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1、地铁冷冻法施工工法 中铁十二局集团有限公司 一、前言 广州地铁二号线过清泉街断裂带位于连新路下、隧道上方应元路口交通繁忙，地面周边环境极其复杂。而且隧道的地质构造与地层岩性变化复杂，清泉街断裂带与地铁斜交，稳定性差，导水性强，施工难度高，风险大。我们在施工中成功运用全断面隧道长距离水平冷冻法施工技术，很好的解决了这一技术难题，完成了国内最长冻结长度的隧道冷冻法施工。我们将施工实践加以总结形成本工法。 二、工法特点 1、冻结加固体强度高，可以做到不漏水，洞内施工环境较好。 2、施工安全，隧道进洞开挖后，进展较快。 3、不受地表场地及深度限制，且不污染环境，对周边环境影响较小，
2、适合城市地下建设，特别是繁华市区内工程建设。 三、适用范围 本工法适用于对通过断层破碎带、流砂层、淤泥层等易坍塌且富含水隧道的地层加固。 四、施工工艺 （一）工艺原理 冷冻法加固土体，矿山法开挖构筑的基本原理是：在隧道周围布置水平冻结孔，并在冻结孔中循环低温盐水，使冻结孔附近的含水地层结冰，形成强度高，封闭性好的冻结壁（冻结帷幕），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。水平地层冻结加固和开挖构筑的主要施工顺序为：施工准备——— 冻结孔施工，同时安装冻结制冷系统——— 安装冻结盐水系统和监测系统———积极冻结———试挖———隧道掘进与临时支护，维护冻结———永久支护——
3、—停止冻结。其关键工序是冻结孔施工和冻结过程的监测与控制(见图1)。 施工准备 施工机房、基础 冻结站安装 集配液圈安装 盐水系统安装、保温 冻结器安装 充R22、化CaCl2、试运转 设备检修保养 正常运转 检测 试 挖 正式掘砌 冻结管充填 拆
4、 除 图1 冻结施工程序 （二）施工方法 1、施工准备 (1)用风机房基坑作冻结施工工作井。风机房基坑尺寸应满足冻结孔布置和打钻的需要。 (2)工作井内设上、下人的扶梯。用2#钢管搭建脚手架，并铺设5cm厚的木板作为冻结孔施工平台。施工平台上搭建雨蓬。施工平台搭建要考虑隧道掘进施工的要求。 (3)冻结施工用电直接由工地变电站供给。变电站与动力设备的开关柜之间用电缆连接。 (4)在工作井下与地面之间敷设供、排水管各一道，并在工作井内设流量不小于30m3/h的排水用潜水泵一台。 (5)泥浆池也设在工作井内。打钻设备用汽车起重机吊到工作井下。 2、冻结孔施工 (1)冻结管
5、测温管、水文管和供液管规格 冻结管、测温管和水文管均选用壁厚不小于7mm的φ108低碳无缝钢管，单根管材长度2～4m,采用丝扣连接。冻结管连接用手工焊、补焊。在含水层位置水文管设滤孔，滤孔面积为10%。供液管选用内径50mm的聚乙烯增强塑料管或钢管。冻结管羊角用2#钢管。 (2)打钻设备选型 针对水平冻结孔的施工特点以及施工场地的限制，要求所选用的钻机至少能打70m长的钻孔并容易控制钻孔偏斜度，输出扭矩与给进力大，钻机的体积要小，分解方便，搬运灵活。为此，选用中煤煤炭科学研究总院研制的水平钻机，其主要技术性能参数为： 输出扭矩 2000kN·m 给进及起拔力
6、50kN 钻孔最大直径 Ф127mm 最大行程 480mm 用冻结管作钻杆。视地层不同采用刮刀钻头、牙轮钻头和全断面金刚石钻头，钻头后面连接系自行研制的逆止和密封装置。钻孔测斜采用专门研制TY-1型压电式高精度水平钻孔陀螺测斜仪，浅部用经纬仪灯光测斜校准。 (3)冻结孔质量要求 根据建设方提供的施工基准点，按冻结孔施工图布置冻结孔。孔位偏差不应大于50mm。冻结孔孔径为127mm。冻结孔实际钻进深度应壁设计深度大0.5m。钻孔的偏斜应控制在8‰以内，成孔最大间距不大于2m。 (4)冻结孔开孔 在冻结孔布孔高度范围内用Ф38mm小口径钻钻孔检查地层稳定性，如
7、有冒砂现象，则需进行双液壁后注浆。如发现土层水压较大，则需安装孔口管后再行钻进。安装孔口管时先用Ф140mm金刚石取芯钻进250mm左右，然后插入孔口管并用锚固树脂锚固。孔口管用Ф139×6mm无缝钢管加工，旁路接1.5’截止阀及泥浆管接头。管口安装法兰及压紧密封装置。 (5)冻结孔钻进与冻结器安装 ①按冻结孔设计方位要求固定钻机。随钻机放入冻结管。冻结管丝扣要补焊。冻结管下到设计深度后下堵丝密封头部。 ②为了保证钻孔精度，开孔段钻进是关键。钻进前10～20m时，要反复校核钻杆方向，调整钻机位置，并用经纬仪或陀螺仪检测偏差无问题后方可继续钻进。 ③冻结管下入孔内前要先配管，保证冻结管同
8、心度。下好冻结管后，用测斜仪进行测斜，然后复测冻结孔深度。冻结管长度和偏斜合格后安装底部密封丝堵，并进行打压试漏。冻结孔试漏压力控制再0.8～1.2MPa之间，稳定30分钟压力无变化者为试压合格。 ④冻结管安装完毕后，用堵漏材料密封冻结管与基坑混凝土墙之间的间隙。 ⑤在冻结管内下入供液管，然后安装去、回路羊角和冻结管端盖。测温孔施工方法和要求与冻结孔相同。水文孔安装后要进行洗孔，确保出水畅通。 3、 冻结制冷系统安装 (1)冻结制冷设备选型与管路设计 ①选用YSKF220型冷冻机2套，YSKF216型冷冻机2套，当盐水温度在-24°C，冷却水温度28°C时，其总制冷量为677680k
9、cal/h。冷冻机组电机总功率为610kw。 ②8SH-13A盐水循环泵2台，流量270m3/h ，扬程36m，电机总功率90kw。 ③S125-100-200冷冻水循环泵3台，流量200m3/h ，扬程20m，电机总功率55.5kw;DBL-200型冷却塔3台，电机总功率16.5kw。 ④设盐水箱一个，容积6m3。 ⑤盐水干管和集配液管均选用Ф219×8mm和Ф159×6mm钢管，集、配液管与羊角连接选用2#高压胶管。 ⑥冷却水管总管和支管分别选用12#和6#焊管。 ⑦在去、回路盐水管路上安装压力表、流量计、温度传感器和控制阀门。 ⑧冷冻施工冷却水用量为50 m3/h,总用电量
10、约780kw。 ⑨其他 冷冻机油：选用N40冷冻机油。 制冷剂：选用R22制冷剂。 冷媒剂：用氯化钙溶液作为冷冻循环盐水。 冻结管封闭：冷冻端封头采用中煤公司的专利技术。 (2)冻结站布置与设备安装 将冷冻站布置在风机房基坑附近地面。站内设备主要包括配电柜、冷冻机、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及清水池等。设备安装按设备使用说明书的要求进行。 (3)管路连接、保温与测试仪表安装 盐水和冷却水管路用法兰连接。管路应固定牢固。去、回路盐水管路和冷却水循环管路上安装压力表、流量计、流量计和控制阀门。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
11、料薄膜包扎。集配液圈与冷冻管的连接用高压胶管，每根冻结管的进出口各装阀门（或夹板）一个，以便控制流量。 冷冻机组的蒸发器及低温管路用棉絮保温，盐水箱和盐水干管50mm的聚苯乙烯泡沫塑料板保温。 (4)溶解氯化钙和机组充氟加油 盐水（氯化钙溶液）比重为 1.260～1.265,先在盐水箱内充满清水，逐步溶解氯化钙，再送入盐水干管内，直至盐水系统充满为止，溶解氯化钙时要除去杂质。 (5)积极冻结与维护冻结 ①冻结系统运转与积极冻结 设备安装完毕后进行调试和试运转。再运转时，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
12、度、盐水流量和冷冻壁扩展情况，必要时调节冻结系统运行参数。冷冻系统运转正常后进入积极冻结。要求一周内盐水温度降低至-20°C以下。 ②开挖与维护冻结 在积极冻结过程中，要根据实测温度数据判断冻结壁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再进行探孔试挖，确认冻结壁内土层基本无孔隙水压后再进行正式开挖。正式开挖后，根据冻土帷幕的稳定性，可进入维护冻结，但盐水温度不应高于-18°C。在开挖过程中，要定期检测冻结壁暴露面的温度与变形，发现问题，及时处理。 4、冻结施工质量的检验与控制方法 (1)冻结孔施工质量检验与控制 冻结孔施工使本工程的关键工序。冷冻孔施工按下图2所示的
13、钻孔质量控制程序”进行。其质量要求和检验、控制方法见表1。 (2)冻结系统安装质量检验 冻结系统安装质量是冻结施工的基本保证条件之一。冻结系统安装质量标准与检验方法见表2。 (3)冻结系统运转与冻结壁形成质量检验 冻结系统运转正常是冻结壁按设计形成的前提条件。冻结系统运转是否正常和冻结壁是否按设计形成，直接影响冻结和隧道掘砌施工的安全和速度。冻结系统运转与冻结壁形成质量指标与检验方法见表3。 施工准备 搭设工作平台 测量定孔位 钻机安装 定向开孔 安装孔口装置、导向管、扶正器 移位、找正 调制泥浆 正常钻进、下管
14、 测斜 纠 偏 成孔测斜 冻结器密封 试 压 单孔完成 图2 钻孔质量控制程序 冻结孔施工质量的检验与控制方法 表1 序号 检测内容 设计要求 检验与控制方法 1 冻结孔孔位 偏离设计孔位不大于5cm 以隧道中心线和隧道轨面(或腰线)为基准，用钢卷尺测量放孔位。安装孔口管和成孔后对孔位进行复核。 2 冻结孔深 比冻结长度大0.5m～1.5m 钻进时丈量钻杆或跟管钻套管长度。成孔后下1寸钢管复测孔深。 3 冻结孔偏斜 不大于8‰ 用陀螺测斜仪测斜，开孔段用
15、经纬仪灯光测斜校核。钻进时每隔10～20m测量一次钻孔偏斜，并将测斜结果绘制在控制图上。下冻结管后复测偏斜，并绘制钻孔偏斜透视图。施工完所有冻结孔后绘制冻结壁交圈图。钻孔偏斜超标时下扶正器纠斜。 4 冻结孔终孔间距 不大于2m 按冻结孔测斜资料计算终孔间距。为了控制冻结孔最大孔间距，应先隔一个冻结孔钻进，然后根据这两孔的偏斜情况，适当调整中间冻结孔的钻进偏斜。 5 冻结管规格 规格与钢号与设计一致 检查出厂合格证和检验报告。 6 冻结管长度 不小于设计冻结深度0.5m 施工时对每截冻结管材进行丈量、编号。成孔后下1寸钢管复测孔深。 7 冻结管耐压 在0.8～1.2
16、Mpa压力下稳压30min 用泥浆泵或手压泵注水大压。为了保证冻结管的密封性，在冻结管丝扣处涂抹密封剂。 8 供液管规格 规格与设计一致 检查出厂合格证和检验报告。 9 供液管长度 不小于冻结管长0.5m 供液管下到冻结管管底。下供液管时用钢卷尺丈量供液管长度。 10 冻结管充填 充填量不小于冻结管内体积的80％ 冻结结束后要对冻结管进行充填，以免冻结管锈蚀后导水。充填用水泥浆或水泥砂，直接用砂浆泵从供液管泵入。充填量按泵量计算。 冻结系统安装质量标准与检验方法 表2 序号 检测项目 设计要求 试验、检验方法 1 装备
17、能力 冷冻机装机容量 727.4kw 检查设备铭牌和说明书 盐水泵总流量 784～1120m3/h 检查设备铭牌和说明书 冷却水泵总流量 ≥600m3/h 检查设备铭牌和说明书 供电能力 780kw 由建设单位提供 2 冷冻机安装 底座找平 水平仪找平 用水平仪找平 主机联轴器找正 中心度误差≤φ0.075mm,轴线偏斜≤0.03° 用千分表量测 管路连接 按设备要求 按产品说明书连接、调试 电气连接 按设备要求 按产品说明书接线、调试 试漏 高压和低压系统试漏压 力分别为1.8MPa和1.2MPa，稳压
18、时间为18h 用抽氟机打压 真空试验 5.332kPa保持24h回 升≤0.667kPa 用抽氟机抽真空 3 盐水系统安装 盐水泵底座找平 水平仪找平 用水平仪找平 盐水泵联轴器找正 中心度误差≤φ0.1mm,间隙≤0.3mm 用千分表量测 泵主轴密封 滴油10～20滴/min 试运转 盐水管路安装 按冻结系统设计图 按图检查 盐水管路试漏 打压0.8MPa稳定10min 用手动打压泵打压 4 清水系统安装 清水泵底座找平 水平仪找平 用水平仪找平 清水泵联轴器 找正 中心度误差≤φ0.1mm,间隙≤0.3mm
19、 用千分表量测 泵主轴密封 滴油10～20滴/min 试运转 清水管路安装 按冻结系统设计图 按图检查 清水管路试漏 打压0.3MPa稳定10min 用手动打压泵打压 5 电气系统耐压试验 低压系统耐压1000v 用摇表试压 6 盐水浓度 盐水比重为1.26～1.265 用比重计量测 冻结系统运转与冻结壁壁形成质量检验方法 表3 序号 检测内容 设计要求 检验方法 1 冻结制冷系统运转 制冷系统运转正常，系统状态参数符合设备要求 检测去、回路盐水温度、流量和冷却水温度，检查冷冻机上的控制仪表读数。 2 盐水温度 设
20、计最低盐水温度-24～-28,开冻7天达到-20℃ 用精度为±0.3℃的精密温度计检测去路干管盐水温度 3 冻结壁交圈时间 冻结壁交圈时间≤30d 观测水文孔水压，压力明显上升时为冻结壁交圈。 4 冻结壁达到设计 厚度时间 达到冻结壁设计厚度时间为35天 根据测温孔测温数据确定。 5 冻结管工作状态 冻结管无断裂 通过监测盐水箱液面与冻结器回液软管积霜检查冻结管是否漏盐水。 五、机具设备(见表4) 机具设备表 表4 序号 名称 规格型号 数量 用途 1 钻机 MKD—5S 4 用于打钻 2 泥浆泵
21、 TBW850/50 4 用于打钻 3 除砂泵 自制 1 用于打钻 4 水平测斜仪 TY—1 2 用于打钻 5 水平定向仪 自制 2 用于打钻 6 造斜器 自制 3 用于打钻 7 扶正器 自制 10 用于打钻 8 电焊机 BS—400 4 用于打钻 9 泥浆测定仪 1 用于打钻 10 试压泵 2 用于打钻 11 冷冻机 YSKF220 2 用于冻结 12 冷冻机 YSKF216 2 用于冻结 13 冷却塔 DBL—200 3 用于冻结 14 盐水泵 8SH—13A 2
22、 用于冻结 15 清水泵 IS125—100—200 3 用于冻结 16 测温仪 自制 14 用于冻结 17 流量计 5 用于冻结 18 抽氟机 自制 1 用于冻结 六、劳力组织 劳力组织 （一个工班） 表5 序号 岗位工种 人数 说明 一 钻孔施工 54 1 技术负责人 1 2 钻探工程师 1 3 材料员 1 4 钻工 30 5 泥浆站工 4 6 焊工 12 7 车工 1 8 钳工 2 9 电工 2 二 冻结施
23、工 21 1 技术负责人 1 2 工程师 1 3 材料员 1 4 质检员 1 5 安全员 1 6 电工 2 7 焊工 2 8 制冷综合工 12 七、质量控制措施 1、为了确保施工安全，在打第一个冻结孔时，及时分析主要地层钻进过程的参数变化情况，检查地质、水文情况，如有异常，及时采取措施，必要时修正冻结钻孔施工参数。 2、提高冻结施工质量标准。限制冻结孔向隧道内偏斜，最大孔间距一般控制在2.2m以内，如个别超标，将整体分析交圈情况，决定是否采用补孔措施。 3、为了保证冻结工程质量，将使用国内最先进
24、的高精度水平陀螺仪、纠偏组合钻具、氟里昂螺杆盐水制冷机组和冻结工程监测系统。 4、不同的地质条件使用不同的钻头，合理采用钻进技术参数，严格控制钻进压力，预先估计钻杆、钻具的自重影响，适当抬起钻杆角度，消除钻杆、钻具自重因素而造成的偏差。 5、钻进过程中严格监测孔斜，原则上每20m～30m测斜一次，测斜后要及时绘制钻孔偏斜透视图，发现超偏及时纠正。 6、每个冻结器都要安装进回液阀门，及时调整各个冻结器的流量。通过流量测定和温度测定，随时掌握冻结器的运行情况。 7、安装盐水干管时要确保设计坡度，以免管内聚集空气影响盐水的流动。必要时盐水系统应设置放空阀。 8、用温度检测系统监测冻结孔的温
25、度变化，及时预计冻结壁的发展状况。在掘进过程中，要经常测量隧道壁面温度和冻土实际所处位置，对冻结壁状态进行预报，必要时调整冻结供冷参数。 9、为了减少冻结施工中冻胀和融沉对地面的影响，在冻结初期，应采取快速降温冻结措施，以减小地面冻胀影响（同时也要考虑到温度应力对冻结管产生的不利因素）。冻结壁融化时，要随时监测地面的下沉情况，一旦沉降量超过地表下沉允许值时，就要及时进行跟踪注浆。 八、安全措施 除严格遵守地铁施工安全操作规程外，还应采取以下措施： 1、组织相关施工人员学习安全操作规程，进行岗前培训。 2、编制和呈报安全计划，安全技术方案和安全措施，并认真贯彻落实。 3、积极做好安全
26、生产检查，发现事故隐患，要及时整改。 4、检测隧道壁面温度和冻结壁变形情况，若发现异常，及时采取相应措施。 5、与隧道掘砌施工相配合，在冻结隧道内放炮施工时合理选择爆破方案和爆破参数，依照浅孔、密布、弱瀑，循序渐进的原则选用各参数，爆破时必须确保冻结管的正常工作。 九、效益分析 对于通过断层破碎带、流砂层、淤泥层等易坍埸且富含水隧道，过去常规的施工方法：如大管棚小导管注浆超前支护或地面旋喷注浆加固地层等手段，有时受施工场地、工期、投资等的限制，甚至受其工法的制约，无法确保地层加固效果。而纪越区间过清泉街断裂带隧道采用水平冻结法施工，一次水平冻结长度63.5m，属国内最长，而且制
27、冷系统采用新型氟利昂盐水螺杆冷冻机组，降温速度快，盐水容易控制，自动化程度高，冻结效果非常好。在隧道掘进过程中，达到无漏水效果，很好地改善了洞内施工环境，且施工质量好，速度快，同时经冻结的地层稳定性好，安全性高。地表沉降的监测数据表明，用水平冷冻法施工所引的地表变化远远小于常规的施工方法。该方法的成功应用，对推动我国水平冻结技术的发展，具有极为重要的意义。 十、工程实例 广州地铁二号线纪念堂站—纪越区间隧道过清泉街断裂带，中铁十二局集团公司采用冻结法加固地层形成冻结圈、矿山法开挖构筑施工（一次水平冻结长度63.5m，属国内最长），有效地保证了工程质量和安全，在工期紧迫的情况下，其冷冻法施工质量好，速度快，不仅确保了冷冻施工效果，且为后续工程质量提供了有力保障，受到业主的好评和奖励。 执笔： 武明静 杨红艳
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