地铁冷冻法施工工法.docx
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地铁冷冻法施工工法
地铁冷冻法施工工法
中铁十二局集团有限公司
一、前言
广州地铁二号线过清泉街断裂带位于连新路下、隧道上方应元路
口交通繁忙,地面周边环境极其复杂。
而且隧道的地质构造与地层
岩性变化复杂,清泉街断裂带与地铁斜交,稳定性差,导水性强,
施工难度高,风险大。
我们在施工中成功运用全断面隧道长距离水
平冷冻法施工技术,很好的解决了这一技术难题,不仅完成了国内
最长冻结长度的隧道冷冻法施工,同时也取得了一定的技术经济效
益和社会效益。
我们将施工实践加以总结形成本工法。
二、工法特点
1、冻结加固体强度高,可以做到不漏水,洞内施工环境较好。
2、施工安全,隧道进洞开挖后,进展较快。
3、不受地表场地及深度限制,且不污染环境,对周边环境影响
较小,适合城市地下建设,特别是繁华市区内工程建设。
三、适用范围
本工法适用于对通过断层破碎带、流砂层、淤泥层等易坍塌且
富含水隧道的地层加固。
四、施工工艺
(一)工艺原理
冷冻法加固土体,矿山法开挖构筑的基本原理是:
在隧道周围
布置水平冻结孔,并在冻结孔中循环低温盐水,使冻结孔附近的含
1
水地层结冰,形成强度高,封闭性好的冻结壁(冻结帷幕),然后在
冻结壁的保护下运用矿山法进行隧道开挖与构筑施工。
水平地层冻
结加固和开挖构筑的主要施工顺序为:
施工准备——— 冻结孔施工,
同时安装冻结制冷系统——— 安装冻结盐水系统和监测系统———
积极冻结———试挖———隧道掘进与临时支护,维护冻结———
永久支护———停止冻结。
其关键工序是冻结孔施工和冻结过程的
监测与控制(见图 1)。
施工准备
施工机房、基础
冻结站安装
集配液圈安装盐水系统安装、保温冻结器安装
充 R22、化 CaCl2、试运转
设备检修保养正常运转
检
测
试挖
正式掘砌
冻结管充填
拆除
图 1 冻结施工程序
(二)施工方法
1、施工准备
(1)用风机房基坑作冻结施工工作井。
风机房基坑尺寸应满足冻
2
结孔布置和打钻的需要。
(2)工作井内设上、下人的扶梯。
用 2#钢管搭建脚手架,并铺
设 5cm 厚的木板作为冻结孔施工平台。
施工平台上搭建雨蓬。
施工
平台搭建要考虑隧道掘进施工的要求。
(3)冻结施工用电直接由工地变电站供给。
变电站与动力设备的
开关柜之间用电缆连接。
(4)在工作井下与地面之间敷设供、排水管各一道,并在工作井
内设流量不小于 30m3/h 的排水用潜水泵一台。
(5)泥浆池也设在工作井内。
打钻设备用汽车起重机吊到工作井
下。
2、冻结孔施工
(1)冻结管、测温管、水文管和供液管规格
冻结管、测温管和水文管均选用壁厚不小于 7mm 的 φ108 低碳
无缝钢管,单根管材长度 2~4m,采用丝扣连接。
冻结管连接用手工
焊、补焊。
在含水层位置水文管设滤孔,滤孔面积为 10%。
供液管
选用内径 50mm 的聚乙烯增强塑料管或钢管。
冻结管羊角用 2#钢管。
(2)打钻设备选型
针对水平冻结孔的施工特点以及施工场地的限制,要求所选用
的钻机至少能打 70m 长的钻孔并容易控制钻孔偏斜度,输出扭矩与
给进力大,钻机的体积要小,分解方便,搬运灵活。
为此,选用中
煤煤炭科学研究总院研制的水平钻机,其主要技术性能参数为:
3
输出扭矩2000kN·m
给进及起拔力50kN
钻孔最大直径Ф127mm
最大行程480mm
用冻结管作钻杆。
视地层不同采用刮刀钻头、牙轮钻头和全断
面金刚石钻头,钻头后面连接系自行研制的逆止和密封装置。
钻孔
测斜采用专门研制 TY-1 型压电式高精度水平钻孔陀螺测斜仪,浅部
用经纬仪灯光测斜校准。
(3)冻结孔质量要求
根据建设方提供的施工基准点,按冻结孔施工图布置冻结孔。
孔位偏差不应大于 50mm。
冻结孔孔径为 127mm。
冻结孔实际钻进深
度应壁设计深度大 0.5m。
钻孔的偏斜应控制在 8‰以内,成孔最大
间距不大于 2m。
(4)冻结孔开孔
在冻结孔布孔高度范围内用 Ф38mm 小口径钻钻孔检查地层稳定
性,如有冒砂现象,则需进行双液壁后注浆。
如发现土层水压较大,
则需安装孔口管后再行钻进。
安装孔口管时先用 Ф140mm 金刚石取
芯钻进 250mm 左右,然后插入孔口管并用锚固树脂锚固。
孔口管用
Ф139×6mm 无缝钢管加工,旁路接 1.5’截止阀及泥浆管接头。
管
口安装法兰及压紧密封装置。
(5)冻结孔钻进与冻结器安装
①按冻结孔设计方位要求固定钻机。
随钻机放入冻结管。
冻结
4
管丝扣要补焊。
冻结管下到设计深度后下堵丝密封头部。
②为了保证钻孔精度,开孔段钻进是关键。
钻进前 10~20m 时,
要反复校核钻杆方向,调整钻机位置,并用经纬仪或陀螺仪检测偏
差无问题后方可继续钻进。
③冻结管下入孔内前要先配管,保证冻结管同心度。
下好冻结
管后,用测斜仪进行测斜,然后复测冻结孔深度。
冻结管长度和偏
斜合格后安装底部密封丝堵,并进行打压试漏。
冻结孔试漏压力控
制再 0.8~1.2MPa 之间,稳定 30 分钟压力无变化者为试压合格。
④冻结管安装完毕后,用堵漏材料密封冻结管与基坑混凝土墙
之间的间隙。
⑤在冻结管内下入供液管,然后安装去、回路羊角和冻结管端
盖。
测温孔施工方法和要求与冻结孔相同。
水文孔安装后要进行洗
孔,确保出水畅通。
3、 冻结制冷系统安装
(1)冻结制冷设备选型与管路设计
①选用 YSKF220 型冷冻机 2 套,YSKF216 型冷冻机 2 套,当盐水
温度在-24°C,冷却水温度 28°C 时,其总制冷量为
677680kcal/h。
冷冻机组电机总功率为 610kw。
②8SH-13A 盐水循环泵 2 台,流量 270m3/h ,扬程 36m,电机总
功率 90kw。
③S125-100-200 冷冻水循环泵 3 台,流量 200m3/h,扬程
20m,电机总功率 55.5kw;DBL-200 型冷却塔 3 台,电机总功率
5
16.5kw。
④设盐水箱一个,容积 6m3。
⑤盐水干管和集配液管均选用 Ф219×8mm 和 Ф159×6mm 钢管,
集、配液管与羊角连接选用 2#高压胶管。
⑥冷却水管总管和支管分别选用 12#和 6#焊管。
⑦在去、回路盐水管路上安装压力表、流量计、温度传感器和
控制阀门。
⑧冷冻施工冷却水用量为 50 m3/h,总用电量约 780kw。
⑨其他
冷冻机油:
选用 N40 冷冻机油。
制冷剂:
选用 R22 制冷剂。
冷媒剂:
用氯化钙溶液作为冷冻循环盐水。
冻结管封闭:
冷冻端封头采用中煤公司的专利技术。
(2)冻结站布置与设备安装
将冷冻站布置在风机房基坑附近地面。
站内设备主要包括配电
柜、冷冻机、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及清水池等。
设备
安装按设备使用说明书的要求进行。
(3)管路连接、保温与测试仪表安装
盐水和冷却水管路用法兰连接。
管路应固定牢固。
去、回路盐
水管路和冷却水循环管路上安装压力表、流量计、流量计和控制阀
门。
盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温,保温层厚
度为 50mm,保温层的外面用塑料薄膜包扎。
集配液圈与冷冻管的连
6
接用高压胶管,每根冻结管的进出口各装阀门(或夹板)一个,以
便控制流量。
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
50mm 的聚苯乙烯泡沫塑料板保温。
(4)溶解氯化钙和机组充氟加油
盐水(氯化钙溶液)比重为1.260~1.265,先在盐水箱内充满
清水,逐步溶解氯化钙,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。
(5)积极冻结与维护冻结
①冻结系统运转与积极冻结
设备安装完毕后进行调试和试运转。
再运转时,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计要求的技术
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
冷冻壁扩展情况,必要时调节冻结系统运行参数。
冷冻系统运转正
常后进入积极冻结。
要求一周内盐水温度降低至-20°C 以下。
②开挖与维护冻结
在积极冻结过程中,要根据实测温度数据判断冻结壁是否交圈
和达到设计厚度,测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度再进行探
孔试挖,确认冻结壁内土层基本无孔隙水压后再进行正式开挖。
正
式开挖后,根据冻土帷幕的稳定性,可进入维护冻结,但盐水温度
不应高于-18°C。
在开挖过程中,要定期检测冻结壁暴露面的温度
与变形,发现问题,及时处理。
7
4、冻结施工质量的检验与控制方法
(1)冻结孔施工质量检验与控制
冻结孔施工使本工程的关键工序。
冷冻孔施工按下图 2 所示的
“钻孔质量控制程序”进行。
其质量要求和检验、控制方法见表
1。
(2)冻结系统安装质量检验
冻结系统安装质量是冻结施工的基本保证条件之一。
冻结系统
安装质量标准与检验方法见表 2。
(3)冻结系统运转与冻结壁形成质量检验
冻结系统运转正常是冻结壁按设计形成的前提条件。
冻结系统
运转是否正常和冻结壁是否按设计形成,直接影响冻结和隧道掘砌
施工的安全和速度。
冻结系统运转与冻结壁形成质量指标与检验方法
见表 3。
施工准备
搭设工作平台
测量定孔位
钻机安装
定向开孔
安装孔口装置、导向管、扶正器
移位、找正
调制泥浆正常钻进、下管测斜
纠 偏
成孔测斜
8
序号
检测内容
设计要求
检验与控制方法
1
冻结孔孔位
偏离设计孔
位不大于 5cm
以隧道中心线和隧道轨面(或腰线)为基准,用
钢卷尺测量放孔位。
安装孔口管和成孔后对孔
位进行复核。
2
冻结孔深
比冻结长度
大
0.5m~1.5m
钻进时丈量钻杆或跟管钻套管长度。
成孔后下
1 寸钢管复测孔深。
3
冻结孔偏斜
不大于 8‰
用陀螺测斜仪测斜,开孔段用经纬仪灯光测斜
校核。
钻进时每隔 10~20m 测量一次钻孔偏斜,
并将测斜结果绘制在控制图上。
下冻结管后复
测偏斜,并绘制钻孔偏斜透视图。
施工完所有
冻结孔后绘制冻结壁交圈图。
钻孔偏斜超标时
下扶正器纠斜。
4
冻结孔终孔
间距
不大于 2m
按冻结孔测斜资料计算终孔间距。
为了控制冻
结孔最大孔间距,应先隔一个冻结孔钻进,然
后根据这两孔的偏斜情况,适当调整中间冻结
孔的钻进偏斜。
5
冻结管规格
规格与钢号
与设计一致
检查出厂合格证和检验报告。
6
冻结管长度
不小于设计
冻结深度
0.5m
施工时对每截冻结管材进行丈量、编号。
成孔
后下 1 寸钢管复测孔深。
7
冻结管耐压
在
0.8~1.2Mpa
压力下稳压
30min
用泥浆泵或手压泵注水大压。
为了保证冻结管
的密封性,在冻结管丝扣处涂抹密封剂。
8
供液管规格
规格与设计
一致
检查出厂合格证和检验报告。
9
供液管长度
不小于冻结
供液管下到冻结管管底。
下供液管时用钢卷尺
冻结器密封
试压
单孔完成
图 2钻孔质量控制程序
冻结孔施工质量的检验与控制方法 表 1
9
序
号
检测项目
设计要求
试验、检验方法
1
装
备
能
力
冷冻机装机容
量
727.4kw
检查设备铭牌和说明书
盐水泵总流量
3
784~1120m /h
检查设备铭牌和说明书
冷却水泵总流
量
3
≥600m /h
检查设备铭牌和说明书
供电能力
780kw
由建设单位提供
2
冷
冻
机
安
装
底座找平
水平仪找平
用水平仪找平
主机联轴器找
正
中心度误差≤φ0.075mm,
轴线偏斜≤0.03°
用千分表量测
管路连接
按设备要求
按产品说明书连接、调试
电气连接
按设备要求
按产品说明书接线、调试
试漏
高压和低压系统试漏压
力分别为 1.8MPa 和
1.2MPa,稳压时间为 18h
用抽氟机打压
真空试验
5.332kPa 保持 24h 回
升≤0.667kPa
用抽氟机抽真空
3
盐
水
系
统
安
装
盐水泵底座找
平
水平仪找平
用水平仪找平
盐水泵联轴器
找正
中心度误差≤φ0.1mm,间
隙≤0.3mm
用千分表量测
泵主轴密封
滴油 10~20 滴/min
试运转
盐水管路安装
按冻结系统设计图
按图检查
盐水管路试漏
打压 0.8MPa 稳定 10min
用手动打压泵打压
管长 0.5m
丈量供液管长度。
10
冻结管充填
充填量不小
于冻结管内
体积的 80%
冻结结束后要对冻结管进行充填,以免冻结管
锈蚀后导水。
充填用水泥浆或水泥砂,直接用
砂浆泵从供液管泵入。
充填量按泵量计算。
冻结系统安装质量标准与检验方法表 2
10
序号
检测内容
设计要求
检验方法
1
冻结制冷系统
运转
制冷系统运转正常,
系统状态参数符合设
备要求
检测去、回路盐水温度、流量
和冷却水温度,检查冷冻机上
的控制仪表读数。
2
盐水温度
设计最低盐水温度-
24~-28,开冻 7 天达
到-20℃
用精度为±0.3℃的精密温度计
检测去路干管盐水温度
3
冻结壁交圈时
间
冻结壁交圈时间≤30d
观测水文孔水压,压力明显上
升时为冻结壁交圈。
4
冻结壁达到设
计
厚度时间
达到冻结壁设计厚度
时间为 35 天
根据测温孔测温数据确定。
5
冻结管工作状
态
冻结管无断裂
通过监测盐水箱液面与冻结器
回液软管积霜检查冻结管是否
漏盐水。
4
清
水
系
统
安
装
清水泵底座找
平
水平仪找平
用水平仪找平
清水泵联轴器
找正
中心度误差≤φ0.1mm,间
隙≤0.3mm
用千分表量测
泵主轴密封
滴油 10~20 滴/min
试运转
清水管路安装
按冻结系统设计图
按图检查
清水管路试漏
打压 0.3MPa 稳定 10min
用手动打压泵打压
5
电气系统耐压试验
低压系统耐压 1000v
用摇表试压
6
盐水浓度
盐水比重为 1.26~1.265
用比重计量测
序号
名称
规格型号
数量
用途
1
钻机
MKD—5S
4
用于打钻
2
泥浆泵
TBW850/50
4
用于打钻
3
除砂泵
自制
1
用于打钻
4
水平测斜仪
TY—1
2
用于打钻
冻结系统运转与冻结壁壁形成质量检验方法表 3
五、机具设备(见表 4)
机具设备表 表 4
11
序号
岗位工种
人数
说明
一
钻孔施工
54
1
技术负责人
1
2
钻探工程师
1
3
材料员
1
4
钻工
30
5
泥浆站工
4
6
焊工
12
7
车工
1
8
钳工
2
9
电工
2
二
冻结施工
21
1
技术负责人
1
2
工程师
1
3
材料员
1
4
质检员
1
5
安全员
1
6
电工
2
7
焊工
2
8
制冷综合工
12
5
水平定向仪
自制
2
用于打钻
6
造斜器
自制
3
用于打钻
7
扶正器
自制
10
用于打钻
8
电焊机
BS—400
4
用于打钻
9
泥浆测定仪
1
用于打钻
10
试压泵
2
用于打钻
11
冷冻机
YSKF220
2
用于冻结
12
冷冻机
YSKF216
2
用于冻结
13
冷却塔
DBL—200
3
用于冻结
14
盐水泵
8SH—13A
2
用于冻结
15
清水泵
IS125—100—200
3
用于冻结
16
测温仪
自制
14
用于冻结
17
流量计
5
用于冻结
18
抽氟机
自制
1
用于冻结
六、劳力组织
劳力组织 (一个工班) 表 5
12
七、质量控制措施
1、为了确保施工安全,在打第一个冻结孔时,及时分析主要地
层钻进过程的参数变化情况,检查地质、水文情况,如有异常,及
时采取措施,必要时修正冻结钻孔施工参数。
2、提高冻结施工质量标准。
限制冻结孔向隧道内偏斜,最大孔
间距一般控制在 2.2m 以内,如个别超标,将整体分析交圈情况,决
定是否采用补孔措施。
3、为了保证冻结工程质量,将使用国内最先进的高精度水平陀
螺仪、纠偏组合钻具、氟里昂螺杆盐水制冷机组和冻结工程监测系
统。
4、不同的地质条件使用不同的钻头,合理采用钻进技术参数,
严格控制钻进压力,预先估计钻杆、钻具的自重影响,适当抬起钻
杆角度,消除钻杆、钻具自重因素而造成的偏差。
5、钻进过程中严格监测孔斜,原则上每 20m~30m 测斜一次,
测斜后要及时绘制钻孔偏斜透视图,发现超偏及时纠正。
6、每个冻结器都要安装进回液阀门,及时调整各个冻结器的流
量。
通过流量测定和温度测定,随时掌握冻结器的运行情况。
7、安装盐水干管时要确保设计坡度,以免管内聚集空气影响盐
水的流动。
必要时盐水系统应设置放空阀。
8、用温度检测系统监测冻结孔的温度变化,及时预计冻结壁的
发展状况。
在掘进过程中,要经常测量隧道壁面温度和冻土实际所
处位置,对冻结壁状态进行预报,必要时调整冻结供冷参数。
13
9、为了减少冻结施工中冻胀和融沉对地面的影响,在冻结初期,
应采取快速降温冻结措施,以减小地面冻胀影响(同时也要考虑到
温度应力对冻结管产生的不利因素)。
冻结壁融化时,要随时监测地
面的下沉情况,一旦沉降量超过地表下沉允许值时,就要及时进行
跟踪注浆。
八、安全措施
除严格遵守地铁施工安全操作规程外,还应采取以下措施:
1、组织相关施工人员学习安全操作规程,进行岗前培训。
2、编制和呈报安全计划,安全技术方案和安全措施,并认真贯
彻落实。
3、积极做好安全生产检查,发现事故隐患,要及时整改。
4、检测隧道壁面温度和冻结壁变形情况,若发现异常,及时采
取相应措施。
5、与隧道掘砌施工相配合,在冻结隧道内放炮施工时合理选择
爆破方案和爆破参数,依照浅孔、密布、弱瀑,循序渐进的原则选
用各参数,爆破时必须确保冻结管的正常工作。
九、效益分析
对于通过断层破碎带、流砂层、淤泥层等易坍埸且富含水隧道,
过去常规的施工方法:
如大管棚小导管注浆超前支护或地面旋喷注
浆加固地层等手段,有时受施工场地、工期、投资等的限制,甚至
受其工法的制约,无法确保地层加固效果。
而纪越区间过清泉街断
裂带隧道采用水平冻结法施工,一次水平冻结长度 63.5m,属国内
14
最长,而且制冷系统采用新型氟利昂盐水螺杆冷冻机组,降温速度
快,盐水容易控制,自动化程度高,冻结效果非常好。
在隧道掘进
过程中,达到无漏水效果,很好地改善了洞内施工环境,且施工质
量好,速度快,同时经冻结的地层稳定性好,安全性高。
地表沉降
的监测数据表明,用水平冷冻法施工所引的地表变化远远小于常规
的施工方法。
该方法的成功应用,对推动我国水平冻结技术的发展,
具有极为重要的意义。
十、工程实例
广州地铁二号线纪念堂站—纪越区间隧道过清泉街断裂带,中
铁十二局集团公司采用冻结法加固地层形成冻结圈、矿山法开挖构
筑施工(一次水平冻结长度 63.5m,属国内最长),有效地保证了工
程质量和安全,在工期紧迫的情况下,其冷冻法施工质量好,速度
快,不仅确保了冷冻施工效果,且为后续工程质量提供了有力保障,
受到业主的好评和奖励。
执笔:
武明静杨红艳
15
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- 关 键 词:
- 地铁 冷冻 施工