本文是岩土工程专业工程硕士论文，主要研究临江地铁冻结工程事故机理及修复技术。

1 绪 论

1.1 选题背景

上海地铁所处地层大部分为软土。软土是特殊土的一种，由于对软土的应用目的不同，定义也不同。《铁路工程地质手册》定义软土为：软土一般是指天然含水量大，有机质含量多，压缩性高，孔隙比大，渗透性差，承载能力低的一种软塑到液塑状态的粘性土。如淤泥、淤泥质土、泥炭以及其它高压缩性饱和粘性土。它是在静水或缓慢水流环境下，经生物化学作用形成的以细粒土为主的近代沉积物[2]。《公路工程名词术语》（JTJ002-87）定义软土为：主要是由含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土[3]。《工程地质手册》认为软土为：软土是指天然含水量大、压缩性高、承载能力低的一种软塑到流塑状态的粘性土，如淤泥、淤泥质土以及其他高压缩性饱和粘性土、粉土等[4]。在《港口工程技术规范》（JTJ219-87）将软土详细描述为：近代水下沉积形成的天然含水量大于液限，天然空隙比大于 1.0 而小于 1.5 的亚粘土、粘土分别称为淤泥质亚粘土、淤泥质粘土；近代水下沉积形成的天然含水量大于液限，天然空隙比大于 1.5 的亚粘土、粘土称为淤泥[5]。可见不同部门对软土的定义都不尽相同，但其含义却基本一致，即软土地层属于不良地质范畴，并具有以下特点：软土的形成环境与和状态特征软土是第四纪后期于沿海地区的滨海相、泻湖相、三角洲相和溺谷相，内陆平原或山区的湖相和冲击洪积沼泽相等静水或非常缓慢的流水环境中沉积而形成的，它主要由细粒土组成，直径小于 0.1mm 的颗粒一般占 50%以上[7]。软土的生成环境决定了软土的组成及状态特征。由于软土的生成环境及粒度、矿物组成和结构特征，结构性显著且处于形成初期，呈饱和状态，这都使软土在其自重作用下难于压密，而且来不及压密。一般呈软塑状态，但当其结构一经扰动破坏，就会使其强度剧烈降低甚至呈流动状态。因此，淤泥和淤泥质土的稠度实际上通常处于潜流状态。软土的工程特性软土最显著的特性就是软，这类土天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、 灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点，在外力作用下土体结构极易破坏，所以作为工程施工对象有施工难度大、风险程度高的不利因素，所以往往需对软土采取措施进行处理。我国的软土分布软土地层在我国东部沿海区域分布非常广，珠江三角洲、长江三角洲、渤海湾及东南部的沿海地区都有大面积的软土。这些区域的软土以海相沉积为主，其固体成分多为矿物质和有机质的综合物，厚度由数米至数十米不等，并呈带状存在。我国部分内陆地区也存在有软土地层，这些区域的软土地层属湖相沉积，主要分布于洞庭湖、洪泽湖等湖泊的周围，一般厚度较小，大部分不超过 10 米。另外还有各大河流中下游地区的河滩沉积的软土及沼泽沉积的软土等。

软土地层是我国广泛分布的一种特殊工程地质体，是进行隧道、地铁、基坑开挖等工程建设项目时需要面临的一种灾害地层，对于软土地层的处理将直接决定工程项目的安全性、技术性、经济性等各项重要指标。软土地层工程施工常用的施工方法有明挖法、沉管法、盾构法、逆作法、地下连续墙工法、顶管法及新奥法等。在软土地层施工中，最为困难的当属饱和软土地层，因为在饱和含土地层中修建的工程通常位于水位以下，该地层几乎无承载力，而且周围地层的工程地质、水文地质条件较为复杂，并常遇到周围地面建筑较多、路面拥挤和地下管线纵横交叉等情况，使施工环境受到种种制约，影响工程施工的进度、安全和质量。所以在工程施工中常常将该土层进行人工处理以解决地下水问题或软弱地层问题。常用的辅助方法有降水法、气压法、冻结法、注浆法等，其中前三种方法主要用于控制地下水位，注浆法则兼有改善地基的作用。各类辅助方法的适用范围与工程地质条件、水文地质条件、施工方法、施工环境、工程进度、经济效益、社会效益有等因素有关。人工冻结法是饱和软土地层中解决地下水问题的一种有效可靠的方法，该方法的原理是采用人工制冷技术降低目标地层的温度，使地层中水发生冻结，由液态水冷凝结为固态的冰，把将含水的不良地层变成冻土，从而提高土体的强度和承载能力，并形成冻结帷幕，利用冻结帷幕隔绝地下水与地下工程间的水力联系，从而使地下工程在冻结帷幕的保护下安全施工。人工冻结法对于水的处理，其实质就是对天然饱和软土体进行人工冻结，改变原来的低承载力软土的力学性质，形成的冻结帷幕作为地下工程开挖时的临时支护结构，而待永久支护实施完毕后，停止冻结。人工冻结法在处理软土地下水的问题时，具有良好的止水性能、高支护强度，快速实施等优点，已经成为城市地下工程建设中处理软土地层中水问题的有效可靠处理方法，越来越多的城市地下工程，如深基坑，联络通道，地铁隧道、地下停车场、地下商业街、地下变电站等工程应用了冻结法施工，取得了良好的经济技术效益。

2 上海地铁某中间风井工程地质分析

上海地铁某中间风井冻结工程事故造成了巨大的经济损失。事故原因有很多方面，但最根本的原因是对该冻结工程所处地层的冻土物理力学特性缺少足够的了解，导致设计上缺少基础数据作为依据，在后期工程险情出现后，也不能及时判断其危害程度和可能出现的灾害性事故的严重性。因此，研究冻结工程事故的发生，正确分析冻结工程设计施工上存在的问题，揭示冻结工程事故机理，就必须首先弄清楚冻结土层的物理力学特性，才能从微观上揭示冻土的结构，从宏观上揭示现场施工方案变更对于冻土帷幕的形成造成的影响，揭示现场险情征兆出现时，冻结帷幕、隧道管片、渗流场的受力状态，从而找出事故发生的原因和机理。本章对上海地铁某中间风井下部联络通道所处的⑥、⑦-1、⑦-2这 3 层土的进行冻土物理力学性能的室内实验研究，得出 3 个土层的含水率、无侧限抗压强度、抗剪切强度、冻结温度、土层导热系数、土层冻胀、融沉性质等冻土相关的力学性质和力学参数，揭示土层冻结、冻融过程的力学性质变化规律，为冻结工程事故机理的理论及数值分析提供基础数据，也为冻结技术能在上海同类地层条件下的地下工程建设中得到更好的推广和应用提供理论指导和工程指导。

3 上海地铁某中间风井冻结工程事故过程..... 47

3.1 上海地铁某中间风井原设计方案......... 47

3.2 上海地铁某中间风井实际施工方案..... 59

3.3 上海地铁某中间风井冻结工程事故过程......... 62

3.4 事故抢险与控制过程..... 66

3.5 事故原因调查与分析..... 72

3.6 本章小节....... 73

4 上海地铁某中间风井冻结工程事故机理研究......... 75

4.1 冻结工程事故突水失稳的工程地质机理分析 ..... 75

4.2 冻结方案对管片结构稳定性影响的力学分析 ..... 79

4.3 冻结方案对工程稳定性影响的热固耦合分析 ....... 89

4.4 开挖引起的渗流路径和冻结帷幕薄弱部位分析 ....... 107

4.5 本章小节 ......... 128

5 上海地铁某中间风井冻结事故修复技术.... 131

5.1 冻结事故地质灾害评价分析 ....... 131

5.2 临江联络通道修复方案可行性分析 ...... 136

5.3 事故冻结修复技术 .... 139

5.4 本章小节 ........ 147

结论

本文通过对上海地铁某中间风下部的联络通道发生管涌坍塌事故，造成大量水、流沙涌入联络通道，引起隧道受损及周边地区地面沉降，引发三幢建筑物严重倾斜，防汛墙裂缝、沉降变形，并发生防汛墙管涌的险情。本论文从工程地质条件分析入手，运用数值模拟、理论分析、室内试验、工程勘查评价等手段，对引起该工程事故的机理进行深入研究，取得了以下成果：

（1）研究了冻结事故所处区域的工程地质条件，通过室内试验测试了冻土的物理力学性质、无侧限单轴抗压强度、抗剪切破坏强度、抗拉强度、导热系数、冻结温度、冻胀融沉特性等冻土力学性质，通过对工程地质条件分析及室内试验测试的深入研究，得出了中间风井区域土体特有的冻结物理力学特性，并揭示了其内在成因机理，为研究工程事故机理和同类型工程施工设计提供基础数据。

（2）通过对上海地铁某中间风井冻结工程事故的产生、发展、结果等进行了全面的分析和研究，发现了该工程设计、施工等相关程序和工程管理方面的一些缺陷，这些因素和危险因子结合在一起就构成了事故发生的原因。

（3）研究了冻结帷幕破坏后引起的渗流突水破坏机理，从工程地质条件的稳定性进行分析入手，从工程地质角度揭示了造成本次事故的工程地质作用机理。并针对上海地铁 4 号线采用盾构法进行施工，推导了管片受力的稳定性力学计算公式，研究了冻结方式对于管片稳定性的力学影响，得出有利于管片稳定的最佳冻结方式，并揭示不利冻结方式对管片失稳的力学作用机理。

（4）针对不同冻结设计方案和不同的开挖过程，分别建立的热固耦合数值分析模型和流固耦合数值分析模型，通过数值分析揭示了原设计方案和现场施工方案下的冻胀作用机理，数值分析的结果揭示了现场施工方案存在薄弱环节，下行线冻结帷幕缺陷，联络通道掘进工作面撤除支撑及凿混凝土管洞开凿对于突水的致灾机理，从力学角度揭示了事故发生的根本原因。

（5）为保证修复技术方案合理，对事故发生后隧道损坏情况及对环境的灾害性影响进行了正确全面的分析，然后根据实际的工程情况，合理分析修复技术，确定修复方案，并针对具体的修复方案中的技术难点提出对应的技术对策和技术措施，为今后相类似灾害事故的发生提供可借鉴的资料。

参 考 文 献

1. 赵树德,廖红建,王秀丽.土力学[M].北京:高等教育出版社，2004.

2. 铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册(99 版）[M].北京:中国铁道出版社:426.

3. 交通部公路规划设计院.中华人民共和国交通部部标准公路工程名称术语[M].北京：34

4. 《工程地质手册》编委会.工程地质手册[M].北京：中国建筑出版社,2007.

5. 港口工程技术规范(JTJ219-87)[S].北京:人民交通出版社,1987.

6. 岩土工程勘察规范(GB50021-94)[S].北京:中国建筑工业出版社,1995.

7. 侯学渊,钱达仁,杨林德.软土工程施工新技术[M].合肥:安徽科学技术出版社,1999.

8. 崔云龙等.简明建井工程手册[M].北京：煤炭工业出版社，2003.

9. 张荣立,何国纬等.采矿工程设计手册（中）[M].北京：煤炭工业出版社，2003.

10. 伏拉索夫СН,马柯夫斯基ЛВ,米耶尔金ВЕ.圣彼得堡地铁 1995 年的事故[C].交通隧道与地铁施工期及运营期的事故状况．莫斯科：ТИМР信息出版中心，1997：146～150.