粉砂层盐水冻结地基加固施工技术

1、2008年度优秀科技论文 粉砂层盐水冻结地基加固施工技术 第25页 共25页 粉砂层盐水冻结地基加固施工技术【内容提要】：杭州地铁滨江站，右线盾构出洞采用盐水冻结技术对粉砂地基进行加固，使不稳定的含水地层形成强度很高的冻土体，成为完整的防水屏蔽，起到隔水作用，同时也起到了良好的挡土墙作用，以承受外来荷载。【关键词】：粉砂、盐水冻结、孔位、拔管1.前言滨江站富富春路站站区间为为杭州地地铁1号线工工程，穿越钱钱塘江全全地下区区间，里里程范围围为K5+8800.3K8+8355.8559，区间间左线总总长为22.9446kmm，区间间右线总总长为22.9556kmm。分别别在里程程K6+755和K8

2、+355设置2座中间间风井。滨江站站盾构出出洞所穿穿越的地地层为粉粉砂层（粉砂：灰、青青灰色，中中密，饱饱和，含含有机质质、云母母屑）。根据施施工的要要求和实实际情况况，在盾盾构出洞洞地基加加固方面面采用了了不同的的加固方方式，如深层搅搅拌桩、高高压旋喷桩桩、盐水水冻结法法。这里里主要介绍绍的是盐水水冻结法法。我国采用冻冻结法技技术施工工煤矿井井筒自19555年开始始，至今今有50多年的的历史，共共用冻结结法施工工煤矿井井筒430余个。其其中冻结结最大深深度4335m，冻冻结表土土层最大大厚度3375mm，冻结结法技术术已是我我国煤矿矿井筒施施工中成成熟、可可靠的特特殊施工工方法之之一。990

3、年代引引入轨道道交通建建设，以以其特有有的优势势在该类类工程特特别是在在松软含含水地层层施工中中具有不不可替代代性，随随着科技技的发展展和对其其研究工工作的深深入，冻冻结技术术将日臻臻完善。2.工艺原原理盐水冻结技技术应用用于隧道道盾构出出洞，对工作作井附近近土层进进行封闭闭加固，其其原理如如下：在在盾构出出洞口前前方3-4m、隧隧道圆形形设计断断面及其其周边33-4m的范范围内，钻钻铺若干干排垂直直冻结器器（由于于滨江站站已经进进行了先先期的地地基加固固，所以以本次加加固只采采用2排冻结结孔的垂垂直冻结结方式），在冻结器内循环盐水，逐渐降低地层温度，地层中的水变成冰，冰和土颗粒逐渐形成冻结连

4、续体，将冻结区域和混凝土地下连续墙形成整体冻结封闭加固区，防止在凿除隧道洞门钢筋混凝土和盾构在加固区推进时产生涌水涌砂现象，最终确保盾构机顺利出洞。3.冻结方方式 冻结法依其其冷却地地层的方方式，可可以分为为直接冻冻结和间间接冻结结两大类类；依其冷冷却位置置的方式式，可以以分为水水平冻结结和垂直直冻结两两大类。滨江站（右线）采用了间接冻结和垂直冻结的方法。3.1间接接冻结方方式这里的间接接冻结方方式是采采用盐水水冻结方方式。盐盐水冻结结法是利利用氨压压缩调节节制冷，并并通过盐盐水媒介介热传导导原理进进行冻结结。在滨江站站（右线线）工作作井顶层平台安安装冷冻冻设备，冷却比重为1.26的盐水至-2

5、5-30，然后使其进入冻结管内循环，从而使地层土壤冻结，待温度升高后盐水回流到冷冻机再冷却。这样，盐水就在热交换过程中循环不息，冻结管周围地层的冻土圆柱体直径不断扩展变大，并与相邻冻土圆柱体相交，在工程施工范围内形成完整的屏蔽，成为具有一定厚度和强度的又能防渗的挡土墙或拱形体。3.2垂直直冻结垂直冻结是是采用板板状冻结结加固理理论设计计的，对对盾构进进出洞口口上部的的土体布布置一定定数量的的垂直冻冻结孔（滨滨江站右右线采用用的是23个冻结结孔），经经冻结后后，在洞洞门处形形成板状状冻土帷帷幕来抵抵御盾构构进出洞洞破壁时时的水土土压力，防防止土层层塌落和和泥水涌涌入工作作井内。垂垂直冻结结可分为

6、为全深冻冻结和局局部冻结结，全深深冻结是是对所需需要的冻冻结深度度全部冻冻结，而而滨江站站这里采采用的是是局部冻冻结，它它是一种种只对盾盾构穿透透的土层层范围进进行局部部的冰冻冻加固，其其它土体体不进行行加固的的局部加加固方法法。4冻结封封水处理理方案根据滨江站站施工条条件和施工工工期，采用盐盐水螺杆杆机组垂垂直局部部冻结方方案能满满足工期期和封水水加固的的要求。4.1冻结结帷幕设设计设计在盾构构出洞段段加固土土体前打打设2排垂直直冻结孔孔的方案案，将盾盾构出洞洞段搅拌拌加固和和高压旋旋喷加固固的漏水水通道冻冻结封闭闭。根据据出洞段段的水文文地质资资料，设设计板块块的冻土土墙平均均温度为为-1

7、0，该土土层冻土土各参数数取值为为抗压强强度压=3.5Mppa ,抗拉强强度拉=2MMpa，抗剪剪强度剪=1.6Mppa 。4.2冻土土墙厚度度h的确定定4.2.11计算水水土压力力：洞口的中心心埋深为为12.8655m（计计算取埋埋深最深深的盾构构出洞口口处隧道道中心标标高），当当处理洞洞直径为为6.77m时，处处理洞口口的底缘缘深度为为16.2155m。则按重液公公式计算算得到水水土压力力为： P=0.0013HH=0.2100Mpaa4.2.22假定加加固体为为整体板板块而承承受水压压力，运运用日本本计算理理论计算算加固体体的厚度度：，计算的冻冻土墙厚厚度为11.688m.表1运用日日本

8、计算算理论的的数据及及结果冻土平均温温度冻土弯拉强强度水土压力 P加固体开挖挖内直径径D系 数完全系数k计算加固体体厚度h-102MPa0.21 MPaa6.7m1.22.01.68mm4.2.33运用我我国建筑筑结构静静力计算算理论公公式进行行验算：圆板中心所所受最大大弯曲应应力计算算公式表2 运用用运用我我国建筑筑结构静静力计算算理论计计算数据据结果水土压力P加固体开挖挖内直径径D冻土泊松比比计算加固体体h计算得加固固体最大大弯拉应应力maxx冻土弯拉强强度-10安全系数k0.21MMPa6.7m0.351.68mm1.04 MPaa2 MPaa1.92max-104.2.44剪切验验算加

9、固固体厚度度 沿盾构构处理切切口周边边验算加加固体剪剪切应力力 表3 剪剪切应力力验算数数据及结结果水土压力P加固体开挖挖内直径径D计算加固体体h最大剪切应应力冻土抗剪强强度-10安全系数k0.21MMPa6.7m1.68mmmax=0.2209MMPa-10=1.6 MMPa7.6max-104.3冻结结孔的布布置：为了封好水水，并根根据要求求，对已已知的漏漏水点进进行布孔孔冻结，设设计冻结结孔的布布置见下下图（冻冻结孔布布置图）。采采用双排排垂直冻结结孔，冻冻结管选选用直径径1277*5mmm200#低碳钢钢无缝钢钢管；冻冻结孔数数23个，冻冻结孔间间距为00.8mm，排间间距为00.7m

10、m，设计计最大终终孔间距距为1.2m，距距槽壁之之间的距距离为00.3mm，冻结结孔深为为19.25mm，采用用局部冻冻结方案案即地表表以下66.7mm不冻，冻冻结范围围为6.719.225m。冻结孔布置置图4.4制冷冷设计4.4.11冻结参参数确定定4.4.11.1设计计盐水温温度为-25-30。4.4.11.2冻结结孔单孔孔流量不不小于5/h4.4.11.3冻结结孔终孔孔间距Lmaax12000mmm，冻土土发展速速度取25mmm/d，冻结结帷幕交交圈时间间为24天，达达到设计计厚度时时间为335天。4.4.11.4积极极冻结达达到开挖挖时间为为35天，维维护冻结结时间为为7天。4.4.1

11、1.5测温温孔3个，深深度为9.119.25mm，布置置在内测测和外侧侧，不布布置在盾盾构进行行区域内内。4.4.22需冷量量和冷冻冻机选型型 冻结需需冷量由由下式计计算： Q=1.3*d*H*KK式中：H冻结长长度d冻结管管直径K冻结管管散热系系数；3000Kcaal/hh*将上述参数数带入公公式得：Q=449946KKcall/h选用YSLLGF3300型螺杆杆机组一一台套，设设计单台台机组工工况制冷冷量为875500KKcall/h，单台台电机功功率1100KW。4.4.33冻结系系统辅助助设备4.4.33.1盐水水循环泵泵选用IS1125-1000200型1台，单单台流量量2000/h

12、，电机机功率45KKW。4.4.33.2冷却却水循环环选用S1225-11002000C型1台，单单台流量量1200/h，电机机功率18KKW。4.4.33.3冷却却塔选用用NBLL-500型2台，补补充新鲜鲜水10/h。4.4.44管路选选择4.4.44.1冻结结管选用用1277*4.5mmm,200#低碳无无缝钢管管。4.4.44.2测温温孔管选选用45*3.55mm220#低碳无无缝钢管管。4.4.44.3供液液管选用用”钢管，采采用焊接接连接。4.4.44.4盐水水干管和和集配液液圈选用用1599*6mmm无缝缝钢管。4.4.44.5冷却却水管选选用1277*4.5mmm供水钢钢管。4

13、.4.55用电负负荷：用用电负荷荷约2200kw/h。4.4.66其它4.4.66.1冷冻冻机油选选用N46冷冻机机油。4.4.66.2制冷冷剂选用用氟利昂昂R-222.4.4.66.3冷媒媒剂选用用氯化钙钙溶液。5冻结施工工5.1钻孔孔工程量量：本次冻结施施工设23个冻结结孔共4600m，3个测温温孔共50mm。打钻选选用XY-11C型钻钻机2台，电电机功率率22KKW，钻孔孔使用灯灯光测斜斜，选用用BW-1600/500型泥浆浆泵2台，电电机功率率14.5KWW。打钻深深度根据据实际施施工情况况为200.5mm左右,多出部部分为沉沉渣要求求。具体体数据见见下表。表4钻孔施施工表桩号日期时间

14、天气仪器高(mm)偏距(cmm)偏角()倾斜率(%)1-1#2008年年7月3日下午晴1-3#7月5日7：00-15：300.8816.855900.98772-2#16：000-200：200.8614.8870.82551-12#21：300-6：160.8517.029012-3#7月6日5：55-10：400.9162550.99222-11#8：00-18：300.805511.93050.70882-4#15:000-199:3000.817.5900.47441-11#19:500-7:000.8115.3442350.97661-4#7月7日6:00-17:200.861400

15、.821-5#17：422-7：400.745515.42900.97882-10#8：00- 188：300.861400.821-10#20：300-7：100.875591850.531-6#7月8日8：00-8：250.665517.4891.022-9#8：00-6：300.8815.433890.98881-9#7月9日8:38 -188：30雨0.905511.73300.71-7#9：00-17：100.82.31260.632-6#17：400-9：400.773316.5450.99882-8#20：355-8：300.9815.630.99992-5#7月10日日09:5

16、55-8：40晴0.615519.53911-8#15：200-7：000.768820931.052-7#7月11日日9：00-9：100.7619.21151.032-1#7月12日日9：40-18：300.9555142900.8755测温孔3#14：300-155：300.751500.56测温孔2#16：455-188：001.0116.5640.99551-2#7月13日日6：25-16：400.7416.817511-1#16：500-7：400.875518.32381.04测温孔1#7月14日日8：15-11：000.9519.53601.055.2冻结结管、测测温管和和供液

17、管管规格：冻结管管选用1277*4.5mmm20#低碳无无缝钢管管，采用用外管箍箍焊接连连接；供供液管采采用”焊管；测温管管采用50*3无缝钢钢管。5.3打压压试验：封闭好孔口口用手压压泵打水水到孔内内，冻结结管打压压0.88Mpaa以上，保保持30分钟，压力无明明显变化化为合格格。经验验收23个冻结结孔全部部达到设设计要求求。5.4盾构构破槽壁壁出洞应应具备的的条件5.4.11冻结系系统各孔孔组之间间、盐水水去回路路温差不不大于-1.22。盐水水总去、回回路温差差不大于于2。经过施施工监测测结果显显示满足足要求（具具体数值值见表7）。积极极冻结44天盐水水降至-18以下，积积极冻结结8天盐水

18、水温度下下降至-24，冻结结系统正正常运转转期间盐盐水温度度降至-25-30之间且且冻结管管无盐水水漏失。符合设计要求。表6 打压压试验表表冻结孔打压压试验桩号日期开始时间压力（Mppa）结束时间压力（MPPa）2-107.1310:4220.9911:12212-910:4551.1411:1551.141-1011:0001.0211:3001.042-715:1880.9915:4880.951-915:3441.0316:0441.021-816:4551.0417:1551.032-616:488117:2880.981-717:077117:3770.992-817:3001.02

19、18:0001.022-417:3551.0718:0551.071-617:5551.0218:2551.021-518:155118:4660.992-518:1770.9818:4770.961-1118:3440.9819:0550.961-47.147:451.048:151.032-117:5018:2011-127:551.188:301.181-39:101.049:401.032-29:301.110:0001.12-39:401.1210:1001.121-116:2881.1116:5881.111-216:3001.0417:0001.042-116:3000.9717

20、:0000.965.4.22根据每每天6次的设设备运行行记录显显示单孔孔、组盐盐水流量量5/h，均均已达到到要求。5.4.33测温孔孔共3个。每每个孔内内分别放放置了5条测温温线（设设置5个测温温点），测测温点深深度距离离地表面面分别为为7m;10mm;13mm;16mm;19mm。盐水水温度于于7月20日开始测测量，测测温孔温温度于77月23日开始测测量。结结果见表表8。测1孔冻土土发展速速度为555mmm/d；测2孔冻土发发展速度度为333mm/d；测3孔冻土发发展速度度为255mm/d；根据据内外发发展速度度，则最最慢向外外冻结发发展半径径为r=255mm35天8775mmm； 内外平平

21、均发展展半径为为13000mmm作图，从从图上测测量出： 冻结帷帷幕厚度度最薄为为17550mmm；大于于设计的的1.6米。因此此冻结帷帷幕厚度度已满足足设计要要求。通过测孔1得出冻结结壁平均均温度为为-100.177，通过过测孔2得出冻结结壁平均均温度为为-100.266。满足设设计要求求。5.4.44设计积积极冻结结期35天，到到8月24日已35天，满满足设计计冻结期期。于是是在洞门门圈上冻冻结孔布布置圈内内与冻结结薄弱区区范围内内各开一一探测观观察孔，实实际观测测冻土墙墙效果。8月25日，在洞门圈内 ，离门圈周围0.5m的位置； 呈米字形各开一探测观察孔，深度为0.9m，孔内土体已结冰无

22、水流出。5.4.55经相关人人员验收通过，可可将洞门门钢筋混凝凝土全部部凿除，进进行盾构构机出洞洞工作。表7盐水去去回路表表日期去路回路7月20日日2.0 4.0 7月21日日-4.0 -2.0 7月22日日-18.00 -16.00 7月23日日-21.00 -19.00 7月24日日-21.00 -19.00 7月25日日-21.00 -19.00 7月26日日-23.00 -21.00 7月27日日-24.00 -22.00 7月28日日-26.00 -24.00 7月29日日-27.00 -25.55 7月30日日-27.00 -25.55 7月31日日-27.55 -26.00 8月

23、1日-28.00 -26.55 8月2日-28.00 -26.55 8月3日-28.55 -27.00 8月4日-29.00 -28.00 8月5日-29.00 -28.00 8月6日-29.55 -28.55 8月7日-29.55 -28.55 8月8日-29.55 -28.55 8月9日-29.55 -28.55 8月10日日-30.00 -29.00 8月11日日-30.00 -29.00 8月12日日-30.00 -29.00 8月13日日-30.00 -29.00 8月14日日-30.00 -29.00 8月15日日-30.00 -29.00 8月16日日-30.00 -29.00

24、8月17日日-30.00 -29.00 8月18日日-30.00 -29.00 8月19日日-30.00 -29.00 8月20日日-30.00 -29.00 8月21日日-30.00 -29.00 8月22日日-30.00 -29.00 8月23日日-30.00 -29.00 8月24日日-30.00 -29.00 表8测温孔孔温度记记录测温孔汇总总记录表表日期1-1#1-2#1-3#1-4#1-52-1#2-2#2-3#2-4#2-5#3-1#3-2#孔深7米10米13米16米19米7米10米13米16米19米6米9米7/2322.515.25.7-2.6-0.531.530.328.92

25、6.52440.439.27/2419.912.24.2-4.7-3.13029.128.62623.539.539.17/2517.69.53.6-5.8-4.72928.727.525.72338.7397/2613.55.7-0.8-9.6-8.525.725.721.523.521.537.535.37/2782.9-6-14.22-1021.822212221.53430.57/2882.9-6-14.22-12212220.521.321.33430.57/297.0 2.9 -6.0 -14.22 -12.33 21.0 21.3 20.5 21.0 21.3 33.0 29.0

26、 7/306.7 2.9 -6.6 -14.77 -12.66 21.0 21.3 19.8 21.0 21.3 32.0 28.3 7/314.1 1.8 -7.4 -15.33 -12.88 21.0 20.3 19.4 21.0 21.0 31.3 27.3 8/13.4 0.3 -10.11 -16.00 -14.22 20.0 19.0 16.5 18.1 21.0 29.7 25.3 8/23.0 -2.0 -10.11 -16.00 -14.55 20.0 19.0 16.5 18.1 21.0 29.7 23.5 8/32.5 -2.5 -10.11 -16.00 -14.55

27、 20.0 19.0 16.5 18.1 21.0 29.7 23.0 8/40.5 -2.9 -10.11 -16.00 -14.55 19.8 17.9 16.5 18.1 21.0 29.7 23.5 8/5-1.3 -3.9 -10.66 -16.44 -14.55 19.5 17.1 16.5 18.4 21.0 29.7 22.0 8/6-2.6 -5.5 -12.66 -18.00 -16.33 18.0 11.0 15.0 17.0 19.5 26.0 20.0 8/7-5.1 -6.7 -13.22 -18.00 -17.11 16.6 11.0 14.0 15.8 18.4

28、 25.7 19.0 8/8-5.4 -8.0 -13.55 -18.55 -17.11 14.8 11.0 12.7 12.7 16.8 25.7 18.0 8/9-6.5 -8.0 -13.55 -18.55 -17.11 14.5 11.0 12.0 12.2 16.6 25.7 17.0 8/10-6.5 -8.0 -13.77 -18.55 -17.11 14.5 11.0 12.0 12.0 16.6 24.6 16.0 8/11-6.5 -8.5 -14.00 -19.00 -17.11 10.9 11.0 10.1 12.0 16.6 23.6 14.5 8/12-7.5 -9

29、.8 -14.55 -19.00 -17.11 10.0 10.0 10.1 12.0 16.3 21.8 12.2 8/13-7.5 -10.00 -14.55 -19.55 -17.11 8.0 9.0 8.3 12.0 16.3 21.2 11.4 8/14-7.5 -10.00 -14.55 -19.55 -17.11 7.4 8.3 8.3 11.6 16.3 20.7 11.0 8/15-7.5 -10.00 -14.55 -19.55 -17.11 7.4 7.0 8.0 11.0 16.3 20.2 11.0 8/16-7.5 -10.00 -14.55 -19.55 -17.

30、11 7.4 7.0 6.7 10.6 16.3 20.0 10.0 8/17-7.5 -10.00 -14.55 -19.55 -17.22 7.3 7.0 5.1 10.3 16.0 20.0 10.0 8/18-7.8 -10.66 -14.55 -19.55 -17.22 6.5 4.8 5.1 10.3 16.0 19.2 9.6 8/19-7.8 -10.99 -14.55 -19.55 -17.22 4.2 4.5 4.2 9.7 14.3 17.4 6.9 8/20-7.8 -10.99 -14.88 -19.55 -17.22 4.2 3.6 4.2 8.4 14.3 16.

31、9 5.4 8/21-9.0 -11.99 -16.11 -20.00 -18.22 3.2 3.2 3.5 7.0 13.4 16.1 5.4 8/22-9.0 -11.99 -16.11 -20.00 -18.22 3.2 3.2 3.2 7.0 13.4 16.1 5.4 8/23-9.0 -11.99 -16.44 -20.33 -18.55 3.2 3.2 3.2 7.0 13.4 15.8 5.1 8/24-9.2 -12.11 -16.44 -20.66 -19.00 2.3 2.3 2.0 6.2 12.9 14.0 3.3 6拔冻结管管措施6.1拔管管方案盐水冰冻达达到盾构出

32、出洞要求求后，立即破破除洞门门，盾构构机靠上上靠上土土体，此此时需要要把盾构构区间内内的冻结结管路拔拔出，以以便盾构构机出洞洞掘进。为防止涌涌水涌砂砂现象的的发生，我们采采用人工工局部解解冻的方方案，进进行拔管管，具体体方法如如下：利利用热盐盐水在冻冻结器里里循环，使使冻结管管周围的的冻土融融化达到到50mmm1000mm时时，开始始拔管。拔管范围为盾构推进区间内的18根冻结管，余下5根保留，用于二次冻结。6.1.11盐水加加热我们采用了了一只2左右的的盐水箱箱储存盐盐水，用用1545kkw的电热热丝进行行加热盐盐水。6.1.22盐水循循环利用流量为为10 /h盐水泵泵循环盐盐水，先先利用30

33、 40的盐水水循环5分钟左左右，然然后6080的盐水水循环达达30分钟左左右，当当回路盐盐水温度度上升到到2530时，便开开始边循循环边拔拔管。6.2冻结结管起拔拔6.2.11起拔 用225吨的汽汽车吊进进行管路路拔除，拔拔起0.5m左左右时，便便停止循循环热盐盐水，用用压风将将管内盐盐水排出出。然后后用吊车车快速拔拔出冻结结管。拔拔管注意意冻结管管与挂钩钩要成一一线，冻冻结管不不能蹩劲劲，拔管管时要常常转动冻冻结管，冻冻结管不不能硬拔拔，如拔拔不动时时，要继继续循环环热盐水水解冻，直直至拔起起冻结管管道设计计长度。6.2.22拔管顺顺序7.2.22.1拔管管要在盾盾构机进进入破开开的槽壁壁内

34、，且且安装好好密封装装置后进进行，盾盾构头部部距冻土土墙不小小于0.2m，以以防影响响拔管。6.2.22.2依次次先拔第第二、第一排盾构构行进区区的冻结结管，不不需完全全解冻。6.2.22.3在隧隧道范围围内所有有的冻结结管全部部拔出盾盾构顶板板以上后后，盾构构方可以以开始推推进，防防止盾构构推进系系统损坏坏冻结管管。6.2.22.4待盾盾构全部部出洞后后，再拔拔起盾构构行进区区以外的的冻结管管。6.2.22.5最后后每拔完完一根冻冻结管要要及时进进行填充充，在隧隧道顶板板以下充充填黄砂砂，隧道道顶板以以上填充充水泥浆浆，并添添加适量量的速凝凝剂，使使其快速速凝固，防防止盾构构在推进进过程中中

35、泥浆从从孔中串串出。6.3二次次冻结待拔管结束束后，我我们将剩剩余的5根冻结结管，连连入冻结结管路中中，启动动冻结设设备继续续冻结。待待盾构完完全通过过冰冻区区后停止止二次冻冻结。7.施工流流程冻结法加固固地层的的主要施施工顺序序为：施施工准备备冻结孔孔施工，同同时安装装冻结制制冷系统统安装冻冻结盐水水系统和和检测系系统冻结运运转探孔检检验盾构出洞洞准备停止冻冻结，拔拔冻结管管盾构推推进。8常见问题题和处理理方法8.1盐水水泄漏：原因：盐水水管路焊焊接质量量不合格格；由于凿凿洞门等等外力因因素损坏坏盐水管管路关闭闭该盐水水管路阀阀门。处理：关闭闭该盐水水管路阀阀门；在可能能的情况况下补设设冻结孔孔；随时准准备液态态氮冻结结薄