冷冻法施工工艺.doc

冷 冻 法 施 工

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目 录
1.1 工程概况 1
1.1.1 工程简介 1
1.1.2 工程地质及水文地质 2
1.2 冷冻法施工工艺及特点 3
1.2.1 施工工艺流程 3
1.2.2 冻结加固设计 5
1.3 冷冻主要物资表 9
1.4 冷冻施工时间表 13
1.5 冷冻质量控制及监测 13
1.5.1 监测内容 13
1.5.2 监测方法 15
1.6 开挖及构筑施工 16
1.6.1 开挖冻结技术指标 16
1.6.2 预应力支架安装 16
1.6.3 土方开挖 17
1.6.4 支护结构 17
1.7 本工程重难点及采取措施 18
1.7.1 冻结壁及管片交接位置处理 18
1.7.2 钢管片及联络通道拱顶交接位置处理 18

1.1 工程概况
1.1.1 工程简介
【南浦站～洛溪站区间】区间长度920m，联络通道设置在里程YDK6+829.561处，上方中心为花坛。联络通道埋深约16m，结构高4.25m，宽3.8m，长6.54m。联络通道采用矿山法施工，结构形式为初期支护+二次衬砌。
联络通道结构见图1、2。

图1 联络通道结构图

图2 联络通道结构剖面图
冷冻前已对联络通道范围地层采用Φ800@600双管旋喷桩加固，相邻排错位布置。加固在08年12月中旬完成。考虑到加固地层地下水流动性较强且位于砂层，采用先联络通道开挖，后切割隧道管片方法，即地层加固后，在地面两隧道之间先施工一竖井（直径2.5m钢护筒）至联络通道位置，然后再使用矿山法开挖联络通道，在联络通道初衬完成后，最后切割管片连通隧道并施工二衬。
1.1.2 工程地质及水文地质
[南浦站～洛溪站]联络通道顶部埋深为15.7m，底部埋深19.8m，穿越地层主要为<3-1>粉细砂层。联络通道上方是：<3-1>粉细砂层、<2-2>、<2-1A>淤泥及<1>杂填土等地层，下方是：<4-1>淤泥质土、<5-2>硬塑粘土、<6>全风化红岩、<7>强风化红岩等。洞身上覆土层为<3-1>粉细砂层、下卧土层为地层<4-1>淤泥质土、<3-1>粉细砂层，剖面图如图3。
勘察报告显示，联络通道地层及隧道上覆地层均为透水地层，渗透系数分别为：<3-1>粉细砂层2.5m/d； <2-2>淤泥质细中砂层1.8m/d。由于地层渗透性强，又距离江边较近，联络通道位置地下水及三枝香水道有直接水力联系。

图3【南浦站~洛溪站】右线联络通道位置地质剖面图

1.2 冷冻法施工工艺及特点
1.2.1 施工工艺流程
联络通道施工可分为冻结孔施工、冻结施工和开挖构筑施工三个主要部分，其主要施工顺序见下图所示。
施工准备
冻结孔封堵
冷冻站系统拆除
图 1
融沉注浆充填
冻结孔施工

冻结站安装
开挖、临时支护
冻结运转(积极冻结和维护冻结)

永久支护
开挖准备

图4 联络通道冷冻法施工流程图

图5 冻结站盐水循环流程图
盐水系统
氟系统
清水系统
盐水泵
盐水箱
闸阀
螺杆压缩机
冷却塔
清水泵
去路
回路
去路
回路

1.2.2 冻结加固设计
1、冻结帷幕设计要求
冻土强度设计指标为：单轴抗压3.6Mpa，抗折2.0Mpa，抗剪1.5Mpa(-10℃) ；
开挖区外围冻结孔布置圈上冻结壁及隧道管片交界面处温度不高于-5℃，其部位设计平均温度为-10℃；
冻结加固厚度为1.8m。
2、冻结孔布置
（1）冻结孔布置
联络通道冻结孔布置采取从两侧隧道打孔方式进行。冻结孔按上仰、水平、下俯三种角度布置，共布置冻结孔64个，其中设置4个穿透孔。
施工技术要求：
冻结孔开孔位置误差不宜大于100mm，应避开管片接缝、螺栓、主筋和钢管片肋板。冻结孔开孔间距最大允许偏斜误差不得大于150mm 。
冻结孔有效深度不小于冻结孔设计深度。冻结管管头碰到冻结站对侧管片冻结孔，不能循环盐水管头长度不得大于150mm。
冻结管用Φ89×8mm,20#低碳钢无缝钢管，冻结管耐压不低于为0.8Mpa，并且不低于冻结工作面盐水压力1.5倍。
冻结管接头抗拉强度不低于母管75%。
施工冻结孔时土体流失量不得大于冻结孔体积，否则应及时注浆控制地层沉降。
首先施工透孔以复核对侧隧道预留口位置偏差及钻孔施工质量，如大于100mm应按保证冻结壁设计厚度原则对冻结孔布置进行调整。
（2）测温孔布置
联络通道测温孔布置7个，上行线布设5个，下行线布设2个，目主要是监测冻结帷幕范围不同部位温度发展状况，以便综合采用相应控制措施，确保施工安全，测温孔布置示意图见附图。
（1） 测温管选用Φ32×4mm,无缝钢管；
（2） 测温管长度每个2～6m；
（3） 管前端焊接密封，管内不得渗水。
（3）卸压孔布置
在冻结帷幕封闭区域内布置4个卸压孔，上行线、下行线各2个（详细布置见（附图6）。在卸压孔上安装压力表，可以很直观监测冻结帷幕内压力变化情况，通过每日观测，及时判断冻结帷幕形成，并可直接释放冻胀压力。
卸压管选用Φ32×3.5mm,无缝钢管；
卸压管长度每个2～3m；
管前端开口，进入土体段钻孔呈梅花状,以确保冻结帷幕内压力有效传递。
（4）冻结孔图纸及相关参数

右线隧道
左线隧道

图6 冻结孔平面布置图

图7 冻结孔剖面布置图

表1 冻结孔参数表

3、制冷设计
积极冻结期盐水温度为-28℃～-30℃，维护冻结期温度为-25℃～-28℃。
积极冻结时间为40天，维护冻结时间为30 天（暂定，实际为从开挖开始至主体结构施工结束）。
冻结孔单孔流量不小于5m3/h。
1.3 冷冻主要物资表

编 号
项 目
单位
数量
备 注
一
主要设备

1
冷冻机组
台
2
单台制冷量为8.75×104 Kcal/h，电机功率110KW
2
盐水泵
台
1
IS150-125－315型，流量200m3/h，电机功率30KW;
3
清水泵
台
1
IS150-125－315型，流量200m3/h，电机功率30KW;
5
测斜仪
台
1

6
测温仪
台
1

7
冷却塔
台
2
KST-80型2台，补充新鲜水10m3/h
8
水平钻机
台
1

9
电焊机
台
2

10
风机
台
2

二
主要材料

1
Ф89×8无缝钢管
M
520
20#低碳钢
2
Ф159×6无缝钢管
M
150
盐水干管和集配液圈
3
Ф45×3.5无缝钢管
M
900
供液管
4
高压胶管
M
1000
耐压0.8MPa
5
冷冻机油
KG
400
N46
6
氟里昂R22
KG
800
制冷剂
7
氯化钙
T
30
冷媒剂
8
单向阀
只
60
开启压力1.0MPa
10
Ф89阀门
只
130

11
Ф159阀门
只
6

12
Ф219阀门
只
20

13
保温材料
M2
800

14
合金钻头
只
80
Ф95
15
合金钻头
只
80
Ф130
表2 冻结施工主要设备及材料用量表

图8 钻孔及钻机

图9 冷冻机组

散热用巨扇
冷却塔
清水泵：提供自身冷却系统水循环
冷却水箱

冷却供水

图10 冷却水系统图

进液主干管
回液主干管

图11 冷冻管路

1.4 冷冻施工时间表
表3 冻结施工时间表
工序
工期
时间（天）
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
施工准备
2

冻结孔施工
18

冻结站安装
18

冻结准备
3

积极冻结
45

维护冻结
25

开挖及构筑
25

拆除
10

总工期
103

1.5 冷冻质量控制及监测
1.5.1 监测内容
1、水平孔施工监测内容
（1）钻孔长度 （2）铺设冻结管长度
（3）冻结管偏斜 （4）冻结器密封性能
（5）供液管铺设长度
2、冻结系统监测内容
（1）冻结器去回路盐水温度； （2）冷却循环水进出水温度；
（3）冷冻机吸排气温度； （4）盐水泵工作压力；
（5）冷冻机吸排气压力 （6）制冷系统冷凝压力
（7）制冷系统汽化压力

图12 干路去回路盐水温度随时间变化曲线
3、冻结帷幕监测内容
（1）冻结帷幕温度场； 　（2）开挖后冻结帷幕表面温度
（3）开挖后冻结帷幕暴露时间内冻结帷幕表面位移

图13 3号孔测点温度变化曲线图
4、周围环境和隧道土体进行变行监测内容
（1）隧道沉降位移监测
（2）隧道水平及垂直方向收敛变形监测（3）地面管线沉降观测
1.5.2 监测方法
1、冻结孔偏斜冻结器密封性能监测
水平冻结孔偏斜监测使用经纬仪结合灯光进行。冻结器密封性能监测采用管内注水，试压泵加压方法试漏，试漏程序及指针符合水平孔冻结器设计要求，每孔测量一次。
2、温度监测
盐水系统和冻结帷幕温度监测，使用测温仪。
制冷系统和冷却水循环以及冻结帷幕帮壁温度使用测温仪并结合精密水银温度计测量，监测频率每天1～3次，必要时每2小时一次。
3、压力监测
制冷系统和盐水系统工作压力安装压力表量测，制冷高压系统选用0～2.5MPa压力表，中低系统选用0～1.6MPa压力表，监测频率，每班一次。
4、地面环境及隧道监测
（１） 地面测点布设
基准点布设：在联络通道位置对应地面中心50m以外稳定区域布设两个沉降基准点（其中一个作为复合点）。
沉降点布设：在联络通道位置对应地面中心20m范围内布置沉降监测点，测点间距5m，在联络通道位置中心及管线和建筑物位置加密布置测点。
（２） 隧道内测点布设
基准点布设：在联络通道50m以外稳定区域分别布设水平位移检测基准点和两个垂直基准点（其中一个作为复合点）。
沉降点布设：在通道两侧50m范围内对隧道水平及垂直方向收敛变形及施工影响范围内隧道整体进行监测。沉降监测点布设在隧道底环片上，测点间距为2m，测点用道钉打入环片内牢固。
位移点布设：位移监测点布设在隧道两肩环片上，测点间距为2m，测点用道钉打入环片内牢固。
隧道收敛监测点布设：监测点布设在上、下、左、右隧道壁上。用红漆做好标记。
1.6 开挖及构筑施工
1.6.1 开挖冻结技术指标
要确定打开管片进行开挖还需结合测温孔资料、卸压孔压力、探孔情况等方面综合考虑，需具备如下条件，方可开挖。
项目
数值
备注
冻结帷幕平均温度
-10℃
用成冰公式法计算
盐水温度
积极期
-28℃～-30℃
用测温仪监测
维护期
≤-28℃
盐水去、回
路温差(包括各支路)
积极期
2℃以内
冻结至设计温度时
维护期
1.0℃以内

卸压孔
交圈前
静水压力
通过压力表观测
交圈后
剧增至0.15～0.3MPa

1.6.2 预应力支架安装
开挖施工之前，在通道开口处隧道管片开口环中不开口部位均匀设置8个支撑点隧道支架（支撑点支撑能力不小于500KN/点），以减轻联络通道开挖构筑施工对隧道产生不利影响。根据结构施工图要求，单个钢支架6个预应力千斤顶、2个固定支撑及支撑保护板等部分组成。
安装方法：在区间隧道上、下行线联络通道开口两侧各架两榀，共四榀，并在联络通道两端沿隧道方向对称布置，每榀支架有8个支点，由6个50t螺旋式千斤顶提供预应力，施加预应力时每个千斤顶要同时慢慢平稳加压，每个千斤顶以压实支撑点为宜。

图14 预应力支架图
1.6.3 土方开挖
经探孔确认可以进行正式开挖后，打开钢管片，然后根据采用矿山法进行暗挖施工。
图15 联络通道开挖顺序图
由于土体采用冻结法加固，冻土强度较高，冻结帷幕承载能力大，因而开挖时可以采用全断面一次开挖，开挖步距为0.5m左右。开挖断面超挖不大于30mm，开挖中心线偏差不大于20mm。另外，冻土强度高，韧性好，需采用风镐进行掘进。

图16 开挖出冻土 图17 测温显示冻土为-9℃
1.6.4 支护结构
采用两次支护方式。第一次支护（临时支护）采用钢支架加木背板和喷射混凝土。第二次支护（永久支护）采用现浇钢筋混凝土。
图18 临时支护及永久支护结构图
1.7 本工程重难点及采取措施
1.7.1 冻结壁及管片交接位置处理
1、重难点
（1）广州地区气温较高。
（2）广州地区水温较高，平均在26℃上下。
（3）由于车站结构施工需要，隧道两端井口均封闭。
以上情况导致隧道内热量无法散发，对冻结部分管片降温影响较大。在冻结50天后管片温度依然在0℃以上。
2、主要措施：
（1）增加鼓风机2台，增大冷却塔附近空气流动。
（2）将回流冷却水直接排放，补充温度较低自来水。
（3）紧贴管片设置冷冻排管。
（4）加厚保温板，在原铺设保温板加铺一层。
1.7.2 钢管片及联络通道拱顶交接位置处理
1、重难点
（1）由于钢护筒散热快，导致钢护筒周边冻土融化，地下水顺着钢护筒往下渗。
（2）钢护筒部分侵入隧道，钢护筒割除将产生大量热散发将冻土融化。
（3）原有WSS注浆孔渗水。
2、主要措施：
（1）开挖过程中每天对钢护筒及筒内土体进行温度监测。
（2）在钢护筒开挖过程中对其采取保温措施，对冻结壁及以上约5m部分进行全部保温。
（3）安装冷冻旁管，对钢护筒进行冷冻。
冷冻旁管
保温板

图19 旁管及保温板布置图