冻结法施工组织方法及程序说明.docx
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冻结法施工组织方法及程序说明
5.I类A型（冻结法）施工组织、方法及程序说明
5.1工程概况
南京市地铁南北线一期珠江路站至鼓楼站区间隧道右线在靠近珠江路站段需穿越两幢7层和一幢4层楼房，房屋基础为条基或筏基。
所处地层主要为淤泥质粉质粘土，高压缩性、高灵敏度、强度低，易产生蠕动现象，开挖后自稳能力极差，易坍塌，地面沉降难以控制，施工难度大。
针对这种情况，在地面有楼房地段隧道（简称下穿楼房段隧道）设计采用矿山法暗挖施工，并用水平冻结加固地层，以确保隧道施工和地面建筑的安全。
该段隧道设计断面呈马蹄形。
隧道净高5.30m，净宽5.18m，轨面以上净高4.50m。
隧道衬砌总厚度为60cm，其中初期支护为厚25cm的钢筋格栅网喷混凝土，二衬为厚35cm的现浇钢筋混凝土。
隧道衬砌顶面距离地表9～11.5m。
采用冻结法加固的下穿楼房段隧道的起讫里程为K9+494.00～K9+575.86，隧道冻结总长度为81.86m。
设计采用水平冻结，从隧道北端明挖段进行冻结施工（以明挖段端头的竖井作为冻结施工工作井）。
本设计为水平冻结施工方案设计，不包括隧道暗挖、构筑。
5.2地层冻结工法及施工程序
5.2.1地层冻结工法
结合上海地铁类似软土的地层加固施工经验，经过技术论证与比较，考虑采用冻结法加固地层。
施工的原理为：
沿开挖断面周边布置近水平冻结孔，然后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、封闭性好的水平冻土帷幕，然后在冻土帷幕的保护下进行隧道暗挖施工。
冻结施工作业主要在隧道两端的工作井中进行。
该工法具有以下的优点：
①冻土帷幕强度较高，冻结淤泥质粘土的平均抗压强度一般可达5MPa，冻结砂土的平均抗压强度一般可达8MPa以上；
②冻土帷幕的封水性好，与工作井支护桩间的粘结严密，并且容易通过在冻土帷幕内设水文孔（或卸压孔）来检验；
③对所处地层扰动较小，实践表明地层变形可控制在市政规范要求内，对于上海地区软土地表冻胀小于10mm，施工沉降不大于20mm；
④冻土单孔直径大，冻结30d可达1.6m左右,且可用冻结时间来调节（包括开挖过程中），其可控性较好；
⑤有成功的施工经验，工艺可靠。
问题是冻结孔施工难度较大，需专用的钻进工艺、设备和质量检测装置，并要求施工队伍有一定的工程经验。
5.2.2冻结施工程序
冻结法加固地层的主要施工程序为：
冻结孔施工，同时安装冻结制冷系统→安装冻结盐水系统和检测系统→积极冻结→探孔试挖→维护冻结，隧道暗挖与构筑，维护冻结→停止冻结，封堵冻结孔→冻结设备与管路拆除。
关键工序是冻结孔施工和积极冻结见图2-2-5-1。
5.3冻土帷幕设计
5.3.1设计要点与关键技术
根据施工段地层特点及地面条件，本工程的成败关键：
一是要保证在隧道掘进过程中加固后围岩具有足够的稳定性，确保施工安全；二是要保证施工扰动后引起的地层沉降满足规范要求，以免损坏地面房屋。
借鉴北京和上海地铁隧道冻结施工的经验，对本工程的冻结施工方案设计提出以下技术要点：
（1）采用全封闭冻土帷幕。
冻土帷幕形状与隧道轮廓线相似，近似为圆环状，以有利于冻土帷幕受力。
（2）冻土帷幕承载力设计采用较安全的计算模型。
即按平面应变计算内力（不考虑冻土帷幕内土层和支护的承载作用），并假定冻土处于弹性状态。
强度验算时，采用较大的安全系数。
（3）冻结施工工艺设计时，预计冻土帷幕厚度要大于结构设计要求的值，确保有足够的安全储备，以克服施工中可能遇到的不定因素影响。
（4）由于冻结段隧道较长且为弧线，根据现有水平孔钻进技术条件（工程实例水平孔钻进深度45m，试验孔深度70m），隧道分两段冻结。
施工从明挖段工作井开始，第一循环冻结段隧道末端开挖需扩大断面。
以便于第二个冻结段的冻结孔钻进。
如果珠江路站先开挖，可以考虑从隧道两端同时进行冻结施工，这样，可以取消冻结搭接段，提高施工的安全性，并且可以显著缩短施工工期。
（5）考虑到工程的重要性和复杂性，设计较大的冻结供冷量，冻结管散热系数由一般的小于250kcal/h增大到300kcal/h，并采用目前国内最先进的氟利昂螺杆冷冻机组，可以显著提高冻结降温速度，从而可以加快冻结速度，增加冻土帷幕厚度。
同时，采用较小的冻结孔控制间距，使冻土帷幕提前交圈，并有利于提高冻土帷幕的均匀性。
（6）冻结孔施工时先在钻孔工作面（混凝土排桩和旋喷桩复合结构）用金钢石取芯钻开孔，并埋设孔口管，正常钻进采用跟管钻，孔口安装密封装置，使泥浆在封闭系统中循环，并用特制的精密水平孔陀螺仪测斜，以确保钻孔质量与施工安全。
（7）为了减小冻土帷幕降温对隧道衬砌施工质量的影响，冻结孔按放射状钻进，使得掘进到不同位置时冻土扩入开挖边界都很少，确保冻土帷幕暴露面温度高于-5℃。
同时，在喷射混凝土中掺加复合早强剂，根据北京地铁工程应用与对比试验，地层冻结对喷层混凝土强度增长影响可以控制在7%以内。
（8）按信息化施工要求，进行系统的施工监测。
在隧道断面中部打一根水文监测孔，并在管上加装卸压阀和压力表，以监测冻土帷幕内外土层的水力联系，判断冻土帷幕是否交圈，同时可以释放冻结压力。
在冻土帷幕扩展范围内设测温孔，以检验冻土帷幕的扩展速度与扩展厚度。
在开挖过程中，定时进行冻土帷幕表面温度和变形量测。
并建议对上方路面和建筑物进行沉降监测。
为施工控制提供依据。
（9）隧道暗挖施工采用台阶分区短掘短砌作业方式。
建议开挖和临时支护步距为0.5～1m，冻土帷幕暴露时间控制在24h内。
要求冻土帷幕位移不大于20mm，否则应及时进行支护并加强冻结。
施工过程中定时进行冻土帷幕表面温度和变形量测，并及时分析量测结果，必要时调整冻结和掘砌工艺参数。
（10）为了提高隧道地基的承载能力，减小冻土帷幕融化后隧道沉降量，需要对隧道地基进行注浆处理，为此，需要采取在冻结孔中循环热水的强制化冻方法使隧道底部冻土帷幕融化，然后，再进行注浆施工。
注完浆后，一次浇筑内衬。
采取上述措施后，按上海地铁和北京地铁水平冻结施工实践，地表自由隆起与沉降分别不大于10mm和30mm。
5.3.2冻结段划分及施工顺序
从明挖段工作井开始，第一段冻结长度为55m，第二段冻结长度为36.9m，两段冻土帷幕间的搭接长度为10m。
第一段掘进到45m时，现浇400mm厚的钢筋混凝土墙密闭开挖工作面，并回头刷大4m长隧道断面，作为第二段隧道冻结施工作业面，施工顺序为：
明挖段工作井施工→第一段隧道冻结孔钻进和积极冻结→第一段隧道掘进和外衬施工→施工第二段隧道钻孔作业面→第一段隧道地基强制化冻、注浆和施工内衬，第二段隧道冻结孔钻进和积极冻结→第二段隧道掘进和初衬施工→第二段隧道地基强制化冻、注浆和施工内衬→停止冻结和冻结孔封堵→冻结设备拆除。
冻结段划分及钻孔作业面结构见图2-2-5-2。
5.3.3冻土帷幕设计
（1）设计基础资料
取土的平均容重为19kN/m3,变形模量为6MPa，泊松比0.395。
取冻土（平均温度-10C）的变形模量150MPa，泊松比0.3，设计抗折强度为1.8MPa（上海地区淤泥质粘土的极限抗折强度试验值为2.8～3MPa），单轴抗压强度5MPa。
取地面超载为67kPa（约为土层承载力的2/3）。
隧道覆土厚度按11.5m考虑。
（2）冻土帷幕结构形式
冻土帷幕的断面形状与隧道开挖断面相似，厚度为1.4m。
（3）冻土帷幕的承载力计算
取出冻土帷幕及地层的一个截面，按线弹性平面应变问题计算冻土帷幕的应力、应变分布。
取模型的宽度为24m，高度为28m。
冻土帷幕的有限元分析模型见图2-2-5-3。
图2-2-5-3冻土帷幕的有限元分析模型
用有限元法进行冻土帷幕的受力与变形计算。
有限元程序为著名的ANSYS。
计算结果见表II-2-5-1从表中可以看出，冻土帷幕的承载能力是足够的。
计算最大应力及安全系数表II-2-5-1
项目
抗拉（抗折）
抗压
计算值
0.466Mpa
1.32Mpa
1.41Mpa
位置
底拱内缘中部
底拱外缘中部
底拱与左侧墙交接处内缘
强度指标
1.8
5.0
5.0
安全系数
3.83
3.78
3.54
（4）冻结孔布置与冻土帷幕形成预计
冻结孔布置见图2-2-5-4、图2-2-5-5。
冻土帷幕形成预计断面见图2-2-5-6。
设计取冻结孔允许偏斜率为8‰。
隧道冻结孔开孔间距为887mm，含水土层中成孔最大控制间距为1.5m。
冻结孔沿隧道线路呈放射状钻进，第一段冻结孔开孔位置与开挖边界的距离为600mm，钻孔与隧道中心线的夹角（钻孔偏角）为10，第二段冻结孔开孔位置与开挖边界的距离为300～600mm，钻孔与隧道中心线的夹角（钻孔偏角）为10。
冻土帷幕扩展厚度根据上海地区类似地层冻结施工实测结果并参考竖井冻结壁计算方法确定。
设计冻土帷幕交圈时间为30d，积极冻结时间为35d。
开挖时的冻结壁有效厚度为1.4m。
冻土帷幕扩展与掘进进程关系见图2-2-5-7，在图中给出了掘进到不同位置
时，冻土帷幕的扩展边界。
可以看出，由于采用放射状布孔，掘进时冻土进入开挖断面很少，这样，既有利于初衬喷射混凝土施工，有可增加冻土帷幕有效厚度。
5.4冻结施工
5.4.1主要冻结施工参数与工程量
（1）冻土帷幕的平均温度不高于-10℃。
冻土帷幕表面温度不低于-5℃。
（2）设计最低盐水温度为-24～-28℃，并要求冻结7天盐水温度达到-20℃，维护冻结时不升高盐水温度。
（3）冻结孔单孔盐水流量为7～10m3/h。
（4）冻结管外径为108mm。
（5）隧道的积极冻结时间为35天。
按隧道掘进速度1.5m/d计算，预计维护冻结工期。
（6）冻结需冷量：
取冻结管的散热系数为300kcalh-1m-2，冷量损耗为20%，第一段和第二段的冻结管长度分别为1595m和1429m，得冻结需冷量分别为：
Q1=0.108×3.1416×1595×300×1.20=194455kcal/h
Q2=0.108×3.1416×1056×300×1.20=128985kcal/h
（7）第一、二冻结段的冻土帷幕均设测温孔二个，深度分别为45m和33m，孔内根据地层情况布置5～8个测温点；设水文孔（卸压孔）1个，深度分别为32m和27m，孔口安装1"泄压阀和2MPa压力表。
（8）第一段冻结长度为55m，钻孔工程量为1740m，其中冻结孔、测温孔、卸压孔分别为1595m（包括一个补孔）、100m和45m。
第二段冻结长度为36.9m，钻孔工程量为1147m，其中冻结孔、测温孔、卸压孔分别为1056m（包括一个补孔）、64m和27m。
见表II-2-5-2。
主要冻结施工参数一览表表II-2-5-2
序号
参数名称
单位
参数
备注
第一段
第二段
1
冻结长度
m
55
36.9
两冻结段搭接10m
2
冻土帷幕设计厚度
m
1.4
1.4
3
冻土帷幕平均温度
℃
-10
-10
4
冻土帷幕交圈时间
天
30
30
5
积极冻结时间
天
35
35
6
冻结孔个数
个
29
29
包括1个补孔
7
冻结孔开孔间距
mm
879
809
8
设计冻结孔外偏斜角
度
1
1
冻结孔与隧道中心线的夹角
9
冻结孔终孔控制间距
m
1.65
1.65
10
冻结孔允许偏斜
‰
8
8
11
设计最低盐水温度
℃
-26～-30
-26～-30
12
维护冻结盐水温度
℃
-20～-30
-20～-30
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