人工冻结法技术应用方法研究

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低

温

建

筑

技

术

2O年第 1期( 09总第 17 ) 2期

冻土与地基基础

人工冻结法技术应用方法研究李(. 1同济大学地下建筑与工程系.上海

攀，胡向东，张雪敏 。￣} 9 2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室 .上海 50 2; K0 209 ) 0 O 2

【摘

要】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，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并#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，出冻土帷幕温度场的形成得规律，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。

【关键词】盾构隧道；冻土帷幕；络通道；联人工冻结法

【中图分类号】 T 43 U4

【文献标识码】 A

【文章编号】 1 1 66 ( 0)1 07— 4 0— 842 90— O4 0 0 0

RE EA S RCH ON M衄

I OD 1 HNOL0GY .LI I ON oF 1: 1 I AI P C ' I

OF ART Cl I 即【【 GRoU A ND R疆 2 NG F正二l rLIP n一， a HU Xin a g— Do g, Z n HANG e— M i Xu n,

( . ea m n o G o cncl nier g T njU ie i, hnh i 0 0 2 hn; 1 D p r et f et h i g e n, og n rt S aga 20 9,C ia t e aE n i i v sy 2.Ke b rtr fGe e h ia nd Un eg￣ n gn e n fMiit y La o aoy o otc n c a d ra u d En i e r g o nsr l 3 i y

o dct n T njU i rt, hnhi 0 2 h a f uao, og n e i S aga 2(,C i ) E i i vsy 09 nAbsr c: r s n,i’ o ta t Atp ee t t S c mmo o a o tt n— st n trn t o o rfe ts me p s il n t d p he I i Mo i i g Meh d t e c o o sb e u o l

p b m ef l o rfi

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p s a e o h g a Y n t v rT n e,tr e df rn to s n l dn as g fS a h i a g e Rie u n l h e i ee t h d,icu ig i n z me n—st n t i g d t i mo i r a u on a,nl i—me c i lt n, te a lt e mer o uain, ae alu e n t e a ay i f a p iain o il r a smuai o h nayi g o ty c mp tto c r l s d i lss o p l t f AGF h n c o

p j t ots vl,t g etel f ya i t pr ue h et o ef znzn d t vrg m e n at e c c r i y oi w o nm c e ea r,t dp ft oe o ea eae e v h a d m t e h h r n h atmp rt r f rz n z n .I i as x ce o g e v l a l g ia c n u e sf t o r f i ou d e e au eo f e o e t s l e p td t i au be u d e t e s r aey fA t ca Gr n o o e v n o i l i

Fez gpo c . r i r et en j sKe r s s il u n l r zn z n;C S a sg;at c l r u d f e ig y wo d: h e tn e;f e o e r S p s a e r f i o n r z d o o i a g i e n

市政工程建设中的隧道联络通道施工，多采用冻结法。在冻结法应用中，往往采用监测几个温度点的

向北穿越长江南港直至长兴岛南岸新开河以西约40 0 m处登陆，长约 895m,中盾构隧道段长约全 .5 k其 74k。长

江隧道工程拟建的 8联络通道。1 . i 7n个掸联络通道上行线隧道里程为 S 1 8 .9、行线隧道 K+2244下里程为 K+ 7 .6, 1 29 65联络通道处上、下行盾构隧道中心距 3 .0m,行线隧道中心标高一3 .8m,行 020上 295下

方法分析冻结帷幕发展的过程，或是选取几个截面做解析计算和数值计算。解析计算建立在一定的理论

和工程经验基础上，然经过反复修正，是经验公虽但式没有直接结合土体的性质参数，只能选取了有限且个数的截面做分析研究。数值计算在有限元分析基础上结合了土体的特性，得有限元分析能系统地反使映冻结发展的规律，但有限元分析的结果往往和实际

线隧道中心标高一3 .3m。联络通道由与隧道钢管 299片相连的喇叭口、水平通道构成，采用水平冻结法加固地层，山暗挖法施工以确保施工安全和减轻对周矿围环境的影响。根据地址资料l 1,#联络通道在范围一

数值存在一定的偏差。实践证明，纯依靠某种方法单不能系统全面地阐述冻结发展的过程。1工程概况 一

2 .~一4 . m内， 75 3 25 3冻结的土体主要是上海⑤灰

色粘质粉土。2温度监测

上海长江隧道起自浦东新区外高桥东的五好沟，[基金项目]国家高技术研究发展计划 (6 )目(06 lZ 1) 8 3项 20AA l 18

人工冻结法技术应用方法研究

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攀等：人工冻结法技术应用方法研究

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现场温度监测数据是解析计算和数值模拟的依据。通过对去回路盐水温度的监测，保证冷冻设备正常进行；通过合理布置测温点对冻土壁温度监测，可以大体得出冻土帷幕发展规律，为隧道施工提供可靠依据。监测系统坐标系说明：轴沿联络通道轴线， 指

下行线盐水干管温度

;

妒葛≈ 争

盛J

向盾构推进方向右侧为正；盾构隧道推进方向为 z负方向；竖直向上为 Y正向；坐标原点位于联络通道结构对称中心。日期

E囹

2 1长江隧道 l . #联络通道温度监测方案

图2下行线隧道盐水去回路温度时间变化曲线

l#联络通道冻结工程盐水供应系统分为上行线和下行线两个去回路，去路和回路的干管上各设一在个测温点，每组回路的冻结管上设一个测温点。上在行

线回路冻结管上共设有 1个测点， 1下行线回路冻结管上共设有 9个测点。1#联络通道冻结工程共布设 7个测温孔，中上行线隧道 2个测温孔 c、 7下行其 6C,

从盐水监测图可以看出，极冻结期内的盐水温积

度迅速下降，三天内降至一1 c 8c以下，到了“达积极冻结 7盐水温度降至一1℃以下” d 8的设计目标；水的盐 温度维持在一2一一3%, 8 0达到设计要求；去回路干管

温度温差一直较小，都维持在 10I以内，明冷冻站 .c:说制冷量充沛。从曲线变化规律可以看出，冻结开始时

线隧道 5测温孔 c、= C、 4 c。冻土帷幕区的个 l(、3c、 5 2温度监测共有测点 14。 0个2 2盐水温度监测数据及分析 .

热交换量大，以后逐渐减少；进入维护冻结后，热交换达到稳定，冻结系统运行正常。盐水箱水位记录数据没有大的变化，亦说明冻结正常。 2 3冻土温度监测及分析 .测温孔 c和 C分别布置在冻土帷幕设计外边界 1 2和内边界上，是用于判断冻土帷幕水平向发展的基本测孔。其它测孔布置成斜孔，于辅助分析。由斜孔用

1#联络通道上行线盐水去回路温度从 20 0 7年 1 1月 8日开始监测。下行线盐水去回路温度从 2 0 0 7年

1月 1 1 3日开始监测。上下行线盐水干管去回路温度变化情况分别见图 1图 2、。1 5 1 7;. 1 9

上行线盐水干管温度

C及其辅助孔 C 3 4的几何坐标数值和温度监测数值，可以直接观测冻土帷幕在隧道正上方发展的情况。 斜孔 C及其辅助孔 C, 6 7直接观测冻土帷幕在隧道正下方的发展情况。C则用于直接观测冻土帷幕水平 5

-

-

-

—

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_5 2 -9 I 2—

—\ _ I●’—、 H冉●, I^-

向发展的情况。结合联络通道周围上、、、四个下左右

—

3 1 3 3 1

方向的温度监测数据，为直观得出土体降温的规律较日期

及冻土帷幕厚度值。以土层冻结温度一2 1 .℃确定冻

E耍圈

土帷幕边界， 1出积极冻结期第 4 d距离冻土帷表给 0,幕边界最近的测温点及坐标值。

图1上行线隧道盐水去回路温度时间变化曲线

表 1

距离冻土帷幕边界最近的测温点及坐标值

通过合理的

布置测温点，时时监测冻土帷幕厚度在各个方向的发展情况。例如，积极冻结结束的第在 4 d可以监测得到距离冻土帷幕边界最近的两个测温 0,点的温度。测温点的坐标值是已知的，过插值的方通法，以了解冻土帷幕厚度半径的数值。在表 1据可数中，以看出 (、 3 C所布置的测点已经全部位于可=C、5 2

冻土区(区土体温度低于结冰温度一2 1。由 c该 .℃) l监测数值及坐标可以插值计算得，络通道开挖后联 (联络通道开挖半径为 l90得冻土帷幕厚度半径。7m)约为 266。由 C . m 7 6监测数值及坐标可以插值计算得，络通道开挖后得冻土帷幕厚度半径约为联2. 3 5 0m。

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2O O9年第 1 (期总第 17期 ) 2

综合分析 4 d积极冻结期内各测点温度监测情 0况，可发现如下特征：靠近冻结管的测温点，①下降速度较快；受隧道内空气热量的影响，于测温孔孔②位口附近的测点温度下降较慢，外测点温度处于正孔温；③冻结区域内的测点温度，期下降较快，早中期下降速度减小，期下降缓慢甚至不再下降；冻土帷后④幕外围较远处的土体温度也基本保持不变，明这些说测点基本处于冻结影响范围之外；⑤处于冻土帷幕外边界附近的测温点温度仍然以基本匀速下降，表明尚 未达到热平衡，土帷幕外边界仍在发展，冻继续冻结仍然可以增加冻土帷幕厚度；两喇叭口周围的冻结⑥速度相对较慢，上行线的冻结情况比下行线冻结情况良好。其原因可能是上行线冻结开始较早。

表 2解析计算各截面土帷幕厚度及平均温度

注：内侧厚度是指内排管指向通道中心沿半径方向的厚度值；侧外

厚度是外排管向外沿半径方向的厚度值。有效厚度是指联络通道开挖后，剩余冻土帷幕沿半径方向的厚度值。

3冻土厚度及平均温度解析计算解析法分析冻土帷幕性状是选取联络通道纵向 截面和横向截面做研究。结合这两种类型截面的数据来分析冻土帷幕发展的情况。其中，沿联络通道的纵向，了 7个横截面。分别为：取下行线喇叭口管片与即有效厚度，在喇叭口位置为 25826 1中间界面 .、.0m, 7

有效厚度值 2 74 .0m。 ( )各截

面冻土帷幕厚度方向上的平均温度均 2低于一1q,足设计要求的一1℃的要求l 4C满 3引。管片一

土体交界面 (曲面 ),,,, C E B F A和上行线喇叭口管片与土体交接面(曲面)。

冻土交界面的冻土帷幕平均温度为下行线一

1 .℃, 41上行线一1 .℃, 64达到设计一8C0的要求。 q【]4冻结过程数值计算运用有限元软件 A S S采用 sl8 NY, o d7热实体单元 i建立三维弹性有限元分析模型。冻结参数弹性模量、

结合截面温度监测数值，由双排管冻结的温度场公式L, 2可计算各截面土帷幕厚度， J见表 2:

'索 一川 y ) 式中，为每排中两根冻结管的间距； l L为两排冻结管的排距；为每排冻结管至冻土墙边缘的厚度。 其中坐标定义为：轴为管排内冻结管连线方向， Y为其垂直方向。对于双排错位冻结管排列：

泊松比、比热容、导热系数等选取来源于同济大学冻结试验E。考虑水的相变及钢管片、 4 J混凝土管片热性能不同等因素，制定较为合理冻结计划，计算得出温度数值和分析冻结中温度变化规律。结构模型如图 6所示。

m ) l[2 LY c 2: n,'- ) o (/{ a一一s 4/争] I￣ LY 0 ) {++6 c -)0 h]×

冻土帷幕平均温度的计算，于巴霍尔金公基式[并采用界面平均温度代替双排管冻结的整体冻 ,土帷幕平均温度的计算方法，面的平均温度可用下界面的方法计算：,+ J

图 3 4d积橄冻结后 0

图 4 01 4{积极冻结后联络通道

Y剖面效果图—z

中部 x剖面效果图—Y

叩 K 赢

计算结果图 3 4、可看到积极冻结 4d时温度分布 0规律：以呈现最低温度值冻结管周围土体为中心，温度

其中， t为轴面与界面交点的温度，按下式计算：

t_tt【 K广 = cO -I2 o n T+丁

一( ) 2】 c

向两侧呈梯度升高趋势，联络通道中心位置已经冻实。 数值计算显示，冻土帷幕平均温度可达一1 .℃。 90 35结语

表 2给出了积极冻结期第 4 d联络通道各个截面 0,的冻土帷幕及平均温度计算结果。 经解析计算分析，可以得出几点结论：

在上海长江隧道 1择联络通道冻土帷

幕分析中，

综合运用了温度监测、解析计算和数值计算三种方法来分析冻土帷幕的发展过程，掌握了符合工程实际的冻土帷幕发展的规律。另外，通过对比可知解析计算、

( )联络通道中部的冻结效果明显优于通道两 1头的喇叭口部位；联络通道开挖后，冻土帷幕厚度半径，

人工冻结法技术应用方法研究

刘景云等：静压桩终压值与承载力关系研究

静压桩终压值与承载力关系研究刘景云，王洪兴，张连波(哈尔滨- l大学建筑设计研究院。哈尔滨 r, l, 1 0 9;哈尔滨千山管桩有限公司。哈尔滨 5, o o 10 6 ) 5 0 6

【摘要】介绍了预制桩的施工方法及沉桩方式的优缺点，了静压桩的沉桩机理及不同岩土环境的沉 分析桩特性，通过理论分析及工程实践，给出了静压桩终压值与单桩竖向极限承载力定量关系。对本地区静压桩的设计与施工具有一定的指导意义。

【关键词】静压桩；压值；终承载力 【中图分类号】 T431 U7. 6【文献标识码】 B 【文章编号】 10— 8420 )1 07— 3 01 66 ( 90— 07 0 0

静力压入桩沉桩施工简称为静压法，它是借助于施工机械将钢筋混凝土预制桩压入土层中的一种施

受到桩体的挤压而产生运动变形，原状土的初始应力状态受到扰动。桩尖首先直接使土产生剪切破坏，土中孔隙水受此冲剪压力作用形成不均匀水头，产生急剧上升的超孔隙水压力，扰动了土体结构，这种状态

工方式。按此方式施工的桩称为静压桩。静压桩有许多优点，如施工无噪音；施工无振动，适宜在有危房、精密仪器用房及河口堤岸附近地区施工；施工过程压桩

阻力能自始至终地显示和记录，可定量观察整个施工过程，便于控制终压值，保证单桩承载力的实现；工施速度快，工期短，可在冬季施工。静压桩也存在一些缺

随着桩的贯入会连续不断地向下传递，桩周一定范使围内的土体形成了塑性区，从而很容易使得桩身继续贯人。压桩的阻力大部分是来自桩尖向下穿透土层

时直接冲挤桩端土体的端阻力，余是来自桩侧的滑其动摩阻力。压桩的阻力不一定随桩的人土深度的增加而加大，而是随着桩尖处土体的软硬程度不同等因

点，如施工作业面要求较大，遇硬土层穿越能力差等。但随着压桩设备的

不断改进，上述问题终将会解决。 静压桩在我国是正处于发展时期的施工技术，在设计和施工方面有许多问题需要探讨，比如静力贯入

素变化而波动。沉桩完成后，随着时间的推移桩周土体中孔隙水压力逐渐消散，体发生固结，的抗剪土土强度及侧摩阻力逐渐恢复和提高，从而使桩获得较大的承载力。一般而言，是软土地基，越静压预制桩获得的后期单桩承载力相对越高。 静压法沉桩过程中地基土体受到了重塑扰动，桩

机理及挤土问题、桩阻力估算与沉桩可能性分析问沉题、由沉桩终压值推算桩的承载力问题。本文将重点探讨沉桩的终压值与桩极限承载力关系问题。1沉桩的机理分析

由于静压桩为挤土桩，沉桩过程中桩周土颗粒在石石穹；石穹写

贯人时所受到的土体阻力并不是静态阻力，也不同但写写 ;\ l\I 蛤

数值计算、现场监测的数值之间相差不大。温度监测

参考文献[]上海长江隧道连接通道岩土工程补充勘查报告[]上海： 1 R.上海市隧道工程轨道交通设计研究院，0 7 20 .[ 2] E x (Ⅵ岬 B. B.I o 1 6pO￣ 7 II e蚴∞M睥 Ha -' p玳F IO O o Bm俯T,

数值可以直观判断帷幕厚度的有效半径约 25 . 3~26 m, .7解析计算的冻土帷幕有效半径约为 25 1— .6 27 4数值计算的冻土帷幕有效半径约为 27三 .0 m, .m,种方法都得出冻土帷幕厚度约为 26。在冻土帷幕 .m平均温度的计算中，析计算中给出了的不同计算截解面的平均温度范围为一1.~一1.℃, 41 8 1数值计算计算冻土区所有单元的平均温度一1 . o, 90 I两种方法的 3=得出了相近的平均温度值。 l#联络通道施工已经圆满结束。实践证明，三种

ryr BB CpI p ro 'O r I￣ '16 9 3.7 1.

Hl l￣ M]一 M . bc b l. x[ . X e u,r 0 1

[]上海崇明岛隧道连接通道冻结结构计算书[]南京： 3 R.中煤国际工程集团南京没计研究院，07 20 .

[]胡向东 . 4上海长江隧道冻土试验报告[]上海： R.同济大学，20 O 7.

方法的有机结合的理论值与工程实际吻合较好。通

过定量和定性分析出的冻土帷幕发展规律，为真实较的反映了联络通道的冻结过程， 2# 8为 #联络通道

【收稿日期] 20 0 08— 0—0 0[作者简介]李攀 (9 l,, 1s一)男山东邹平人，硕士研究生。从

事岩土工程、工地层冻结特殊施工理论与技术人等领域的科研工作。

工程的施工提供了有理有据的可靠性指导。

(辑编

王亚清)