地铁冷冻法施工工法

1、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，

2、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

3、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）。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 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

4、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 7m勺 108低碳无 缝钢管，单根管材长度24m,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勺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：输出扭矩2000 kNm给进及起

5、拔力 50kN钻孔最大直径 127mm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38mm小口径钻钻孔检查地层稳定 性，如有冒砂现象，则需

6、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 140mn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139 × 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 按冻结孔设计方位要求固定钻机。 随钻机放入冻结管。 冻结管 丝扣要补焊。冻结管下到设计深度后下堵丝密封头部。 为了保证钻孔精度，开孔段钻进是关键。钻进前10 20m时， 4 / 15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。 冻结管下入孔内

7、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0.81.2MPa之间，稳定30分钟压力无变化者为试压合格。 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。 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选用 YSKF220 型冷冻机 2 套， YSKF216 型冷冻机 2 套，当盐水 温度在-24 °

8、C,冷却水温度28° C时，其总制冷量为677680kcalh O 冷冻机组电机总功率为 610kw。 8SH-13A盐水循环泵2台，流量270mh ,扬程36m,电机总 功率 90kwO S125-100-200冷冻水循环泵3台，流量20OmVh ,扬程20m,电机总功率 55.5kw;DBL-200 型冷却塔 3台，电机总功率 16.5kwO 设盐水箱一个，容积6m3。 盐水干管和集配液管均选用219 × 8mm和159× 6mmi冈管，集、配液管与羊角连接选用 2#高压胶管 冷却水管总管和支管分别选用 12#和 6#焊管。 在去、回路盐水管路上安装压力表、流

9、量计、温度传感器和控 制阀门。 冷冻施工冷却水用量为 50 m3/h, 总用电量约 780kw。 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

10、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50m勺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1.2601.265,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勺技

11、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。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，根据冻土帷幕勺稳定性，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。4、冻结施工质量的检验与控制方法(1)

12、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(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。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5

13、cm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 0.5m1.5m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1020m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

14、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 0.81.2MPa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管长0.5m供液管下到冻结管管底。下供液管时用钢卷尺丈 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

15、 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序号顾一1装备能力容 机 装 机 冻 冷量书 明 说 和 牌 铭 备 设 查 检量 流 总 > 水f书 明 说 和 牌 铭 备 设 查 检流 总 > 水却冷量书 明 说 和 牌 铭 备 设 查 检力 匕匕 厶冃 电 供2冷冻机安装正O l O Wo 差 误斜 度偏 AD线 >轴测 量试 调 产 按试 调 产 按和hOoX为H 低别aa 刀Mp 高力11验 试 空 真寺a 保kpH 7 ja6P6 2k0 33 5片宀"3盐水系统安装找 座 底泵 水平器轴联泵水正 盐找间m, m01 1 差nm 误3m

16、 度0 D >隙测 量封 密 轴 主 泵转 运 试装 盐查 检 图 按盐压 打 泵4清水系统安装找 座 底泵 水清平器轴联泵水正 清找间m'm01 1 差nm 误3m 度0 D >隙测 量封 密 轴 主 泵转 运 试查 检 图 按压 打 泵15摇Iv度 浓 水T6.2 为 一r一 比 水冻结系统运转与冻结壁壁形成质量检验方法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 C用精度为± 0

17、3 C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 回液软管枳霜检查冻结管是否 漏盐水。五、机具设备（见表4）机具设备表表4序号名称规格型号数量用途1P钻机MKD 5S4用于打钻2泥浆泵TBW850/504用于打钻3除砂泵自制1用于打钻4水平测斜仪TY 12用于打钻5P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 4004用于打钻9泥浆测定仪1用

18、于打钻10:试压泵2用于打钻11冷冻机YSKF2202用于冻结12冷冻机YSKF2162用于冻结13冷却塔DBL2003用于冻结14盐水泵8SH13A2用于冻结15清水泵IS125100 2003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序号岗位工种人数说明一钻孔施工541技术负责人12钻探工程师13材料员14钻工305泥浆站工46焊工127车工18钳工2 :9电工2二二冻结施工211技术负责人12工程师13材料员14质检员15安全员16电工27焊工28制冷综合工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

19、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 定是否米用补孔措施。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

20、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。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