冷冻法施工方案Word文件下载.docx

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支护层和结构层之间安装防水层。

其结构图如下。

联络通道结构图

工程地质和水文地质

工程地质

根据滨河路站~三元村站区间地质勘察资料，勘察区域为广阔的冲湖积平原，水系发育，地势平坦，系典型的水网化平原。

本区间无不良地质作用，联络通道处的土层自上而下依次为：

①素填土，③-1粘土、③-2粉质粘土，④-1粉土，④-2粉砂、⑤粉质粘土层。

根据判别，该场地内20m以内④-1粉土，④-2粉砂不存在液化趋势。

所处地层主要为④-2粉砂及⑤粉质粘土。

根据距联络通道兼泵站位置较近的地勘地质钻孔C1310的资料并参考附近的地勘孔的地质情况，对该通道地质及水文地质条件描述如下（见表2-1）：

表2-11#联络通道兼泵站地质柱状图

时代成因

土层

名称

层底

深度（m）

标高

（m）

分层

厚度

土层描述

①

素填土

③1

粘土

黄褐色~褐黄色,硬塑为主,均质致密

③2

粉质粘土

灰黄色,可塑为主,干强度、韧性中等

④1

粉土

.

灰色，松散~稍密很湿，干强度、韧性低

④2

粉砂

灰色，中密~密实，饱和，成分均匀，以长石、石英为主，云母次之

⑤

灰色，软塑,局部流塑,为主局闻流塑，干强度、韧性中等。

联络通道柱状图如下：

联络通道兼泵柱状图

水文地质

根据钻探揭示的地层结构，工程区域内地下水主要为潜水、微承压水。

潜水含水层主要由粘性土夹碎石和建筑垃圾组成，最低潜水位标高0.21m；

微承压水含水层主要为④-1粉土，④-2粉砂层，其中④-1粉土，④-2粉砂层为良好赋水和透水层，勘测其间实测微承压水头进埋深在2.4m左右，微承压水头相应标高在1.17m左右。

在含水层以上为③粘性土层，为相对隔水层。

场地内地下水对砼及砼结构中钢筋无腐蚀性，对钢结构有弱腐蚀性。

3总体方案简介

本工程联络通道根据设计采用冻结法加固土层，即用人工制冷方法使联络通道外围的土层降温冻结，形成一个封闭的冻土维护结构，然后在冻土维护结构中进行联络通道和泵站的掘砌施工；

根据工程地质条件及施工条件，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：

在隧道内利用水平孔和倾斜孔冻结加固地层，使联络通道及集水井外围土体冻结，形成强度高，封闭性好的冻土帷幕，然后根据“新奥法”的基本原理，在冻土中采用矿山法进行联络通道及泵站的开挖构筑施工，地层冻结和开挖构筑施工均在区间隧道内进行，其施工工艺见图3-1（联络通道冻结法施工工艺流程图）。

图3-1联络通道冻结法施工工艺流程图

冻结孔施工和联络通道临时支护施工为本工程的关键工序。

冻结检测和温度，土体变形，压力监测及联络通道永久支护施工为特殊工序。

4冻结加固设计

施工方案设计的基本原则

1水平冻结帷幕技术性能必须满足旁通道施工的安全和质量要求。

2水平冻结方案应符合现场实际条件的施工可行性和良好的可操作性。

3施工方案应在工程要求工期的条件下具备优化能力。

4施工方案措施必须满足城市环保及节能要求。

5减少冻胀与融沉的危害。

方案设计技术要点

由于该旁通道所处地层主要为④-2粉砂及⑤粉质粘土层，施工时有可能发生泥、水突出和地层沉降。

在施工中必须采取切实可靠的技术措施，以确保旁通道施工的安全并保证施工工期。

提出以下技术要点：

6由于混凝土和钢管片相对于土层要容易散热得多，会影响隧道管片附近土层的冻结速度，从而影响冻土帷幕的整体稳定性和封水性。

特别是要保证旁通道喇叭口部位冻土帷幕的厚度和强度及与管片的完全胶结，在冻结孔施工端喇叭口部位布置两排孔加强冻结，在对侧隧道布置冷冻板。

所有的钢管片的格栅要用砼充填密实，同时管片外面采用PEF板隔热保温，以减少冷量损失，在冻土墙与管片胶结处放置测温点，以加强对冻土墙与管片胶结状况的检测。

7用金刚石取芯钻开孔，跟管钻进法下冻结管。

冻结孔开孔前，在布孔范围内打小孔径探孔，探测地层稳定情况。

如发现有严重漏水冒泥现象，先进行水泥—水玻璃双液壁后注浆，以提高孔口附近地层稳定性，然后再钻进冻结孔。

每个钻孔都设有孔口管，并安装钻孔密封装置，以防钻进时大量出泥、出水。

8针对施工冻结孔时容易产生涌水现象，采用强力水平钻机，尽量实现无泥浆钻进。

如发现钻孔泥水流失，及时进行补浆。

9加强冻结过程检测。

在冻土帷幕内布置测温孔，以便正确判断冻土帷幕是否交圈和测定冻土帷幕厚度。

对侧隧道管片附近土层的冻结情况将成为控制整个旁通道冻土帷幕安全的关键，为此，在对侧隧道管片上沿冻土帷幕四周布置测温孔，以全面监测冻土帷幕的形成过程。

10在旁通道两端布设泄压孔，以减小土层冻胀对隧道的影响。

该孔可作为冻结帷幕压力变化的观测孔，同时利用管片上的注浆孔来卸压。

11旁通道开挖时在隧道内设预应力支架，以防打开预留钢管片时隧道变形和破坏。

施工完旁通道临时支护层后再打开对侧隧道旁通道的预留钢管片。

在旁通道衬砌中预埋压浆管，采用注浆方式以补偿土层融沉。

注浆应配合冻土帷幕融化过程进行。

12由于冻土的蠕变性很强，冻土帷幕在破坏前必然有一个较大的蠕变过程，可以通过检查开挖过程中的冻土帷幕变形情况判断其安全性。

为此，在开挖过程中必须及时进行冻土帷幕变形和温度观测，如遇冻土帷幕有明显变形，立即用钢支架加木背板支撑，调整开挖构筑工艺，并同时加强冻结。

13为了进一步提高旁通道掘砌施工的安全性，特采取以下措施：

选用可靠的冻结施工机械；

准备足够的备用设备；

加强停冻时的冻土帷幕监测；

尽快施工衬砌，必要时用堆土法密闭开挖工作面。

14由于冻胀力和冻土融沉的作用，影响周围土层的力系平衡，使隧道产生水平位移和沉降，故在整个施工过程中，加强隧道变形的监测，确保隧道安全。

在冻土帷幕关键部位，多布置测温孔，监测冻土帷幕的形成过程和形成状况。

冻结帷幕设计

根据现场施工条件，为了通道开挖时的安全，我们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，将联络通道封闭，这样开挖时就挖不到冻结管，确保了冻土的强度和安全，另挖土时，减少了冻土的挖掘量。

根据通道结构和水文地质资料，设计联络通道的冻土强度以冻土平均温度为-10℃时的粉质粘土强度为准，根据《建井工程手册第四册》提供的参数，冻土平均温度为-10℃时的粉质粘土σ压=,σ拉=,τ剪=。

冻结帷幕厚度的验算

图4-1联络通道计算简图

断面、荷载及冻土厚度

根据地质资料，联络通道中心埋深约18.033m，进行冻结帷幕验算。

通道垂直土压力（P）和侧向上、下荷载（Ps、Px），按下式计算：

[注：

由于冻胀，土体向上膨胀，上部土体产生被动土压力，上、下垂直土压力应相等。

]，如图4-1。

P=γ·

H=γ·

（Ho+Hx）+20=326（kPa）

Pcs=ξ·

Ps=ξ·

γ·

（Ho-Hs）=202（kPa）

Pcx=ξ·

Px=ξ·

（Ho-Hs+h）=263（kPa）

式中：

γ——土的容重，约为18kN/㎡（地面超载20kN/m2）；

H、Ho——计算点的土的埋深；

Hx、Hs——联络通道下部、上部冻结管到联络通道中心线的距离；

ξ——侧压力系数，取；

h——开挖净高+冻土厚度；

设计冻土帷幕厚度为1.8m，通道开挖轮廓高5.1m，宽3.8m，计算该结构内部的弯矩和轴力，进而求得截面内的压应力、拉应力和剪应力。

各截面的弯矩及轴力

联络通道中部冻土结构的弯矩及轴力列于下表4-1、并示于图4-2中。

表4-1联络通道（兼泵站）中部冻土结构的弯矩及轴力

截面

1

2

3

4

5

弯矩M

876

-741

-137

-747

870

轴力N（KN）

397

1097

439

图4-2联络通道冻土结构弯矩及轴力图

强度校验、安全系数校验

表4-2通道中部冻土结构各截面安全系数

2

3

4

5

应力类型

压

拉

剪

应力值MPa

安全系数k

从表4-2数据可见，各截面的压应力最小的安全系数K=，拉应力安全系数K=,，剪应力安全系数K=；

安全；

根据设计，联络通道道冻结壁有效厚度选取1.8m，满足全断面开挖施工要求。

冻结孔布置及制冷设计

联络通道冻结孔设计

根据冻结帷幕设计及旁通道的结构，冻结孔按上仰、近水平、下俯三种角度布置。

通道兼泵站冻结孔数72个（左线隧道59个包括4个穿孔，右线隧道13个）。

其中四个对穿孔，为对面冷板和冻结孔供冷。

冻结孔的布置详见附图冻结孔施工平面图及附图冻结管布置剖面图，并根据钻机情况、管片配筋情况和旁通道拟开管片的实际位置，对钻孔孔位作少量调整。

开孔间距为0.4m~0.8m

设计测温孔7个（左线设一个通透孔），左线2个,右线布置5个；

泄压孔4个，每侧隧道各布置2个。

冻结孔的布置详见附图1、2。

制冷设计

1、联络通道冻结参数确定

（1）设计盐水温度为-28℃～-30℃。

（2）冻结孔单孔流量不小于5m3/h。

（3）冻结孔终孔间距通道处按Lmax≤900mm集水井按Lmax≤1000mm设计，冻土发展速度取28mm/d，冻结帷幕交圈时间为19天，达到设计厚度时间为45天。

（4）积极冻结达到开挖时间为45天，维护冻结时间为30天。

需冷量和冷冻机选型

冻结需冷量由下式计算：

Q=.π.式中:

H—冻结总长度；

（包括100m冷板）697m,

d—冻结管直径；

0.089m

K—冻结管散热系数；

250Kcal/h·

㎡

将上述参数代入公式得：

Q=.π.=63305Kcal/h

根据需冷量设计联络通道选用YSLGF300Ⅱ型螺杆机组1台套，设计单台机组工况制冷量为87500Kcal/h，单台电机功率110KW。

另设计单个通道冻结站各备用一台套螺杆机组。

冻结系统辅助设备

1、单个冻结站配盐水循环泵选用IS150-125～200型2台，其中各备用一台，单台流量200m3/h，电机功率45KW。

2、单个冻结站冷却水循环泵选用IS125-125～200C型2台，其中各备用一台，单台流量120m3/h，电机功率30KW。

3、单个冻结站冷却塔选用KST-80RT型2台，补充新鲜水80m3/h。

管路选择

1、冻结管选用Φ89×

8mm，20#低碳无缝钢管,丝扣连接,单根长度1～2m。

2、测温孔管选用Φ60×

3mm,20#低碳无缝钢管。

3、供液管选用

″钢管，采用焊接连接。

4、盐水干管和集配液圈选用Φ159×

6mm无缝钢管。

5、冷却水管选用Φ127×

4.5mm供水钢管。

用电负荷：

联络通道设计用电负荷约为250kw/h；

其它

1、冷冻机油选用N46冷冻机油。

2、制冷剂选用氟立昂R-22。

3、冷媒剂选用氯化钙溶液。

冻结施工技术要点

在该地层冻结工程中，由于其特殊施工条件与要求，需采取特别工艺与技术措施，以控制冻结孔钻进，地层冻胀和融沉等对隧道的影响，根据国内外最新研究成果和施工经验，提出以下冻结施工技术措施:

、在已贯通的隧道钻冻结孔，根据联络通道的结构采用上仰、近水平和下俯三种成孔角度。

、由于冻土抗拉强度低，因此除设计中尽量降低冻土帷幕所承受的拉应力外，主要做好冻结和开挖的配合工作，要求及时封闭薄弱的冻结壁，并根据开挖后冻结帷幕变形情况及时调整开挖构筑工艺。

、为减小土层冻胀，隧道上下对称布置冻结孔，在适当部位设卸压孔，并采用小开孔距，较低盐水温度，较大盐水流量以加快冻结速度。

、在冻土帷幕关键部位，多布置测温孔，监测冻土帷幕的形成过程和形成状况。

、为解决冻结设备噪音扰民问题，节省地面空间，冷冻站设置在隧道内。

、加强对冻结地层温度、地层沉降的监测，信息反馈指导联络通道的施工。

5冻结施工

施工程序

图5-1冻结施工程序图

施工准备

联络通道兼泵站在冻结孔施工的同时或之前要进行地面排水孔的施工。

该孔的施工采用垂直钻机进行施工，下Φ250×

6mm的钢管。

在正式施工前，还应做好如下准备工作：

、加工件工期较长，应在开工前进行准备。

具体加工件见表5-1。

、用

”钢管在施工出入端头井内塔建脚手架，作为连接隧道与地铁车站底层平台的便桥。

、单个冻结站施工区域采用在隧道内敷设一条150mm2动力电缆，用于冻结钻孔施工、隧道内冻结系统供电及开挖构筑供电。

、在隧道内铺设两趟

”管路至联络通道施工工作面，用于冻结孔打钻及冻结运转供水和排污。

、在联络通道施工工作面两端砌高约0.25m的泥浆挡墙，以免冻结孔钻进时泥浆四溢影响隧道内环境整洁。

、用厚5cm的木板在联络通道处铺设冻结施工场地，按不同位置的冻结孔钻进要求，用

”钢管搭建冻结孔施工脚手架。

表5-1加工件一览表

序号

加工件名称

单位

数量

备注

钻头组合

套

72

冻结管（兼作钻杆）

m

700

1m、1.5m、2m钻杆

过渡接头

个

40

孔口管

上堵头用接长杆

6

堵头

7

冻结干管、集配液圈

8

冻结管头

9

冷却塔水箱

10

隧道预应力支架

11

端头井提升架

12

内支撑

冻结孔施工

冻结孔施工方法：

冻结孔施工工序为：

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→打压试验。

定位开孔及孔口管安装

根据设计孔位在砼管片和钢管片上定位开孔，分述如下：

、砼管片上：

首先，开孔前要准确定位，并根据砼管片内钢筋位置调整孔位，用开孔器（配金刚石钻头取芯）按设计角度开孔，开孔直径130㎜，当开到深度300㎜时停止钻进，以不钻穿管片控制，安装孔口管，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，上紧后，再去掉螺母，装上DN125闸阀，再将闸阀打开，用开孔器从闸阀内开孔，开孔直径为91㎜，贯穿砼管片，这时，如若地层内的水砂流量大，就及时关好闸门。

1、钢管片上：

在钢管片上焊好孔口管，接好闸阀和孔口装置，用钻机接上金刚石钻头，通过孔口装置切割钢管片钻进。

孔口装置安装

用螺丝将孔口装置装在闸阀上，注意加好密封垫片。

详见图5-2。

图5-2孔口装置示意图

若涌水涌砂较厉害，还应当进行注浆（水泥浆或双液浆）止水。

钻孔

按设计要求调整好钻机位置，并固定好，将钻头装入孔口装置内，在孔口装置上接上

”阀门，并将盘根轻压在盘根盒内。

施工时，首先采用干式钻进，当钻进困难不进尺时，从钻机上进行注水钻进，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，保证地面不出现沉降。

钻机选用MD-60型锚杆钻机，钻机扭矩2000N·

M，推力20KN。

封闭孔底部

用丝堵封闭好孔底部，具体方法是，利用接长杆将丝堵上到孔的底部，利用反扣在卸扣的同时，将丝堵上紧。

打压试验

封闭好孔口用手压泵打水到孔内，至压力达到时，停止打压，关好闸门，观测压力的变化，30分钟内压力无变化为合格。

钻孔偏斜和终孔间距

采用经纬仪和水准仪监测开孔前和钻孔时的上下仰府角及方位角，钻孔的偏斜应控制在1%以内，在确保冻土帷幕厚度的情况下，终孔间距不得大于1.0m，采用每3米钻进后测量一次偏斜，如偏斜大可有效地控制偏斜，进行纠偏。

如发现钻孔偏斜超过设计要求，应及时拔除冻结孔，重新钻孔，直到满足设计要求，考虑地压大、摩擦力大等因素，冻结孔无法拔出，应在超设计的孔间距之间打一个补孔，以保证终孔间距不大于1.0米。

冻结孔钻进与冻结管设置

、使用MD-60钻机一台，利用冻结管作钻杆，冻结管采用丝扣加密封剂连接，接缝要补焊，确保其同心度和焊接强度，冻结管到达设计深度后密封头部。

、钻进过程中严格监测孔斜情况，发现偏斜要及时纠偏，下好冻结管后，进行冻结管长度的复测，然后再用经纬仪进行测斜并绘制钻孔偏斜图。

冻结管长度和偏斜合格后再进行打压试漏，压力控制在，稳定30分钟压力无变化者为试压合格。

、在冻结管内下供液管，然后焊接冻结管端盖和去、回路羊角。

、冻结管安装完毕后，用堵漏材料密封冻结管与管片之间的间隙。

、利用钢管片上的注浆孔作泄压孔。

冷冻站安装

冻结站布置与设备安装

将冻结站设置在隧道内，单个冻结站占地面积约80平方米，站内设备主要包括冷冻机、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及配电控制柜等。

设备安装必须按设备使用说明书的要求进行。

考虑冷冻机运转的连续性，不能停机检修，在运转前联系厂家来人检修冷冻机，以保证冷冻机可靠连续运转。

管路连接、保温与测试仪表

管路用法兰连接，隧道内的盐水管用管架敷设在隧道管片上，且应避免影响隧道通行。

在盐水管路和冷却水循环管路上要设置伸缩接头、阀门和测温仪、压力表、流量计等测试元件。

盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温，保温厚度为50mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎。

集配液圈与冻结管的连接用高压胶管，每根冻结管的进出口各装阀门一个，以便控制流量。

联络通道四周主冻结孔每两个一串联，其它冻结孔每三个一串联。

冷冻机组的蒸发器及低温管路用棉絮保温，盐水箱和盐水干管用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保温。

考虑管片的散热，对左右线隧道管片内侧安装冷冻板，来加强冻结。

溶解氯化钙和机组充氟加油

盐水（氯化钙溶液）比重为，先在盐水箱内充满清水，溶解氯化钙，再送入盐水干管内，直至盐水系统充满为止，溶解氯化钙时要除去杂质。

机组充氟和冷冻机加油必须按照设备使用说明书的要求进行。

首先进行制冷系统的检漏和氮气冲洗，在确保系统无渗漏后，再充氟加油。

积极冻结与维护冻结

冻结系统试运转与积极冻结

设备安装完毕后进行调试和试运转。

在试运转时，要随时调节压力、温度等各状态参数，使机组在有关工艺规程和设备要求的技术参数条件下运行。

在冻结过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻土帷幕扩展情况，必要时调整冻结系统运行参数。

冻结系统运转正常后进入积极冻结。

试挖与维护冻结

在积极冻结过程中，要根据实测温度数据判断冻土帷幕是否交圈和达到设计厚度，同时要监测冻土帷幕与隧道的胶结情况，测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度且与隧道完全胶结后再进行探孔试挖，确认冻土帷幕内土层基本无压力后再进行正式开挖。

试挖条件：

①测温孔

可根据测温孔实测数据，推算出冻土发展速度及在该冻结时间内的冻土发展半径，从而算出冻结帷幕厚度，再根据成冰公式得出冻结帷幕平均温度，若各个层位、部位冻结帷幕的厚度和平均温度达到设计要求后，即可打开管片进行开挖。

②泄压孔

在积极冻结过程中，卸压孔有两个作用，一是起到释放冻胀压力的作用，另一方面根据显示的压力来判断冻结帷幕是否交圈。

在冻结初期泄压孔是没有压力的，随着冻土的逐渐扩展，水分不断迁移，交圈后冻土形成一个封闭的土体，冻胀压力得不到释放而逐渐增加，它的外在表现即为泄压孔压力的增长。

③探孔

在开挖前，在左右线用开孔器在离冻结管一定距离上开探孔，以判断冻结帷幄厚度。

④盐水去、回路温差

由于冻结帷幕交圈后需冷量较交圈前要小，因此冻结帷幕交圈前盐水去、回路温差要比交圈后大，不过此现象仅作为判断冻结帷幕交圈的参考。

要确定打开管片进行开挖还需结合测温孔资料、泄压孔压力、探孔情况等方面综合考虑。

正式开挖后，为确保冻土帷幕的稳定性，盐水温度仍控制在-28℃～-30℃之间。

⑤停止冻结

浇筑完混凝土内衬后停止冻结，进行自然解冻。

⑥冻结孔密封

截去露出隧道管片的孔口管和冻结管，然后在孔口管管口焊接8mm厚的钢板。

5.1.2冻结及开挖技术控制指标

冻结及开挖技术控制指标

项目

数值

冻结帷幕厚度

通道

1.8m

根据测温孔推算

集水井

冻结帷幕平均温度

-10℃（冻土与管片交接处温度不高于-5℃）

用公式法得出

盐水温度

积极期

-28℃～-30℃

用测温仪监测

维护期

盐水去、回

路温差

2.5℃～1.0℃以内

1.0℃以内

卸压孔

交圈前

一般无压力

通过压力表观测

交圈后

剧增至MPa～

附：

主要地层冻结施工参数一览表

旁通道兼泵站主要地层冻结施工参数一览表

参数名称

冻结帷幕设计厚度

℃

-10

冻土与管片交接处温度不高于-5℃

冻结帷幕设计交圈时间

天

19

冻结孔个数

冻结孔设计间距

～

旁通道周边孔

终孔最大间距

设计盐水温度

-28～-30

积极冻结期

冻结管规格

mm

Φ89×

20#低碳钢无缝管

测温孔个数

3～6m

冻结深度

578

含冷板100米

泄压孔（压力观测孔）个数

1～2m

最大总需冷量

Kcal/h

63305

工况条件

13

施工工期

100