冻结法在厦门轨道交通三号线过海段区间隧道工程中的应用研究

密级：公开论文类型：应用研究工程硕士学位论文冻结法在厦门轨道交通三号线过海段区间隧道工程中的应用研究StudyonTheApplicationofFreezingMethodinTheCross-seaSectionTunnelProjectofXiaMenNo.3MetroLine培养单位：土木工程学院专业领域：建筑与土木工程学生姓名：林建平校内导师：王明生教授校外导师：李昌宁高工二○一八年六月 独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石家庄铁道大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解石家庄铁道大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》和编入《中国学位论文全文数据库》。本人授权石家庄铁道大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定)作者签名：日期：导师签名：日期： 摘要以厦门轨道交通三号线厦门本岛至翔安过海通道工程为背景，研究了冻结法在五缘湾站～刘五店站区间泥水盾构段废水泵房及联络通道施工和盾构机停机进行刀箱修复、刀具更换时对地层加固中的应用。实验测定了工程范围内冻土的单轴抗压强度，结果表明：冻土的力学性能得到了大幅提高，为冻结法的设计提供了力学参数。结合工程地质与水文地质条件，确定了联络通道采用冻结法加固土体、矿山法开挖的施工技术方案；盾构换刀采用“垂直冻结加固+常压进仓”的施工技术方案。以冻土的力学性能实验为基础，提出了冻结加固设计方案和施工关键技术。冻结实施过程中，对冻结系统盐水温度、土体温度进行了跟踪监测分析；并利用有限元软件COmSOLmultiphysics对冻结壁发展情况进行了数值模拟分析。分析认为冻结33d后，冻结帷幕已经交圈。综合分析了冻结39d后冻结系统运转情况、盐水降温情况、温度场变化规律、冻结圈承载力等，得出冻结帷幕39d后能达到设计要求，可以安全常压进仓换刀。通过冻结法的工程实践揭示了冻结法中盐水温度、冻土温度、冻结帷幕的发展变化规律，保证了盾构换刀和废水泵房及联络通道的施工安全，也可为冻结法加固地层的类似工程提供参考。关键词：地铁区间隧道；地层加固；冻结法；盾构换刀；联络通道 AbstractTakingtheXiamenNo.3metroLineofXiamentoXiang’ancross-seapassageprojectasthebackground,thispaperstudiesthereinforcementofstratumwhenusingfreezingmethodinWuyuanwanstationtoLiuwudianstationofmudandwatershieldsectionofthesewagepumproomandtheconnectingpassageconstructionandshieldmachinedowntimetoolboxrepairandknifereplacement.Theuniaxialcompressivestrengthoffrozensoilinthisprojectareawasmeasuredexperimentally.Theresultsshowthatthemechanicalpropertiesoffrozensoilhavebeengreatlyimproved,whichprovidesthemechanicalparametersforthedesignoffreezingmethod.Combinedwiththeengineeringgeologyandhydrogeologicalconditions,theconstructiontechnologyschemeforfreezingmethodandminingmethodisdetermined,andtheconstructiontechnologyschemeof"verticalfreezingreinforcement+atmosphericpressurestorage"isadoptedforshieldknifechanging.Basedonthemechanicsperformancetestoffrozensoil,thedesignschemeandkeytechnologyoffreezingreinforcementareputforward.Duringtheimplementationoffreezing,monitoringandanalyzingthebrineandsoiltemperatureinfreezingsystemwerecarriedout,andthedevelopmentoffrozenwallwasnumericallysimulatedbyusingfiniteelementsoftwareCOmSOLmultiphysics.Itisbelievedthatthefrozencurtainhasbeenturnedover33daysafterthefreezing.Acomprehensiveanalysisismadeontheoperationoffreezingsystem,thecoolingconditionofbrine,thechanginglawoftemperaturefieldandthebearingcapacityoffrozenringafter39daysoffreezing.Itisconcludedthatthefrozencurtaincanmeetthedesignrequirementsafter39daysandcansafelyenterthestorageandreplacetheknife.Throughtheengineeringpracticeoffreezingmethod,itrevealsthelawofdevelopmentandvariationofbrinetemperature,frozensoiltemperatureandfrozen curtaininfreezingmethod,ensuringthesafetyofshieldknifechanging,wastewaterpumpingstationandconnectingpassage,andalsoprovidingreferenceforfreezingmethodtoconsolidatesimilarworksofstratum.KeyWords:metrotunnel,stratumreinforcement,freezingmethod,shieldknifechanging,contactchannel 目录第一章绪论...........................................................................................................11.1研究背景..........................................................................................................11.2国内外研究现状..............................................................................................21.3主要研究内容..................................................................................................3第二章工程背景.......................................................................................................52.1工程概述..........................................................................................................52.2工程地质概况..................................................................................................72.3水文地质概况................................................................................................102.4工程特点........................................................................................................10第三章冻结法加固设计.........................................................................................113.1冻结方案设计................................................................................................113.1.1五刘区间冻土单轴抗压强度实验.........................................................113.1.3冻结孔、测温孔布置.............................................................................193.1.4冻结加固技术要求.................................................................................223.2冻结孔温度监测及分析................................................................................233.3冻结效果分析................................................................................................293.3.1理论分析.................................................................................................293.3.2数值分析.................................................................................................353.3.3结论及建议.............................................................................................483.4冻结壁承载力校核........................................................................................483.4.1设计垂直冻结壁承载力计算结果.........................................................493.4.2实际垂直冻结壁承载力计算.................................................................503.4.3计算结果比较.........................................................................................52第四章冻结法实施.................................................................................................544.1工艺流程........................................................................................................544.1.1冻结法加固地层常压进仓换刀流程.....................................................544.1.2废水泵房及联络通道冻结法工艺流程.................................................564.2冻结加固施工................................................................................................58-1- 4.2.1施工准备.................................................................................................584.2.2冻结钻孔施工.........................................................................................584.2.3冻结制冷系统安装.................................................................................614.2.4积极冻结与维护冻结.............................................................................634.3施工监测........................................................................................................634.4冻结系统盐水循环情况................................................................................654.4.1水平冻结系统盐水循环情况.................................................................654.4.2垂直冻结盐水循环情况.........................................................................674.5冻结效果评价................................................................................................674.5.1冻结孔质量.............................................................................................674.5.2冻结温度和冻结壁质量.........................................................................684.5.3冻结壁密封性.........................................................................................684.5.4冻结质量及建议.....................................................................................70第五章结论.........................................................................................................71参考文献.........................................................................................................72致谢.........................................................................................................................74个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文.............................................75-2- 第一章绪论1.1研究背景发达国家自20世纪30年代起，就开始修建海峡海底隧道[1]。自20世纪90年代以来，随着我国城市建设的发展，以及现代地下工程技术的成熟，一些沿海城市也开始修建海底隧道。厦门轨道交通3号线过海段是连接厦门本岛与翔安东部副中心交通骨干线，线路自五缘湾站出发，向东依次下穿环岛路及海堤后入海，穿越同安湾口海域进入规划刘五店地块，接入刘五店站。五缘湾站～刘五店站海域段1.4km，为矿山法与盾构法混合施工，区间共设10座联络通道，其中3座兼作泵房。在修建联络通道时，需要对周围土体进行加固[2]。论文以泥水盾构区间段10#联络通道及废水泵房周围土体加固为研究对象。此外，2017年6月19日，区间隧道内盾构机停机，须修复刀箱、更换刀具，进仓修复时须对地层进行加固。10#联络通道所处地层为圆砾、全风化花岗岩，最小覆土厚覆土约20m。盾构换刀施工区域的地质由上至下依次为淤泥、中粗砾砂、圆砾、全风化花岗闪长岩、散体状强风化花岗闪长岩。该工程处于厦门东海域，岩体中节理和裂隙极其发育，基岩裂隙水发育，水文地质特征复杂，地下水位及渗透系数高，且与海水存在水力联系，属高富水地层。施工中易产生透水、坍塌等不良地质现象，施工风险极大。由于隧道位于海底，不具备自然排水条件。而冻结法加固将土层中的水冻结成冰，形成一道冻土墙，均匀、完整、强度高、加固范围小、稳定性好，又是一道很好的止水帷幕，适用于含水量＞10%，地下水流速小于10m/d的任何土层[3]。相对于其他的工法，人工地层冻结法具有封水性能好，使用范围广等特点[4]。而且冻结法加固对周围环境无污染，对周围建筑影响小。近年来，随着我国现代地下工程技术的发展，冻结法已开始被广泛应用于不稳定冲积层和裂隙含水层。考虑特殊的海洋环境以及经济技术因素，确定联络通道采用冻结法加固土-1- 体、矿山法开挖的施工技术方案；盾构换刀采用“垂直冻结加固+常压进仓”的施工技术方案。1.2国内外研究现状冻结法是利用人工制冷技术，临时改变岩土的性质以固结岩层[5]，形成强度高、封闭性好、均匀性好的冻结帷幕[6]，冻结法可以隔绝地下水与地下工程的联系，能增强防水效果。(1)冻结法的发展历史人类首次成功地使用人工制冷加固土壤是在1862年英国威尔士的建筑基础施工中，1880年德国工程师F.H.Poetch首先提出人工冻结法原理，并于1883年在德国阿尔巴里煤矿成功地采用冻结法建造井筒[5]。之后，该项技术传播到世界上许多国家。20世纪50-60年代，已经广泛应用于地下工程中。我国于1955年在开滦林西风井开始使用冻结法凿井，开创了我国矿山冻结法凿井的先河。此后，冻结法凿井技术逐渐推广到东北，华北，华东，中南地区，广泛应用于煤炭系统竖井施工。地层冻结在我国城市地下工程和交通隧道中的应用较晚，20世纪70年代北京地铁建设采用明挖施工，曾有某段长90m采用垂直孔冻结护坡[7]。1997年11月至1998年4月，在北京地铁热—八线大北窑车站南隧道进行了我国首例水平冻结法施工，水平距离45m[8]。近年来，随着我国城市地下工程建设热潮的兴起，我国冻结法施工技术逐步走向成熟。(2)冻结法的工程应用冻结法作为一种行之有效的土体加固方法，因其具有可控性好、实用性强、强度高、无污染等一系列独特优点，而常常被地下工程所采用。在上海复兴东路越江隧道工程中，江底圆隧道采用盾构施工，江中段联络通道和江中泵房采用冻结法施工，利用水平孔及倾斜孔冻结加固地层[9]；川气东送管道工程武汉长江盾构穿越工程，在隧道涌水、涌砂，地面塌陷的情况下，垂直冻结加固土体，使用冻结法修复隧道施工[10]；上海明珠线二期工程浦东大道站至张扬路站区间，在盾构出洞施工中为确保地面建筑和地下管线的安全及正常使用，成功采用了人工土层冻结加固[3]。-2- 国外的冷冻法应用较早，较为成熟，例如上世纪90年代为连接现有隧道与日本电报电话公司银座办公楼[11]，防止沉降过大，使用了冻结法，并在解冻后进行了注浆；东京地下工程扩展时也使用了冻结法加固土层[12]。(3)相关研究不少学者对冻结法设计与施工进行了研究。胡向东[13]等通过对不同位置不同深度的实测分析，探究了地铁联络通道冻结法施工，管片散热对冻结壁的影响；岳丰田[14]对江底联络通道冻结工程期间的盐水温度、冻土温度、冻胀压力、隧道变形进行了实测分析。YANGPing[15]和HuJun[16]采用有限元软件分析了冻结法施工期间及开挖期间地层的温度场、位移场、应力场。胡向东等[17]对上海长江隧道长距离盾构掘进中尾刷更换的冻结法加固实施的可行性与可靠性进行了论证，对温度场进行了三维有限元数值分析。尽管前人做了不少研究，但从冻结到解冻全过程的温度和位移变化规律尚缺乏研究。尤其是我国在过海隧道冻结法施工较少，相关研究资料缺乏。直到2014年，厦门地铁2号线海东区间过海段联络通道成为国内首次海底冻结法施工的联络通道[18]。1.3主要研究内容以厦门轨道交通三号线厦门本岛至翔安过海通道工程为背景，成功应用冻结法对联络通道围岩和盾构机刀箱修复刀具更换时地层加固。结合区间隧道内两处冻结法的工程应用，论文主要研究内容为：(1)通过实验测定不同土样、不同冻结温度下冻结体的单轴抗压强度。根据土样的冻结力学参数，结合工程地质与水文地质情况设计冻结加固方案。(2)在冻结实施过程中，跟踪监测了冻结情况，对冻结盐水温度、冻土温度的变化规律及发展情况进行了分析，并判断计算出的冻结壁厚度和冻结壁平均温度能否满足设计要求。(3)利用有限元计算软件COmSOLmulti-physics进行数值模拟分析，模拟冻结壁发展情况，模拟得出冻结壁温度与厚度及交圈时间。(4)对计算冻结壁厚度、温度和施工冻结壁厚度、温度进行综合对比分析，判断冻结壁厚度是否满足设计要求。判断冻结壁是否交圈和交圈时间。并对冻-3- 结壁较薄弱处进行承载力校核。(5)根据对盐水温度的监测掌控，对冻结孔成孔质量的检查，对冻结壁密封性的检验，综合判断冻结质量，对冻结法实施效果及质量做出评价。-4- 第二章工程背景2.1工程概述厦门本岛至翔安过海通道工程(轨道交通3号线过海段)是连接厦门本岛与翔安东部副中心的西南—东北向骨干线。包含3站2区间，即五缘湾站、刘五店站、东界站、五刘区间、刘东区间，全长6.5km。线路自五缘湾站出发沿钟宅路下方向东敷设，依次下穿环岛路及海堤后入海，穿越同安湾口海域进入规划刘五店地块，接入刘五店站。厦门本岛至翔安过海通道工程位置(如图2-1所示)。图2-1厦门本岛至翔安过海通道工程位置示意图其中五缘湾站~刘五店站泥水盾构区间(以下简称五～刘泥水区间)，右线长度1419.928m，左线长度1421.928m，线间距为15～25m，最大坡度28‰，曲线半径为800m，隧道覆土厚度11.5～24.70m。左线里程DK17+937.5～DK19+359.428，盾构段于DK18+200、DK18+729.5处设两座联络通道。区间采用两台泥水平衡盾构施工，盾构计划自刘五店站始发，向工法交接点掘进，掘进至工法交接点后在隧道内拆机解体，运输至刘五店站吊出。-5- 泥水盾构区间隧道管片设计采用通用楔形管片环，每环管片采用“3＋2＋1”型式(即3块标准A型、2块邻接B型、1块封顶K型)，混凝土强度等级采用C55，管片内径为6000mm，外径6700mm，厚350mm，宽1500mm，楔形量为40mm，抗渗等级P12；管片采用错缝拼装。五缘湾站~刘五店站区间设2座联络通道。其中10#联络通道兼做排水泵房，采用冷冻法+矿山法施工。工程范围示意图(如图2-2所示)。10#联络通道处海底岩石分布(如图2-3所示)，所处地层为圆砾、全风化花岗岩，最小覆土厚覆土约20m。图2-2工程范围示意图图2-310#联络通道处海底岩石分布图-6- 2017年6月19日，泥水盾构段掘进至343环(刀盘切口里程为DK18+836.83)停机，需修复刀箱、更换刀具。该处位于海底直线段，下坡纵坡28‰，海水深度约5.7m(高潮位约8.75m)，隧道顶部覆土厚度约19.66m，盾构处于停机状态，刀盘厚763mm，球铰处于平行状态。左、右线中心线间距25.1m。盾构姿态：盾头水平15mm，垂直-4mm，激光靶水平24mm，垂直-1mm。设计采用“海面垂直冻结加固+常压进仓修复方案”。盾构机停机位置冻结范围内地层自上而下为：8-5圆砾、17-1全风化花岗闪长岩、17-2-2散体状强风化花岗闪长岩。2.2工程地质概况本项目沿线地貌有滨海平原区、冲洪积阶地区、残积台地区、圆缓低丘山地等地貌单元，沿线地形起伏相对较小，各段沿线分布的微地貌类型均较多。主要地层岩性为第四系覆盖层和基岩层：①第四系覆盖层。第四系覆盖层沿线均有分布，主要地层为近代人工填筑土层(Qal+pl4)、第四系全新统海积层(Q4m)、冲洪积层(Q3)等。岩性、分布、厚度及性能变化较大。②基岩层。沿线基岩埋藏于第四系地层之下，主要为燕山晚期侵入岩~中粗粒花岗岩(γ)，局部为辉绿岩(β)，受区域地质构造和风化作用影响，基岩全、强风化带的厚度较大，中等～微风化基岩埋藏较深。现场开挖后揭露的地层情况(如图2-4所示)。(a)地层情况1(b)地层情况2(c)地层情况3图2-4现场拍摄地层情况五缘湾站～刘五店站海域区间段1.4km，主要穿越的地层主要为中粗砂、残积土、圆砾、粉质黏土、全、强风化花岗闪长岩、中等风化花岗闪长岩、微风化花岗闪长岩，地质剖面图(如图2-5所示)。其中10#联络通道处于全、强风-7- 化花岗岩，最小覆土厚覆土约20m。图2-5地质剖面图根据提供的地质勘探资料，区间隧道冻结施工区域的地质由上至下依次为4-1淤泥、4-4中、粗、砾砂、8-4中、粗、砾砂、8-5圆砾、17-1全风化花岗闪长岩、17-2散体状强风化花岗闪长岩，隧道穿越地层为17-1全风化花岗闪长岩、17-2散体状强风化花岗闪长岩。地层分布图(如图2-6所示)。地面75.81000素填土素填土粉质粘土11042粉质粘土粘土31290卵石3415013951圆砾圆砾泥岩6291泥岩4000133006004000图2-6范围内地层分布图（单位：mm）地层物理力学参数见表2-1。-8- 表2-1地层物理力学参数表抗剪强度土的基床系数岩石饱桩端阻力极限值天然(直剪)压缩压缩变形静弹性静止(MPa/m)承载桩侧极qpk导热天然含动弹性渗透系和单轴导温系数地层岩土名称时代密度比重孔隙比系数模量模量模量泊松侧压力特限摩阻系数λ-3比热容代号成因ρ/(g/cG水量e内摩aEE模量EdE/比υ数极限抗征值力钻孔灌人工挖/(w/α×10C/(kJ/kg·k)sw/(%)凝聚力0.1-0.2S0.1-0.20/MPas侧向垂直K/(m/d)/(m2/h)m3)擦角/MPa-1/MPa/MPaMPa力系压强度f/kPaq/kPa注桩/孔桩/m·k)C/kPa数ξKxKvf/MPaaksikφ/°rMPaMPa1-2素填土Qs1.812.7223.40.85120150.3555.22———0.300.43——2—12050——1.701.902.001-5填砂Qs1.812.60——023——6——0.380.438610—8025——1.802.002.104-1淤泥Qm1.592.7665.21.8901031.4802.0———0.400.72440.0001—4512——2.011.491.6948-1黏土/粉质黏土Qal+pl2.002.7220.20.63630120.2177.99/280250.300.4370650.01—200500.91.01.611.702.3038-4中粗砾砂Qal+pl2.022.69——132——20250200.300.43504520—220701.01.01.150.851.25310-1黏土/粉质黏土Qdl1.962.7222.40.70730140.2656.99—220260.300.4375700.06—200600.91.01.651.752.4010-4粗砂Qdl+pl2.052.70——235——25260200.330.43524515—210551.01.01.611.702.2011-2残积砾质黏性土Qel2.052.7225.50.84321200.3255.76—330450.350.5345500.2—190450.91.11.751.702.1017-1全风化花岗岩γ1.952.7122.30.70823220.237.56—400800.300.4360800.25—250802.02.51.651.752.2017-2散体状强风化花岗岩γ2.002.7118.80.58230250.1968.47—6001500.250.33901100.35—300902.83.01.601.702.1517-3碎裂状强风化花岗岩γ2.21———(50)(28)———300013000.20—2002001—5501505.06.01.352.803.3017-4中等风化花岗岩γ2.58———(50)(30)———2680020000——5005000.5502000—9.010.01.202.753.2517-5微风化花岗岩γ2.68———(120)(35)———4700050000——100010000.05904000—15.016.01.153.003.7519-1全风化辉绿岩γ1.8432.92.731.01630200.3336.62/400800.300.4360800.1/250802.02.51.651.752.2019-2散体状强风化辉绿岩γ1.8434.82.741.00735200.3006.69/8006000.250.33901100.15/300902.83.01.601.702.1519-3碎裂状强风化辉绿岩γ2.20///(40)(25)///260011000.25/2002000.6/8001405.06.01.402.903.3019-4中等风化辉绿岩γ2.50///(45)(28)///1800020000//5005000.2502000/9.010.01.173.253.6519-5微风化辉绿岩γ2.75///(100)(35)///4500048000//100010000.05953800/14.015.01.153.003.75注：(1)直剪C、φ值括号内数据为结构面取值；(2)岩石单轴饱和抗压强度括号内数值为点荷载换算抗压强度平均值。-9- 2.3水文地质概况本项目区间地表水主要为海水。根据地下水含水层所处的平面位置及性质，场区地下水可分为陆域地下水和海域地下水两段。其中，海域地下水根据赋存形式分为松散岩类孔隙水、风化残积孔隙裂隙水及基岩裂隙水三种，其中松散岩类孔隙水赋存于第四系全新统海积层中，风化残积孔隙裂隙水赋存于基岩全～强风化层中，基岩裂隙水赋存于碎裂状强风化带以下基岩风化裂隙及构造裂隙中。海域地层中除砂层及可能存在的富水性较好的基岩破碎带外，其它地层渗透性较差。海域段地下水大部分为潜水，在靠近翔安陆域段8-4中、粗、砾砂、8-5圆砾地层中存在承压水，承压水位标高在-2.5m左右。孔隙水主要接受海水、大气降水、生活污水和供、排水管道渗漏水，勘察期间地下水稳定水位埋深一般在0.73～3.43m。残积层及基岩全风化带透水性普遍较弱，富水程度较低；碎裂状强风化带及中风化带透水性中等。海水及海域段地下水对混凝土结构具中等腐蚀性、对混凝土结构中钢筋具弱腐蚀性。2.4工程特点(1)工程地质条件和水文地质条件复杂。穿越地层存在基岩凸起、富水砂层、风化深槽、球状风化体等不良地质。存在诸多不确定因素多，施工安全风险高。(2)穿越海底段施工难度大。目前我国海底联络通道冻结施工相关经验较少，冻结法施工区域位于厦门东海域下。由于地下水位高、渗透系数大，海水含盐量大，对冻结法施工造成一定的影响，冷冻实施效果理想与否，对于此处施工安全起决定性作用。(3)厦门市对文明施工、环境保护标准要求高，隧道穿越海域为中华白海豚核心保护区。-10- 第三章冻结法加固设计3.1冻结方案设计3.1.1五刘区间冻土单轴抗压强度实验冻结法其实质是临时改变岩土性质以固结地层，形成冻结壁来隔水和承受水土压力，冻结壁厚度和强度如何考虑，能否达到施工要求，是工程的关键[8]。冻土物理力学参数是冻结壁厚度设计的基础，需要经过实验来确定。实验选取了三种土样，进行了不同温度下单轴抗压强度实验。3.1.1.1冻土土样土样共三层土，分别是全风化花岗闪长岩、松散体强风化花岗闪长岩、中粗砂，3种土样的取样照片(如图3-1且3-2且3-3所示)。图3-1全风化花岗闪长岩试样-11- 图3-2松散体强风化花岗闪长岩试样图3-3中粗砂试样3.1.1.2实验过程(1)试样的加工。重塑土样的采集、包装、运输和加工相关规定进行。试验试样的规格为φ61.8×125mm，要求试样两端面平行度不大于0.5mm，外形尺寸误差小于1.0%，保证土样中的最大颗粒粒径小于试样最小尺寸的1/10。重塑土样的加工(如图3-4且3-5所示)。-12- 图3-4重塑土样的加工模具图3-5重塑土样的加工过程图(2)试验的加载速率。根据试验标准，试验使用单轴应变速率控制式加载，试样的加载速度采用轴向应变速率1%/min。(3)试验温度要求。每个试验温度下的试件要求在试验温度下保温24h以上，方可进行试验，以保证冻土试件温度的均匀性。保温和进行试验的温度波动范围不超过±0.2℃。(4)试验的加载要求。通过测量和调整，使试验加载时，保证冻土试件轴线与试验机加载轴线基本重合，避免偏心加载。(5)试验结束的标准。当力值达到峰值或稳定时，再继续增加3~5%的应变值，停止试验。当力值一直增加时，则试验进行到轴向应变大于20%时停止。-13- 3.1.1.3试样破坏形式三种土层实验过程中的破坏土样(如图3-6且3-7且3-8所示)，3种试验的破坏均出现斜向破坏裂缝，均以剪切破坏为主。图3-6全风化花岗闪长岩试样破坏形式图3-7松散体强风化花岗闪长岩试样破坏形式-14- 图3-8中粗砂试样破坏形式3.1.1.4实验强度结果(1)-5℃时试验结果。温度为-5℃时，单轴抗压强度试验结果见表3-1。表3-1-5℃时土样的单轴抗压强度MPa编号土层实验结果平均值备注13.55—23.21全风化花岗闪长岩3.38—33.38—43.65—松散体强风化53.423.54—花岗闪长岩63.55—73.22—82.86中粗砂3.05—93.08—(2)-10℃时试验数据。温度为-10℃时，单轴抗压强度强度试验结果见表3-2。-15- 表3-2-10℃时土样的单轴抗压强度MPa编号土层实验数据平均值备注15.43—25.04全风化花岗闪长岩5.24—35.26—44.95—松散体强风化55.075.04—花岗闪长岩65.11—74.76—84.95中粗砂4.86—94.88—(3)-15℃时试验数据。温度为-15℃时，单轴抗压强度试验结果见表3-3。表3-3-15℃时土样的单轴抗压强度MPa编号土层实验数据平均值备注17.13—26.88全风化花岗闪长岩7.02—37.05—47.46—松散体强风化57.727.59—花岗闪长岩67.59—76.17—86.55中粗砂6.31—96.22—(4)不同温度下单轴抗压强度平均值。不同温度下的单轴抗压强度值见表3-4。表3-4不同温度时土样的单轴抗压强度MPa序号土层-5℃-10℃-15℃备注1全风化花岗闪长岩3.385.247.02—2松散体强风化花岗闪长岩3.545.047.59—3中粗砂3.054.866.31—由表3-4可以看出：在相同温度下，中粗砂试样抗压强度会明显偏低，而全-16- 风化花岗闪长岩和松散体强风化花岗闪长岩试样的抗压强度基本相同。(5)土样的单轴抗压强度与温度的关系。土样的单轴抗压强度与温度的关系曲线(如图3-9所示)。-5-10-15温度/℃图3-9土样的单轴抗压强度与温度关系曲线由图3-9可以看出：随着温度的降低各土样单轴抗压强度均显著增加，即温度越低冻结强度越高。若冻结温度不是试验时的温度，可通过内插的方法，获得-5~-15℃之间温度对应下的冻土强度，典型温度下的单轴抗压强度见表3-5。表3-5不同温度时土样的单轴抗压强度数据汇总MPa序号土层-5℃-6℃-8℃-10℃-12℃-13℃-15℃全风化花岗闪13.383.754.505.245.956.317.02长岩松散体强风化23.543.844.445.046.066.577.59花岗闪长岩3中粗砂3.053.424.144.865.445.736.313.1.1.5实验结论实验结果表明，几种实验的土体力学性能随温度的降低而得到了大幅提升。冻结法可有效加固地层，此次工程可以使用冻结法加固地层。根据实验结果插值法计算，设计取-12℃冻土单轴抗压强度为6.06MPa，弯折强度3.478MPa，抗剪强度2.0MPa；取-6℃冻土单轴抗压强度为3.84MPa，弯折强度2.402MPa，-17- 抗剪强度1.5MPa。3.1.2冻结帷幕设计盾构底部冻结壁仅作为封水作用，设计有效冻结壁厚度约1.1m，平均温度≤-6℃；其它位置设计有效冻结壁厚度：盾构顶部3.0m，底部两侧3.0m，盾构迎面3.2m，盾构侧面3.0m，平均温度≤-12℃。冻结范围(如图3-10所示)。联络通道冻土帷幕厚度取2.0m(喇叭口处取1.7m)，开挖区外围冻结孔布置圈上冻结壁与隧道管片交界面处平均温度不高于-5℃。其它部位设计冻结壁平均温度小于等于-10℃，设计冻结壁平、剖面图(如图3-11且3-12所示)。联络通道设计积极冻结时间分别45~50d。盾构换刀工程设计垂直积极冻结时间35d，水平积极冻结时间85d，水平冻结孔先于垂直冻结孔45~50d开机冻结，垂直冻结孔开机冻结时间根据现场监测数据调整。实际冻结时间以测温孔测温数据分析后确定的冻结壁有效厚度和平均温度满足设计要求为准。520032003000R3103000盾构中心线盾构前进方向702003000R310图3-10盾构换刀工程冻结范围平面示意图垂直方向冻结孔、测温孔布置图(单位：mm)-18- 26002150左线线路中心右线线路中心2150260025000图3-11联络通道设计冻结壁平面图(单位：mm)砾砂8-4-3残积砂质黏性土11-12645全风化花岗闪长岩17-11995散体状强风化花24岗闪长岩17-2-15026散体状强风化花岗闪长岩17-2-2260043002600475047509500图3-12联络通道设计冻结壁剖面图(单位：mm)3.1.3冻结孔、测温孔布置(1)盾构换刀冻结加固-19- 结合冻土单轴抗压强度实验结果，根据工程基本情况，盾构修复刀箱、更换刀具工程确定采用“垂直冻结加固+常压进仓”的施工方案。即：为实现刀盘前方及周边土体的有效加固，通过海上作业平台进行垂直冷冻孔施工，在隧道内利用盾构下部8个水平超前注浆孔进行水平冷冻加固。水平方向设计8个冻结孔，每个孔设计深度7.115m，孔设计总长度56.92m；垂直方向设计冻结孔78个，测温孔7个。泥水仓、气垫仓以及中盾沿盾壳一圈布置40mm×40mm×3mm矩形冷排管，排距不大于400mm，布置范围不小于3m。为了准确掌握掌握冻土帷幕的形成过程、形成状况，在土体内设置7个测温孔，跟踪监测冻结温度场变化情况，并据监测结果，结合计算判断冻土柱是否交圈、冻土墙厚度及其温度是否达到设计要求等等[19]。冻结孔、测温孔平面布置(如图3-13所示)(实钻冻结孔80个，包含补孔2个C7和E11)。图中T1~T7为测温孔，其余为冻结孔。冻结管钻出盾构超前注浆孔开外壳断面位置孔断面位置(2)联络通道冻结加固根据工程地质条件及其它施工条件，并依据类似工程施工经验，联络通道图例：冻结孔测温孔图3-13冻结管平面布置图(单位：mm)-20- 确定采用“隧道内钻孔，冻结临时加固土体，矿山法暗挖构筑”的施工方案。在隧道内利用水平孔和倾斜孔+冷冻排管冻结加固地层，使联络通道外围土体冻结，形成强度高、封闭性好的冻土帷幕。联络通道冻结孔数共布置128个(左线对侧隧道62个；右线隧道66个，包括2个对穿孔)，在避开管片缝、主筋的前提下，根据管片配筋情况和钢管片肋板位置，可适当调整冻结孔的布置。冻结站对侧隧道沿通道外围冻结壁各敷设5排冷冻排管，排管间距为500mm。联络通道在隧道内设置8个测温孔。根据冻结帷幕设计联络通道的结构，冻结孔按上仰、水平、下俯三种角度布置在联络通道的四周[20]，冻结孔布置(如图3-14且3-15所示)。图3-14冻结孔布置图(单位：mm)-21- 图3-15冻结孔开孔位置图(单位：mm)为了保证联络通道安全开挖，采用在两条隧道分别钻孔的方案，即在另一条隧道底部打一排孔插花布置，确保了冻土的强度及安全，降低了冻土的开掘量[21]。联络通道冻结加固时，在隧道内两侧没有冷冻的地方，打设4个泄压孔，每侧各2个，用来判断冻结壁是不是已经交圈，并释放、降低土层水土冻胀压力。3.1.4冻结加固技术要求盾构换刀冻结加固，水平冻结管用89mm×8mm矩形低碳钢无缝钢管，垂直冻结管采用127mm×5mm矩形低碳钢无缝钢管。联络通道冷冻管采用89mm×8mm矩形低碳钢无缝钢管。(1)冷冻孔开孔位置误差不大于100mm，应当避开管片接缝、螺栓、主筋和钢管片肋板。(2)冷冻孔最大容许偏离150mm(冻结孔成孔轨迹与设计轨迹之间的距离)。(3)冷冻孔施工时，土体流失量不能大于冻结孔的体积，否则马上进行注浆-22- 控制沉降[22]。(4)冻结孔单孔的流量不能小于5m3/h；积极冻结7d盐水温度降低到-18℃以下；冻结15d盐水温度降至-24℃以下；盐水温度降低到-28℃以下时开挖，去、回路盐水温度差不大于2℃。如果盐水温度和盐水流量达不到设计要求，应延长冷冻时间，确保达到设计冻结壁厚度和温度。(5)盾构换刀冻结加固时，冷排管尽量密贴盾构机內壳，冷排管之间以及冷排管与盾构机內壳之间用黏土填充，黏土外侧敷设厚度不小于60mm的保温板，保温板范围不小于冻结范围外一米。联络通道冻结加固时，应当在冻结壁周围隧道管片内侧铺设保温层，铺设范围到设计冻结壁边界外距离为2m。3.2冻结孔温度监测及分析测温孔温度监测及分析是为计算分析冻结壁发展情况做准备，根据分析的冻结壁发展情况，及时指导下一步的冻结施工，实现动态施工。下面对盾构换刀地层冻结加固温度监测数据进行分析。此工程共布置测温孔七个(T1~T7)，T1、T3和T5测温孔测点布置见表3-6，T2、T4和T6测温孔测点布置见表3-7，T7测温孔测点布置见表3-8。在开始冻结后，对各测温孔内测点温度进行了定期监测。-23- 表3-6T1、T3、T5测点深度布置测点序号T1、T3、T5深度/m地层测点111.44-1淤泥测点215.24-4中粗砾砂测点321.98-4中、粗、砾砂测点425.78-5圆砾测点528.417-1全风化花岗闪长岩测点629.517-1全风化花岗闪长岩测点730.517-1全风化花岗闪长岩测点831.517-1全风化花岗闪长岩测点932.517-2-2散体状全风化花岗闪长岩测点1033.517-2-2散体状全风化花岗闪长岩测点1134.517-2-2散体状全风化花岗闪长岩测点1235.517-2-2散体状全风化花岗闪长岩测点1336.617-2-2散体状全风化花岗闪长岩测点1437.517-2-2散体状全风化花岗闪长岩测点153817-2-2散体状全风化花岗闪长岩表3-7T2、T4、T6测点深度布置测点序号T2、T4、T6深度/m地层测点111.44-1淤泥测点215.24-4中粗砾砂测点317.58-3粉细砂测点425.78-5圆砾测点52817-1全风化花岗闪长岩测点629.117-1全风化花岗闪长岩测点730.117-1全风化花岗闪长岩测点831.117-1全风化花岗闪长岩测点932.117-2-2散体状全风化花岗闪长岩测点1033.117-2-2散体状全风化花岗闪长岩测点1134.117-2-2散体状全风化花岗闪长岩测点1235.117-2-2散体状全风化花岗闪长岩测点1336.217-2-2散体状全风化花岗闪长岩测点1437.117-2-2散体状全风化花岗闪长岩测点153817-2-2散体状全风化花岗闪长岩-24- 表3-8T7测点深度布置测点序号T7深度/m地层测点14.5海水测点2104-1淤泥测点3144-4中粗砾砂测点415.24-4中粗砾砂测点517.58-3粉细砂测点621.98-4中、粗、砾砂测点7268-5圆砾测点82717-1全风化花岗闪长岩测点927.517-1全风化花岗闪长岩测点102817-1全风化花岗闪长岩各测点温度发展情况(如图3-16至图3-22所示)。分析时取冻结加固段测点温度进行分析，即深度为25.7~39m的部分。日期温度/℃图3-161号测温孔各测点温度变化曲线图由1号测温孔温度变化曲线图可知，1号测温孔偏斜较大，可能紧贴冻结孔，各测点温度下降较快，冻结至10月24日冻结加固段测温孔平均温度为-25- -19.74℃。日期温度/℃图3-172号测温孔各测点温度变化曲线图由2号测温孔温度变化曲线图可知，2号测温孔由于由于位于两排冻结孔之间，属于群孔冻结，各测点温度下降较快，冻结至10月24日冻结加固段测温孔平均温度为-21.83℃。日期温度/℃图3-183号测温孔各测点温度变化曲线图由3号测温孔温度变化曲线图可知，3号测温孔由于位于冻结壁外侧，各测-26- 点温度下降平稳，各测点温度在下降过程中，在零度线范围趋势放缓，而后降温平稳。从冻结系统开机运行至今，冻结至10月24日冻结加固段测温孔平均温度为-1.55℃。日期温度/℃图3-194号测温孔各测点温度变化曲线图由4号测温孔温度变化曲线图可知，4号测温孔由于位于冻结壁外侧，各测点温度下降平稳，各测点温度在下降过程中，在零度线范围趋势放缓，而后降温平稳。从冻结系统开机运行至今，冻结至10月24日冻结加固段测温孔平均温度为-4.54℃。日期温度/℃图3-205号测温孔各测点温度变化曲线图-27- 由5号测温孔温度变化曲线图可知，5号测温孔由于位于冻结壁外侧，各测点温度下降平稳，各测点温度在下降过程中，在零度线范围趋势放缓，而后降温平稳。从冻结系统开机运行至今，冻结至10月24日冻结加固段测温孔平均温度为-5.21℃。日期温度/℃图3-216号测温孔各测点温度变化曲线图由6号测温孔温度变化曲线图可知，6号测温孔各测点温度下降平稳，各测点温度在下降过程中，在零度线范围趋势放缓，而后降温平稳。从冻结系统开机运行至今，冻结至10月24日冻结加固段的平均温度为-12.13℃。-28- 日期温度/℃图3-227号测温孔各测点温度变化曲线图由7号测温孔温度变化曲线图可知，7号测温孔由于位于两排冻结孔之间，属于群孔冻结，各测点温度下降较快，在10月7号至10月9日，由于土体结冰潜热现象，导致温度发生突降，随后温度下降区域平缓，截至10月24日冻结加固段测温孔平均温度为-21.93℃。3.3冻结效果分析根据测温孔的温度监测情况，可以计算得到各截面的冻壁发展速度，从而计算分析出冻结系统运行33d后冻结壁发展情况。根据监测数据和经验公式分析计算出冻结壁薄弱路径的冻结壁厚度与平均温度。将计算所得数值与有限元软件模拟分析得到的数值对比分析。从而判断冻结帷幕是否交圈，冻结壁厚度是否满足设计要求。3.3.1理论分析根据各测温孔的监测数据，计算分析出几个截面的冻结壁发展速度，结合冻结天数绘出各截面冻结交圈图；计算薄弱路径冻结壁厚度，结合经验公式计算薄弱路径冻结壁平均温度。-29- 3.3.1.1冻结壁厚度分析垂直冻结系统从2017年9月24日正式开机以来，至2017年10月24日累计冻结33d。考虑到9月22日、23日冻结机组开机试运行两天，已经和周围土体产生热交换，因此累计冻结天数按33d计算。参考7个测温孔各层位的实际偏斜情况及温度变化情况进行分析：外侧测温孔为1号、3号、4号、5号和6号测温孔，内侧测温孔2号、7号测温孔由于是群孔冻结，反应的是多排孔内部的冻结发展速度。分析发现，1号测温孔由于相邻冻结管较多或由于偏斜较大，距离A5冻结孔最近距离仅为394mm，测温孔与相邻冻结管的距离很近，降温快，其降温趋势不具有代表性。根据各个测温孔的实际降温记录以及各个冻结孔温度，计算所得截面A-A(26.1m)、B-B(29.1m)、C-C(32.6m)、D-D(36.1m)、E-E(39.1m)，五个截面冻结壁发展速度见表3-9。表3-9冻结壁发展速度计算表实际发展到冻结孔最小距到-1.1℃实序号测温孔距离最近孔号速度离/mm际天数/d/(mm/d)T1577A6——T2672C87.0096.00T3492D120.0024.6026.1T4614E218.0034.11T5714AB2/A1221.0034.00T6660E1210.0066.00T7276D7——T1558A6——T2674C86.00112.33T3468D126.0018.0029.1T4604E221.0028.76T5712AB218.0039.56T6628E1214.0044.86—————T1524A6——T2677C88.0084.6332.6T3442D129.0015.24T4594E228.0021.21T5709AB225.0028.36-30- 实际发展到冻结孔最小距到-1.1℃实序号测温孔距离最近孔号速度离/mm际天数/d/(mm/d)T6592E1215.0039.47—————T1498A6——T2681C8——T3416D130.0013.8736.1T4583E221.0027.76T5712AB224.0029.67T6555E1212.0046.25—————T1475A6——T2686C87.0098.00T3394D135.0011.2639.1T4574E232.0017.94T5716AB224.0029.83T6525E1216.0032.81—————根据冻结33d，实际计算的冻结壁发展距离进行作图，得到A-A截面、B-B截面、C-C截面、D-D截面、E-E截面的冻结交圈图(如图3-23至图3-27所示)。图3-23A-A(26.1m)冻结33天截面交圈图-31- 图3-24B-B(29.1m)冻结33天截面交圈图图3-25C-C(32.6m)冻结33天截面交圈图-32- 图3-26D-D(36.1m)冻结33天截面交圈图图3-27E-E(39.1m)冻结33天截面交圈图-33- 由图3-23至图3-27很显然可以看出，各层位均已形成封闭的冻结帷幕，其中A-A、B-B层位冻结效果最好，C-C、D-D、E-E截面冻结效果欠佳，局部上存在一些缺陷。3.3.1.2冻结壁平均温度分析冻结壁的四个薄弱路径为路径1、路径2、路径3、路径4，如图3-23所示，根据图3-28进行冻结壁平均温度计算：根据成冰公式计算：1ltt=−−+(1.1350.352l0.8750.266)0.4660.25−+t(3-1)b3BEE式中，t——冻土平均温度(℃)；tb——盐水温度，-28℃；l——孔间距，1.3m；E——冻土厚度，分别取1.36m、1.46m、1.83m、1.68m；tB——开挖面温度(参考有效厚度范围内相同距离测温孔最高温度并适当进行修正)。图3-28计算冻结壁厚度和平均温度路径图-34- 由计算可知，各个截面冻土薄弱面平均温度见表3-10。表3-10冻结壁薄弱路径平均温度表℃截面路径1路径2路径3路径426.1m-14.9-15.2-15.6-15.629.1m-15.2-14.9-15.3-15.832.6m-14.5-14.7-14.9-15.236.1m-14.4-14.6-14.9-15.539.1m-14.0-14.8-14.8-15.1由表3-10可以看出：4条薄弱路径上的平均温度均达到或接近-15.6℃。说明冻结效果良好。3.3.2数值分析数值分析利用有限元计算软件COmSOLmultiphysics来进行。COmSOLmultiphysics是一款大型的高级数值仿真软件，由瑞典的COmSOL公司开发，多物理场的本质就是偏微分方程组(PDEs)，所以只要是可以用偏微分方程组描述的物理现象，COmSOLmultiphysics都能够很好的计算和仿真。有限元计算可以根据冻结孔的实际偏斜状况与盐水的实际降温曲线，来建立冻结温度场的数值模型，并对冻结温度场进行数值分析。可用其来分析整个温度场的全貌，并预测后期的冻结状况。计算分析的基本步骤如下：(1)建立冻结管布置平面模型。由于钻孔实际孔位随深度而变化，计算深度处冻结孔、测温孔的位置，必须根据钻孔实际开孔位置、测斜资料确定，并据此建立模型。(2)确定模型计算参数。根据经验及查阅相关资料，相关热力学参数如下：盾构比热：0.480kJ/kg·℃，导热系数：4140kJ/(m·d·℃)，空气对流系数：258kJ/(m2·d·℃)，温度：18℃。此外，冻结温度场的发展速度与发展规律与盐水实际降温过程、土层导热系数、比热、结冰温度等参数有关。土层相关参数见表2-1。(3)模拟计算。-35- 3.3.2.1有限元分析模型及参数为与计算结果对比分析，共建立五个有限元模型。分别分析A-A、B-B、C-C、D-D、E-E冻结效果和规律。(1)与A-A截面对应，建立26.1m深度有限元模型。土体的原始地温取实测值26.5℃，在冻结管上施加的盐水温度根据实际的盐水温度来取值。根据冻结孔的实际偏斜位置建立的有限元模型及冻结帷幕情况(如图3-29所示)。图3-2926.1m深度有限元模型(2)与B-B截面对应，建立29.1m深度有限元模型。土体的原始地温取实测值26.9℃，在冻结管上施加的盐水温度根据实际的盐水温度来取值。根据冻结孔的实际偏斜位置建立的有限元模型及冻结帷幕情况(如图3-30所示)。-36- 图3-3029.1m深度有限元模型(3)与C-C截面对应，建立32.6m深度有限元模型。土体的原始地温取实测值为25.1℃，在冻结管上施加的盐水温度根据实际的盐水温度来取值。根据冻结孔的实际偏斜位置建立的有限元模型及冻结帷幕情况(如图3-31所示)。图3-3132.6m深度有限元模型-37- (4)与D-D截面对应，建立36.1m深度有限元模型。土体的原始地温取为24.8℃，在冻结管上施加的盐水温度根据实际的盐水温度来取值。根据冻结孔的实际偏斜位置建立的有限元模型及冻结帷幕情况(如图3-32所示）。图3-3236.1m深度有限元模型(5)与E-E截面对应，建立39.1m深度有限元模型。土体的原始地温取为24.1℃，在冻结管上施加的盐水温度根据实际的盐水温度来取值。根据冻结孔的实际偏斜位置建立的有限元模型及冻结帷幕情况(如图3-33所示)。图3-3339.1m深度有限元模型-38- 3.3.2.2有限元分析结果(1)A-A截面(26.1m深度截面)26.1m深度模拟的冻结帷幕情况(如图3-34且3-35所示)。图3-3426.1m深度冻结33天时冻结帷幕形状图3-3526.1m深度冻结33天时的冻结壁温度云图-39- 冻结不同天数冻结壁最小厚度和有效厚度内平均温度见表3-11。表3-11冻结壁厚度和平均温度路径1路径2路径3路径4厚冻结厚冻结厚冻结厚冻结冻结冻结冻结壁日期壁平均壁平均冻结壁壁平均冻结壁壁平均天数壁厚厚度/温度温度厚度/m温度厚度/m温度度/mm/℃/℃/℃/℃2017/10/33d3.23-16.522.72-16.942.97-17.153.20-16.89242017/10/40d3.34-17.082.95-17.493.07-18.263.36-17.0631(2)B-B截面(29.1m深度截面)29.1m深度模拟的冻结帷幕情况(如图3-36且3-37所示)。图3-3629.1m深度冻结33天时冻结帷幕形状-40- 图3-3729.1m深度冻结33d时的冻结壁温度云图冻结不同天数冻结壁最小厚度和有效厚度内平均温度见表3-12。表3-12冻结壁厚度和平均温度路径1路径2路径3路径4厚冻结厚冻结厚冻结厚冻结冻结冻结冻结冻结日期壁平均壁平均壁平均冻结壁壁平均天数壁厚壁厚壁厚温度温度温度厚度/m温度度/m度/m度/m/℃/℃/℃/℃2017/10/33d3.24-15.902.70-16.942.97-18.923.22-19.02242017/10/40d3.31-17.982.92-17.123.09-19.313.39-20.9431(3)C-C截面(32.6m深度截面)32.6m深度模拟的冻结帷幕情况(如图3-38且3-39所示)。-41- 图3-3832.6米深度冻结33天时冻结帷幕形状图3-3932.6米深度处冻结33天时的冻结壁温度云图冻结不同天数冻结壁最小厚度和有效厚度内平均温度见表3-13。-42- 表3-13冻结壁厚度和平均温度路径1路径2路径3路径4厚冻结厚冻结厚冻结厚冻结冻结冻结冻结冻结日期壁平均壁平均冻结壁壁平均壁平均天数壁厚壁厚壁厚温度温度厚度/m温度温度度/m度/m度/m/℃/℃/℃/℃2017/10/33d2.98-17.112.79-18.352.99-16.733.21-18.06242017/10/40d3.18-19.032.90-18.893.10-20.103.38-20.1231(4)D-D截面(36.1m深度截面)36.1m深度模拟的冻结帷幕情况(如图3-40且3-41所示)。图3-4036.1米深度处冻结33天时冻结帷幕形状-43- 图3-4136.1米深度处冻结33天时的冻结壁温度云图冻结不同天数冻结壁最小厚度和有效厚度内平均温度见表3-14。表3-14冻结壁厚度和平均温度路径1路径2路径3路径4厚冻结厚冻结厚冻结厚冻结冻结冻结冻结冻结冻结日期壁平均壁平均壁平均壁平均天数壁厚壁厚壁厚壁厚温度温度温度温度度/m度/m度/m度/m/℃/℃/℃/℃2017/10/33d3.12-17.222.78-18.143.03-16.043.24-17.53242017/10/40d3.26-19.812.86-20.873.16-19.843.41-19.9431(5)E-E截面(39.1m深度截面)39.1m深度模拟的冻结帷幕情况(如图3-42且3-43所示)。-44- 图3-4239.1m深度处冻结33天时冻结帷幕形状图3-4339.1m深度处冻结33天时的冻结壁温度云图冻结不同天数冻结壁最小厚度和有效厚度内平均温度见表3-15。-45- 表3-15冻结壁厚度和平均温度路径1路径2路径3路径4厚冻结厚冻结厚冻结厚冻结冻结冻结冻结冻结冻结日期壁平均壁平均壁平均壁平均天数壁厚壁厚壁厚壁厚温度温度温度温度度/m度/m度/m度/m/℃/℃/℃/℃2017/10/33d2.90-16.972.80-17.893.01-15.863.24-17.53242017/10/40d3.13-19.752.90-20.583.10-19.963.41-20.0131(6)不同深度处计算结果的对比不同深度处，冻结不同天数冻结壁最小厚度和有效厚度内平均温度对比见表3-16。-46- 表3-16不同深度处冻结壁厚度和平均温度冻路径1路径2路径3路径4结截面计算模拟计算冻模拟冻计算模拟计算冻模拟冻计算模拟计算冻模拟冻计算模拟计算冻模拟冻日期时位置/冻结冻结结壁平结壁平冻结冻结结壁平结壁平冻结冻结结壁平结壁平冻结冻结结壁平结壁平间m壁厚壁厚均温度均温度壁厚壁厚均温度均温度壁厚壁厚均温度均温度壁厚壁厚均温度均温度/d度/m度/m/℃/℃度/m度/m/℃/℃度/m度/m/℃/℃度/m度/m/℃/℃2017/10/24333.353.23-14.9-16.522.832.72-15.2-16.942.942.97-15.6-17.153.353.2-15.6-16.8926.12017/10/3140—3.34—-17.08—2.95—-17.49—3.07—-18.26—3.36—-17.062017/10/24333.443.24-15.2-15.92.72.7-14.9-16.942.882.97-15.3-18.923.483.22-15.8-19.0229.12017/10/3140—3.31—-17.98—2.92—-17.12—3.09—-19.31—3.39—-20.942017/10/24333.122.98-14.5-17.112.72.79-14.7-18.352.912.99-14.9-16.733.23.21-15.2-18.0632.62017/10/3140—3.18—-19.03—2.9—-18.89—3.1—-20.1—3.38—-20.122017/10/24333.263.12-14.4-17.222.662.78-14.6-18.142.933.03-14.9-16.043.363.24-15.5-17.5336.12017/10/3140—3.26—-19.81—2.86—-20.87—3.16—-19.84—3.41—-19.942017/10/24332.932.9-14-16.972.652.8-14.8-17.892.883.01-14.8-15.863.053.24-15.1-17.5339.12017/10/3140—3.13—-19.75—2.9—-20.58—3.1—-19.96—3.41—-20.01-47- 3.3.3结论及建议根据盐水温度和测温孔降温情况结合冻结孔偏斜图，通过经验公式，理论分析和数值模拟分析得出，冻结33d，各截面冻结壁已经交圈。盾构前端已经达到设计要求3.2m，温度小于-12℃，盾构两侧尚未达到3m的设计要求，目前最薄弱处为2.7m，盾构顶部已经达到3m设计要求，底部已经达到1.1m的设计要求。根据监测数据及计算结果给出建议：加大盐水流量，降低盐水温度，适当增加冻结天数。3.4冻结壁承载力校核针对盾构两侧冻结壁厚度最薄弱处为2.7m(平均温度小于-12℃)，须进行计算复核，检验冻土帷幕承载力是否满足设计要求。冻土力学及热力学参数见表3-17。表3-17冻土参数汇总表土层实验数据温度序号项目/MPa全风化花松散体强风化/℃中粗砂岗闪长岩花岗闪长岩1-53.383.543.05单轴抗压强度/MPa-105.245.044.86-157.027.596.312-564.072.862.6冻土弹性模量/MPa-10120.4131.0112.6-15144.7168.6133.03-50.2810.2770.284冻土泊松比/MPa-100.2600.2630.264-150.2530.2540.2524C1.6611.7881.593抗剪强度/MPa5Ψ13.417.912.87-51.821.931.738弯拉强度/MPa-102.923.112.879-153.874.033.7210结冰温度/℃-0.783-0.693-0.875-48- 续表3-17土层实验数据温度序号项目全风化花松散体强风化/℃中粗砂岗闪长岩花岗闪长岩11导热系数(W/m·K)正温1.2151.3051.23012导热系数(W/m·K)负温1.9151.8951.90813比热容(kJ/kg·K)正温1.9201.8581.87414比热容(kJ/kg·K)负温1.2281.2191.221根据本工程冻土实验报告插值法计算，冻土的弹性模量和泊松比、抗压、抗折、抗剪强度见表3-18。表3-18计算冻土参数表抗压强度抗拉强度抗剪强度弹性模量温度/℃泊松比/MPa/MPa/MPa/MPa-53.541.93—72.80.277-105.043.111.7881310.263-157.594.03—168.60.254-63.842.4021.596.080.2714-126.063.4782.0146.040.25943.4.1设计垂直冻结壁承载力计算结果取1/2结构尺寸建模，设计垂直冻结壁承载力计算模型和计算结果(如图3-44所示)。(a)模型(b)冻土-49- (c)最不利开挖土(d)剪应力分布图(e)σ1应力分布图(f)σ3应力分布图(g)位移分布图(h)总体位移分布图图3-44计算模型及结果3.4.2实际垂直冻结壁承载力计算垂直冻结壁侧面按照最薄弱处2.7m、平均温度-12℃计算。计算模型及结果(如图3-45所示)。-50- (a)模型(b)冻土(c)最不利开挖土(d)剪应力分布图(e)σ1应力分布图(f)σ3应力分布图-51- (g)位移分布图(h)总体位移分布图图3-45计算模型及结果3.4.3计算结果比较设计冻结壁与实际冻结壁承载能力的结果分别见表3-19且3-20。表3-19设计垂直冻结壁(侧面3.0m)计算结果最大拉应力最大压应力最大剪应力最大位移项目σ1max/MPaσ3max/MPaτmax/MPaUmax/mm计算值0.2062.030.81415.7允许值3.4786.062.0—安全系数16.82.982.45—表3-20实际垂直冻结壁(侧面2.65m)计算结果最大拉应力最大压应力最大剪应力最大位移项目σ1max/MPaσ3max/MPaτmax/MPaUmax/mm计算值0.2242.060.82115.8允许值3.4786.062.0—安全系数15.52.942.43—由表3-19且3-20对比可以看出，实际垂直冻结壁承载力计算的应力值比设计垂直冻结壁承载力计算的应力值稍大，但均小于强度值，冻土帷幕的总体承载能力是足够的，满足《旁通道冻结法技术规程》规定的要求(抗压强度安全系-52- 数不小于2.0，弯折不小于3.0，抗剪不小于2.0)。-53- 第四章冻结法实施4.1工艺流程4.1.1冻结法加固地层常压进仓换刀流程冻结法施工对施工专业度要求较高，施工过程中，应对钻孔角度、开孔间距，结孔偏斜率等指标进行严格控制。此外，冻结法施工在积极冻结和解冻过程中，会出现冻胀融沉的问题。为此，在冻结法施工过程中，隧道主体结构施工完成后，应及时进行融沉注浆，以有效控制地表沉降，减小对周边环境的影响。根据工程基本情况，确定采用“垂直冻结加固+常压进仓”的施工方案，冻结加固过程如下：(1)先对盾构进行妥善的保护，主要对盾体、主轴承密封、铰接密封、盾尾密封进行保护，然后对盾尾管片进行二次注浆，封堵来水。(2)水平积极冻结提前进行，隧道内利用盾构下部8个超前注浆孔实施水平冷冻，将冷冻站布设于始发站底板，对盾构机下部土体进行冷冻加固，封堵地下水。(3)垂直积极冷冻30d，通过海面作业平台垂直钻孔钻孔，垂直实施冷冻，对盾构刀盘前方及周边土体进行冻结加固，将垂直冷冻的冷冻站布设于岸边，做好各项抗台风措施；为保证盾构加固质量。(4)对冻结体检查确认满足要求后，进入维护冻结阶段。仓内作业完成后，拔出冻结管，封堵冻结孔，根据情况进行融沉注浆。冻结法施工流程图(如图4-1所示)。-54- 隧道内水平冻结孔施工合格隧道内水平施工准备，积极冻结冻结效果检查常压进仓冻结孔施工盾构机保护海面垂直冻结孔施工开挖修复工作室刀盘与冻结体剥离冻结孔封堵充填注浆融沉注浆盾构机脱困停止冻结修复刀箱、更换刀具、恢复掘进冻结管拔除拆除海面作业平台及栈桥图4-1冻结法加固常压进仓换刀施工流程图-55- 4.1.2废水泵房及联络通道冻结法工艺流程依据类似工程施工经验，根据工程地质条件及其它施工条件，确定采用“隧道内钻孔，冻结临时加固土体，矿山法暗挖构筑”的施工方案，即在冻土中采用矿山法进行开挖构筑施工，在隧道内利用水平孔和倾斜孔+冷冻排管冻结加固地层，使联络通道外围土体冻结，形成强度高、封闭性好的冻土帷幕，地层冻结和开挖构筑施工均在区间隧道内进行。选用冷冻法加固土体具有冻结壁均匀性好，与隧道管片结合严密，强度高，封水性好，安全可靠的优点，极适于本工程的土体加固[23]。联络通道加强冻结过程监测。联络通道开挖前应做好条件验收。开洞门时，对既有隧道做好临时支撑防护，左右线隧道各布置两榀，间距3m，共设4榀隧道支撑。如千斤顶压力达到设计最大值后隧道仍继续收敛，则应采取其他措施加强隧道支撑，临时支撑防护(如图4-2所示)。安装封堵门，封堵门能承受0.32MPa的压力，险情出现时可及时关闭。通道施工后，地层融化过程中，及时进行补偿注浆，严格控制地层融沉。螺旋千斤顶--16×100×--16×100×槽钢共4根图4-2既有隧道内临时预应力支撑图联络通道施工工艺流程(如图4-3所示)。-56- 施工前的准备工作(进场、加工件组织)冻钻孔定位结注浆系钻孔统部分冻结管打压安装下冻结器冻结器连接冻结系统调试积极冻结钢管片焊接冻结测温监测、预应力支架安装开试挖机工冻通道开挖、临时支护程结监通道防水施工测通道永久结构施工融沉注浆竣工验收图4-3联络通道冻结法施工工艺流程图-57- 4.2冻结加固施工4.2.1施工准备(1)清理隧道及施工场地，保证施工通行顺畅，提前供电到联络通道施工场地附近。(2)为提前完成高压试验，以满足冻结钻孔施工、隧道内冻结系统供电，在隧道内安装一台变压器。(3)铺设供排水管网，用于冻结孔打钻、排污和冻结时的供、排水。在端头井和施工工作面各安装一台潜水泵。(4)在通道一侧铺设施工平台，并安装钻孔施工升降平台，为防止冻结孔钻孔时影响隧道内施工环境整洁，在施工工作面附近围砌高约半米的泥浆围墙。(5)开工前进行加工冻结管等器件，并合理安排施工设备运抵安装地点的时间顺序。4.2.2冻结钻孔施工冻结钻孔施工工艺为：定位开孔及孔口管安装→孔口装置安装→钻孔→测量→封闭孔底部→打压试漏[24]，流程(如图4-4所示)。超前注浆孔可用性检测开孔、安装密封装置钻机安装、钻进冻结孔单孔完成隧道内水平冻结孔测斜、绘制成孔图施工准备冻结孔测量定位测斜、捡漏冻结孔单孔完成海面垂直冻结孔下套管钻机安装、钻进测斜、绘制成孔图钻孔结束测斜纠偏补孔图4-4冻结孔施工流程图-58- 4.2.2.1定位开孔及孔口管安装在混凝土管片上定位开孔时，首先注意砼管片内受力钢筋干涉时，调整孔位。选用J-200型金刚石钻机，配Ф133mm金刚石取芯钻头按设计角度开孔，当开到深度300mm时停止钻进(管片要留50mm以上的保护层)，用钢楔楔断岩心，取出后安装孔口管。孔口管用Ф133×5mm无缝钢管加工，头部加工250mm长的鱼鳞扣。孔口管的安装方法为：在孔口管的鱼鳞扣上缠好麻丝或棉丝等密封物，将孔口管砸进去，用膨胀螺丝固定在管片上，装上DN125闸阀，再将闸阀打开，用Ф110mm金刚石钻头从闸阀内开孔，一直将砼管片开穿，这时，如果地层内的水砂流量较大，应及时关好闸门。施工情况(如图4-5且4-6所示)。管片管片开孔钻机开孔钻机φ120钻头Dg100闸阀φ95钻头Dg25截止阀一次开孔二次开孔(a)示意图(b)施工图图4-5二次开孔施工图-59- 图4-6钻孔施工图4.2.2.2孔口装置安装用螺丝将孔口装配安装在闸阀上，加好密封垫片。第一个孔开孔后，若无突水涌砂可以继续钻进，以后钻孔仍需要安装孔口装置，防止突发涌水涌砂现象出现；如果严重突水涌砂，加注水泥浆(或双液浆)止水[20]，孔口管及孔口装置安装(如图4-7所示)。图4-7孔口管及孔口装置安装示意图4.2.2.3钻孔与冻结器安装(1)使用mD-80A型钻机一台，扭矩2000N·m，推力17KN。选用BW-200/50泥浆泵一台，流量为200l/min。钻机和泥浆泵总功率为45kw。用冻结管作钻杆，冻结管达到设计深度后用丝密封孔底部，用接长杆将丝堵安装在冻结管的底部[21]。冻结管采用丝扣连接，并进行焊接，保证其同心度和焊接强度。(2)按冻结孔位置调整好钻机，并加固好，将钻头装入孔口装置内，用盘根密封，先采用干式钻进，当钻进不进尺时，从钻机上注水钻进，同时打开小阀门，观察出水、出砂情况，利用阀门的开关控制出浆量，控制注浆压力及注浆量，控制地面沉降。(3)为了保证钻进精度，开孔段是关键。钻进前2m时，应当反复校核调整冻结管方向，调整钻机位置，方向没有偏移方可继续钻进[25]。-60- (4)先配管，然后再下冻结管，确保冻结管同心度。冻结管下好后，采用经纬仪灯光测斜法检测，然后复测冻结孔深度。冻结孔试漏压力控制在0.8～1.0MPa之间，稳定30分钟压力无变化或前30分钟压降<0.05MPa，后15分钟不降为试压合格[26]。(5)在冻结管内下入供液管。供液管底端连接150mm长的支架，Ф8钢筋焊接。然后安装去、回路羊角和冻结管端盖。(6)冻结管安装完成后，用堵漏材料密封冻结管和孔口管之间的缝隙，然后拆卸孔口密封装置。(7)测温孔、泄压孔测试方法和冻结管测试方法相同。开孔、安装防喷装置，钻机钻孔，安装测温管或泄压管[27]。4.2.2.4管漏处理管漏时，在不合格冻结管内下入小一级冻结管(套管)或打补孔的方法处理此类问题。试压不合格的冻结管必须进行处理达到要求后方可使用。4.2.3冻结制冷系统安装(1)冷冻站布置与设备安装常压进仓换刀的冷冻站布置，水平冷冻的冷冻站布设于始发站底板，垂直冷冻的冷冻站布设于岸边，做好各项抗台风措施；为保证盾构加固质量。联络通道两端各布置一个冷冻站。冷冻站内设备及循环系统按《井巷工程施工及验收规范》要求试压、检查验收。设备安装按设备使用说明书要求进行。冻结站详情(如图4-8且4-9所示)。(a)示意图1(b)示意图2-61- (c)示意图3(d)示意图4图4-8冻结站示意图隧道预应力支撑集液圈箱变盐水箱冷冻机冷冻机冷却塔冷却塔工作面配液圈4.5m宽3.0m宽图4-9冻结站布置图(2)管路连接、保温与测试仪表安装冻结管每3～5个一串联，串联尽量间隔进行，应以每组冻结孔总长度相近和每路盐水循环阻力接近为宜。在配液圈与冻结器之间安装阀门两个，以便控制冻结器盐水流量。在冷冻机进出水管上安装温度计，在去、回路盐水管路上安装压力表、温度传感器和控制阀门。在盐水管出口安装流量计。在盐水箱安装液面传感器。在去路盐水干管上安装单向阀。在盐水管路的高处安装放气阀。在对侧隧洞管片内侧冻结加固范围内敷设冷冻排管。(3)溶解氯化钙和机组充氟、加油先在盐水箱内注入约1/4的清水，盐水箱上部要设过滤网，然后，启动泵并逐步加入固体氯化钙，直至盐水浓度达到设计要求。溶解氯化钙时要除去杂质。-62- 盐水箱内的盐水不能灌得太满，以免高于盐水箱口的冻结管盐水回流时溢出盐水箱[28]。4.2.4积极冻结与维护冻结(1)冻结系统试运转与积极冻结设备安装完成后进行调试和试运转。试运转时，随时调节压力、温度等各个状态参数，使机组在相关工法规范和设计要求的技术参数条件下运行[29]。冻结过程中，每天检测盐水温度、盐水流量和冻土壁扩展情况，必要时调整冻结系统运行参数[30]。(2)冻结效果的监测及完成的参数指标①在设计的积极冻结期间内，盐水去路温度应稳定的保持在-28℃以下；②要求盐水循环系统去回路温差不超过2℃；③盐水系统循环总流量在积极冻结期间达到设计值；④冻土有效厚度≥设计冻土帷幕厚度；⑤泄压孔达到升压条件进行放压观测试验；⑥联络通道冻土有效厚度≥设计冻土帷幕厚度，通道冻结帷幕有效冻土平均温度要达到-10℃及以下；(3)探孔、试挖与维护冻结实测冻结壁温度和厚度达到设计值后，打开探孔确认无泥水涌出或初期有少量出水并渐止，即可试挖，确认冻土帷幕内土层无流动水后(饱和水除外)再进行正式开挖。正式开挖后或进仓后，根据冻土帷幕的稳定性，以及保证安全，不提高盐水温度[25]，进入维持的积极冻结，盐水温度仍保持在-28℃。(4)停止冻结①盾构修复工程完成后方可停止冻结。②联络通道主体结构施工结束后方可停止冻结。4.3施工监测冻结法施工监测包含以下内容：(1)冻结孔监测：冻结孔施工时应进行开孔位置监测、冻结孔耐压试验监测、-63- 成孔偏斜监测、冻结孔长度及供液管下方长度监测；(2)冻结系统监测：冻结系统去、回路盐水温度，冷却水循环进出温度监测；冷却机吸排气温度监测，制冷系统冷凝压力、汽化压力监测，盐水泵工作压力监测。(3)冻结壁温度场监测，包括不同冻结壁的发展速度及冻结壁不同位置的平均温度监测，隧道管片与冻结壁交界面温度监测，开挖面暴露冻结壁温度监测，自然解冻冻结壁温度监测；(4)融沉注浆变形监测，即自然解冻及融沉补偿过程中隧道、联络通道变形监测。为确保冻结法施工安全、优质地完成，须对地层进行必要的监测，根据监测数据进行分析，指导施工，以便调整施工工艺并采取措施[31]。冻结孔钻孔，冻土融化会导致地表沉降，冻结期间会产生冻胀，导致地面隆起。由于隧道位于海底，地表位移影响较小，不用进行地面测点布设。只须在隧道内布置监测点，防止隧道周边围岩及支护收敛变形过大。在联络通道50m以外稳定区域选定水平及垂直位移监测基准点。在冻结加固施工20m范围内，对区间隧道整体水平和垂直方向收敛变形进行监测。沉降测点布置在区间隧道顶部及路面板上，水平位移测点布置在区间隧道腰线上，测点间距均为2m。监测频率见表4-1。表4-1冻结加固现场监控量测项目量测频率监测报警值日报警值(mm/d)累量测方法及计钻孔冻结项目工具开挖融沉注浆钻孔冻结融沉报期间期间开挖期间期间注浆警值区间前3个月隧道1次1次/21次1次/(2~5)±收敛计±2收敛/2天天/1天天；第4、10检测5个月1区间水准1次1次/21次次/(5~10)±±±1±2±2隧道仪、水/2天天/1天天；第61.510-64- 水平、准尺、个月1次垂直钢尺/(10~15)位移天测点布置图(如图4-10且4-11所示)。20002000400020002000图4-10联络通道开洞范围测点平面布置图(单位：mm)图4-11区间隧道断面测点布置图4.4冻结系统盐水循环情况以冻结法加固地层常压进仓换刀冻结系统的盐水循环情况来说明。4.4.1水平冻结系统盐水循环情况水平冻结系统2017年8月14日试运转，2017年8月16日正式开机，积极冻结8d盐水温度降至-18℃以下；积极冻结13d盐水温度降至-24℃以下；近期冻结系统基本稳定在-28℃以下运行，去回路温差保持在1.5℃左右，盐水循环情况正常，冻结效果良好。冻结系统盐水去回路及温差发展情况(如图4-12所示)。-65- 度/盐水干管去路℃盐水干管回路温差日期图4-12水平盐水系统总去路、总回路及温差变化曲线由图4-12可以看出，水平冻结系统去、回路盐水温度降幅比较正常。-66- 4.4.2垂直冻结盐水循环情况垂直冻结系统2017年9月19日试运转，2017年9月21日正式开机，积极冻结9d盐水温度降至-18℃以下；积极冻结19d盐水温度降至-24℃以下；近期冻结系统基本稳定在-26℃以下运行，去回路温差保持在2℃左右，盐水循环情况正常，冻结效果良好。冻结系统盐水去回路及温差发展情况(如图4-13所示)。温度/℃日期图4-13盐水系统总去路、总回路及温差变化曲线由图4-13可以看出，垂直冻结系统去、回路盐水温度降幅比较正常。4.5冻结效果评价4.5.1冻结孔质量水平钻孔2017年8月2日开始施工，于2017年8月7日钻孔完成，设计8个冻结孔，实钻8个冻结孔。每个孔设计深度7.115m，孔设计总长度56.92m；实钻冻结孔深度7.2m，总长度57.6m，每孔按照0.8MPa进行打压试验，冻结孔测斜测深与打压均符合设计要求。海面垂直钻孔2017年8月26日开始钻孔施工，于2017年9月15日钻孔完成，设计冻结孔78个，测温孔7个。实钻冻结孔80个(包含补孔2个C7和E11)，测温孔7个；冻结孔测斜测深与打压均符合设计要求。-67- 4.5.2冻结温度和冻结壁质量(1)水平冻结①盐水温度水平冻结系统于2017年8月16日正式开机，积极冻结8d盐水温度降至-18℃以下；积极冻结13d盐水温度降至-24℃以下；近期冻结系统基本稳定在-29℃以下运行，去回路温差保持在0.5℃左右，满足设计温差不大于2℃的要求。②冻结壁质量及平均温度截止至2017年10月30日，水平积极冻结75d，水平冻结壁最薄弱处厚度为1.24m，平均温度为-7.1℃，均满足设计要求。(2)垂直冻结①盐水温度垂直冻结系统于2017年9月21日正式开机，积极冻结9d盐水温度降至-18℃以下；积极冻结19d盐水温度降至-24℃以下；近期冻结系统基本稳定在-28.5℃以下运行，去回路温差保持在1℃左右，满足设计温差不大于2℃的要求。②冻结壁质量及平均温度截止至2017年10月30日，垂直积极冻结39d，盾构前端冻结壁厚度已经达到设计要求3.2m，盾构机顶部、底部冻结壁厚度已经达到3.0m的设计要求，盾构机两侧冻结壁厚度尚未达到3.0m的设计要求，目前最薄弱处为2.7m，平均均温度为-15~-20℃，均小于-12℃。针对盾构两侧冻结壁厚度最薄弱处为2.7m(平均温度小于-12℃)，设计单位重新对开挖后冻结壁结构经过计算复核，以目前冻结壁发展状况，能满足常压进仓修复方案的要求。4.5.3冻结壁密封性根据带压进仓检查情况，结合冷冻温度监测情况判断，冻结壁已经交圈，左线于2017年10月26日开始逐步降低泥水仓内压力，逐级减压0.2bar/次，每次稳压观察1h，直至降至常压，10月27日达到常压。根据减压排水情况，排水量较低，黏度稳定为16s，比重为1.05～1.08，温-68- 度为6～8℃，说明仓内冻结体稳定。证明冻结壁密封性良好。-69- 4.5.4冻结质量及建议综上所述，冻结孔成孔质量符合设计要求；盐水温度在-28.0℃以下，满足设计要求；水平冻结帷幕有效厚度及平均温度满足设计要求；垂直冻结帷幕除两侧最薄处以外，盾构顶部、底部两侧、盾构迎面冻结帷幕有效厚度及平均温度满足设计要求。针对盾构两侧冻结壁厚度最薄弱处为2.7m(平均温度小于-12℃)，经过计算复核，以目前冻结壁发展状况，冻结壁密封性良好，冻结施工质量能满足常压进仓修复方案的要求。建议在开仓修复过程中及时按设计要求做好相应的盾构机内部保温工作。-70- 第五章结论冷冻法加固施工时应根据地处的地质情况以及周边环境，布置合理优化的冻结孔，确认冻结壁的厚度、温度。然后通过分析计算及监测数据，结合数值模拟分析确认冻结后可以形成的冻结交圈范围；在确保安全的前提下，对方案中的冻结孔、时间以及交圈范围进行合理的优化，做到信息化施工。通过冻结法的设计与施工研究得出以下主要结论。(1)实验测定了工程范围内冻土的单轴抗压强度，结果表明：冻土的力学性能得到了大幅提高，为冻结法的设计提供了力学参数。(2)结合工程地质与水文地质条件，确定了联络通道采用冻结法加固土体、矿山法开挖的施工技术方案；盾构换刀采用“垂直冻结加固+常压进仓”的施工技术方案。(3)以冻土的力学性能实验为基础，提出了冻结加固设计方案和施工关键技术。盾构底部冻结壁仅作为封水作用，设计有效冻结壁厚度约1.1m，平均温度≤-6℃；其它位置设计有效冻结壁厚度：盾构顶部3.0m，底部两侧3.0m，盾构迎面3.2m，盾构侧面3.0m，平均温度≤-12℃。联络通道冻土帷幕厚度取2.0m(喇叭口处取1.7m)，开挖区外围冻结孔布置圈上冻结壁与隧道管片交界面处平均温度不高于-5℃。其它部位设计冻结壁平均温度小于等于-10℃。(4)冻结实施过程中，对冻结系统盐水温度、土体温度进行了跟踪监测分析；并利用有限元软件COmSOLmultiphysics对冻结壁发展情况进行了数值模拟分析。分析认为冻结33d后，冻结帷幕已经交圈。综合分析了冻结39d后冻结系统运转情况、盐水降温情况、温度场变化规律、冻结圈承载力等，得出冻结帷幕39d后能达到设计要求，可以安全常压进仓换刀。(5)通过冻结法的工程实践揭示了冻结法中盐水温度、冻土温度、冻结帷幕的发展变化规律，保证了盾构换刀和废水泵房及联络通道的施工安全，也可为冻结法加固地层的类似工程提供参考。-71- 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致谢论文从选题、研究思路、模型建立与分析到论文的撰写，都是在导师王明生教授的悉心指导下完成的。王明生教授在本硕士学位论文的成稿过程中倾注了大量的心血，并在工作、学习、生活等各方面给了我极大的关怀；他渊博的知识、严谨治学的作风、孜孜不倦的求索精神是我今后学习工作的榜样。在此谨向王明生教授及其家人表示崇高的敬意和衷心的感谢。同时，我要向我的校外指导教师李昌宁教授级高级工程师表示我诚挚的谢意，感谢他对本论文的指导和帮助。-74- 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文个人简历林建平，男，1978年2月出生，2002年7月毕业于兰州铁道学院铁道工程专业，获工学学士学位。2015年考入石家庄铁道大学土木工程学院的建筑与土木工程专业攻读硕士学位。在学期间的研究成果[1]林建平主持研究的《高承压水粉砂土互层中盾构近距离下穿运营隧道施工技术》分别荣获2014年度中国施工企业管理协会科技创新成果二等奖，2016年度中国铁路工程总公司科技技术二等奖。[2]林建平主研的《西安地铁地裂缝设防段施工关键技术研究》荣获2016年度中国施工企业管理协会科学技术奖科技创新成果二等奖。[3]林建平重点参与的《西安地铁四号线TJSG-11标地铁车站施工BIm应用》荣获第六届龙图杯BIm大赛施工组优秀奖。[4]发明专利：一种盾构下穿既有运营隧道变形控制的施工方法专利号ZL201510377165.5[5]发明专利：一种降低地铁盾构隧道洞门施工风险的方法专利号ZL201510290078.6[6]发明专利：盾构隧道管片超前量测量装置及方法专利号ZL201510213435.9[7]实用新型专利：一种泥水盾构始发洞门密封结构专利号ZL201720473552.3已发表的学术论文[1]林建平.论水平冷冻法在地铁暗挖隧道工程中的运用[J].西部探矿工程，2009,21(04):170-172.-75-