地铁旁通道冻结法施工工法改.docx
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地铁旁通道冻结法施工工法改
地铁旁通道冻结法施工工法
一、前言
旁通道（又称联络通道）是地铁隧道施工中技术难度大、工序较复杂的施工环节之一，作为旁通道施工安全的核心土体加固，一旦处理不当，会致使地面沉陷、房屋坍塌、隧道失去使用功能。
2004年，上海地铁4号线就发生过类似的事故。
因此在认真作好地质与环境调查的基础上采取合理的土体加固方案十分必要。
2004年，中铁四局集团在上海地铁M8线Ⅲ标段黄兴路站～延吉中路站区间隧道旁通道工程施工中,采用了冻结法加固的施工方法,通过对施工过程的归纳总结，以及参考有关施工技术资料,形成本工法。
二、工法特点
1、可有效隔绝地下水，其抗渗透性能是其它任何方法不能相比的；
2、冻土帷幕的形状和强度可视施工现场条件，地质条件灵活布置和调整，冻土强度最大可达10MPa，安全性好；
3、无异物进入土壤，噪音小，不影响建筑物周围地下结构。
三、适用范围
适用于含水量大于10%的任何含水、松散、不稳定地层；可用于盾构隧道掘进、旁通道和泵站施工，顶管进出洞施工、地下工程堵漏抢救施工等。
四、工艺原理
地铁旁通道冻结法是利用现代制冷技术，通过在需加固土层内敷设冻结管，冻结管内采用循环盐水，在冷冻机的作用下使地层中的水结冰，将松散含水岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水，以便在冻结壁的保护下，进行旁通道的掘砌作业。
是一种临时加固技术，可根据工程需要调节冻土强度，并可采取自然或强制解冻技术使其融化。
五、工艺流程
冻结法施工工艺流程图
冻土融化
六、施工操作要点
施工前，应根据工程地质、水文、构筑物、现场施工条件情况进行冻结帷幕、冻结孔布置、制冷及其他冻结参数设计。
由于地面条件受限制，目前城市地铁旁通道的冻结孔主要是采用水平布置。
1、冻结孔施工
施工中,对每个施工工序加强管理。
控制冻结孔施工、冻结管安装、冻结站安装、冻结管试漏、冻结过程检测的质量。
1.1开孔间距误差控制在±20mm内。
在打钻设备就位前，用经纬仪精确确定开孔孔位，以提高定位精度。
1.2利用冻结管作钻杆，冻结管采用丝扣连接，接缝要补焊，确保其同心度和焊接强度，冻结管到达设计深度后密封头部。
施工时要准确丈量钻杆尺寸，控制钻进深度。
1.3在砼管片上按设计位置开孔，开孔直径130㎜，当开到深度300㎜（管片厚350㎜）时停止钻进，安装孔口管，再将闸阀打开，用开孔器从闸阀内开孔，一直将砼管片开穿后钻进。
开孔后，如地层内的水砂流量大，就及时关好闸门，若涌水涌砂较厉害，应当注水泥浆（或双液浆）止水待地层稳定后再钻。
1.4按要求钻进、用灯光测斜，偏斜过大则进行纠偏。
钻进3m时，测斜一次，如果偏斜不符合设计要求，立即采取调整钻孔角度及钻进参数等措施进行纠偏，如果钻孔仍然超出设计规定，则进行补孔。
1.5冻结管（含测温管）采用丝扣联接加焊接。
管子端部采用底盖板和底锥密封。
冻结管安装完，进行水压试漏，初压力0.8MPa，经30分钟观察，降压≤0．05MPa，再延长15分钟压力不降为合格，否则就近重新钻孔下管。
2、冻结系统安装与调试
2.1为确保冻结施工顺利进行，按1.5倍制冷系数选配制冷设备。
冷冻站运转期间，要有两套的配件，备用设备完好，确保冷冻机运转正常，提高制冷效率。
冻结站系统如下图1所示：
2.2管路用法兰连接，在盐水管路和冷却水循环管路上要设置伸缩接头、阀门和测温仪、压力表、流量计等测试元件。
集配液圈与冻结管的连接用高压胶管，每根冻结管的进出口各装阀门一个，以便控制流量。
2.3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备要求的技术参数条件下运行。
3、积极冻结与维护冻结
积极冻结，就是在设备安装、调试完毕后充分利用设备的全部能力，尽快加速冻土发展，在设计时间内把盐水温度降到设计温度。
旁通道积极冻结盐水温度一般控制在-25～-28℃之间。
积极冻结的时间主要由设备能力、土质、环境等决定的，上海地区旁通道施工积极冻结时间在40天左右。
维护冻结，就是在开挖与结构施工阶段，通过对冻结系统运行参数的调整，提高或保持盐水温度，降低或停止冻土的继续发展，维持结构施工的要求。
旁通道维持冻结盐水温度一般控制在-22～-25℃之间。
维护冻结时间由结构施工的时间决定。
4、开挖与结构施工
4.1开挖时机的确定
在积极冻结过程中，每天对冻土墙外边缘测温孔进行测温，利用冻结壁厚度及冻结壁平均温度计算公式对冻土墙的平均温度进行计算，达到或超过平均温度时，就可认为冻土强度已达到设计要求（上海地区冻土墙的平均温度一般是控制在-10℃左右，此时冻土的抗压强度为3.9Mpa）。
通过探孔试挖，确认冻土帷幕内土层无流动水后（饱和水除外）再进行正式开挖。
4.2开挖构筑
4.2.1土方开挖
首先用千斤顶及手拉葫芦拉开钢管片，因管片锈蚀而拉出困难时，应用大锤锤振管片，减轻拔出拉力。
土方开挖根据工程结构特点，开挖掘进采取分区方式进行，其施工顺序如图2所示。
由于土体强度较高，开挖时（除喇叭口侧墙和拱顶外）采用全断面一次开挖，开挖步距视土体加固情况，采用短段掘砌技术，一般控制在0.5m。
采用风镐进行掘进。
4.2.2临时支护
临时支护采用16#槽钢加工成的直腿拱形支架和矩形支架。
钢拱架为封闭形式用于喇叭口及通道内的临时支护。
拱形支架的间排距与通道的开挖步距相对应为0.5m。
矩形钢支架用于泵站，支护间距为0.5m。
所有钢支撑架后用木背板密背，当支护间隙较大时，可增加背板厚度和木橛子。
待通道开挖贯通后，钢支架挂网喷射混凝土进行临时支护。
临时支护采用流动性好的C20的抗冻混凝土。
4.2.3永久支护
永久支护为结构设计中的钢筋砼结构，旁通道开挖及临时支护完成后，安装防水层及橡胶止水带，绑扎钢筋后一次连续进行浇筑砼，通道顶板可采用喷浆机对浇筑空隙进行充填。
上部结构施工完成以后，开挖泵站，泵站开挖到设计深度，先对泵站底板进行封底浇筑，然后一次完成泵站的钢筋砼浇筑施工，衬砌时混凝土处于低湿环境中，采用设计要求的C30S8商品混凝土，并加入防冻剂，缩短混凝土凝固时间。
5、工程监测
5.1工程监测的目的
工程监测作为该工法的一项重要施工内容。
其目的就是根据量测结果，掌握地层及隧道的变形量及变形规律，以指导施工。
5.2工程监测的内容
工程监测贯穿整个施工过程，其主要监测内容为：
冻结系统监测；冻结帷幕监测；周围环境和隧道土体进行变形监测。
5.2.1冻结系统监测内容为：
冻结孔去回路温度；冷却循环水进出水温度；盐水泵工作压力；冷冻机吸排气温度；制冷系统冷凝压力；冷冻机吸排气压力；制冷系统汽化压力。
监测的方法：
在去、回路盐水干管上安装热电偶传感器测量去、回路盐水温度。
在去路盐水干管上安装流量计测量总盐水流量，测量冻结器回路的盐水流量。
在每组冻结器上设测温口，安装热电偶温度传感器测量盐水回路温度。
冻结系统总流量在开冻时测量，其它温度与流量测量每天2次；确保每组冻结孔盐水流量≥5m3/小时。
其他参数可在冷冻机的仪表上直接读取。
5.2.2冻结帷幕监测
监测内容：
冻结壁温度场；冻结壁与隧道胶结。
监测方法：
（1）温度监测
通过设测温孔检测冻土帷幕温度。
每个测温孔设2～5个测点，分别布置在靠近管片处和测温管中末部。
按设计要求布置8个测温孔，实际可根据偏斜情况适当的增加测温孔数。
在开冻前测出原始地温，以后监测频率可为每天1次。
（2）未冻土空隙水压力监测
设置2个泄压孔，上下行线各1个，通过在泄压管口安装压力表测量未冻土空隙水压力变化。
安装后，先测出初始值，在冻结运转前期，测压孔每天观测一次，在测温孔估算要交圈时，测压孔每天观测2-3次，当压力增大到初始值的1/3时，须打开阀门，释放压力。
测温空孔和卸压孔的布置如下图3所示：
（3）冻结帷幕形成后的探孔监测
即在推算的冻土内外边缘处开Ф32的小孔。
并下测温线监测其温度的变化，监测频率为每2小时1次。
在监测中其数据与推算的相同（接近0℃）说明整个冻结帷幕已形成，要是不一致，在反推算出冻土帷幕的发展情况。
根据探孔情况，断定旁通道是否安全开挖。
5.2.3周围环境和隧道土体进行变形监测
监测内容：
地表及隧道沉降监测；隧道的水平及垂直方向的收敛变形监测；地面建筑物沉降监测。
监测方法：
（1）地面建筑物、隧道及地表沉降监测。
根据经验，冻结施工的影响范围约为旁通道附近20m的区域，须对整个影响区域都进行地表隆起与沉降监测。
监测范围建议为：
边长30m的正方形区域。
测点间距按2～5m考虑，在旁通道正上方取较小的间距。
旁通道上方有建筑物，测点布置在建筑物上，其间距可作适当调整。
地表监测时间从开始施工冻结孔起，到冻结壁融化结束、监测地表变形基本稳定为止。
测量频度视地表变化速度及可能对地面结构造成影响的严重程度确定，变形速度越快，施工影响越大，则监测时间间隔越短。
初步考虑在钻孔、冻结期间每天测量1次，开挖期间每天监测1～2次。
根据监测情况来调整监测频率。
在通道两侧20m范围内对隧道水平及垂直方向的收敛变形及施工影响范围内的隧道整体进行监测。
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。
监测频率同上。
开挖构筑施工结束后，在冻土墙及结构外壁之间存在一定的间隙，在结构施工中预埋注浆管，在结构施工结束后，及时对这种施工间隙进行壁后注浆充填，以控制地面及隧道的沉降。
（2）隧道管片变形监测和水平及垂直方向的收敛变形监测。
隧道变形通过量测管片的水平和垂直位移来测定。
监测范围为沿隧道40m。
测点间距按2m考虑，在旁通道附近测点布置应加密。
监测频率同上。
为减轻旁通道开挖构筑施工既有隧道的影响，开挖前，在通道开口处隧道中设置简易预应力隧道支架，以对隧道产生不利的影响。
简易预应力隧道支架形式为圆形支架，每榀钢支架为组合结构，区间隧道上下行线旁通道开口两侧各架两榀。
每榀支架有六个支点，由六个32t螺旋式千斤顶提供预应力。
（3）冻胀与融沉的监测
在地面和已施工好的旁通道内测点使用水准仪、经纬仪进行监测，监测频率每天1-2次，必要时随时跟踪监测。
冻胀补救措施：
发现冻胀影响到建筑物和地下管线，通过打卸压孔减小冻胀或打冻结孔加热循环，进行解冻。
融沉补救措施：
融沉是冻结法加固施工中不可避免的，如果融沉太大，对隧道将产生不利影响。
为减少融沉，可通过隧道及旁通道预留的注浆孔，采取跟踪注浆的形式，根据观测到的隧道及地层沉降情况，及时地对地层进行补偿注浆。
七、机具设备
1、冻结法施工旁通道所用设备见表1
表1旁通道冻结施工主要机械设备表
序号
设备名称
规格、型号
数量
额定功率
能力
1
螺杆冷冻机组
JYSGF300II
1台
110kW
87500Kcal/h
2
盐水泵
IS125-100-200
1台
45kW
200m3/h
3
冷却水泵
IS125-100-200C
2台
15kW
120m3/h
4
冷却塔
NBL-50
2台
15m3/h
5
钻机
MK-50
1台
6
电焊机
BS-40
2台
7
抽氟机
1台
冻结设备实物详见附照片
2、冻结法施工旁通道所用量测设备见表2
表2旁通道冻结施工主要量测设备表
序号
设备名称
规格、型号
数量
备注
1
经纬仪
J2
1台
2
测温仪
GDM8145
1台
测量冻土温度
3
精密水准仪
1台
4
打压机
20MPa
1台
冻结器打压试漏
5
收敛仪
1台
冻土帷幕收敛
6
钢卷尺
20m
1把
八、质量标准
本工法施工参照煤炭行业《煤矿井巷工程施工及验收规范·GBJ213-90》、《煤矿井巷工程质量检验评定标准·MT5009-94》进行。
除了参照国家有关标准外，还应着重注意以下几点：
1、冻结帷幕设计时应选择比较安全的计算模型，要有足够的安全系数；
2、冷冻机组制冷量在设计时，取较大的备用系数；
3、钻孔的偏斜应控制在1%以内；
4、终孔间距不大于1.0m；
5、在冻土帷幕关键部位，多布置测温孔，监测冻土帷幕的形成过程。
九、劳动力组织
所需作业人员分两阶段配备，见表3、表4：
表3钻孔、设备安装阶段作业人员配备情况
工作项目
工种
技术等级
人数
备注
冻结孔施工
打钻工
中级
5人
冻结管安装
冻安工
中级
3人
机械安装、维修
机修工
高级
2人
电气安装、维修
电工
高级
2人
电焊
电焊工
中级
1人
冻结管焊接
辅助施工
普通工
6人
当班负责
施工员
1人
总计
20人
表4冻结阶段作业人员配备情况
工作项目
工种
技术等级
人数
备注
机械维修
机修工
中级
1人
电气维修
电工
高级
1人
（包括设备数据采集）
工程监测
测量工
高级
3人
环境变化监测
测温
技术员
1人
测温孔测温
辅助施工
普通工
中级
2人
当班负责
施工员
1人
总计
9人
十、安全及环境保护
1、冻结帷幕设计时要考虑各种最不利条件，保证方案安全可靠：
2、设计计算的各种最不利条件，在施工组织设计及施工中，做到重点防范，采取切实可行、有效的措施加以控制。
3、选用无污染、效率高、体积小、重量轻、制冷量大、安装运输方便的螺杆冷冻机组作为制冷系统的主机，以适应地铁施工场地小、工期紧的需要。
4、采用通讯系统和视频系统有效的监控施工现场，对施工中发现的问题及时汇报处理。
5、旁通道设安全防水门，一但发现险情关闭防水门，保护隧道。
6、在对面隧道内，增设冷冻板，冷冻板排管外设置泡沫保温材料，以确保对面隧道交接处的完好冻结状态。
7、在管线交底后也可对地下管线和隧道进行必要的支撑。
对离冻结区较近的管线与建筑物进行暴露或保温，防止冻坏。
8、为预防开挖中的意外停工，甚至出现冒顶、涌砂事故，采取以下预案：
在旁通道开挖期间，通道内准备3米长16#槽钢（或钢管）6根，粘土2.0t和足够的砂袋，以在必要时堆粘土和砂袋封闭通道，预防淹隧道。
9、采取必要的措施，防止打冻结孔时水土流失；在钻孔施工期间加强沉降的监测，发现跑泥漏沙水土流失严重引起的沉降，影响到建筑物和地下管线，应立即停止施工，立即注浆，防止沉降影响周围建筑物和地下管线。
十一、效益分析
冻结法加固费用目前行情约120万元，水泥土深层搅拌桩加固约25万元，两者相比，冻结法费用较高，但其具有搅拌桩加固所没有的以下长处：
1、勿须在地面施工，对地面无干扰，节省城市交通组织费用，社会效益显著。
2、阻水效果好，支护安全性好，工期有保证。
3、符合环保要求，对周围环境无任何污染。
十二、工程实例
上海地铁杨浦线（M8线）Ⅲ标段延吉中路站～黄兴路站区间长1112m，中间设计旁通道及泵站一座，结构形式如附图4所示。
原设计为深层搅拌桩加固，但是由于所在的路面为控江路，交通非常繁忙，而深层搅拌桩加固要求必须对路面实施封交，综合考虑各种因素，采取了冻结法加固。
冻结孔的布置及冻结参数的设计如图5、6及表5所示：
旁通道于2004年6月12日冻结孔施工，2004年7月25日开始冻结，2004年9月17日开挖，于2004年10月17日全部完工。
施工期间冻结设备运转正常，冻结帷幕形成顺利，冻土壁厚度达到设计要求，冻结及开挖期间未发现任何渗漏，后期填充注浆和融沉注浆及时有效，地表最终累计沉降8.5mm，隧道垂直、水平方向收敛值均小于5mm。
无任何安全、质量问题。
执笔人：
徐泽
序号
参数名称
单位
数量
备注
1
冻土设计厚度
m
1.6
2
冻土墙平均温度
℃
-10
取冻土抗压强度为3.9MPa
3
冻土墙设计交圈时间
天
25
旁通道
4
冻结孔个数
个
52
5
冻结孔设计间距
m
0.4～0.75
旁通道周边孔
6
终孔最大间距
m
1.0
旁通道周边孔
7
设计积极盐水温度
℃
-25～-28
8
维护盐水温度
℃
-22～-25
9
单孔盐水流量
m3/h
≥5
10
冻结管规格
mm
Φ89×8
20#低碳钢无缝管
11
测温孔个数
个
8
12
卸压孔个数
个
2
13
冻结总长度
m
615
冻结管+冷板
14
最大总需冷量
Kcal/h
55948
工况条件
15
JYSLGF300II冷冻机
台
1
16
用电功率
KW
250
供电至隧道内（400V）
17
新鲜水量
m3/h
15
18
积极冻结
d
40
19
维护冻结
d
30
表5主要冻结参数一览表
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