站盾构始发端头垂直冻结施工方案.docx
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站盾构始发端头垂直冻结施工方案
1概况-1-
1.1工程概况-1-
1.2工程地质条件-1-
1.3水文地质条件-1-
1.4管线分布-1-
1.5始发端头加固概况-1-
2始发端头冻结加固体设计-3-
2.1设计依据-3-
2.2冻结设计的原则-3-
2.3冻结设计的基本参数-4-
3施工方案-9-
3.1钻孔施工-9-
3.2冻结制冷系统安装-9-
3.3积极冻结与停止冻结-12-
3.4配电系统-13-
3.5凿洞门、强制解冻和盾构始发-15-
4冻结系统的监测-16-
4.1监测目的-16-
4.2监测内容-16-
4.3监测方法-17-
5施工进度计划-17-
6应急预案-18-
6.1拔断冻结管-18-
6.2盾构始发地层沉降、塌陷-18-
6.3冻结管盐水漏失-19-
7质量记录清单-19-
1概况
1.1工程概况
XX市轨道交通2号线一期工程XX站～风井区间隧道采用盾构法施工，左右线盾构均从XX站始发，至风井始发。
1.2工程地质条件
根据地质资料，场区地势比较平坦，属松花江漫滩区。
左右线始发端头地层从上至下依次为：
①1杂填土、①12素填土、②22粉砂、②32细砂、②41中砂。
盾构机主要穿越②32细砂、②41中砂层，为保证盾构机安全始发，采用冻结法对始发端头进行加固施工。
1.3水文地质条件
本工点位于松花江河床、低漫滩地貌中，勘察期间勘察范围内地表水深度最大约8.0m，地表水水位变幅较大。
根据地下水赋存条件，地下水类型主要为第四系孔隙水及微承压水。
第四系孔隙潜水在松花江低漫滩普遍分布，含水层岩性主要为粉砂、细砂、中砂、粗砂、砾砂等砂类土，夹黏性土层，含水层厚度一般为35.4～48.2m。
受松花江江水的影响，该类型地下水有较统一的自由水面，主要受大气降水入渗和江水侧向径流补给，排泄方式主要为蒸发、向河流径流排泄。
本次勘察期间孔隙潜水初见水位埋深为0.0～8.9m，稳定水位埋深为0.0～8.8m（高程109.07～117.32m），水位变幅较大。
1.4管线分布
在盾构始发区域正上方及一侧主要管线无重要管线。
1.5始发端头加固概况
始发端头已采用双管旋喷桩对土体进行加固施工。
加固范围：
沿轴线方向为12m，垂直轴线方向从隧道左右线中心上下左右各6.1m。
加固区域见图1-1。
鉴于盾构穿越区域为②32细砂、②41中砂，孔隙潜水，中等透水，水泥搅拌桩成桩效果较差，为了保证盾构始发前洞门能安全破除，拟对洞圈周围区域采用冻结法进行加固施工。
图1-1双管旋喷桩加固区平剖面图
2始发端头冻结加固体设计
2.1设计依据
（1）《XX市轨道交通2号线一期工程XX站～风井端头加固图》（铁道第三勘察设计院集团有限公司）。
（2）《XX市轨道交通2号线一期工程XX站至XX站区间隧道岩土工程勘察报告》（铁道第三勘察设计院集团有限公司）。
（3）采用的设计规范及技术规范。
1）《矿山井巷工程施工及验收规范》（GBJ-213-90）
2）《煤矿井巷工程质量检验评定标准》（MT5009-94）
3）《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）
4）《钢结构设计规范》（GB50017-2003）
5）《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）
6）《地基基础设计规范》（GB50007-2002）
7）《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）
8）《地下铁道设计规范》（GB50157-2003）
9）《上海地铁旁通道冻结法技术规程》，（DG/TJ08-902-2006），上海市工程建设规范。
（4）根据设计方端头加固图，在端头土体与地连墙交接处采用冻结法进行封水施工。
冻结加固体为长方体，在隧道轴线方向上冻结壁厚均为2m，隧道左右侧和上方冻结壁厚均为3m，隧道下方冻结壁厚为4m。
2.2冻结设计的原则
冻结设计应满足的设计原则包括：
（1）盾构始发前破洞门期间，冻结壁能隔断洞门正前方和四周与水的联系。
（2）形成的冻结壁与地连墙外表面完全胶接，与原来的搅拌桩有效的连为一体。
（4）满足施工安全的前提下减少工程量，缩短工期，降低工程造价。
2.3冻结设计的基本参数
2.3.1冻结深度
根据提供的资料，洞圈的外径6700mm，隧道的外径6200mm，隧道的中心埋深13250mm，搅拌桩埋深20600mm。
采用局部冻结法,上部冻结至地表、下部冻结至隧道中心线向下7350mm处。
2.3.2加固体尺寸确定
根据设计要求，在隧道轴线方向上冻结壁厚均为2m，隧道左右侧和上方冻结壁厚均为3m，隧道下方冻结壁厚为4m；冻结加固体平剖面图分别见图2-1～2-2。
2.3.3冻结孔和测温孔的布置
根据总设计要求，在满足施工需要的同时，本着科学合理、经济务实的原则，拟在左右线始发端头连续墙外侧分别布置2排冻结孔，单个端头34个冻结孔，孔间距750mm。
为了准确掌握冻结帷幕的发展状况，在每个端头冻结围幕范围之内设置3个测温孔。
测温孔位置可根据测斜的实际情况来布置。
通过连续墙外侧冻结孔的加强冻结，尽快形成所需要的冻结帷幕，保证盾构始发前洞门安全、顺利凿除。
冻结孔和测温孔的具体布置见图2.3～2.4。
图2-1冻结加固体平面图
图2-2冻结加固体剖面图
图2-3冻结孔和测温孔布置平面图
图2-4冻结孔和测温孔布置剖面图
2.3.4冻结的基本参数
1、设计积极冻结期最低盐水温度为-28～-30℃，并要求冻结7天达到-25℃，凿开洞门时盐水温度达到最低值。
2、维护冻结期温度为-25℃~-28℃；
3、冻结壁与地下连续墙交界面处温度不低于-5℃，其它部位设计冻结壁平均温度不宜小于-10℃。
4、冻结孔采用串并联方式，单孔盐水流量不小于5m3/h。
5、冻结管规格：
Φ127×6mm低碳钢无缝钢管，采用内衬管对焊连接。
6、测温管规格：
Φ48×3.5mm焊接钢管，采用直接对焊连接。
7、供液管选用Φ60×6mm塑料管。
8、盐水干管和集配液圈选用Φ165×5.5mm螺旋钢管。
9、清水水管选用Φ165×5.5mm螺旋钢管。
10、每排冻结孔终孔间距Lmax≤1000mm，冻结帷幕交圈时间为15~18天，达到设计厚度时间为25天。
11、Q=1.5×3.14qNHd=11.4×104kcal/h
表2.1单个端头冻结设计基本参数表
序号
项目
单位
参数
备注
1
隧道底埋深
m
19.22
2
最大地压值
MPa
0.25
3
冻结壁厚度
m
2
上部、左右侧均3m，隧道底部厚4m
4
冻结壁平均温度
℃
-10
5
设计最低盐水温度
℃
-28
冻结7天盐水温度达到-20℃以下
6
单孔盐水流量
m3/h
5
7
冻结孔数
个
34
8
冻结孔深
m
23.22
9
开孔间距
m
0.75
10
允许偏斜
%
<4
11
冻结管规格
mm
φ127×6mm
12
供液管规格
mm
φ60×6mm
13
测温管规格
mm
φ48×4mm
焊接钢管
14
造孔工程量
m
733.26
含测温孔
15
冻结高峰期需冷量
万kcal/h
11.4
16
总工期
d
45
17
打钻
d
10
18
安装
d
5
19
积极冻结
d
25
20
维护冻结
d
10
含凿洞门、拔管和盾构进洞
21
冻结总工期
d
35
2.3.5造孔所需材料和设备
表2.2单个端头造孔所需材料和设备
项目
名称
规格
数量
单位
备注
材料
钢筋
Φ16
30
米
无缝钢管
Φ127×5
733.26
米
20#低碳钢
塑料管
Φ60×6
733.26
米
钢板
σ=6mm
2
平方米
设备
钻机
M300
2
台
自吸泵
2KW
2
台
泥浆泵
5KW
2
台
电焊机
3KW
2
台
无齿轮锯
1KW
1
台
角磨机
1KW
2
台
坡口机
1KW
1
台
手压泵
-
1
台
3施工方案
3.1钻孔施工
3.1.1施工工序
冻结孔施工工序为：
定位→钻孔→下冻结管→测斜→打压试验。
具体为：
（1）定位：
根据设计在槽壁外定好各孔位置，以保证冻结孔开孔位置误差不超过10mm。
（2）钻孔：
按设计要求调整好钻机位置，保持钻机水平、钻杆在孔位正上方并垂直水平面，并固定牢固，开始钻孔。
在钻进过程中，每加一根钻杆，都要复测一次钻机是否平、钻杆是否在孔位正上方并垂直水平面。
为防止孔偏斜，可加长钻铤长度，缓慢钻进。
为防止塌孔，钻孔时要预留足够的沉淀空间。
（3）下冻结管：
下冻结管前要进行冲孔，若泥浆浓度过大，冻结管下放时因浮力过大不能一次下放到位。
冻结管下放深度不得少于设计深度0.5m。
（4）测斜：
冻结管下放完要及时进行灯光测斜，冻结孔和测温孔的最大允许偏斜不超过100mm。
若终孔的偏斜超过设计值，可拔出冻结管进行扫孔。
若相邻两孔终孔的间距超过设计间距200mm，必须增设补孔。
（5）打压试验：
封闭好孔口，用水压泵向孔内打压，当压力达到0.8Mpa时，停止打压，关好阀门，观测压力的变化，记录下30分钟内压力，压力无变化为合格。
3.2冻结制冷系统安装
3.2.1冻结系统安装流程
（1）设备安装
设备基础放样→施工设备基础（或锚固地脚螺栓）→设备就位、调平、固定→敷设电缆→安装电控系统→冷冻机试漏→冷冻机充氟、加油→清、盐水箱加水→化盐→制冷系统试运转→盐水箱和冷冻机低温容器及管路保温。
（2）冻结站管路安装
主管路放样→安装管架→安装主管路→安装分支管路→安装压力表接口与温度插座→管路试漏→盐水管路保温。
3.2.2安装准备工作
（1）验收现场施工设备、检测仪表、工程材料，确保设备、仪表、材料的相关资料齐全，设备型号和材料规格等符合设计及有关标准的要求。
（2）制作盐水箱、清水箱、管架等加工件。
（3）清理场地，设备（包括盐、清水箱）基础和主管线放样。
应根据实际场地情况对冻结站布置设计进行适当调整，以便于设备安装、操作，增加美观。
（4）冻结系统材料和设备见表3-1。
表3-1冻结系统材料和设备
项目
名称
规格
备注
材
料
有缝钢管
Φ165×5.5
DN125×4.5
钢板
σ=3.25mm
橡胶管
Φ65×7
冷冻机油
N46
弗里昂
R22
氯化钙
无水
纯度95%以上
保温材料
50mm
设
备
冷冻机组
YSLFG300
盐水泵
IS200-150-315
清水泵
10SH-19
冷却塔
NBL-100
真空泵
5KW
自吸泵
2KW
3.2.3设备安装
（1）冷冻机、水泵、冷却塔等设备应按照设备使用说明书的要求进行安装，并符合《机械设备安装工程施工及验收通用规范》（GB50231-98）和《施工现场临时用电安全技术规范》（JBJ46-2005）等规范的有关规定。
（2）冷冻机要水平安装，底盘要坐实，用楔铁找平。
（3）冷冻机和水泵固定后要重点检查连轴器的间隙和同心度、轴封和盘根的松紧情况，确认满足设备安装技术要求。
（4）冷却塔安装应重点检查布水器电机电缆接头绝缘是否作好、电机转动方向是否正确、布水器布水是否均匀。
（5）冷却塔与电器设备应有足够距离，防止水溅到电器上引发机电事故。
（6）盐水箱下垫100×100×1500mm方木，间距不大于800mm。
方木之间充填100mm厚聚苯乙烯保温板。
（7）按设备配电线路图要求连接供电电缆和控制电缆。
要确保设备的保护接地良好。
3.2.4冻结站管路和检测仪表安装
（1）管路安装应符合《工业金属管道工程施工及验收规范》（GB50235-97）和《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》（GB50236-98）等规范的要求。
（2）按照冻结站设计图铺设管路。
应根据现场空间和设备位置适当调整管路布置，尽量缩短管路长度、减少管路弯头，并做到竖直横平、整齐美观。
（3）在连接管路和安装阀门前要检查确认管内不留杂物。
必要时进行除锈和吹扫。
（4）主要管路用200×200mm方木管架铺设在地面上，分支管路用“T”字型钢管柱架空铺设，管架间距为4~6m。
盐水干管坡度0.1%，在管路端头高处设1/2’放空阀。
（5）阀门、压力表和温度计安装要整齐，便于操作和读数。
测温管采用3分钢管加工，埋设时管口向上，深度为水管直径的1/3~1/2。
（6）管路采用水压试漏，注意管内不留空气，水温与环境温度基本一致。
（7）盐水管路经试漏后用50mm厚橡塑保温筒保温，在保温层外包扎塑料薄膜。
盐水箱采用50mm厚聚苯乙烯保温板保温。
（8）裸露管路涂刷防锈底漆和统一色彩的面漆。
3.2.5冻结器连接
（1）冻结器头部盖板采用6mm钢板，羊角管采用建筑管加工。
（2）羊角管与冻结管管壁焊接角度不大于40°，各冻结器的羊角管焊接角度和软管连接要整齐统一，避免管路出现硬弯增加盐水流动阻力。
（3）冻结器采用胶管连接，丝扣接头。
（4）连接软管用30mm厚软质橡塑保温筒保温，在保温筒外缠裹塑料胶带。
3.2.6冻结系统调试
（1）按照设备使用说明书的要求进行冷冻机组充氟和加油。
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。
（2）先在盐水箱中灌满清水，开泵循环冲洗管路，排除管路中的脏水。
（3）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。
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。
（4）至盐水浓度达到1.15Kg/L左右时开冷冻机。
随着盐水温度降低再加入氯化钙，直至达到设计盐水浓度。
（5）融化氯化钙时用筛网除去杂质，严禁将包装袋掉入盐水箱。
（6）检查盐水水位报警器，确保其工作正常。
（7）测量各冻结器的盐水流量，调节控制阀门，确保各冻结器盐水流量符合设计要求。
（8）如发现个别冻结器或冷冻排管盐水流量随时间延长逐渐减小，表明管路有积空气的情况，应及时增设放空阀。
3.3积极冻结与停止冻结
1、冻结系统试运转与积极冻结
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、盐水流量和冻土墙扩展情况，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-25℃以下。
2、停止冻结
根据测温孔温度实测结果，确认冻土墙和地连墙胶结完好，冻结已经交圈，可以分层破槽壁，留外层钢筋和不少于40cm的混凝土，待冻结壁平均温度和厚度达到设计值，并且冻土墙与地连墙界面温度不高于-5℃后，可全部破除盾构始发口地连墙钢筋混凝土。
破盾构始发口地连墙钢筋混凝土时，并密切注意破地连墙时是否破坏冻结管，如一旦发现冻结管漏盐水，及时关闭该冻结器。
3、冻结管拔除
拔管方法与步骤为：
1）在盐水箱中安装总功率为100～150kw电热管加热盐水。
2）以每2～3组冻结孔为一批，在冻结孔（或测温孔）中循环热盐水。
3）待冻结管周围冻土融化3～5cm时，及时用起管机或千斤顶起拔松动冻结管。
为了防止拔断冻结管，起管机与冻结管之间要设限力装置。
4）用卷扬机快速拔出已松动的冻结管。
5）拔管后用粘土或低标号水泥砂浆封孔。
3.4配电系统
3.4.1临时用电设计
（1）电源
甲方提供10KV/0.4KV电源至施工现场。
施工用电均采用三相五线制，并采用三级配电，二级保护；施工场区照明采用卤化物灯或水银灯。
（2）电缆选择
1）高压电缆（无）
2）根据各设备额定功率，其配套低压电缆选型见表3-2。
表3-2电缆选型
序号
设备名称
电缆规格型号
1
YSLFG300机组
V-1KV3×50+2×16
2
清盐水泵
V-1KV3×25+1×10
3
100T冷却塔
V-1KV3×4+1×2.5
4
电加热器
V-1KV3×70+1×16
5
热盐水泵
V-1KV3×16+1×8
6
其它
各种规格
（3）启动设备的选择
清盐水泵采用磁力启动器。
配电系统应留有备用设备，确保冻结站能够不间断运转。
（4）接地及防雷
按施工用电规范要求做好各控制柜、设备的接地并进行接地电阻测试。
（5）其它:
冷冻机保护装置应齐全,应有音响信号。
3.4.2供电系统施工及电气技术要求
供电系统施工应按以下步骤进行：
第一步：
控制柜就位；
第二步：
施工场区电缆沟与电缆线路敷设；
第三补：
施工场区内各动力用电、照明安装；
第四补：
用电安全教育。
施工时应符合以下电气技术措施要求：
（1）贯彻以预防为主，安全第一的方针，现场施工人员必须遵守各级规程和甲方现场管理规定；
（2）所有电气设备的金属外壳和金属支架必须可靠明显接地；
（3）用户进点必须重复接地，且重复接地电阻≤10Ω；
3.4.3临时用电管理
（1）现场电气工作人员必须做到电气设备安装正确、拆除彻底、维修及时、使用安全；
（2）每周一次对漏电开关检查，并作好记录；
（3）工地现场配备电箱要编号，定期检查电箱和电气设备金属外壳接地是否良好，不符合要求的要及时整改；
3.4.4安全管理
（1）绝缘、屏护与安全距离符合国家及有关标准；
（2）电气安全装置实现一机一闸，一箱一漏，均三级配电二级漏电保护装置。
（3）保护电气型号、规格的选择按设备运行要求，各类开关的型号、规格选择按其所控制的负荷种类和负荷电流。
（4）灭火器由工地安全人员定期检查。
3.5凿洞门、强制解冻和盾构始发
3.5.1凿洞门的条件
（1）根据测温孔温度推算，所有冻结壁已全部交圈。
（2）在发现冻结异常处打探孔进行温度检测（打探孔应注意避开冻结管），实际验证冻结壁的厚度和强度是否达到设计要求。
（3）在确认冻结壁的厚度和强度达到设计要求后，在洞门内部不同方位打探孔，进一步确认洞门范围内有无动水，若有动水，则需要继续冻结。
当实际冻结效果只要有一个或若干个不能满足开凿洞门条件时，不可贸然开凿。
只有找出不能满足开凿条件的原因，确认对开凿无影响时，方可进行洞门开凿。
3.5.2凿洞门施工
在冻结壁的厚度和强度达到设计要求后，进行凿洞门。
连续墙凿完剩最后一层钢筋，盾构距洞门处4～6m外时，进行拔管施工。
3.5.3强制解冻施工
利用流量为10m3/h盐水泵循环盐水，先用30～40℃的盐水循环5分钟左右，然后60～80℃的盐水循环达30分钟左右，当回路盐水温度上升到25～30℃时，即可进行边循环边试拔；开始用两个20T千斤顶试松动冻结管，冻结管松动后用10T以上的吊车或龙门吊起拔冻结管。
3.5.4盾构始发
拔管结束，割除最后一层钢筋后，盾构应迅速恢复推进。
盾构推进期间，非盾构区域的冻结孔要维持冻结。
3.5.5封堵冻结孔和融沉注浆施工
（1）封堵冻结孔施工
盾构顺利始发后，停止所有冻结孔的冻结，拔出其余的冻结管并进行回填。
（2）融沉注浆施工
冻结孔封孔完成后，根据冻结区域冻土融化情况进行融沉注浆，控制地面沉降。
融沉注浆以控制地面沉降变形满足业主要求为控制标准。
4冻结系统的监测
4.1监测目的
⑴及时反馈冻结状态信息
通过现场监测可及时提供冻结过程中的各种数据和资料，便于掌握冻结情况和冻结系统运行情况，检验设计和施工的正确性，可根据监测情况及时调整施工参数，提高冻结效率。
这些监测数据和资料是工程管理人员判断工程安全与否的依据，借此可实现施工的信息化。
⑵监测是判断冻结壁是否达到要求的唯一依据
通过监测可判定冻结壁是否已交圈，冻结壁厚度和强度是否能满足施工要求，还可为开凿洞门、拔管施工、盾构进洞和工期安排提供参考。
⑶为指导施工提供科学依据
单纯的理论计算，难免产生这样那样的不切实际；地质条件和施工的多变性会带来各种意想不到的结果，只有对实际监测资料科学分析再结合理论计算，才能使设计和施工走上更高的层次。
因此，为了对整个冻结过程进行有效控制，需要对整个冻结系统进行监测。
4.2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）盐水泵工作压力；
（4）测温孔温度监测
在冻结区域，测温孔内每间隔1~2m布置一个测温点，以便于有效测量冻结帷幕的发展范围。
（5）地表沉降监测
为了防止冻胀对地表结构体的破坏，在冻结区域20m范围内设置地表变形监测点，每隔12小时进行测量一次。
（6）井壁位移监测
为防止冻胀影响，导致井壁发生位移，在冻结区的井壁上设置位移监测点，每隔12小时进行测量一次。
4.3监测方法
（1）温度场监测方法
在冻结管去回路以及测温孔内布置铜－鏮铜热电偶温度测点，利用热电偶的热电效应，采用毫伏表每天测量一次数据。
（2）沉降、位移监测方法
沉降监测:
水准控制点出发按三、四等水准测量要求测量各监测点的高程，测量闭合差小于±0.5mm×√N（N为测站数）。
前后两次测量值之差为本次沉降变化量，测量值与初值之差为累计沉降变化量。
位移监测:
经纬仪安置在基准点上，用视准直线法测量各测点到视准线的距离，以开工前两次测量的平均值作为起始初值，以后每次的测量值与之比较得到本次位移量和累积位移量。
5施工进度计划
从钻机、材料进场至冻结完成，单个端头约需45天。
其中钻孔约10天（测温孔可在冻结安装时钻），因钻孔以钻水泥搅拌桩为主，速度应根据实际工况而定，冻结系统安装5天，积极冻结约需25天，积极冻结工期可根据测温孔数据监测情况及时指导施工，凿连续墙井壁需5天（下表中维持冻结时间），强制解冻2天，盾构进洞约需1天。
表5－1单个端头打钻施工进度安排表
施工工序
时间（天）
施工进度
5天
10天
15天
施工准备
1
打钻施工
8
撤场
1
表5－2单个端头冻结施工进度安排表
施工工序
时间（天）
施工进度
10
20
30
40
50
60
冻结站安装
2
冻结器复核及
冻结设备调试
3
积极冻结
25
维护冻结
10
需要说明的是，土的性质及其含水量对冻土发展速度影响较大，所以积极冻结时间的估算与实际值可能有一定差别，冻土达到设计厚度和强度的时间应根据实际的测温资料来定。
6应急预案
6.1拔断冻结管
拔除洞口前方的冻结管时，严格按照拔冻结管方法和步骤执行，拔管过程应当注意以下几点：
1、拔管前进行化冻试验，确定合理的化冻时间，尽量在较短时间内完成拔管。
2、起拔冻结管合理控制起拔力，防止断管发生。
3、
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