广州地铁水平冻结法施工工法.docx
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广州地铁水平冻结法施工工法
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，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———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、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677680kcal/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50m3/h,总用电量约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“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0.8～1.2Mpa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≤0.3m
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