冻结法施工讲稿(2013.10.16)

1、冻结法施工技术王利军2013年10月16日目 录1 12 23 34 45 5目 录6 67 78 89 9101011一、冻结法的发展应用 冻结法施工技术在国际上已有一百多年的应用历史，在城市土木工程的应用始于1886年瑞典斯德哥尔摩24m人行隧道的建设。在西欧、俄罗斯、日本等科技发达国家，该技术已是城市建设中一项成熟的施工技术和施工工法。如东京地下快速公路十号及十一号隧道，瑞士阿尔堡勃恩隧道、杜塞尔多夫隧道均采用先冻结后开挖的施工方法，原西德的海尔纳东部泵站建筑基坑，前苏联莫斯科地铁车站基坑等均采用冻结法施工技术施工。 我国首次采用冻结法施工技术是在1955年开滦煤矿林西矿风井开凿的立井井

2、筒，至今已有50多年的历史。冻结法最早主要用于煤矿井筒开挖施工，2012年北京中煤施工的甘肃核桃峪煤矿主井井筒达956m，是目前国内外一次冻结深度最深的矿井。进 入70年代，冻结法技术开始在城市建设基坑开挖及路桥施工中推广应用。自1992年起，冻结法工艺被广泛应用于上海、北京、广州、深圳、南京、无锡等城市地铁工程施工中。广州地铁在二号线纪越区间、三号线天河客运站折返线、二/八号线南洛区间、广佛线朝普区间都有成功应用。 二、冻结法施工的基本原理 岩土工程开挖之前，在开挖的工程（如隧道、竖井、基坑等）周围钻造钻孔（冻结孔），利用人工制冷技术，通过冻结孔对地层进行制冷。即从冻结站冷冻机出来的低温盐水

3、，通过管路压入开挖工程周围的冻结孔中，低温盐水作为冷媒在土体内冻结孔中循环，吸收土体热量，增加自身显热，不断循环制冷，使地层中的水结冰，将松散含水岩土变成冻土，形成强度高，封闭性好的冻结壁（冻土帷幕）隔绝地下水的联系，同时抵抗周围岩土的压力，确保工程开挖的安全。 人工冻结法是土层的物理加固方法，是一种临时加固技术，当工程需要时冻土可具有岩石般的强度，如不需要加固强度时，又可采取强制解冻技术使其融化。 三、冻结法的应用范围及特点 1、应用范围：冻结法适用于各类地层，尤其适合在城市地下管线密布施工条件困难地段施工。主要用于煤矿井筒开挖施工，基坑工程施工，地铁隧道掘进施工、双线区间隧道联络通道和泵房

4、井施工、盾构（或顶管）进出洞施工，地下工程堵漏抢险施工等。 2、特点 2.1可有效隔绝地下水，其抗渗透性能是其它工法无法相比的，对于含水量大于10%的任何含水、松散、不稳定地层均可采用冻结法施工技术。 2.2冻土帷幕的形状和强度可视施工现场条件，地质条件灵活布置和调整，冻土强度可达5-10Mpa，能有效提高工效。 2.3冻结法是一种环保工法，对周围环境无污染，无异物进入土壤，噪音小，冻结结束后，冻土强融化，不影响建筑物周围地下结构。 2.4冻结施工用于桩基施工或其它工艺平行作业，能有效缩短施工工期。四、冻结法施工工序施工准备冻结孔施工冻结管试漏与安装冻结系统的安装与调试积极冻结开挖（维护冻结）

5、解冻封孔及注浆清场验收工艺流程冻结检、监测变形监测五、冻结法施工操作要点 施工时，应不断对每个施工工序进行管理。控制冻结孔施工、冻结管安装、冻结站安装、冻结过程检测。 1、冻结孔施工 1.1开孔间距误差控制在20mm内。在打钻设备就位前，用仪器精确确定开孔孔位，以提高定位精度。 1.2准确量测钻杆尺寸，控制钻进深度。 1.3按要求钻进，用灯光或测斜仪测斜，及时进行纠偏。钻进3m时测斜一次，如果偏斜不符合设计要求，立即采取调整钻孔角度及钻进参数等措施进行纠偏，如果钻孔仍然超出设计规定，则进行补孔。 2、冻结管试漏与安装 2.1冻结管（含测温管）采用丝扣联接加焊接。管子端部采用底盖板和底锥密封。冻

6、结管安装后，进行水压试漏，初压力0.8Mpa，经30分钟观察，降压小于等于0.05Mpa，再延长15分钟压力不降为合格，否则重新钻孔下管，或在断管中下套管。 2.2冷冻站安装完成后要按矿山井巷工程施工及验收规范要求进行试漏和抽真空，确保安装质量符合设计要求。 3、冻结系统安装与调试 3.1按1.5倍制冷系数选配制冷设备。 3.2为确保冻结施工顺利进行，冷冻站安装足够的备用制冷机组。冷冻站运转期间，要有两套的配件，备用设备完好，确保冷冻机运转正常，提高 制冷效率。 3.3管路用法兰连接，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

7、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。 3.4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。 4、积极冻结 积极冻结，就是充分利用设备的全部能力，尽快加速冻土发展，在设计时间内把盐水温度降到设计温度。旁通道积极冻结盐水温度一般控制在2528之间。 在冻结试运转过程中，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。 积极冻结的时间主要由设备能力、

8、土质、环境等决定的，伤害地区旁通道施工积极冻结时间基本在35天左右。 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，测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度后再进行探孔试挖，确认冻土帷幕 内土层无流动水后（饱和水除外）再进行正式开挖。正式开挖后，根据冻土帷幕的稳定性，提高盐水温度，从而进入维护冻结阶段。 5、维护冻结 就是通过对冻结系统运行参数的调整，提高或保持盐水温度，降低或停止冻土的继续发展，维持结构施工的要求。旁通道维持冻结盐水温度一般控制在2528之间。维护冻结时间由结构施工的时间决定。六、工程监测 6.1工程监测的目的工程量测作为该工法的一项重要施工内容。其目的就

9、是根据量测结果，掌握地层及隧道的变形量及变形规律，以指导施工。犹豫旁通道施工位于地下十多米处，为防止施工是对地面周边建筑、地下管线、民用及公共设施带了不良影响，甚至严重破坏。对施工过程必须由完善的监测 6.2、工程监测的内容工程监测贯穿整个施工过程，其主要监测内容为：地表沉降监测，隧道变形监测，通道收敛变形监测，冻土压力监测。 6.2.1、冻结孔施工监测内容为：冻结管钻进深度；冻结管偏斜率；冻结耐压度；供液管铺设长度。 6.2.2、冻结系统监测内容为：冻结孔去回路温度；冷却循环水进出水温度；盐水泵工作压力；冷冻机吸排气温度；制冷系统冷凝压力；冷冻机吸排气压力；制冷系统气化压力。 6.2.3、冻

10、结帷幕监测内容为：冻结壁温度场；冻结壁与隧道胶结；开挖后冻结壁暴露时间内冻结壁表面位移；开挖后冻结壁表面温度。 6.2.4、周围环境和隧道土体进行变行监测内容为：地表沉降监测；隧道的沉降位移监测；隧道的水平及垂直方向的收敛变形监测；地面建筑物沉降监测。七、机具设备 1、冻结法施工旁通道所用机械设备见表1 2、冻结法施工旁通道所用量测设备见表2表1.旁通道冻结施工主要机械设备表 序号 设备名称 型号 数量 额定功率 能力 1 螺杆冷冻机组 IYSGF300II 2台 110KW 87500Kcal/h 2 盐水泵 IS125-100-200 2台 45KW 200m3/h 3 冷却水泵 IS12

11、5-100-200C 4台 15KW 130m3/h 4 冷却塔 NBL-50 4台 15m3/h 5 钻机 MK-50 1台 6 电焊机 BS-40 2台 7 抽氟机 1台 说明：以上1-4项冻结设备均备用一台。 表2.旁通道冻结施工主要量测设备表 序号 设备名称 型号 数量 备注 1经纬仪 J2 1台 2测温仪 GDM8145 1台 测量冻土温度 3精密水准仪 1台 4打压机 20MPa 1台 冻结器打压试漏 5收敛仪 1台 冻土帷幕收敛 6钢卷尺 20m 1把 八、质量控制标准 由于冻结法施工工程技术难度高，施工风险大，工程中不可预测因素多，故此对质量要求极高。目前主要按照GB_5021

12、3-2010煤炭井巷工程质量验收规范、煤矿井巷工程施工及验收规范GBJ213-90、煤矿井巷工程质量检验评定标准MT5009-94标准要求进行施工。除了参照国家有关标准外，还应着重注意以下几点： 1、冻结帷幕设计时英选择比较安全的计算模型，要有足够的安全系数； 2、冷冻机组制冷量在设计时，取较大的备用系数； 3、钻孔的偏斜应控制在1以内； 4、终孔间距不大于1.0m； 5、在冻土帷幕关键部位，多不值测温孔，监测冻土帷幕的形成过程和形成状况。九、人员配置 劳动力组织冻结法施工技术要求高，专业性强，且由于其特殊性，现场需配备土建工程师、机械工程师、电器工程师和测量工程师。具体作业人员配备见表3 。

13、表3.旁通道冻结施工人员配备表序号工作项目人数备注1冻结孔施工打钻工15人进入冻结阶段可转为普通工冻结管安装2冻安工9人进入冻结阶段可转为普通工机械维修3机修工3人电气维修4电工2人包括设备数据采集5电焊工2人6冻结管焊接工程监测工3人7环境变化监测测温技术员1人8测温孔测温辅助施工人员4人9当班负责、施工员2人十、安全环境保护 1、设计要考虑各种最不利条件，保证方案安全可靠。 2、设计计算的各种最不利条件，在施工组织设计及施工中，做到重点防范，采取切实可行、有效的措施加以控制。 3、选用无污染、效率高、体积小、重量轻、制冷量大、安装运输方便的螺杆冷冻机组作为制冷系统的主机。以适应地铁施工场地

14、小、工期紧的需要。案例一案例一.广州地铁隧道过断裂破碎带超长水平冻结广州地铁隧道过断裂破碎带超长水平冻结法施工实例法施工实例案例二案例二. .上海地铁旁通道冻结施工实例上海地铁旁通道冻结施工实例案例一案例一广州地铁隧道过断裂破碎带超长水平广州地铁隧道过断裂破碎带超长水平 冻结法施工冻结法施工一、工程概况 广州地铁二号线纪越区间过清泉街断裂带隧道工程为双线暗挖隧道，隧道设计断面为马蹄形，开挖宽度6.4米，开挖高度6.704米，左右线中心间距11.2米，隧道坡度为3 ，顶面距地表约15米。 该段隧道正上方是交通繁忙的应元路与连新路口，东侧是著名的中山纪念堂，西侧紧邻广东科学馆、粤王古井，北侧为三元

15、宫、民房及商店等，隧道周边聚集了国家级、省级文物保护建筑，它们都处于清泉街断裂破碎带上。清泉街断裂带地质复杂，断层破碎带岩体呈强风化和全风化状态，裂隙发育，地层富水，稳定性差、导水性好，且与上覆淤泥、砂层接触，其施工成败直接关系到地面居民生命财产安全及国家财产安全，施工难度与风险都很大，属于广州地铁二号线隧道难点工程之最。经过多次技术分析论证和经济比较，确定采用水平冻结法加固地层，矿山法开挖构筑的施工方案。本区间隧道风机房竖井北侧（TK14+738.85m以北）左线53米和右线63.5米设计采用全断面水平冻结法加固地层。二、工程地质条件 2.1地质概况 该段地质构造与地层岩性变化复杂。清泉街断

16、裂带与地铁线路斜交，中山纪念堂战基坑北侧56米宽的破碎带为冻结加固的主要对象。该断层破碎带的母岩为碳质页岩，挤压带的母岩是碳质页岩及白云质灰岩；断层破碎带由角砾岩和断层泥组成，胶结差，呈现强风化状；车站北风机房竖井部位为断层中间挤压带，由全风化状碳质页岩及中风化岩和微风化白云质灰岩组成，其中挤压部分岩芯呈破碎状，裂隙发育，有溶蚀现象。 2.2水文地质条件 清泉街断裂带地下水由第四系孔隙水、基岩裂隙水、溶蚀水和断裂带裂隙水构成。含水层主要为粗砂、砾砂层，渗透系数为3.34-5.18m/d，属中等渗透性。该断层破碎带、挤压带碎裂岩体透水性较强，渗透系数为0.335m/d。在北风机房竖井（冻结钻孔开

17、口位置）开挖中围护桩间曾发生突发性涌水而淹井，地层有大量涌水的可能性。水位埋深一般为0.7米，地下水对钢筋砼无侵蚀性。 三、水平冻结施工方案设计 3.1水平冻结施工原理 水平冻结施工原理：在隧道周围布置水平冻结孔，从冻结站冷冻机出来的低温盐水，通过管路压入隧道周边的水平冻结孔中，使冻结孔附近的含水地层结冰，形成强度较高，封闭性好的冻结壁（冻土帷幕），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。 3.2冻结施工方案技术要点 针对该工程的地层特点与施工要求，结合国内外最新地层冻结研究成果，尤其是结合北京、上海等地铁工程中水平冻结施工的经验与教训，提出该冻结工程的设计方案与施工要点。 3.

18、2.1用风机房竖井作冻结施工的工作井。风机房北侧左右线隧道均一次冻全长，右线最大冻结长度达63.5米。 3.2.2隧道过清泉街断裂带所处地层破碎呈全风化状，是开挖构筑的主要难点所在，冻结施工的主要作用是全断面加固地层和封水。 3.2.3隧道冻结壁设计成与开挖轮廓线相似形状，以利于冻结壁承载且能均匀进入开挖区。为了避免冻结段前部因冻结时间较长而使冻结壁扩入开挖区太多，将冻结孔布置呈放射状。3.2.4冻结制冷系统采用新型氟利昂盐水螺杆冷冻机组，该系统有降温速度快、盐水温度容易控制和自动化程度高的优点。在系统管路上安装温度、流量与压力等状态参数的检测仪表，并设置控制阀门，以及时监控冻结系统运行，便于

19、控制和维护冻结管路系统。 3.2.5在冻结孔布置圈附近设测温孔，通过测量地层温度变化并结合冻结温度场的模拟计算，预报、判断冻结壁的扩展情况。 3.2.6在封闭冻结壁的内侧设水文观测与泄压孔，通过测量冻结壁内侧地层的水压变化可以正确判断冻结壁是否交圈。如发现冻结壁局部温度过高或长期不交圈，则需检查冻结系统运转是否正常，或是否受活动地下水影响，如发现有活动地下水，可采取相关冻结措施进行补救。 3.2.7长距离、高精度水平冻结孔钻进是本次冻结施工的主要难点。钻机性能及钻头选用必须满足施工要求，在钻孔过程中严格按照冻结孔作业规程和质量检验标准检验，控制好孔的偏斜。同时要做好突发性涌水、涌泥及漏浆的预防

20、措施。 3.2.8掘进时，要避免冻结孔离开挖区太近，同时加强盐水压力和流量的监测。为了确保隧道结构强度，在喷射混凝土中要加适量防冻剂和早强剂，并随时监测冻结壁的表面温度，以便于掘进和喷射混凝土施工。 3.2.9跟踪监测隧道的冻结壁和地表变形，以便随时调整各环节施工工艺，确保施工引起的变形在安全限度内。3.3冻结孔布置与冻结壁形成预测 通过强度计算，冻结壁设计厚度取1.2m，冻结孔允许偏斜率取8 ，隧道周边冻结孔开孔间距定为887mm，开孔位置与开挖区（隧道开挖轮廓线）的距离定为600mm，冻结孔沿隧道线路方向呈放射状钻进（钻孔偏角为0.7O）。冻结壁的扩展速度向内或向外为20mm/d ，相邻两

21、冻结孔之间为25mm/d ，设计冻结壁交圈时间为30d。冻结孔布置和冻结壁形成预计见附图1。附图一3.4其它设计参数3.4.1设计最低盐水温度为-24-28，并要求冻结7天盐水温度达到-20 ，维护冻结盐水温度不高于-18。冻结壁平均温度不高于-8。开挖时冻结壁表面温度低于-3 。3.4.2冻结孔单孔盐水流量为710m3/h。 3.4.3冻结管采用低碳无缝钢管，外径为108mm，壁厚为8mm。3.4.4隧道积极冻结时间为35d，根据隧道掘进速度，预计维护冻结工期。3.4.5冻结需冷量：左右线冻结管总长度为3262m，冻结管的散热系数取300kcalh-1m-2 ，冷量损耗为20% ，左右线同时

22、冻结总需冷量为： Q=0.1083.1432623001.2=398235kcal/h四、冻结钻孔施工 长距离、高精度水平冻结孔施工是本次冻结工程的主要难点，钻孔的施工质量是整个工程成败的关键。 针对水平冻结孔的施工特点及场地条件限制，选用体积小，使用方便，输出扭矩与给进力大，至少能打70m长钻孔的钻机。用钻杆兼作冻结管，视地层不同选用取芯钻头和全断面金刚石钻头钻进，钻头后面连接逆止和密封装置，该装置允许管内泥浆（大于10Kg/m2压力时）从内往外冲洗钻头，但不允许孔外泥浆回流。冻结管采用丝扣加焊接方式连接，以保证其密封性。 冻结孔施工时，为保证钻孔精度，在钻机上加了特制的扶正器；选用灯光测斜

23、、激光经纬仪测斜，并首次引入高精度水平陀螺测斜仪等对钻孔施工进行指向和测斜；其次在钻孔前先在地面将钻杆配好，以保证其同心度，来降低偏孔概率。为防止孔口发生突发性涌水、涌泥等现象，首次研制使用了水平钻孔专用孔口密封止水装置，该套装置既能保证冻结钻孔的正常运转，又可以控制地层中水涌出量的大小。为避免钻孔时大量漏浆和钻孔内泥土流失，选用优质膨润土造浆，并尽可能将循环泥浆调稠一些，最大限度地减少漏浆和钻孔造成的泥土流失。 由于城市施工对环保要求很严，施工中充分利用现有场地布置了储浆池、泥浆沟、废浆池、过滤池、沉淀池等设施对钻孔泥浆进行处理，使得大部 分泥浆得以重复利用，大大减少了废浆的排放量。五、关键

24、控制内容 1、积极冻结7天盐水温度 2、积极冻结14天盐水温度 3、最低盐水温度 4、盐水去回路温差（积极冻结期间） 5、冻结壁平均温度 6、冻结壁厚度 7、积极冻结天数 8、测温孔测点及温度(测点深度及曲线） 9、冻结器结霜情况 10、探孔（位置及孔口情况） 11、安全防护门、隧道支撑 12、应急预案（材料、设备、演练） 13、开挖材料准备及加工六、施工效果分析 6.1冻结孔测斜结果及分析 右线隧道设计冻结孔28个、测温孔2个。实际施工时共钻孔31个，其中冻结钻孔28个、测温孔2个、补孔1个，10号孔和11号孔之间终孔距离大约在2.7米左右，补孔后冻结孔间距全部达到设计要求，测斜结果见表5-

25、1。左线隧道设计冻结孔28个、测温孔2个、水文孔1个，全部按设计完成。 通过对以上测斜数据分析得出：对于垂直钻孔中普遍遵循的右旋法则，在水平钻孔中表现不明显；地层的地质条件，特别是断层的走向，对钻孔的偏斜方向影响较大。虽然此次是第一次施工63.5 米长水平钻孔，除了两个测温孔之外，29个冻结孔较好地达到沿右线隧道均布的要求。 6.2冻结效果分析 由于合理的施工组织设计和有效的施工控制，解决了水平冻结技术在断裂破碎带中应用的诸多施工技术难题。从隧道开挖情况和冻结壁的测温数据看，冻结效果非常理想，隧道开挖过程中无漏水现象，实测的冻结壁温度与所设的冻结壁温度几乎一致 。七、结论与建议 长距离水平冻结施工技术对断裂破碎带含水地层的成功加固，解决了广州地铁二号线隧道施工的一大障碍，创造了国内水平冻结最长纪录，同时也证明了水平冻结技术是一项安全性好、可靠性高的含水软土地层加固新技术。对推动我国水平冻结施工技术的发展，具有极为重要的意义。通过本工程实例，我们主要得出以下结论： 6.1在国内率先成功应用全断面隧道长距离水平冻结技术，施工质量好、速度快（比非冻结的同类地层同断面隧道掘进速度快一倍以上）、综合经济效益高。 6.2水平冻结法加固地层施工，不受地表场地及深度限制，且不污染环境，为城市地下建设，特别是