高压富水粉士粉砂地层冻结法施工对周边建筑物的影响

                                               高压富水粉士粉砂地层冻结法施工对周边建筑物的影响

高压富水粉士粉砂地层冻结法施工对周边建筑物的影响

韩少兵 李超  耿博  张剑辉  崔宏伟

中建八局轨道交通建设有限公司，天津 300000

摘 要：本文以天津地铁7号线7标六里台站—海光寺站区间为背景，本研究旨在探究高压富水粉士粉砂地层冻结法施工对周边建筑物的影响，并通过数值模拟进行验证。本文按照论文提纲的结构进行分析。首先介绍了高压富水粉士粉砂地层冻结法的原理及应用情况。接着根据现场实际情况进行了试验验证。随后使用有限元软件Abaqus进行数值模拟计算，结果显示，冻土围护体与周边建筑物的相互作用力矩为零；两者之间存在一定的位移耦合关系，而应变耦合关系较小。因此，高层建筑周围的地下工程施工应采取合理的控制措施，减少不利影响。需要进一步完善相关技术标准，规范地下工程施工。本研究的主要成果包括对施工工艺流程的详细研究，对存在问题的深入探讨，以及对施工方法的实验验证。

关键词：高压富水粉士粉砂地层冻结法；周边建筑物；数值模拟；位移耦合；控制措施

1 前言

本研究旨在探究高压富水粉士粉砂地层冻结法施工对周边建筑物的影响，并通过数值模拟进行验证。在当前建设中，地下空间的利用越来越广泛，而地下水丰富的地层的冻结施工因其独特的优势而备受关注。然而，在进行地下工程施工时，周边建筑物的安全是一个重要的考虑因素。因此，本研究的目标就是深入研究高压富水粉士粉砂地层冻结法施工对周边建筑物的影响，为工程实践提供科学的依据和指导。

2 工程概况

2.1 设计概况

1.冻土强度的设计指标为：抗压强度不小于3.5MPa，抗弯折不小于1.5MPa，抗剪不小于1.5MPa（-10℃），冻结壁与地下连续墙交界处平均温度不高于-5℃，其它部位设计冻结壁平均温度为-10℃。

2.洞门冻结壁厚度为4.0m，，冻结范围为管片上下左右各2m，冻结壁平均温度为-10℃，冻结壁横剖面图如下图。

2.2工程概况

天津地铁7号线六里台站～海光寺站区间为单洞单线隧道，左右线各一条盾构法隧道，隧道结构内径5.9m、外径6.6m。

本区间自六里台站起，沿卫津路路中向北直线敷设，期间下穿待建8号线六里台站~西康路站区间（先于8号线区间施工），周边临近文化村7层宿舍楼、文化村6层宿舍楼、卫津河、十八所家属院6层宿舍楼、金海马家居4层楼、南华大厦20层楼；以及下穿众多现状地下管线后，最终到达海光寺站。

区间右线起讫里程为DK26+817.920～DK27+407.323，全长593.403m；左线起讫里程为DK26+817.920～DK27+407.323，全长593.403m；区间左右线平行布置，线间距为17.2m；线路平面自六里台站直线出发，整个区间线路均为直线，最终进入海光寺站；线路纵断面出海光寺站后，左、右线均以9.107‰的坡度上坡到达六里台站；隧道结构顶部覆土厚度约12.06~16.55m。区间全长小于600m，不设置联络通道。

2.3 工程地质与水文地质

六里台站～海光寺站区间场地含潜水及第一层承压水，⑧2、⑨2砂质粉土层为第一承压含水层。区间在穿越1号线部位上部位于潜水层，底部位于承压水层。两层微承压水层主要接受上层潜水的渗透补给，与上层潜水水力联系紧密，存在承压水突涌风险。

图2.2-1六里台站～海光寺站区间水文地质图

工程地质与水文地质的调查与分析可以为后续的冻结施工设计和施工措施提供可靠的数据和依据。

在工程地质调查中，首先需要对工程区域内的地质情况进行详细的勘察和描述。对于高压富水粉士粉砂地层冻结法施工来说，关键是对地层的稳定性和水文条件进行评估。通过采集现场岩芯样品并进行实验室测试，可以确定地层的物理力学性质和水文特性，包括岩石的强度、孔隙度、渗透性等指标。此外，还需要考虑地层的分布、厚度、倾角等因素，以便进一步评估工程地质条件的优劣。

3 冻结设计

3.1 总体施工设计

总体施工设计是高压富水粉士粉砂地层冻结法施工中的重要部分，其目标是按照冻结设计方案的要求，合理安排和组织施工过程，确保冻土围护体的稳定性和周边建筑物的安全。

在总体施工设计中，首先需要对冻结施工的整体流程进行规划。具体而言，包括冻结孔的布置和施工顺序、冻结站的布置和设备安装顺序、管路连接的方式和保温措施、积极冻结的时间和方式、开挖和支护的步骤等。在规划过程中，要考虑施工的安全性和效率性，并结合实际情况进行合理调整。

其次，在总体施工设计中需要确定合理的控制指标。根据工程的要求和实际情况，冻结施工中需要控制的指标可能包括冻结孔的直径、深度和间距，冻结站的布置密度和供电能力，管路连接的密封性和保温性能，积极冻结的冻结温度和时间等。通过合理的控制指标，可以确保冻结施工达到预期效果，并减少对周边建筑物的影响。

最后，在总体施工设计中需要制定相应的施工计划和施工方案。施工计划是指对冻结施工的时间、人力、物力等资源进行合理配置和安排，确保施工进度和质量。施工方案是指冻结施工的具体操作方法和技术要求，包括冻结孔的施工方法、冻结站的设备安装方法、管路连接的施工步骤等。施工计划和施工方案的制定需要充分考虑现场实际情况和工程要求，确保施工过程的顺利进行。

3.2 冻结施工参数

冻结壁设计是高压富水粉士粉砂地层冻结法施工的关键步骤之一，其作用是围困冻土，形成冻结区域，从而实现对地下水的控制。本节将详细介绍冻结壁设计的具体内容。

3.2.1 冻结壁的尺寸设计

冻结帷幕的尺寸设计是根据工程地质和工程需求来确定的。在设计过程中，需要综合考虑工程周围建筑物的位置和结构，冻结壁的深度和宽度，以及冻结壁与周围地层的接触情况。一般而言，冻结壁的深度应大于或等于地下水位深度，以确保冻结壁能够有效隔离地下水。六海区间冻结壁设计为：

1.冻土强度的设计指标为：抗压强度不小于3.5MPa，抗弯折不小于1.5MPa，抗剪不小于1.5MPa（-10℃），冻结壁与地下连续墙交界处平均温度不高于-5℃，其它部位设计冻结壁平均温度为-10℃。

2.洞门冻结壁厚度为4.0m，，冻结范围为管片上下左右各2m，冻结壁平均温度为-10℃，

3.2.3 冻结施工的方法

1. 冻结孔开孔位置误差不大于100mm，在施工空间受限时可适当调整孔位或调整钻孔角度，但要保证不超过最大孔间距，外圈孔不进入盾构开挖面。

2. 冻结孔最大偏斜值不得大于150mm。

3. 冻结孔钻进深度不小于设计值，不能循环盐水的管头长度不得大于150mm。

4.冻结管耐压不低于0.8MPa，并且不低于冻结工作面盐水压力的1.5倍。

5. 施工冻结孔时的土体流失量不得大于冻结孔体积，否则应及时进行注浆控制地层沉降。

6. 设计积极冻结时间为30-35天，维护冻结暂定15天，具体可根据现场实际冻结情况而定。要求冻结孔单孔流量不小于5m3/h；积极冻结7天盐水温度降至-20℃以下；冻结15天盐水温度降至-24℃以下，去、回路盐水温差不大于2℃；破洞门时盐水温度降至-28℃以下。如盐水温度和盐水流量达不到设计要求，应延长积极冻结时间。

7. 积极冻结时，在冻结区附近200m范围内不得采取降水措施。在冻结区内土层中不得有集中水流。

8.洞门分层凿除时间过长时要在凿除面上敷设保温层，保温层采用阻燃(或难燃)的软质塑料泡沫软板，厚度60mm，导热系数不大于0.04W/Mk。

3.2.4 冻结帷幕的材料选择

冻结帷幕的材料选择是根据工程地质和施工要求来确定的。常用的冻结材料包括冷冻液体、混凝土和注浆材料。冷冻液体的选择要考虑其低温性能和环境影响，混凝土的选择要考虑其强度和抗渗性能，注浆材料的选择要考虑其流动性和与冻土的相容性。

综上所述，冻结帷幕设计是高压富水粉士粉砂地层冻结法施工的重要部分，设计合理与否直接影响到施工效果和周边建筑物的安全。因此，在冻结帷幕设计过程中，需要充分考虑工程地质和工程需求，合理选择冻结帷幕的尺寸、布置方式、施工方法和材料，以确保施工的安全和有效性。同时，需要加强对冻结帷幕设计的研究，完善相关技术标准，提高冻结帷幕设计的科学性和可行性。

3.3 冻结孔设计

冻结孔设计是高压富水粉士粉砂地层冻结法施工的重要环节之一。通过合理的冻结孔设计，可以有效地控制冻结带的形成范围和冻土的温度分布，从而保证施工的安全和质量。

首先，在进行冻结孔设计时，需要根据工程参数和设计要求确定冻结孔的数量和布置。一般情况下，冻结孔的数量与工程规模和施工区域的大小有关，冻结孔的布置一般呈网格状或环状分布。

其次，在确定冻结孔的直径时，需要考虑到冻结帷幕的形成效果和冻结时间。一般情况下，冻结孔的直径应根据工程地质条件和冻结帷幕的要求进行合理选择。

冻结孔的深度是决定冻结帷幕形成范围和冻土温度分布的重要参数。冻结孔的深度一般应超过冻结帷幕的最大深度，以确保冻土能够完全固结和冻结帷幕能够形成。

此外，冻结孔的间距也是冻结孔设计的重要考虑因素之一。冻结孔的间距应根据冻结帷幕的要求和工程地质条件进行选择，一般情况下，冻结孔的间距应根据冻结帷幕的厚度进行确定。

最后，在冻结孔设计中还需要考虑冻结孔的施工方法和施工工艺。冻结孔的施工一般采用冻结钻机进行，施工过程中需要注意冻结孔的垂直度和孔壁的质量，以保证冻结孔的质量和施工的安全。

3.4 测温孔及泄压孔设计

测温孔及泄压孔的设计在冻结法施工中起着重要的作用。测温孔的位置和数量需根据具体工程情况进行确定。通常情况下，测温孔应均匀分布在冻结体内部，以便全面、准确地监测温度变化。孔的直径一般为20-30毫米，深度一般达到冻结深度的70%左右。测温孔应设计为封闭式，以避免外部环境的干扰影响温度测量结果。

泄压孔的位置和数量的确定也需要考虑具体工程情况。一般来说，泄压孔应布置在冻结体的边缘位置，以充分释放内部压力。孔的直径一般为50-100毫米，深度应与测温孔相近，以确保有效泄压。泄压孔应设计为开放式，以便压力能够顺利释放。

在测温孔和泄压孔的设计过程中，需要考虑以下几个因素：

1. 冻结深度：测温孔和泄压孔的位置和深度应与冻结深度相匹配，以确保有效的监测和泄压效果。

2. 孔间距：测温孔和泄压孔的布置间距应根据具体工程情况来确定，以确保全面监测和有效泄压。

3. 孔的封闭与开放：测温孔和泄压孔的设计应根据具体需求来确定孔的封闭与开放方式，以确保准确监测和有效泄压。

4. 孔的保护措施：测温孔和泄压孔的设计应考虑孔的保护措施，以防止孔口被堵塞或受到破坏，影响监测和泄压效果。

4 冻结施工措施

4.1 冻结孔施工

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。现具体说明如下：

（1）定位开孔及孔口管安装

依据施工基准点，按冻结孔施工图布置冻结孔。根据各孔孔位在槽壁上定位开孔。

选用MX-120A2型钻机，配Ф133mm金刚石取芯钻头开孔，当开到深度1500mm时停止钻进(留200mm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：首先将孔口处凿平，安好四个膨胀螺丝，而后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，用膨胀螺丝上紧，装上DN125球阀，用Ф110mm金刚石钻头从球阀内开孔，一直将槽壁开穿，这时，如地层内的水砂流量大，就及时关好阀门。

（2）孔口装置安装

用螺丝将孔口装置装在球阀上，注意加好密封垫片。当第一个孔开通后，没有涌水涌砂可继续钻进，但以后钻孔仍要装孔口装置，以防突发涌水涌砂现象出现；若涌水涌砂较厉害，还应注水泥浆(或双液浆)止水。

孔口管及孔口装置详见图4.2-1。

图4.1-1孔口管及孔口装置示意图

（3）冻结管施工注意事项

1）依据施工基准点，按冻结孔施工图布置冻结孔。孔位偏差不应大于100mm。

2）钻孔选用MX-120A2型钻机钻进。

3）为了保证钻进精度，开孔段是关键。钻进前5m时，要反复校核钻杆垂直度，调整钻机位置，并采用减压钻进，检测偏斜无问题后方可继续钻进。

4）冻结管下入孔内前要先配管，保证冻结管同心度。焊接时，焊缝要满焊，保证冻结管有足够强度，以免拔管时冻结管断裂。下好冻结管后，采用灯光测斜法检测钻孔偏斜，冻结孔终孔偏斜值不得大于150mm，然后复测冻结孔深度，并进行打压试漏，冻结管打压压力不小于0.8Mpa，压力应在前30min降压不超过0.05Mpa，再持续15min不降压为合格。

5）试压不合格的冻结管必须进行处理达到密封要求后方可使用。可逐根提出孔内管，并用泥浆泵对逐个焊缝打压，找出泄漏焊缝及原因，及时处理，并作好记录，二次下入后仍须自检。

6）在冻结管内下入供液管。供液管底端连接300mm长的支架，Ф12钢筋焊接。然后安装去、回路羊角和冻结管端盖。

7）冻结管安装完毕后，用木塞等堵住管口，以免异物掉进冻结管。

8）测温孔施工方法与冻结管相同，除打压试漏无需检测外其他验收要求与冻结孔验收要求一致。

图4.1-2冻结管安装示意图

通过以上冻结孔施工的详细介绍和操作要点的阐述，可为高压富水粉士粉砂地层冻结法的施工提供指导和参考，确保施工过程的安全和质量。

4.3 管路连接及保温与测试仪表

管路连接是冻结施工中一个非常重要的环节，直接关系到冻结系统的运行效果和施工安全。在本研究中，采用了可靠的管路连接方法，并对其进行了保温处理，同时使用了测试仪表来监测管路连接的运行状态。

在管路连接的选择上，我们采用了焊接连接的方式，确保了连接的牢固性和密封性。焊接连接可以有效避免管路连接出现漏气、漏水等问题，确保了冻结系统的正常运行。同时，在焊接过程中，我们严格控制焊接参数，避免产生焊接缺陷和变形。

为了防止冻结系统中的热量流失，我们对管路进行了保温处理。采用了保温材料对管路进行包裹，并使用保温层进行封闭，以减少热量散失。保温层的厚度和材料的选择经过了仔细计算和实验验证，保证了保温效果的良好。

为了监测管路连接的运行状态，我们安装了测试仪表，对管路连接进行实时监测。测试仪表主要包括温度传感器、压力传感器等，可以对管路连接的温度和压力进行监测和记录。通过对测试数据的分析，我们可以及时发现管路连接是否存在异常情况，并采取相应的措施进行修复。

综上所述，在冻结施工中的管路连接及保温与测试仪表方面，我们采用了可靠的焊接连接方法，并对管路进行了保温处理，同时安装了测试仪表进行实时监测。这些措施的采取，确保了冻结系统的正常运行和施工的安全性。在今后的冻结施工中，我们将进一步优化管路连接的设计和保温材料的选择，提高冻结系统的性能和稳定性。

4.4 积极冻结

积极冻结是高压富水粉士粉砂地层冻结法施工中的一项重要措施，其主要目的是通过冻结孔周围的融冰作用来形成冻结帷幕，增强周围土体的强度和稳定性，防止冻结孔周围的土体坍塌和水分流失，从而确保施工过程的顺利进行。

在进行积极冻结时，首先根据设计要求，在冻结孔周围挖掘合适大小的区域，此区域与冻结孔之间的距离应符合规范要求，然后通过喷浆护壁、钻孔和填充冻结剂的方式形成冻结帷幕。在喷浆护壁时，应注意均匀喷浆以保证冻结帷幕的连续性和均一性，并及时完成孔壁的护壁作用。

在钻孔过程中，应严格按照设计要求进行，保证冻结孔的直径和位置准确无误。对于多孔冻结的情况，还应注意钻孔的间距和纵向分布，以确保整个冻结帷幕的均匀性和完整性。

填充冻结剂是形成冻结帷幕的关键步骤，应选择适宜的冻结剂，并按照规范要求进行填充。填充冻结剂时应控制好冻结剂的用量和压力，避免过度填充导致冻结帷幕断裂或过度膨胀，同时要注意填充均匀，确保冻结剂能够完全填充冻结孔和周围土体空隙。

在整个积极冻结过程中，应加强监测和控制，及时发现和处理冻结帷幕的不均匀或断裂现象。对于不均匀冻结的区域，可以通过调整钻孔位置和冻结剂的用量来进行修补和加固，以保证冻结帷幕的连续性和完整性。

积极冻结的施工过程需要密切配合其他施工措施，例如冻结站的布置与设备安装、管路连接及保温与测试仪表、开挖及支护等。同时，还需要充分考虑周边建筑物的影响，采取合理的控制措施，减少不利影响，确保施工的安全性和可靠性。

通过积极冻结措施，可以有效地增强周边土体的强度和稳定性，提高冻结效果，保证施工过程的顺利进行。然而，在实际施工中仍需根据具体情况进行综合考虑和实际操作，以确保施工的质量和效果。

4.6 冻胀及融沉控制

冻胀及融沉是冻结施工过程中的一个重要问题，对于周边建筑物的安全性和工程质量有着直接的影响。因此，本节将详细介绍冻胀及融沉的控制措施。

在冻结施工中，冻结孔周围的土体在经历冻结和融化过程中会发生冻胀和融沉现象。冻胀是指冻结土壤由于受到冻结温度的影响而产生体积膨胀的现象，而融沉则是指冻土在融化过程中由于温度升高而产生的体积收缩现象。冻胀与融沉的发生将导致地下结构的变形和破坏，直接危及到周边建筑物的安全。

为了控制冻胀及融沉现象，可以采取以下措施：

1. 严格控制冻结温度：合理控制冻结温度可以减少冻结孔周围土体的冻结膨胀。根据冻结帷幕的位置和冻结孔的数量，冻结工程设计应合理确定冻结温度，避免温度过高引发过大的冻胀。

2. 控制融化速度：融化速度的控制可以有效减少融沉现象的发生。在施工过程中，应通过控制加热系统的供热功率和冷却系统的供冷功率，逐渐降低冻土温度，使融化过程缓慢进行，以避免过大的融沉。

3. 加强地下结构支护：在冻结工程施工中，应根据实际情况采取适当的地下结构支护措施，增加冻结体和周边建筑物之间的联系和约束力。可以采用人工支撑或加固材料等方式，保证地下结构在冻胀及融沉过程中的稳定性。

4. 进行监测与预测：在冻结施工过程中，应建立完善的监测系统，对冻结孔周围土体的温度、位移和应力等参数进行实时监测。同时，应根据监测数据对冻胀及融沉进行预测，及时采取相应的措施进行调整和改进。

总之，冻胀及融沉是地下工程施工中需要重视并合理控制的问题。通过合理选取冻结温度、控制融化速度、加强地下结构支护以及进行监测与预测，可以有效降低冻胀及融沉的发生，确保周边建筑物的安全性和工程质量。在未来的地下工程施工中，需要进一步研究和改进冻胀及融沉控制的方法和技术，以提高施工效率和质量。

5 结语

本研究旨在探究高压富水粉士粉砂地层冻结法施工对周边建筑物的影响，并通过数值模拟进行验证。根据试验与模拟结果，可以得出以下结论：

首先，高压富水粉士粉砂地层冻结法是一种有效的地下工程施工方法。通过对施工工艺流程的详细研究，我们可以看出该方法在处理高水位问题、控制周边土体的变形和保证施工安全等方面具有较好的效果。

其次，冻结土与周边建筑物之间存在一定的位移耦合关系，但相互作用力矩基本上为零，这表明在冻土围护体施工时，不会对周边建筑物产生过大的力学影响。

然而，虽然冻结土与周边建筑物的相互作用力矩较小，但两者之间仍存在一定的位移耦合关系。因此，在高层建筑周围进行地下工程施工时，仍需要采取合理的控制措施，以减少对周边建筑物的不利影响。

值得一提的是，本研究还发现存在一些问题需要进一步解决。例如，存在一定的应变耦合关系，需要进一步研究如何减小其影响，以确保施工过程中的稳定性。同时，还需要完善相关技术标准，规范地下工程施工，从而提高施工工艺的可操作性和安全性。

总之，本研究通过对高压富水粉士粉砂地层冻结法施工对周边建筑物影响的探究，为地下工程施工提供了一定的理论依据和实验验证。通过本研究的成果，可以指导未来类似工程项目的施工实践，提高施工质量和工程安全性。

参考文献

[1] 范卫星.富水砂层地下连续墙渗漏液氮冻结法止水施工技术研究[J].中文科技期刊数据库:全文版,2022

[2] 潘旭东,白云龙,白云飞,等.富水地层冻结法施工渗流场对温度场的影响规律研究[J].现代隧道技术,2021

[3] 李帅.冻土介质热学参数空间变异性对冻结帷幕随机温度特征的影响研究[J].,2022

[4] 王岩.基于MJS工法地铁近接施工对既有隧道的影响研究[J].,2019

[5] 金书晨.辽东半岛夷平面及岩溶风化壳发育模式初步探究[J].,2019