下穿福民站冻结施工方案.doc

1 工程概况
拟建的深圳地铁7号线水围站至福民站区间位于深圳市福田区。深圳地铁7号线沿福民路，下穿深圳地铁4号线福民站，将与深圳地铁4号线福民站换乘，与4号线福民站剖面关系图如图1.1所示。穿越段长度为20.8m，东端与福民站相连，与地铁4号线福民站斜交成77°。
穿越段紧贴地铁4号线车站底板，所处地层范围内上覆第四系全新统人工堆积层（Q4ml）、冲洪积层（Q4al+pl）、第四系晚更新世冲洪积层（Q3al+pl）、花岗岩残积层（Qel），下伏燕山期花岗岩（γ53）。地形地貌属海积平原地貌，地势较为平坦，地面高程一般为4.96～6.50m。地下稳定水位埋深1.20～5.80m，稳定水位高程-0.86～3.91m，水位变幅0～4.60m，主要补给来源为大气降水，排泄途径主要是蒸发和径流。

图1.1 穿越段与4号线福民站剖面关系图
2 穿越段施工方法选择
穿越段施工范围内上下土层为砾质黏性土和全、强风化花岗岩，遇水易崩解，饱和状态下受扰动后，易软化变形，强度、承载力骤减。同时，穿越施工过程中，需保证原地铁4号线的围护结构、车站的底板不受影响，并保证4号线能正常运营，施工难度大。根据以往施工经验，目前在隧道工程施工中经常采用的降水、注浆、管棚以及顶管等工法在该工程中都难以实施，或存在极大的风险。根据本站特点，拟定对穿越段采用水平冻结法加固地层，矿山法开挖的方案。
3 穿越段水平冻结法施工综述
由于穿越段紧贴地铁4号线福民站，施工过程中必须根据施工基准点，按冻结孔施工图准确布置冻结孔，钻孔过程中严格控制冻结孔偏斜率，确保冻结壁的形成质量，保证4号线正常运营。钻孔结束后架设冷冻站，调试制冷设备做好冻结准备工作，进行积极冻结，按照设计要求积极冻结50天，待冻结壁强度达到要求后进行隧道开挖支护，同时进行维护冻结。待穿越段隧道开挖结束并内衬成环后便可以停止冻结并拔出冻结管，进行回填注浆。具体施工流程图如图3.1所示。
钻孔测斜及纠偏
检测
施工准备
钻机就位
测量布孔
钻孔、冻结管安装
供液管安装
形成冻结帷幕
正常运转
冻结帷幕维护及隧道开挖
停冻、冻结管注浆
制冷站及管路拆除
回填注浆
设备检修保养
隧底解冻及地基注浆加固
混凝土内衬
制冷站及管路安装
充R22、化CaCl2试运转

图3.1 水平冻结施工流程
3.1冻结孔施工
冻结管选用ф108×8mm低碳无缝钢管，采用螺纹连接并手工补焊，钻机平台采用满堂脚手架管搭建，脚手架管平面间距为0.6m×0.6m，钻机底盘下垫方木。采用冻结孔钻进专用组合钻具跟管钻进，钻孔测斜采用高精度水平钻孔陀螺测斜仪，钻孔浅部可用经纬仪灯光测斜校准。
3.1.1冻结孔质量要求
根据施工基准点，按冻结孔施工图布置冻结孔。冻结孔孔径110mm，孔间距800mm，冻结孔钻进深度误差为-0.2～+0.3m，钻孔偏斜率控制在1%以内。
3.1.2冻结孔开孔
冻结孔用金刚石取芯钻开孔，每个钻孔安装孔口管，孔口管用无缝钢管加工，钻进时孔口管安装孔口密封装置。
3.1.3水平冻结孔夯管法施工
（1）如受端头井内梁、板等结构限制冻结孔不能按设计布置，冻结孔按放射状钻进，即孔底位置按设计确定，开孔位置向预留洞门边缘移动。
（2）冻结孔施工顺序为：先施工冻结孔，再施工测温孔；先施工下部的冻结孔，再施工上部的冻结孔。

图3.2 夯管示意图
（3）在现场进行冻结管配管，记录各节管材长度并依次编号。每节冻结管长度应尽量长，并且必需顺直。
（4）安装夯管锤导轨和夯管锤。在孔口管上连接孔口密封装置，在孔口密封装置中插入第一节冻结管并与夯管锤连接。
（5）用精密地质罗盘调整冻结管和夯管锤方位，使冻结管和夯管锤在设计冻结孔轨迹上。
（6）压紧孔口密封装置，打开控制阀门，开始夯管。夯进前1m冻结管时，要控制夯进速度（减小供风），反复校核冻结管方向，调整夯管锤位置，检查偏斜无问题后方可继续夯进。
（7）逐节夯入冻结管。焊接冻结管时用1m靠尺检查确保顺直，焊缝要饱满并用角磨机打磨与管壁齐平。
（8）用测杆复核夯入冻结管达到设计深度。压紧孔口密封装置，移走夯管锤。
（9）进行冻结管试漏，试漏压力控制在1.0～1.2MPa之间。压力稳定30分钟无变化者为试漏合格。
（10）试漏合格后，在冻结管内下入供液管。记录每节供液管的长度，核对下入供液管长度与冻结管长度一致无误。
3.1.4冻结站布置与设备安装
站内设备主要包括配电柜、冷冻机组、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及清水池等。冻结站布置主要设备布置见图3.3。设备安装按设备使用说明书的要求进行，在水泵进出口、盐水干管两端、集配液圈与冻结器之间安装控制阀门；在冷凝器进出口安装测温点；在去回路盐水干管两端安装温度和压力测点；在回路盐水干管出口安装电磁流量计；在每个冻结器与集配液之间安装流量测量回路；在盐水箱安装液面指示警报器。

图3.3 冻结站布置示意图
3.1.5管路连接、保温与测试仪表安装
盐水和冷却水管路用管架直接铺在地面上，法兰连接。去、回路盐水干管用管架固定在工作井井壁上。温度计、压力表和流量计安装按设计进行。盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温，保温层厚度为50mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎。
冷冻机组的蒸发器及低温管路用50mm厚的软质泡沫塑料保温，盐水箱和盐水干管用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保温。
3.1.6溶解氯化钙和机组充氟加油
先在盐水箱内注入约1/4的清水，然后开泵循环并逐步加入固体氯化钙，直至盐水浓度达到规范要求。溶解氯化钙时要除去杂质。盐水箱内的盐水不能灌得太满，以免高于盐水箱口的冻结管盐水回流时溢出盐水箱。
机组充氟和冷冻机加油按照设备使用说明书的要求进行。首先进行制冷系统的检漏和氮气冲洗，在确保系统无渗漏后，再充氟加油。
3.2积极冻结
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计要求的技术参数条件下运行。在冻结过程中，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。要求一周内盐水温度降至-20℃以下。
3.3试挖与维护冻结
根据水文孔观测确定冻土帷幕已经交圈，并根据实测温度判断冻土帷幕达到设计厚度后，再用取芯钻打入冻土帷幕内部未冻土中2m以上，确认冻土帷幕内无动水。然后，可以分区打开工作井井壁。开挖至土层内后，实测冻土帷幕的厚度、表面温度和变形，如已达到设计要求，则可进入正常施工，否则应停止掘进，加强冻结，并分析原因，采取相应措施。
隧道正式掘进后进入维护冻结期。原则上，掘进期间的维护冻结盐水温度与盐水流量与积极冻结相同，如施工中根据实测分析，确实证明冻土帷幕扩展速度比预计的要快，冻土帷幕有足够的承载力与稳定性，已满足设计要求，可以适当提高盐水温度，但最高不能高于-20℃。开始做内衬后，在确保外衬安全的情况下，可以提高盐水温度，甚至提前停止冻结。
3.4隧道开挖及支护
当冻土层有效厚度及强度达到要求，冻结施工进入维护冻结期后按分部开挖法进行施工，开挖时，首先选用人工开挖未冻结的土层，再利用风镐掘进冻土。开挖过程中冻结帷幕暴露面温度不得高于-5℃，且暴露时间控制在24h内，同时，在喷射混凝土中掺加复合早强剂。衬砌立模时严格控制模板外形尺寸不能侵入衬砌内轮廓线，并向外不超过50mm，并堵好堵头板，以保证模板接缝外不漏浆液。
内衬施工时加强混凝土施工的连续性。为加快混凝土硬化和防止局部冻坏，混凝土内加入早强防冻减水剂和早强防冻剂，增强混凝土的抗渗性能及耐冻性，并在施工时加强混凝土振捣，杜绝蜂窝麻面。
3.5隧道地基强制解冻和停止冻结
施工完初衬后，在隧道下方冻结孔中循环热水，使隧道地基的冻土帷幕解冻。然后进行隧道地基注浆处理。注完浆后，浇筑混凝土内衬，完工后即可停止冻结。停冻后截去孔口管，然后在孔口管内抽出盐水后注浆充填。
3.6制冷站和供冷管路拆除
拆除制冷站和供冷管路的时机及要求为：
（1）衬砌施工完后，停止冻结并拆除制冷站，注意：停止冻结后仍需加强观测。
（2）解冻过程中应经常观测隧道发生的变化，发现问题及时处理。
3.7回填注浆
在进行混凝土浇注时，埋设注浆管，再根据监变形资料确定注浆量，进行跟踪注浆，以控制和消除冻土的融沉，注浆工作一直持续到监测工作结束。
4 冻结施工重难点分析与对策
本次水平冻结施工为深圳地铁7号线穿越深圳地铁4号线福民站时进行的加固施工，由于穿越段隧道紧贴4号线福民站，施工过程中重难点主要为：冻结孔钻孔施工、冻结壁的质量保证以及冻结过程中的冻胀、融沉对地铁4号线福民站的影响。
4.1冻结孔的钻孔施工
由于隧道穿越地层含水，冻结孔施工必须采用二次开孔工艺，以防钻透地下连续墙时大量出泥出水，影响钻孔施工。冻结孔长度较长，冻结段紧贴地铁4号线福民站，为了保证冻结壁形成的质量，钻孔过程中要严格控制钻孔偏斜率。具体操作如下：
（1）冻结孔施工采用二次开孔工艺，一次开孔采用金刚石取心钻在地下连续墙上钻进一定深度，保证不钻透连续墙。一次开孔钻进完毕，下入孔口管并安装阀门，接着进行二次开孔钻进，直至钻透连续墙。待连续墙钻透后，立即退出开孔钻头，关闭阀门，防止钻孔漏水喷砂。
（2）下冻结管采用夯管法进行施工，夯管和钻进时安装类似轴封的孔口止水装置。对于需要穿透对侧地下连续墙的冻结孔，则先用夯管法下套管(套管下至对侧连续墙墙面)，然后用钻机在套管中钻透对侧连续墙，再用夯管法下入冻结管。钻进对侧地下连续墙时，钻头部位安装逆止阀和岩心管。
（3）下完冻结管后，对冻结管与孔口管及套管间的间隙和孔口附近地层进行注浆充填。下泄压管(滤水管)时，在泄压管内装满三合土，以防夯进泄压管时出水，影响施工。
（4）确保冻结孔定位准确。冻结管夯进时，按照设计要求预设朝隧道外结构面法向的偏角，以防冻结孔太靠近开挖面，影响冻结壁有效厚度。
（5）钻孔的测斜和防偏。钻孔施工应采用牢固、稳定性好的施工平台，在钻孔开孔前，采用罗盘和经纬仪找倾角和方位角，钻进过程中必须使用应用水平陀螺测斜仪进行测斜应每隔20m测斜一次。在施工第一个冻结孔时，应分析主要地层钻进过程的参数变化情况，并检查地质、水文情况，发现异常，应及时采取针对性措施。
4.2冻结壁质量保证措施
冻结段下穿已运营的地铁4号线福民站，为了保证施工安全，并不影响4号线的正常运营，必须确保冻结壁的施工质量。
（1）采用措施进行冻结壁边界保温，穿越段顶部和东西两侧均为4号线福民站的混凝土结构，属易散热体。为了保证冻结壁质量，施工中对这三侧混凝土结构暴露面采用喷保温层的方法进行保温。
（2）控制冻结孔与地铁4号线车站底板间的距离。由于混凝土散热比土层要容易得多，会严重影响车站底板和地下连续墙附近土层的冻结速度和冻土强度，进而影响冻结壁的整体稳定性和封水性。为此，设计要求位于地铁一号线车站底板下的冻结孔要尽量靠近底板布置，并在车站底板下挨近底板加布冻结孔，确保车站底板下的冻结壁厚度与温度达到设计要求。
（3）为了确保冻结壁与对侧地下连续墙之间没有影响安全的薄弱环节，穿越段外围冻结壁侧墙和底板的主冻结孔和冻结管必须穿入对侧地下连续墙。
（4）加强冻结过程中的检测和控制。通过检测和控制各冻结孔的盐水流量和盐水温度，使冻结壁快速均匀发展。在穿越段开挖过程中，通过对冻结壁暴露面和支护层的温度、变形以及地铁4号线福民站结构变形等的监测，判断冻结壁质量是否满足设计要求，冻结施工是否会对福民站的正常运行和穿越段开挖造成不良影响，并根据具体情况，及时调整冻结时间、冻结盐水温度和盐水流量，确保开挖施工安全顺利。
4.3冻胀及融沉对既有地铁站的影响
土层冻胀主要是土层中水结冰膨胀引起，影响因素除含水量的多少外，还与冻土压力大小、冻结速度快慢、冻结温度高低、冻土中水量补给状况等因素有关。冻土的融沉是相对冻胀产生的，因为冻土融化后，土中水分因自重作用淅出，融土在围岩压力及颗粒自重作用下，压缩体积引起融沉。冻结段紧贴深圳地铁4号线福民站，为了不影响地铁4号线正常运营，在冻结施工过程中必须采取措施控制冻胀和融沉，具体操作如下：
（1）在冻结壁内未冻土中设泄压孔，通过放水、排泥来减小冻结壁内的水土压力和消散作用在地铁4号线福民站底板上的冻结附加力。泄压孔钻孔直径不应小于140mm，滤管不包纱网，以便在冻胀引起地层压缩时，可从泄压孔泄水或排除部分土体。施工过程加强车站结构和底层的变形监测，根据监测结果和泄压孔中的水压变化情况进行泄压。
（2）在地铁4号线福民站底板附近增设冻结孔和加热孔，加热孔兼作测温孔。根据工程监测结果，合理调整冻结孔的供冷量。在特殊情况下，还可通过在加热孔中循环热水来迅速提高冻结壁温度，使冻结壁软化，从而减小冻胀力。在采取上述措施的同时，还注意控制好福民站底板附近冻结孔的盐水流量，使车站底板下边的温度处在-5～-10℃之间，在保证冻土强度的情况下，尽量减小车站底板温度应力。
（3）施工工程中合理安排冻结顺序，减小冻胀引起的地层变形。根据不同位置冻结壁受力分布情况以及不同位置地层的冻胀和强度特性变化，分步进行冻结。可以让4号线福民站底板下第二、三排冻结孔推迟开冻，以便形成缓冻层，减小冻胀力。
（4）在积极冻结过程中，待福民站底板隆起接近警戒值时，立即减少车站底板下1～2m范围内冻结孔的供冷量，使冻土温度升高，利用高温冻土在荷载作用下容易蠕变和应力松弛显著的特点，迅速减小冻结壁作用在车站底板上的冻胀力，从而达到减小车站底板隆起量的目的。
（5）在靠近福民车站底板附近冻结壁墙界面上水平布置冻胀变形释放孔。根据车站底板变形监测情况，必要时可拔出冻胀释放孔内的钢管，使土体内的冻胀力得到释放。
（6）对冻结过程中车站结构的变形或受力变化情况进行监测，分析冻结施工对车站结构的最终影响，为调整冻结施工参数提供依据。通过调整盐水流量和盐水温度来控制冻结壁厚度，使其保持在设计值左右。冻结工程中可以适当降低盐水温度，加大盐水流量，以利加快冻结壁发展速度，减少冻土的水分位移，即减少冻胀。
（7）在隧道开挖过程中，预埋注浆孔，在冻结壁融化时，视融沉发展情况，及时跟踪压密注浆控制融沉。在地面和车站底层设测点，跟踪监测位移情况，及时分析，及时处理，视情况可采用液氮冻结法补强、注浆措施控制融沉等情况。
（8）由于冻结壁解冻时有少量收缩，从而使地层产生融沉，可能给上部4号线福民站带来不良影响。为此，施工时在隧道衬砌上预留注浆管，在冻结壁化冻过程中进行注浆，以补偿地层融沉。
（9）为防止大面积解冻引起结构的突然沉降，我们采用分区强制解冻的方式，先侧墙后底板，逐步将冻土融化。停冻后采取强制化冻措施，以尽快化冻，恢复穿越段附近地层的水土压力，减小地铁4号线福民站底板沉降，缩短融沉补偿注浆工期。
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