隧道凍結技術

工作原理

沿開挖斷面周邊布置與通道方向基本平行的凍結孔,然後在凍結孔中循環低溫鹽水,使凍結孔附近的含水地層結冰,形成強度高、封水性好的凍土帷幕,然後在凍土帷幕的保護下進行隧道暗挖施工。凍結原理見圖1。

隧道凍結技術原理

技術發展

1955年我國首次將凍結技術套用於礦井建設中,並取得了成功。隨著近年來地下工程的迅速發展,凍結加固技術因為其防水效果好,對周圍環境影響小等特點而越來越多的被套用於城市捷運建設中,特別是對環境保護要求高、又處在軟土地質條件下的聯絡通道加固和盾構始發、到達端頭的加固,其套用更為廣泛。

技術優缺點

凍結法施工的優點

①凍結帷幕強度較高:-10℃時凍結粘土的抗壓強度一般可達5MPa,凍結砂土的抗壓強度一般可達8MPa以上。
②凍土帷幕的止水性好,並且容易通過在凍土帷幕內設水文孔來檢驗。
③對所處地層擾動較小,地面沉降控制把握性大。
④不必占用地面場地。

凍結法施工的缺點

①施工周期長。
②造價高。
③凍脹、融沉會造成一定的地面隆沉。

技術影響

①凍脹和融沉引起聯絡通道附近管片變形、位移、開裂等。
②引起地面隆沉,地下管線、地面建築物隆沉,甚至破壞。
③解凍期間沉降原因分析:
a.凍脹土體消融引起地層沉降。
b.在結束維護凍結的第五天,南京市發生20年不遇的特大暴雨,致使聯絡通道處隧道內積水達2m多深。受此因素影響,未能按計畫及時進行襯砌背部的二次注漿,雖然在積極排水以後馬上對襯砌背部進行了跟蹤注漿,但地面及管片沉降在約兩個月後才達到穩定狀態。
c.聯絡通道上方為十多路公車頻繁停靠的公交站台,車輛制動荷載導致地表沉降。

預防措施

根據各個施工階段的特點,採取以下措施保護
周圍環境的安全。
①為增強管片的整體穩定性,通道開挖前所加預應力鋼架支撐,需待結構達到設計強度,解凍結束後方可拆除。
②施工前對前後總計10環管片螺栓進行復緊,並焊接鋼管片間縱環向接縫。
③在鑽孔階段湧水涌砂較厲害時,採取注漿止水。
④為減小土層凍脹,隧道上下對稱布置凍結孔,在適當部位設卸壓孔,並採用小開孔距,較低鹽水溫度,較大鹽水流量以加快凍結速度。
⑤加強監測,包括地表沉降、隧道變形、通道收斂變形、凍土壓力、凍土和鹽水溫度等監測,以監測結果指導聯絡通道的施工。
⑥做好凍結和開挖的配合工作,及時封閉薄弱的凍結壁,並根據開挖後凍結帷幕變形情況及時調整開挖構築工藝。
⑦開挖階段凍結壁變形較大,應及時封閉工作面,採取注漿或強制凍結的方式進行處理。
⑧在襯砌施工時預留足夠的背部注漿孔,在解凍期間根據監測結果對凍結區域進行跟蹤注漿,從而減小融沉造成的地層損失。