水平冷冻施工技术施标样本课件

1、3-2-7水平冷冻施工技术标准1前言1.1水平冻结原理冻结法是针对特殊地层条件而采用的一种施工方法，其核心是利用人工制冷手段（在地下工程周围钻凿一定数量的冻结孔，通过冻结管中的供液管，循环由制冷设备提供的低温盐水），使隧道周围松散的、不稳定的含水围岩冻结成封闭的、具有足够强度和刚度的冻结帷幕，然后在其支护下进行隧道的掘进和衬砌的一种施工方法（如图1-1）。不稳定含水土层经过冻结形成冻土帷幕后，强度可显著提高，在侧向土压力下可起挡土墙作用，成为施工作业区的可靠围护结构。 此外，冻土帷幕具有良好的隔水性能，且对周围环境不产生污染，因而在技术上有广泛的适用性，工程中遇有流砂、淤泥、卵石、沙砾等含水不

2、稳定冲积层，或裂隙中含水的岩层时都可采用。 冻结管路示意图 冻结剖面示意图图1-1 冻结法示意图1.2 工艺特点1.2.1冻结方案设计的特点水平冻结方案设计主要包含冻结盐水温度、冻结帷幕平均温度及厚度、冻结孔的设置、致冷量及积极冻结期周期等。冻结帷幕厚度决定了冻结帷幕的强度、稳定性、安全性和冻结时间。冻结帷幕因工程具体地质条件、所处位置及承受外载不同而呈现弹性性状或弹塑性性状，产生塑性变形。若塑性区或塑性变形超过允许值，冻结帷幕和冻结管可能遭到破坏。因此，冻结帷幕厚度既要满足强度条件要求，又要满足变形条件要求。冻结孔的作用是用来安装冻结管，布设制冷设备。冻结孔布置在冻结帷幕的设计中心线上，其孔

3、径、间距和设计倾角依据地层土质、水文条件和工程要求而定。冻结管的散热能力决定于冻结管的散热系数，这是冻结需冷量的基本参数。散热系数随盐水温度降低而增大，随冻结帷幕厚度的增大而减小，随着冻结孔间距的增大而增加。积极冻结期是指冷冻站投入正式运转后，在最大地压水平的冻结管最大间距处，冻结帷幕扩展到设计厚度和强度的时间。积极冻结期时间主要与冻结孔的间距、盐水温度、土层性质、冻结管直径、地表温度等有关。1.2.2冻结孔成孔的特点冻结孔的成孔精度是冻结施工能否成功的关键之一。地下工程长距离水平冻结多采用双向钻孔布设冻结管。一旦成孔精度不能保证，冻结管的相互搭接处可能出现“开天窗”状态，导致冻结效果不佳甚至

4、引发工程事故。故此，冻结孔施工中，钻头、钻具及钻机设备的选型及优化，钻进过程中的导向及纠偏，钻孔工艺的优化等极为重要。1.2.3冻结特点盐水循环时从盐水池通过冷冻机组致冷后流入布置在地层中的冻结管，吸收部分地层中土体及地下水的热量后通过回液管流回至盐水池，实现盐水致冷的循环。如此周而复始，最终将地层及地层中地下水的温度降低至0以下，地下水结冰，邻近冻结孔周围的土体中的地下水率先结冰，绕冻结管形成冻土，随着大量水分子的不断迁移，冻土体积不断加大，至到与邻近冻结孔的土体相互咬合，实现冻结交圈，形成冻结帷幕。随着冻结致冷的不断进行，冻结帷幕的厚度越来越大，直到发展至设计厚度。冻结过程中，结合监控量测

5、数据分析冻结帷幕的发展状态并评估冻结质量。冻结帷幕发展到设计厚度时，可进行隧道开挖施工作业。1.2.4冻结隧道开挖特点冻结帷幕发展到设计要求后，其内部开挖范围内仍然是原状土，采用人工风镐开挖即可。结合冻土特性，开挖过程中必须做到短进尺，快支护，早封闭，勤观测。若冻结帷幕内扩，其内部土层部分受冻后强度会有一定程度提高，采用人工挖方式工效极低，此种情况下可采用自由断面掘进机开挖。1.3 施工技术现状日本1962年首次在大阪市应用冻结法安全建成一个过河隧道，至今大约有340多项冻结工程，主要用于隧道、地铁、污水道工程等困难和特殊条件下的各类工程，其中最大的一项工程是80年代建设的东京地铁10号线和1

6、1号线冻结工程，在日本桥川河下施工，其冻结改良土体达37000m3，水平冻结长度47m，共计水平冻结管总长度达13750m。大阪交通局在该市地铁5号线工程中，也采用了冻结法确保盾构顺利出洞；日本东京湾隧道施工期间，川崎、木更津人工岛及浮岛八个盾构出洞工程都成功使用了冻结法，该隧道已于1998顺利通车。瑞士苏黎士Milachounck公路隧道一段断面达146m2，宽度达15m，用每冻结段长度达35m共10段构筑了总长度达350m的隧道。80年代中期维也纳一段双轨地下隧道，水平冻结长度64m，采用相向钻35m水平冻结孔的方法安全建成。德国杜塞尔道夫一个115m的隧道单向钻冻结孔的方法进行了水平冻结

7、。 1998年在北京地铁国贸站隧道进行的45m水平冻结加固的成功标志我国水平地层冻结施工进入城市地下工程的一个新阶段；1998年上海地铁2号线5个区间联络通道中有4个采用冻结法施工；2000年广州地铁1号线纪越区间过清泉街断层采用水平冻结，隧道长距离64m冻结取得成功，之后南京、深圳等地铁旁通道也相继使用了地层冻结法。地层冻结技术已全面进入我国城市地下工程领域。目前水平冻结法在城市隧道工程中主要应用于：1.盾构法隧道施工中，盾构进出洞土体加固。盾构进出洞时，承受着工作井附近土体产生的巨大地压和水压，可能导致涌水和土体坍塌。目前常用旋喷技术和注浆法加固土体，效果不够理想，常遇到注浆不均匀和盾构刀

8、盘切削浆液结石体等困难，而冻结技术能有效地解决这些问题。2.盾构法隧道施工中，地下或海底对接时土体加固。近年来，世界上许多国家的盾构隧道采用对头掘进，以缩短工期，除采用立井对接方式外，还采用不开凿立井而在地下或海底直接对接。3.城市地铁泵房、旁通道和急转弯部分根据地铁设计要求，间距1km左右需在并排隧道间设立泵站。地下工程经常遇到旁通道和急转弯部分，因其施工距离短、形状不规整，采用盾构施工困难，且经济上不合理，各国常采用冻结法对周围土层加固，然后用矿山法掘进。4.地下隧道交叉处施工。冷冻法施工的适用范围：根据相关资料及建井工程手册规定，水平冻结法主要适用于含水量超过10%，地下水速度不大于10

9、m/d的软弱围岩隧道预加固工程中，遇有流砂、淤泥、卵石、砂砾等含水不稳定冲击层或裂隙中含水的岩层时都可采用。2水平冻结施工工艺2.1工艺流程图确定冻结设计的基本参数施工准备施工机房、基础冷冻站安装冻结器安装冻结孔钻进盐水系统安装、保温充氟利昂、化Cacl2、试运转积极冻结探 孔开挖构筑封孔、注浆撤 场监 测设备保养维护冻结冻结方案设计及优化完善 图2-1 水平冻结施工工艺流程图2.2 冻结方案制定目前，国内尚未形成系统的城市地下工程水平冻结设计、施工规范。大多数冻结工程，主要依据类似工程经验确定冻结参数，这使得部分工程由于特殊的地质状况，设计和工程实际状况出现较大偏差，导致施工中出现质量事故甚

10、至安全事故。为保证设计与工程实际情况相符，在方案设计前应现场取土进行冻结试验取得相应的冻结参数并进行方案检算，进一步完善并优化设计方案。2.2.1冻结基本参数冻结基本参数为：盐水温度、冻结帷幕温度、冻结孔单孔盐水流量及冻结帷幕强度等，由于各地土质及外界环境（如气温等）不一样，其冻结的基本参数不同。如广州地区，结合已有工程经验，冻结基本参数初步设计取值为：盐水温度： 积极冻结期：-25-30维护期：-22-25；冻结帷幕平均温度： 一般取为-8-12；冻结孔单孔盐水流量为68m3/h。冻结帷幕强度：冻土属流变体，其强度主要决定于颗粒组成、含水率、冻结速度以及荷载作用速度和作用时间，可参见表2-1

11、。表2-1 冻土抗压强度参考值冻土温度()瞬时极限抗压强度MPa冻土温度()瞬时极限抗压强度MPa砂子砂土粘土砂子砂土粘土-1272112-61009036-2483817-711010040-3635422-812011045-4786827-913011850-5908032-101351252.2.2冻结帷幕厚度确定对于城市地下工程水平冻结设计而言，可采用如下步骤和方法来确定冻结帷幕的计算厚度。冻结帷幕厚度主要受地面荷载和埋深的影响，地压是确定冻结帷幕厚度的主要考虑因素。通过计算求得隧道顶最大地压及隧底最大侧压。根据地下工程埋深不同，结合现有施工经验和工程类比，初选一个合适的冻结帷幕平均

12、温度值。通常埋深小于200m时，平均温度选-7-8；当深度大于200m时，且深部有厚层粘土层时，通常选用较低的平均温度，常用-10的平均温度。根据选定的平均温度和试验资料或有关经验公式，求得砂土层及一些粘土层的计算强度值，如表2-1。据此，设计冻土帷幕的平均温度为-8。冻结帷幕厚度的初步计算。一般而言，水平冻结工程冻结帷幕厚度取值更多依赖于类似工程经验，但也可根据选定的控制砂层深度、地压大小、该处的荒径大小和土层的强度指标，用拉麦公式求出冻结帷幕的初选厚度作为参考：（2-1）式中：冻结帷幕计算厚度，cm；筒掘进荒半径，cm计算层位的地压，Pa系数，冻土的允许抗压强度，一般取用瞬时单轴抗压强度的

13、1/2.51/5；砂土取小值时，粘土取大值 （2-2） 冻土瞬时极限抗压强度，见表2-1； 安全系数当冲积层较厚，地压值较大时，按多姆克公式计算。（2-3）式中：系数，用第三强度理论时0.29，2.3；用第四强度理论时0.56，1.33平均温度核算。冻结帷幕的平均温度是确定冻结帷幕强度和稳定性的基本参数之一。从工程应用出发，一般取最大地压水平的冻结孔间距处的主、界面冻结帷幕平均温度的平均值作为冻结帷幕设计核算的依据，可参考煤矿系统相应的经验公式（如式2-4）。冻结帷幕平均温度能否达到按中选用的平均温度值。（2-4）式中：冻结帷幕有效厚度中的平均温度；盐水温度，；冻结孔间距，m；冻结帷幕厚度，m

14、；经验系数，=0.250.3；计算水平的井帮温度，,根据要求或经验给出。上述计算是针对砂层进行的。用上述方法得到的冻结帷幕厚度和实际施工可能有一定偏差，可在施工中进一步调整。2.2.3冻结孔设计与确定冻结孔的开孔间距和偏斜率的确定冻结孔的间距和偏斜率是影响冻结孔布置圈直径的主要因素。开孔间距直接影响冻结孔的数量，终孔间距直接影响冻结帷幕的形成时间及其平均温度，而钻孔偏斜率直接影响布置圈的开孔直径和终孔间距,见表2-2。表2-2 冻结孔的开孔间距和偏斜率设计参考值隧道覆土深度/m20H10H206H10水平冻结长度/m不大于50m超过50m开孔间距/m1.01.30.81.10.71.0偏斜率

15、(%)0.20.250.250.30.30.5(说明:隧顶的开孔间距取小值,因其散热量大；隧底和拱腰取大值)冻结帷幕内外侧厚度比值的确定冻结帷幕内外侧厚度比例关系直接影响到冻结孔布置圈直径和数量。过去竖井冻结设计时内外侧厚度的比值取60/40，而实际上内外侧厚度的比值是个变数。根据试验和实测资料初步得出：冻结帷幕刚交圈时的比值为50/50；当冻结帷幕达到设计厚度时，一般外侧的厚度约占总厚度的45%；冻结一年后的冻结帷幕外侧厚度约占总厚度的35%左右，扣除冻土扩入井内的无用部分，外侧厚度仍占有效总厚度的45%55%，故设计时冻结帷幕内外侧厚度比仍可按55：4550：50选取。水平冻结与垂直冻结类

16、似，一般内外侧厚度比取55:4550:50 。冻结孔布置圈直径 （2-5）式中：冻结孔布置圈直径，m； 隧道掘进直径，m； 冻结帷幕厚度，m 钻孔偏斜率，一般取0.3%0.5%；最大地压层位的冻结的水平长度，m冻结孔数量 （2-6）式中：冻结孔计算个数；冻结孔布置圈直径，m； 冻结孔开孔间距，m；一般取0.81.3m在水平冻结中，拱部散热量大，为冻结工程的关键控制部位，故开孔的关键控制部位，故开孔间距一般取小值，而拱腰及隧底开孔间距一般取大值。确定冻结孔数量后，进一步核算冻结孔开孔间距 （2-7）若钻孔精度无法得到满足，冻结效果就会有较大的出入。故在打钻过程中，若钻孔偏斜过大，应根据冻结交圈图

17、分析冻结效果，必要时应打补充孔加强冻结。为了掌握冻结帷幕交圈时间及冻土扩展情况，需要在隧道周围钻12个水平水文观测孔，并在冻结帷幕内钻13个温度观测孔（布置在偏斜较大的两冻结孔之间，并位于冻结孔布置圈外侧）。观测孔用于安装温度传感器、孔隙水压力传感器、土压力传感器、土层位移传感器等，用来监测和控制冷冻效果；水文孔的作用是反映冻结帷幕是否交圈。2.2.4冻结器结构 一般冻结器由两套管子构成，外管为回液管，下部封闭；内管为供液管，下部敞开，距外管底部0.51.0m。冻结管采用具有较高强度的无缝钢管，在低温条件下能承受地压、盐水工作压力及温度应力而不破坏，管子连接密实而不漏水。每个冻结孔内装108&

18、#215;8mm的低碳无缝钢管（冻结管规格确定后详），内装48×3mm的低碳无缝钢管或50×5mm聚乙烯增强塑料管作为供液管，以形成制冷介质循环的去、回路。2.2.5制冷量设计与配置冻结管的散热能力 冻结管的散热能力决定于冻结管的散热系数，这是冻结需冷量的基本参数。影响冻结管散热系数的因素较多，设计时往往更多参考经验选取。冷冻站需要的制冷量配置 致冷量配置：（2-8）式中：用于单站所需的制冷能力，kcal/h； 冻结管总散热能力，kcal/h；冷冻站及盐水管路的冷量损失系数。值取决于气候条件和管路保温情况，一般取1.151.25。当管路保温情况较好，且在冬季进行积极冻结时，

19、值取1.10，当管路保温条件较差，且在夏季进行积极冻结时，值取1.30。2.2.6冻结系统设计制冷设备我国冻结施工所采用的制冷压缩机主要有活塞式和螺杆式两种，其中，螺杆式是回转式压缩机的一种，它只有旋转运动部件，没有往复运动部件，动平衡性好，性能稳定，制冷量大，可持续时间长。随着制冷技术的发展，水平冻结法一般要求采用串联双级压缩制冷。串联双级压缩制冷较单级压缩制冷具有以下优点：由于采用二次压缩和中站冷却，降低了压缩机的压缩比和排气温度，从而降低由于余隙容积、气缸壁与压气之间的热交换、泄漏所造成的容积损失，从而提高了压缩机的容积效率，消耗于压缩机的功减少。当冷却水温度过高，造成冷凝压力与蒸发压力

20、之比8时，压缩机供给效率减小，制冷能力降低，采用单级压缩制冷是不经济的；当冷却水温度超过25时，单级压缩制冷的排气温度查高达130以上，压缩机不能正常运转，盐水温度难以下降，影响冻结。而采用串联双级压缩制冷可以改善压缩机运转条件，提高制冷效果。当受到冷冻设备限制或冻结初期及维护冻结期要求的盐水温度较高时，可考虑单级压缩机制冷，但冷却水不应超过25。盐水系统传统冷却剂采用盐水，一般是比重为1.241.28的氯化钙水溶液，也可采用氯化钠、氯化镁或氯化锂溶液，盐水的结晶点必须比用于地层冻结的极限温度至少低5。溶液体积根据冻结管、盐水干管、集配液圈、蒸发器的盐水箱容积确定。 （2-9）式中：氯化钙溶液

21、总体积，m3； 冻结管总容积，m3； 盐水干管、集配液圈总容积，m3； 盐水箱总容积，m3。固体氯化钙的需有量配制 （2-10）式中：固体氯化钙的需用量，kg； 单方溶液中固体氯化钙的含量，kg/m3； 氯化钙溶液总体积，m3； 固体氯化钙纯度；一般无水氯化钙取96%，晶体氯化钙取70%。盐水循环量 （2-11）式中：盐水循环量，m3/h； 冻结管制冷能力，kcal/h； 盐水比重，浓度为29°波美度时为1250kg/ m3 ； 盐水比热，kcal/kg； 去，回路盐水的温差，；一般取2.53。盐水管路：冻结管：冻结管的内径可按下述公式核算： （2-12）式中：盐水循环量，m3/h；

22、 冻结管个数； 冻结管环形空间的盐水允许流速，0.080.2m/s； 、分别是冻结管的内径和外径，m。供液管：一般采用钢管作供液管，随着冻结技术的发展，近年的冻结工程中多用壁厚为4.55mm的聚氯乙烯硬管，或管壁厚度为6mm的耐低温的聚氯乙烯软管。供液管内径可按下式计算： （2-13） 式中：冻结管内盐水允许流速，0.61.5米/秒； 盐水干管和集配液圈可采用159×4.5mm低碳钢无缝钢管，集、配液管与羊角连接选用1.5"胶管。冷却水系统冷却水的温度和量与冷冻站的正常运转、压缩机的制冷效率、盐水温度有直接关系。如果冷却水温度高或水量不足，导致压缩机的排出温度、压力过高，使

23、操作维护困难，制冷效率低，同时，盐水温度达不到设计要求，势必延长冻结时间，冻土强度低，降低施工安全性。冷却水的需用量 （2-14） （2-15） （2-16）式中：冷冻站总需用水量，m3/h 冷凝器需水量，m3/h 冷冻机的冷却水套需水量，m3/h 冷凝器总热负荷，近似计算时可取冷冻站制冷能力的1.25倍 冷凝器进、出口水的温差，一般取35 冷冻机台数 单台冷冻机的冷却水套需水量设计冷却水进水温度为2730，回水温度为3134。每站安装6台冷却塔，对回水进行冷却循环利用。冷却塔选择LBN-100型玻璃钢冷却塔，单台循环水量100 m3/h。每站新鲜水补充量按1530m3/h考虑。冷却循环水泵：

24、每站选择IS200-150-250A型3台，备用一台。水泵性能：电机功率30KW，流量374m3/h，扬程17.5m。2.2.7积极冻结期的确定根据已有的冻土扩展速度推算冻结时间参考经验公式如式（2-17）。（2-17）（2-18）式中：积极冻结期的推算天数，d 要求冻结圈的扩展半径，mm； 在估算冻结时间内的冻土的平均扩展速度，mm/d； 最大地压处的冻结孔的最大间距，m； 冻结帷幕的厚度，m。2.3水平冻结施工2.3.1水平钻孔施工的工艺流程施工工艺流程详见下图。埋设孔口装置更换钻头、正常钻进冻结管下放、回次加尺调整钻孔方位角和仰(俯)角开泵、冲洗液循环纠 偏打压试漏、终孔测斜单孔验收完成

25、检测单向阀、封水丝堵座组装钻具二次开孔测放管位砼壁开孔终孔注浆、孔管清洗、安装封水丝堵图2-2 水平钻孔施工工艺流程图1、钻孔前准备a、测放冻结孔位置：采用经纬仪，用相对坐标测放冻结孔位置，开孔孔位允许偏差±50mm。b、混凝土壁孔位开孔：开孔采用便携式取芯钻钻孔，孔径160mm。混凝土壁开孔不能一次打穿，预留810cm作为安全层。c、埋设、安装孔口装置：孔口装置包括孔口管、孔口闸阀、球阀和密封盒。孔口管采用156×11mm钢管，埋设仰俯角度控制在12°左右，方位定好后用拉杆和膨胀螺栓固定在端壁墙上，防止钻进中松动移位。孔口管固定好后用螺栓连接球阀和密封盒。2、二

26、次开孔用120mm金刚钻将混凝土壁剩余安全层打穿。二次开孔如出现涌砂、涌水现象，应进行孔口加固注浆。3、钻头更换与入孔方位角和仰（俯）角调测二次开孔后，取下金刚钻头，将组装好的钻具与钻机动力头输出轴上的异径接头（螺丝头）连接。水平钻进中受钻具自重影响，钻具前端会产生下垂现象；钻具顺时针旋转，产生右旋力，造成钻孔偏斜，因此给定入孔水平方位角与仰（俯）角是补偿钻进偏斜、实现纠偏的措施之一。钻孔开孔方位角=冻结管设计立位角度±钻进纠偏水平角钻孔开孔仰角=设计仰（俯）角±钻进纠偏垂直角根据试钻试验结果，施工中钻进纠偏水平角取0±0.4°，钻进纠偏垂直角拱部取0.

27、10.3°，底部取00.1°。4、钻进钻进在均匀土层中以保持快速钻进为宜，在软硬不均地层中采取低压慢转，快速给进的钻进方法。钻进应随钻定向纠偏，纠偏利用斜板平推导向的原理，通过导向仪记录偏斜角度，推断偏斜方向，同时通过导向仪确定斜板角度确定加力推进时刻，必要时可作短距离回钻平推。水平钻孔冲洗液采用配比水：膨润土：纤维素=1000：40：8。钻进中必须保证泥浆质量和循环系统的正常，泵压应控制在0.61.0MPa，且不宜超过1.0MPa，泵量不宜大于30L/min。5、终孔注浆钻进中，由于钻头的摆动，钻杆（管）惯性旋转的离心力，冲洗液对孔壁的不均匀冲刷与破坏，钻屑的沉积等，可能

28、成冻结管在地下处于悬空、下支、上压等受力极不均匀状态，甚至有受到地层坍塌的动压威胁，故需要进行注浆充填。注浆浆液采用混合浆，其配比为水泥：水：膨润土=400500：1000：2550。冻结孔钻孔至6870m时循环浆液即开始改为混合浆，孔深至设计深度后，停止钻进根据孔口返浆情况逐渐关闭孔口管回水阀门，继续压浆，注浆压力高于正常钻进时泵压0.20.4MPa，绝对泵压不得超过2.5MPa，瞬间泵压不得超过2.8MPa。混合浆液的初凝时间约8小时，终孔后20小时可进行孔口补充注浆。通过终孔注浆，达到了“充填注浆”与压密注浆的双重效果，使钢管、土层、浆体三位一体，处于一种相对稳定的状态，有效控制了地面沉

29、降，对地下冻结管起到良好的保护作用。6、清孔终孔注浆结束后，及时用清水洗管，确保管内没有水泥浆沉淀和结块，防止对密封丝堵造成影响。清水洗管采用内插管倒流清洗，即将高压清水管插至孔底注水，从孔口流出。7、安装密封丝堵清孔结束后，安装密封丝堵。先在孔外将丝堵安装到钻杆上，转进孔底后反转安装同时退出钻杆。8、水压试漏安装孔底密封丝堵后要对整个冻结管的密闭性进行检测。检测采用注水试压，注水压力1.0MPa，前30分钟压力下降不超过0.05MPa，后15分钟稳压不降为合格。2.3.2冷冻站系统建立冷冻站系统建立流程详见图2-3。氟利昂循环系统盐水循环系统冷却水循环系统冷冻设备基础施工冷冻设备安装氟利昂管

30、路安装管路密封性试验管路隔热层施工氟利昂试运转盐水泵基础施工灌盐水试运转冷却水系统试运转管路密封性试验循环水泵和管路安装盐水管路和集液圈安装水泵基础和循环水池施工 图2-3 冷冻站系统建立流程图（1）.制冷机组的安装调试根据冷量需求设计，可选择国内新型氟利昂螺杆式冷冻机组，确保冻结连续运转和快速降温。为减小冻结打钻的距离，一般隧道水平冻结均采用两端相向冻结，建站时均在隧道两端分别建立独立的冻结站。盐水机组和冷水机组在不同时间、温度工况下致冷效率不同，可采用盐水机组和冷水机组组合的方式进行冻结。冻结前期高温工况条件下，冷水机组工效高于盐水机组，此阶段开启冷水机组；冻结后期低温工况条件下，盐水机组

31、的工效高于冷水机组，此阶段开启盐水机组。每站的四台冷冻机组中，均各配置一台大功率冷水机组。制冷机组安装完成后进行调试，先进行单机动转，然后再进行组合机组联合运转。（2）.清水冷却系统的安装调试冷却水管总管和支管分别选用159mm螺旋焊管。根据制冷机和制冷量要求，确定每个冻结站冷却水循环用量、冷却水的进水温度、回水温度，每站配置的冷却塔数量，清水泵台数均与系统设计配置相对应，对回水进行冷却。该系统安装完成后进行试运行，测试进水温度，回水温度，循环水的损耗量等。（3）盐水循环系统安装调试盐水循环系统安装包括管内冻结器安装，盐水去、回路干管和集、配液圈安装，盐水配制，盐水箱和盐水泵安装，隔温保护层安

32、装。冻结器安装：在冻结管内安装50×3.5mm供液管，下入深度以距冻结管底2030cm为宜，然后焊接冻结管端盖、羊角和安装去、回路闸阀。盐水去、回路干管和集、配液圈安装：采用双去、双回干管系统，在端壁墙上去路供液圈在外，回路集液圈在内，二者均不允许侵入隧道开挖断面内。盐水去、回路干管和集配液管均选用219×8mm钢管，接点全部采用焊接连接，集、配液管与羊角连接选用2"高压胶管。如图2-4所示。北端集配液管安装示意图 南端集配液管安装示意图图2-4集配液管安装示意图盐水箱和盐水泵安装：盐水箱用于配制和临时储备冷却盐水用，用钢板和型钢焊制，容积量根据冻结设计进行配置，

33、盐水箱与去路供液管用盐水泵相连接，其盐水泵的数量和最大功率也根据冻结方案设计进行配置。盐水配制：选用工业CaCl2配制盐水溶液作为冷媒剂，根据积极冻结期盐水温度为2830，溶液比重控制在1260kg/m3范围。盐水直接在盐水箱内分批配制，再由盐水泵泵入并充满每个循环系统管道内。隔温保护层安装：若冻结地区常年平均气温较高，为减少冷量损失，必须对曝露的盐水管道进行保温隔热处理。可采用二层3cm厚聚氯乙烯泡沫板将所有曝露盐水管道包裹作为隔温层，以减少冷量损失。2.3.3冻结致冷的操作要点（1）制冷机组的安装调试根据冷量需求设计，可选择国内新型氟利昂螺杆式冷冻机组，确保冻结连续运转和快速降温。为减小冻

34、结打钻的距离，一般隧道水平冻结均采用两端相向冻结，建站时均在隧道两端分别建立独立的冻结站。盐水机组和冷水机组在不同时间、温度工况下致冷效率不同，可采用盐水机组和冷水机组组合的方式进行冻结。冻结前期高温工况条件下，冷水机组工效高于盐水机组，此阶段开启冷水机组；冻结后期低温工况条件下，盐水机组的工效高于冷水机组，此阶段开启盐水机组。每站的四台冷冻机组中，均各配置一台大功率冷水机组。制冷机组安装完成后进行调试，先进行单机动转，然后再进行组合机组联合运转。（2）清水冷却系统的安装调试冷却水管总管和支管分别选用159mm螺旋焊管。根据制冷机和制冷量要求，确定每个冻结站冷却水循环用量、冷却水的进水温度、回

35、水温度，每站配置的冷却塔数量，清水泵台数均与系统设计配置相对应，对回水进行冷却。该系统安装完成后进行试运行，测试进水温度，回水温度，循环水的损耗量等。（3）盐水循环系统安装调试盐水循环系统安装包括管内冻结器安装，盐水去、回路干管和集、配液圈安装，盐水配制，盐水箱和盐水泵安装，隔温保护层安装。冻结器安装：在冻结管内安装50×3.5mm供液管，下入深度以距冻结管底2030cm为宜，然后焊接冻结管端盖、羊角和安装去、回路闸阀。盐水去、回路干管和集、配液圈安装：采用双去、双回干管系统，在端壁墙上去路供液圈在外，回路集液圈在内，二者均不允许侵入隧道开挖断面内。盐水去、回路干管和集配液管均选用2

36、19×8mm钢管，接点全部采用焊接连接，集、配液管与羊角连接选用2"高压胶管。盐水箱和盐水泵安装：盐水箱用于配制和临时储备冷却盐水用，用钢板和型钢焊制，容积量根据冻结设计进行配置，盐水箱与去路供液管用盐水泵相连接，其盐水泵的数量和最大功率也根据冻结方案设计进行配置。盐水配制：选用工业CaCl2配制盐水溶液作为冷媒剂，根据积极冻结期盐水温度为2830，溶液比重控制在1260kg/m3范围。盐水直接在盐水箱内分批配制，再由盐水泵泵入并充满每个循环系统管道内。隔温保护层安装：若冻结地区常年平均气温较高，为减少冷量损失，必须对曝露的盐水管道进行保温隔热处理。可采用二层3cm厚聚氯乙

37、烯泡沫板将所有曝露盐水管道包裹作为隔温层，以减少冷量损失。2.3.4冻结致冷效果判定冻结致冷效果的判定措施与检测方法均是通过冻结施工过程的监控量测来实现的。冻结帷幕形成的质量检验方法详见表2-3。表2-3 冻结帷幕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-28-30,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冻结帷幕交圈时间不同设计要求不同根据测温孔温度测定冻结帷幕是否交圈4冻结帷幕达到设计厚度时间积极冻

38、结期根据测温孔测温数据确定2.4隧道施工2.4.1 隧道开挖采用冻结法施工的隧道工程仍按锚喷构筑法进行设计。其初期支护采用格栅钢拱架、单层钢筋网、喷砼联合支护。格栅的间距一般为0.51m，钢筋网一般规格为8，网格间距为200×200mm，喷射砼为C20早强抗冻砼，厚度为350400mm。二次衬砌为钢筋砼衬砌，衬砌厚度为300400mm。若采用冻结法施工的单线隧道，采用上下台阶法施工，开挖时尽量预留核心土，开挖进尺不能过长，保证24小时格栅封闭成环，初期支护上去就行。如果是双线隧道，其开挖跨度大，则开挖可采用交叉中隔壁（CRD）法开挖。具体开挖方式采用人工加风镐开挖，出碴采用人工推车运

39、输。隧道开挖进尺控制在1.0m，开挖后及时支护，冻结帷幕暴露时间控制在24小时以内，以确保冻结帷幕的安全。严格控制台阶长度，当台阶较长、必要时作临时仰拱封底。若冻结帷幕内侵，冻结帷幕内土体强度比未冻土强度大为提高，若仅采用人工风镐开挖难度大，进度缓慢，可引进自由断面掘进机，采用掘进机掘进辅以人工风镐修边的方式进行开挖，叉车配合小型反挖进行渣土运输。2.4.2 开挖期间对冻结帷幕的保护冻土帷幕在空气中暴露过久，会吸收空气中的热量出现化冻现象，在隧道开挖过程中必须采取以下必要的保护措施进行保护。（1）严格控制隧道开挖进尺，保证冻结帷幕暴露的时间不超过设计允许值，每一循环的开挖进尺控制在1m以内，保

40、证隧道周边的冻结帷幕暴露时间不超过24小时。（2）为了防止冻结帷幕暴露后产生蠕变及流变，必须保证初期支护的及时性。冻结法施工中，开挖的井帮温度较低（一般在0以下），常规的喷射砼无法凝固达到设计的早期强度，需在喷射砼中掺加一定量的抗冻剂，确保喷射砼强度的正常发展。（3）为了防止砼的水化热传递给冻结帷幕，需在冻结帷幕和喷射砼间设置隔温保护层。（4）为了减小开挖过程中对冻结帷幕土体的扰动，即使冻结帷幕入侵，也不宜采用爆破开挖，可采用一种非爆破、弱扰动的机械能开挖自由断面掘进机进行掘进。（5）为了不削弱冻结帷幕的强度，严禁超挖。2.4.3 隧道初期支护施工初期支护的施工同普通的锚喷筑构法隧道相同，仅在

41、初喷砼中掺加了一定掺量的MRT-4型复合抗冻剂，目的是保证低温状态下砼强度的正常发展。2.4.4隧道二次衬砌施工在工期允许的前提下，隧道衬宜在隧道开挖贯通并停冻后进行。若具体工期不允许，由于解冻的时间过长，二次衬砌的施工必须在解冻前进行施作，则必须从结构设计的角度充分考虑冻胀融沉对结构的负面影响，如结构多设变形缝，预埋融沉注浆管在衬砌施工时同步注浆，防止融沉；另一种方法是考虑强制解冻，在盐水池中放置电炉，加热盐水，盐水的盐循环不经过冷冻机，直接由盐水池进入盐水泵，经盐水管路到达冻结管内循环，带走地层的热量，实现强制强冻。3 劳动力组织劳动组织及人员配置。冻结施工期间的劳动力组织及人员配置详见表

42、3-1。表3-1 水平冻结施工的劳动力配置表工 种人 数工 种人 数打钻工4×14=56辅助工4电焊工4技术人员3冻安工20管理人员4机修工2后勤人员3电 工2合计98 隧道开挖施工期间的劳动力组织及人员配置详见表3-2。表3-2 水平冷冻法暗挖隧道施工的劳动力配置表工 种人 数工 种人 数开挖工2×14=28喷锚工6钢筋工16技术人员6冻安工20管理人员6机修工2后勤人员3电 工2 模板工8木工6砼 工12管理人员6后勤人员4合计：121 4 机具设备配置4.1水平钻孔机具设备及附属设备的选型与配置4.1.1钻机平台的搭设钻机平台要求搭设成可移动、升降式的平台。4.1.2

43、水平钻机的选型HW-4型坑道钻机主要适用于长距离水平冻结孔打钻施工，水平钻进的长度达200m。该钻机的主要技术参数：扭矩为3500KN.m；给进力160KN；转速60、85、125r/min。短距离水平冻结宜选用扭矩较大的XY型钻机四台套，该钻机在国内各类垂直冻结工程打钻施工中得到很好应用，它具有体积小、重量轻、装机功率大、性能广泛、通用性强等优点，可用牙轮钻头、刮刀钻头、人造金刚石复合片钻头等钻进。该钻机主要技术参数如下: 钻机外型尺寸（长×宽×高）:2150mm×900mm×1690mm；钻孔直径:150mm300mm；钻孔倾角:P9065°

44、;；回转器扭矩:900KN·m；给进能力:45 KN；起拔能力:60 KN。 4.1.3钻头的选型与配置水平冻结的冻结管一般是108的钢管，而冻结管本身就是钻杆，为此冻结打钻的钻头选型必须与钻杆相匹配。一般短距离水平钻孔（孔深小于等于30m）的施工，其钻头采用三翼刮刀式全面钻头配合螺旋钻超前导向。但该钻头形式需要严格控制开孔角度和纠偏角。长距离水平钻孔（孔深大于等于30m）的施工，其钻头采用自制斜板式钻头配合有线定向钻进导向仪共同作用，该钻头的特点是钻进中偏斜小，纠偏容易。钻头的直径不能过大，一般为115mm120mm，若钻头直径过大，纠偏容易，但钻进中出砂量多，不利于控制地表沉降；

45、若钻头直径过小，不利于纠偏。4.1.4泥浆循环系统的配置泥浆系统是导向孔钻进过程中的又一关键环节，泥浆作为冷却钻头、悬浮钻屑的流动体，以膨润土及外加剂为原料按一定比例搅拌而成，不同地层对泥浆粘度有不同要求，采用马氏漏斗粘度进行测定，膨润土泥浆适宜环境PH值控制在8.510；粘土层中粘土有一定自稳能力，膨润土泥浆粘度在30秒左右，粉细砂层中采用进口易钻膨润土外加少量聚合物，马氏漏斗粘度控制在40秒左右。膨润土泥浆用量一般为孔径的35倍，采用自制立式旋流搅拌机搅拌；泥浆流量较大，回收处理后检查粘度及PH值后循环利用。泥浆泵采用BW250（150），一台钻机配置一台泥浆泵。膨润土泥浆用量计算式见（4

46、-1）： （4-1）式中：V膨润土泥浆用量(m3）L表示钻孔长度(m）R表示钻孔直径(m）浆液PH值控制在810；膨润土泥浆配合比见表4-1。表4-1 泥浆配合比地 层膨润土膨润土用量（Kg/m3）外加剂马氏漏斗粘度（秒）浆液用量粘 土易钻103035倍孔容积粉细砂易钻25帮手4035倍孔容积中粗砂易钻32帮手4535倍孔容积4.2 制冷设备的选型与配置4.2.1冷冻机的选型与配置我国冻结施工所采用的制冷压缩机主要有活塞式和螺杆式两种，其中，螺杆式是回转式压缩机的一种，它只有旋转运动部件，没有往复运动部件，动平衡性好，性能稳定，制冷量大，可持续时间长。根据冻结需冷量要求以及地区高温等情况，选择

47、氟利昂螺杆式冷冻机组作为冻结施工的冷冻机组，确保冻结连续运转和快速降温。单机标准制冷量可按冻结制冷量大小选用。在建站配置时，一个冷冻站尽可能选用一种系列的冷冻机，同一级的单机标准制冷量最好相同，否则会影响合理的配组，造成系统中压缩机吸气不平衡而降低制冷效果。4.2.2 盐水系统的配置 盐水系统的配置包括了盐水管路（冻结管）供液管和盐水干管、集配液圈、盐水泵、盐水箱等的配置。（1）盐水管路的配置冻结管以往多数采用1020无缝钢管，焊接连接；部分为中碳钢无缝钢管，丝扣接箍连接。现采用在低温条件下具有较好柔性的高强度无缝钢管。 供液管多采用广聚乙烯软管，该管隔热性能好，耐低温，无接头，安装方便，使用

48、效果好，常用规格50×475×4。盐水干管、集、配液圈一般均用无缝钢管。干管可试验使用聚乙烯增强塑料管或玻璃窗钢管，常用规格200300。氯盐水溶液具有适用温度范围广、热容量大、来源充裕、价格便宜等优点，成为冻结工程最广泛的冷煤剂。由于单一氯盐水溶液受凝固点的限制，几种氯盐溶液的工作温度为：氯化钠盐水5-16，氯化镁盐水5-28，氯化钙盐水5-35。冻结法工程常用的冷煤剂：冻结温度高于-35时，用氯化钙或氯化镁盐水-28以内）；冻结温度低于-35时，一般采用氯盐的混合液，如氯化钙、氯化镁、氯化钠的混合溶液。（2）盐水泵的选型与配置盐水系统包括盐水泵、盐水池、及盐水干管、集配

49、液圈。在进行盐水泵选型配置前，先计算盐水泵的流量、扬程和功率。考虑到目前无专用的盐水泵，冻结工程施工中可用清水泵来替代。盐水与清水的比重在5/4以上，因此排盐水比排清水消耗的功率大1/4。如果选用的水泵刚好满足设计流量和扬程需要时，水泵的配电功率就要超负荷运转；否则就应更换较大功率的电机，并相应地加大水轮轴和轴承，而且同样造成水泵超负荷运转。因此在选用泵时，除流量和扬程必须满足要求外，最好由水泵厂提供较高强度的合金钢泵轴，并把原水泵的电机功率加大1/4更为适用。4.2.3清水系统的配置清水系统即冷却水系统，由冷却塔（冷凝器）、清水泵及清水管路及循环水池四大部分组成。冷凝器是将氟在蒸发器和压缩机

50、中吸收的热量传递给冷却水的热交换装置，使压缩机压缩后的过热蒸汽凝结成液体。国产的冷凝器有立式套管、卧式套管、蒸发式和淋激式四种。由于立式套管冷凝器的冷却能力大、效率高、占地面积小、运输、安装和使用都方便，故一般冻结工程施工中较为适宜。蒸发式冷凝器的最大优点是用水量比水冷式冷凝器少得多，当水源缺乏和气温较低的地区应用将取得较好的效果。当空气相对温度较低，水质差、气温较低的条件下，可采用淋激式冷凝器。市政水平冻结考虑场地和环境要求，一般采用冷却塔。4.3供电系统的配置 4.3.1水平钻孔施工过程的供电水平打钻施工可配置四台套钻机（含泥浆泵），施工过程最大用电负荷约200KW，提供400v供电电源即

51、可。4.3.2冻结运转过程中的供电根据冻结施工现场条件，在隧道两端各布置一个冷冻站，在隧道两端各提供两台500KVA变压器，供冻结运转和其它工作。每站冻结运转最大用电负荷约为750KW。其用电设备统计详见下表4-2。表4-2 用电设备统计表序号名称型号电机功率/kw单位台数备注一、钻孔设备1水平孔钻机52台4钻长200m2泥浆泵BW-250/15011台3备用1台3测斜仪水平陀螺仪台1水平测距300m4泥浆搅拌机5.5台2配置泥浆用5电焊机50013台4冻结管联接用6金刚石取芯钻机3台4冻结孔开孔用7手动试压泵台2冻结孔试漏用8其他40台小计228 kw二、冻结设备1螺杆冷冻机组制冷量561k

52、w200台42螺杆冷冻机组制冷量215kw100台43盐水泵IS150-125-31530台64清水泵IS200-150-250A30台65冷却塔LBN-1005台12小计1620 kw5 质量控制要点5.1水平钻孔施工的质量控制要点5.1.1试验孔的打设针对打钻过程的各工序，去调整、优化打钻过程的参数选取。钻机性能参数：钻孔的扭距、给进力、转速；钻头的切削直径：该参数选择时偏大，对钻进中纠偏有利，但对地层扰动大且钻进中出浆量多，不利于控制地表沉降；钻杆的连接参数：丝扣连接形式和焊接的槽口形式，这两参数对钻杆的牢固性和密闭性起决定性作用，同时也影响着冻结管的抗扭性能；开孔角度：水平钻进中受钻具

53、自重影响，钻具前端会产生下垂现象；钻具顺时针旋转，产生右旋力，造成钻孔偏斜，因此给定入孔水平方位角与仰（俯）角是补偿钻进偏斜、实现纠偏的措施之一，因此在试验孔打设过程中要掌握入孔方位角和仰（俯）角参数（统称为预定纠偏角）大小；钻进中泥浆冲洗液（终孔注浆的混合浆液）的性能参数：在水平钻进过程中，靠冲洗液进行护壁，防止塌孔和抱钻，且在钻进完成后，由于钻进过程中钻头的摆动，钻杆（管）惯性旋转的离心力，冲洗液对孔壁的不均匀冲刷与破坏，钻屑的沉积等，可能成冻结管在地下处于悬空、下支、上压等受力极不均匀状态，甚至有受到地层坍塌的动压威胁，故需要进行注浆充填。通过终孔注浆，达到了“充填注浆”与压密注浆的双重效果，使钢管、土层、浆体三位一体，处于一种相对稳定的状态，有效控制了地面沉降，对地下冻结管起到良好的保护作用。为此冲洗液的配比和终孔注浆时的泵压均是在试验孔打设过程中要掌握的重要参数；钻进过程中出浆量观察：一是出浆量的多少，二是浆体中含砂量的高低，这是判定成孔与否及注浆量大小一个重要参数，也是判定地质情况的一个重