冻结法在地铁盾构隧道联络通道施工中的应用

冻结法在地铁盾构隧道联络通道施工中的应用李栋（中铁十一局集集团城市轨道道工程有限公公司武汉4300074）[摘要]冻结法法是在地层中中按预定间隔隔埋设冻结管管（φ100mm的管径）冷冷却液在冻结结管上循环，则则管周围地层层中的孔隙水水以管为中心心生成年轮形形柱状冻土。若若使邻近的冻冻土柱连结在在一起，即形形成止水墙或或反力墙。冻冻结法施工技技术在国际上上被广泛应用用于城市建设设和煤矿建设设中，已有100多年的历史史，我国采用用冻结法施工工技术至今也也已有40多年的历史史，主要用于于煤矿井筒开开挖施工，自1992年起，冻结结法工艺被广广泛应用于上上海、北京、深深圳、南京等等城市地铁工工程施工中。公公司在杭州地铁隧道道联络通道工程程施工中，采采用了冻结法法加固的施工工方法，本文文通过对施工工工艺的归纳纳总结，以及及参考有关施施工技术资料料，形成本工工法。[关键词]冻结结法地铁联络通道应用1工程概况杭州地铁九堡东东站～乔司南南站盾构区间间隧道联络通通道及泵站位位于区间隧道道中部，联络络通道及泵站站采取合并建建造模式，距距离联络通道道上部地面正正上方14m处有一居民民房，联络通通道上方无重重要管线。拟构筑联络通道道所在位置的的隧片为钢管管片，隧道内内径为φ5.5m，上上、下行线隧隧道中心线距距离15.466m。联络通道道结构见图1。图1联络络通道结构示示意图2工程地质及水水文地质条件件根据离联络通道道最近的地质质勘探孔提供供的地质情况况，联络通道道所处地层上上部和中部为为③5砂质粉土、下下部③6粉砂夹砂质质粉土，见图图1所示。该土土层具有高压压缩性、低强强度、灵敏度度高、透水性性强等特点，在在动力作用下下易产生流变变现象。在该地层内进行行联络通道开开挖构筑，须须对土体进行行稳妥、可靠靠的加固处理理。冻结法加加固土体具有有强度高，封封水性好，安安全可靠的优优点，极适于于本工程。3施工工艺过程程3.1施工方案案选定根据上述联络通通道施工条件件，决定采用用“隧道内水平平冻结加固土土体、隧道内内矿山法开挖挖构筑”的全隧道内内施工方案。即即：在隧道内内利用水平孔孔和部分倾斜斜孔冻结加固固地层，使联联络通道及泵泵房外围土体体冻结，形成成强度高，封封闭性好的冻冻结帷幕。在在冻土中采用用矿山法进行行联络通道及及泵站的开挖挖构筑施工，地地层冻结和开开挖构筑施工工均在区间隧隧道内进行。3.2冻结法的的施工工艺图2冻结法施工工流程图3.3冻结加固固设计3.3.1冻结结帷幕的加固固范围联络通道冻结帷帷幕按冻结加加固设计图的的要求进行施施工。冻结壁壁平均温度设设计为-10℃，相应的冻冻土强度的设设计指标为：：单轴抗压3.6Mppa，抗折1.8Mppa，抗剪1.6Mppa，无侧限抗抗压强度quu≥3.0Mpaa，土体渗透透系数k≤1×0-8cm/ssec。3.3.2冻结结孔、测温孔孔与卸压孔的的布置3.3.2.11冻结孔布置置从上、下行线隧隧道两侧打孔孔方式进行施施工。冻结孔孔按上仰、水水平、下俯三三种角度布置置，共布置冻冻结孔78个，其中上上行线64个，下行线14个。设置穿穿透孔4个。冻结孔孔的布置详见见图3、图4。图3：冻结孔立立面透视图4：冻结孔孔平面布置3.3.2.22测温孔布置置测温孔共布置88个，上行线4个，下行线4个，深度为2～6m，主要是测测量冻结帷幕幕范围不同部部位的温度发发展状况，以以便综合采用用相应控制措措施，确保施施工的安全。3.3.2.33卸压孔布置置在冻结帷幕封闭闭区域内布置置4个卸压孔(利用管片上上的注浆孔)，上行线、下下行线各2个。在卸压压孔上安装压压力表，可以以直观的监测测冻结帷幕内内的压力变化化情况，通过过每日观测，及及时判断冻结结帷幕的形成成，并可直接接释放冻胀压压力。3.3.3冻结结参数积极冻结期盐水水温度为-228℃～-30℃，维护冻结结期温度为--25℃～-28℃。积极冻结时间为为40天，维护护冻结时间与与开挖和结构构施工相同。冻结孔单孔流量量不小于3m3/h。积极冻结7天盐盐水温度降至至18℃以下，积极极冻结15天盐水温度度降至-24℃以下，去、回回盐水温差不不大于2℃，开挖时盐盐水温度降至至-28℃以下。3.3.4需冷冷量计算和冷冷冻机选型冻结需冷量计算算：Q=1..2·π·d·H·K式中:H—冻结结总长度，7725m；d—冻结管直径径；K—冻结管散热热系数；将上述参数代入入公式得出最最大需冷量为为：Q=6.5××104Kcall/h根据以上计算需需冷量，选用用W-YSLLGF3000Ⅱ型螺杆机组组二台套，并并联安装，单单台运行，互互为备用。单单台机组设计计工况制冷量量为8.7×104Kcall/h，电机机功率110KW，完全满满足制冷需求求。3.3.5冻结结系统辅助设设备（1）盐水循环环泵选用ISS150-125－315型2台，流量2000m3/h，电机功功率30KWW。（2）冷却水循循环泵选用IIS150-125－315型2台，流量2000m3/h，电机功功率30KWW。冷却塔选选用NBL--50型2台，补充新新鲜水15m3/h。3.3.6管路路选择（1）冻结管选选用Φ89×8mm,220#低碳钢无缝缝钢管,丝扣连接,另加手工电电弧焊焊接。单单根长度1～1.5m。（2）供液管选选用1.5″钢管，采用用焊接连接。（3）测温管和和卸压管选用用Φ32×3.5mmm,无缝钢管管。（4）盐水干管管和集配液圈圈选用Φ159×6mm无缝钢钢管。（5）冷却水循循环管选用Φ133×4.5mmm无缝钢管。（6）冻结站对对侧隧道的冷冷冻排管选用用Φ32×3.5mmm无缝钢管。3.3.7其它它冷冻机油选用NN46冷冻机机油。制冷剂选用氟立立昂F-222。冷媒剂选用氯化化钙溶液。总用电额定负荷荷约388kw//h。3.4冻结孔施施工图5冻结孔开孔孔及密封装置置示意图3.4.1冻结结孔定位与管管片开孔依据施工基准点点，按冻结孔孔施工图进行行冻结孔孔位位放线，孔位位布置首先要要依据管片配配筋图和钢管管片加强筋的的位置，在避避开主筋、管管片缝、螺栓栓及钢管片肋肋板的前提下下可适当调整整，不大于1100mm。开开孔选用J--200型金金刚石钻机，配φ130mm金刚石取芯钻头进行钻孔，深度约200~250mm，控制不得钻穿管片。用钢楔楔断岩心，取出后，打入加工好的孔口管，且用至少有4个固定点将孔口管固定在管片上，然后安装密封装置，如图5所示。3.4.2冻冻结孔施工顺顺序先施工透孔，根根据穿透孔的的偏差，进一一步调整有关关钻进参数。然然后根据联络络通道施工的的孔位，采用用由上向下的的顺序进行施施工，这样可可防止因下层层冻结孔的施施工引起上部部地层扰动，减减小钻孔施工工时的事故发发生率。3.4.3钻孔孔偏斜和终孔孔控制钻孔的偏斜应控控制在150mm以内，在确确保冻结帷幕幕厚度的情况况下，单排冻冻结孔最大间间距不得大于于1.4m，多排冻结结孔最大间距距不得大于11.68m，否则应补补孔。冻结孔钻进深度度应不小于设设计深度。钻钻头碰到隧道道管片的，不不参与制冷循循环的长度不不大于150mm。3.4.4冻结结孔钻进与冻冻结管设置（1）钻孔设备备使用MD--50钻机一一台，配用BBW250型型泥浆泵，钻钻具利用φ89×8㎜冻结管作作钻杆；冻结结管之间采用用丝扣连接，接接头螺纹紧固固后再用手工工电弧焊焊接接，确保其同同心度和焊接接强度。（2）正常情况况下，钻进时时安装简易钻钻头，直接无无水钻进。如如果钻进困难难时，在钻头头部位安装一一个特制单向向阀门，采用用带水钻进。冻冻结管到达设设计深度后冲冲洗单向阀，并并密封冻结管管端部。（3）钻进过程程中严格监测测孔偏斜情况况，发现偏斜斜要及时纠偏偏，下好冻结结管后，进行行冻结管长度度的复测，然然后再用灯光光测斜仪进行行测斜并绘制制钻孔偏斜图图。冻结管长长度和偏斜合合格后再进行行打压试漏，压压力控制在00.8MPa，稳定15分钟压力力无变化者为为试压合格。（4）在冻结管管内下供液管管,然后焊接冻冻结管端盖和和去、回路羊羊角。生产准备冻结孔测量定位钻机安装找正正常钻进单孔完成纠偏测斜测斜、检漏开孔，安密封装置钻孔结束生产准备冻结孔测量定位钻机安装找正正常钻进单孔完成纠偏测斜测斜、检漏开孔，安密封装置钻孔结束图6：钻孔质量量控制程序图图3.5冷冻站安安装3.5.1冻结结站布置与设设备安装将冻结站设置在在上行线隧道道内，靠近联联络通道位置置。站内设备备主要包括冷冷冻机、盐水水箱、盐水泵泵、清水泵、冷冷却塔及配电电控制柜等。设设备安装按设设备使用说明明书的要求进进行。其布置置参见(附图7：冻结站平平面布置图)。图7：冻结站平平面布置图3.5.2管路路连接、保温温与测试仪表表管路用法兰连接接，隧道内的的盐水管用架架子敷设在隧隧道管片斜坡坡上，以免影影响隧道通行行。在盐水管管路和冷却水水循环管路上上要设置、阀阀门和测温仪仪、压力表等等测试组件。盐盐水管路经试试漏、清洗后后用保温板或或棉絮保温，保保温厚度为550mm，保保温层的外面面用塑料薄膜膜包扎。集配配液圈与冻结结管的连接用用高压胶管，每每组冻结管的的进出口各装装阀门一个，以以便控制流量量。冷冻机组的蒸发发器及低温管管路用棉絮保保温，盐水箱箱和盐水干管管用50mmm厚的保温板板或棉絮保温温。联络通道两侧管管片保温：由由于混凝土和和钢管片相对对于土层要容容易散热得多多，为加强冻冻结帷幕与管管片胶结，联联络通道两侧侧管片表面采采取保温措施施，以减少冷冷量损失。将钢管片格栅内内用素砼填充充密实，然后后采用PEFF板保温板对对冻结帷幕发发展区域管片片进行隔热保保温。保温范范围为冻结帷帷幕区域处加加向外扩展2m。在冻结站对侧隧隧道的冻结管管的端部区域域范围内布置置冷冻排管，然然后采用PEEF板对冻结结排管进行覆覆盖隔热保温温。3.6积极冻结结与维护冻结结3.6.1冻结结系统试运转转与积极冻结结设备安装完毕后后进行调试和和试运转。在在试运转时，要要随时调节压压力、温度等等各状态参数数，使机组在在有关工艺规规程和设备要要求的技术参参数条件下运运行。冻结系系统运转正常常后进入积极极冻结。此阶段为冻结帷帷幕的形成阶阶段，积极冻冻结期盐水温温度为-288℃～-30℃，设计冻结结时间40天，视现场场实际冻结效效果，如不能能按时达到冻冻结壁的设计计要求，可延延长积极冻结结时间。3.6.2维维护冻结在积极冻结过程程中，要根据据实测温度资资料判断冻结结帷幕是否交交圈和达到设设计厚度，同同时要监测冻冻结帷幕与隧隧道的胶结情情况，测温判判断冻结帷幕幕交圈并达到到设计厚度且且与隧道完全全胶结后，可可进入维护冻冻结阶段。维护冻结期温度度为-25℃～-28℃，冻结时间间贯穿联络通通道及泵站开开挖和主体结结构施工始终终。3.6.3冻结结质量控制程程序充氟、试运转维护冻结充氟、试运转维护冻结冻结结束冷却水供给检测生产准备基础施工安装设备试压试压包扎冻结孔验收冻结器安装积极冻结图8：冻结质量量控制程序3.7具备开挖挖冻结技术指指标要确定打开管片片进行开挖还还需结合测温温孔资料、卸卸压孔压力、探探孔情况等方方面综合考虑虑，需具备如如下条件，方方可进行开挖挖构筑的施工工。项目数值备注冻结帷幕厚度达到设计要求根据测温孔推算算冻结帷幕平均温温度-10℃用成冰公式法计计算盐水温度积极期-28℃～-330℃用测温仪监测维护期-25～-288℃盐水去、回路温差(包括各各支路)积极期2℃以内冻结至设计温度度时维护期1.0℃以内卸压孔交圈前静水压力通过压力表观测测交圈后剧增至0.155～0.3MPPa3.8融沉控制制及收尾工作作3.8.1融沉沉控制本联络通道所处处的地面环境境较好，没有有重要的建筑筑物及管线，同同时冻结加固固的土层主要要为③5砂质粉土、③6粉砂夹砂质质粉土，拟采采用自然解冻冻结合跟踪注注浆的的方式式来控制融沉沉。并根据监监测反馈的信信息，进行动动态调整注浆浆参数。3.8.2收尾尾工作（1）浇筑完集集水井砼结构构层即可停冻冻，进行施工工设备的拆除除工作，并清清理、整理现现场，按要求求跟踪注浆。（2）冻结孔管管补强：冻结结站拆除，回回收供液管，放放出CaCll2盐水后，割割去露出隧道道管片的孔口口管和冻结管管，并在孔口口管管口焊接接δ12㎜厚的封口口板封闭管口口。（3）待通道混混凝土结构达达到设计强度度后，拆除隧隧道内的钢支支架，并再次次对称拧紧特特殊衬砌环内内的所有连接接螺栓。（4）按设计在在集水井上方方加装钢盖板板。（5）用砼浇筑筑钢管片内格格栅，并将外外露钢构件表表面刷涂环氧氧沥青漆二度度。（6）整理、修修整、清理联联络通道施工工现场，并用用清水进行冲冲洗，通道内内不得有泥浆浆、油污和上上道工序留下下的施工设备备。4.实践结论通过冻结法在实实际施工中的的应用，我们们可以知道冻冻结法在工程程实践中具有有很多的优势势：（1）封水性好好———有自由水(一般情况下下含水率应大大于10%,否则要采取取增加土层湿湿度的辅助工工法)就能冻结成成冻土,形成冻土壁壁。无论是透透水层,还是隔水层,冻土壁可以以阻隔地下水水侵入,形成干燥的的施工环境。（2）强度高————一般认为冻冻土是一种黏黏弹塑性材料料,其强度同土土质、容重、含含水率、含盐盐量及温度等等因素有关,一般可达到2～10MPPa,远大于融土土强度,从而起到结结构支撑墙的的作用。（3）适应性强强———适应各种土土层及多种地地下工程,尤其适用于于含水量大、地地层软弱、其其他工法施工工困难或无法法施工的地下下工程。（4）复原性————施工结束土土层恢复原状状,对土层破坏坏性很小。这这是其他工法法所无法比拟拟的。（5）绕障性———