的温度受外界影响较大,盾壳 - 管片界面温度在盾尾刷焊接前、焊接时及焊接后分别为 5.4℃ ～ - 3.2℃ 、 19.3℃ ～ 8.7℃ 、 12.7℃ ～ 4.8℃ ,确保了冻结壁不融化和焊接质量;强制解冻仅需 2 d 即可达到盾构继续推进的条件,本工艺总工期为 23 d ,解决了承压含水层中封水更换盾尾刷的难题。     

交叠车站下穿段MJS+水平冻结冻胀位移场研究

交叠车站下穿段隧道进行开挖前首先要进行加固处理,以南京新建地铁7号线下穿既有10号线中胜站工程项目为背景,为控制施工引起既有运营车站的变形,采用MJS+水平冻结法联合加固方案。为掌握MJS+水平冻结联合加固的冻胀变形、冻胀位移场发展规律及其影响因素,进行冻胀位移场数值模拟。研究结果表明:在积极冻结过程中,“山”字形水泥土加固区内部及其左右两侧产生向上的变形,底部则产生向下的变形;水泥土加固区变形相比内外侧砂土变形较小,水泥土对抑制冻胀作用效果明显;地层初始温度越低,冻胀变形影响范围越广,变形值越大,在冻结40 d、地层初始温度为18 ℃时,既有车站底板在距中轴线水平距离12 m处产生最大冻胀变形,为6.97 mm,小于允许冻胀变形10 mm;在相同地层初始温度下,盐水温度越低,隧道埋深越浅,冻土帷幕越厚,冻胀产生的变形越大,实际工程中可通过优化盐水降温计划抑制冻胀变形以减小对周边环境的影响。研究结果可为相似工程提供设计参考理论依据。     

地铁联络通道冻结法施工中涌水成因及防治

以某富水砂卵石地层联络通道人工冻结法施工为依托,就地层热力学参数、冻结参数和施工工艺等对冻结壁的厚度、交圈时间及平均温度等影响进行了研究,分析表明:AGF冻结效果关于热传导系数的敏感度最大,关于比热容和含水率的敏感度次之;冷冻管间距对冻结效果的影响非常显著,冻结法施工时,应加强冻结管开孔位置及倾斜度的控制;冷冻管直径变大,盐水与地层间对流系数减小,会抵消冻结管直径增大的影响;保温层设置不当以及冻结管远端定位缺陷直接影响联络通道与盾构隧道交叉区域的冻结效果,甚至出现冻结壁厚度不足和冻结壁交圈困难等问题,易导致管片开挖时涌水事故的发生。