旁通道冻结法技术规范0512161Word格式文档下载.docx
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在规程执行过程中，请各单位结合工程实践，认真总结经验，有何意见和建议请及时告知主编单位，供今后修订时参考。
主编单位：
上海申通轨道交通研究咨询有限公司
参编单位：
北京中煤矿山工程有限公司
煤炭科学研究总院北京建井研究所
主要起草人：
白廷辉李功洲毕湘利楼根达
徐兵壮李长忠周兴旺陈朝晖
李方政王建平韩圣铭杨国伟
王圣公吴小光陆仁财
1.0.1为了保证地铁建设工程应用冻结施工法的质量和安全，做到技术先进、经济合理、使用可靠，特制订本规程。
1.0.2本规程适用于上海地铁建设中旁通道应用冻结法技术的工程勘探、地层冻结设计、冻结壁形成及其检测、冻结孔施工与冻结管质量、冷冻站制冷系统、掘砌及监控等方面，采用冻结施工法的端头井、建筑基坑等工程，可根据工程的特征，工程地质及水文地质条件，参照本规程。
。
1.0.3在旁通道地层冻结设计和掘砌施工中，应因地制宜、因时制宜、合理设计、精心施工、严格监控。
在地层冻结设计时，应综合考虑工程条件、地质条件及水文地质条件、冲积层厚度及土层的特征、富水特征，选择合理的结构、冻结方式、冻结深度（长度）及冻结壁厚度、强度。
在旁通道掘砌施工中应做到地层冻结与掘砌的协调配合，确保冻结器安全运转。
1.0.4采用冻结施工法，除应符合本规程的规定外，尚应符合国家和本市现行的有关标准、规范和规程。
2.0.1冻结施工法freezingmethod
在构筑物（旁通道）掘砌之前，用人工制冷的方法，将构筑物周围含水松散不稳定的冲积层、岩层进行冻结，形成封闭的符合工程施工安全要求的起到临时保护作用的冻结壁（俗称冻土帷幕或冻土墙），然后在冻结壁的保护下进行构筑物掘砌工作的一种施工方法。
2.0.2冲积层alluvium
覆盖于基岩露头之上的第三系、第四系地层。
2.0.3冻结壁frostwall
用人工制冷的方法在构筑物周围土层（或岩层）所形成的具有一定厚度和强度的连续封闭的冻结岩土体。
又称冻土帷幕或冻土墙。
2.0.4冻结壁交圈时间frostwallenclosetime
从地层冻结开始至构筑物周围主要冻结器布置圈上的所有的冻结器单独形成的冻结岩土柱均相交、连接成冻结壁所需的时间。
2.0.5冻结壁形成期frostwallformativeperiod
从地层冻结开始至构筑物周围所有冻结岩土柱相连，且形成达到冻结壁设计厚度、强度所需的时间。
2.0.6冻结壁维护期frostwallholdingperiod
冻结壁达到设计要求后，为了保证构筑物掘砌过程中的安全，继续向冻结器输送冷量，以维持冻结壁满足设计要求的一段时间。
2.0.7人工冻土artificialfrozenground
用制冷技术使含水松散不稳定土层降温冻结，具有一定强度的冻土。
2.0.8冷冻站freezingstation
在构筑物附近集中安设制冷设备和设施的场所，其中主要有制冷剂（氟利昂或其它制冷剂）循环系统、盐水循环系统、冷却水循环系统及供电系统。
2.0.9冻结孔freezinghole
按设计要求布置在构筑物周围用于安装冻结器的钻孔，有垂直孔、水平孔、倾斜孔之分。
2.0.10冻结器frigo
安设在冻结孔内，用以循环冷媒剂并与地层进行热交换的装置。
冻结器由冻结管、供液管、回液管等组成，要求封闭性好，不渗漏。
2.0.11水位观测孔stagemeasurementhole
水位观测孔是布置在构筑物范围内，用以观测其水压变化来判断冻结壁是否交圈孔（管）。
当冻结壁交圈后孔内的水位有规律增大。
2.0.12温度观测孔temperaturemeasurementhole
布置在冻结壁内外侧，用于安装温度传感器监测不同时期内冻结壁的纵向及横向温度的分布状况的钻孔。
以获得冻结壁形成过程中的温度动态变化，用来计算冻土扩展速度、冻结壁平均温度和冻结壁形成特性。
2.0.13测斜deviationalsurvey
检查冻结孔、温度测温孔、水位观测孔在不同深度上的偏斜率和偏斜方位的工作。
测斜应在钻进施工中进行，并于成孔后在进行最终测量。
2.0.14掘进步距（段长）drivagestepsize
掘进施工过程中，开挖与支护循环作业的长度。
2.0.15冻土压力frozengroundpressure
衬砌支护后，冻结壁作用于衬砌上的法向压力的统称，是临时荷载，亦称冻结压力。
3.1.1编写旁通道冻结法施工组织设计时，必须有该旁通道的检查孔地质报告。
3.1.2检查孔地质报告提供的资料应能满足地层冻结、衬砌设计要求，应包括下列资料：
1检查钻孔位置，检查钻孔主要施工工艺及主要施工过程；
2构筑物全深的地质柱状图，包括岩（土）性、层厚、倾角、岩芯采取率、累计深度、岩（土）层主要特征的描述；
3地质构造及地温；
4冲积层主要土层的常规土工试验指标，其土样的层位、深度应与冻土物理力学性能试验一致；
5冲积层、基岩中各含水层的特征，应包括含水层埋深、层厚、静止水位、水位波动情况、渗透系数、流向、流速、水质、水温。
表土层各含水层之间、表土层与基岩的水力联系。
3．2地下水流速
3.2.1地层中的含水层自然和人为抽水后形成的地下水流速，当超过一定限度（5m/d）时，将影响地层正常冻结。
3.2.2对冻结构筑物附近的水源井应进行调查，收集水源井的用途、数量、方位、距离、深度，抽水层位及深度，抽水时间，日抽水量以及抽水影响半径等资料。
3.2.3当在冻结构筑物附近600m范围内有大抽水量（600m3/h）的水源井时，或抽水量≥200m3/h的连续抽水，或有地下古河道，必须实测构筑物穿过的含水层的地下水流向、流速并提供实测报告。
3.3.1在检查孔地质报告中应有人工冻土物理力学性能试验报告。
3.3.2人工冻土试验，当构筑物穿过多个地层（粘土和砂性土）时，应进行不同层位土层的冻土物理力学性能试验，其中应包括冻结壁设计控制层的试验资料。
3.3.3人工冻土物理力学性能试验项目应符合表3.3.3中的规定，试验方法应符合MT/T593规定。
表3.3.3人工冻土试验项目
试验项目
试验内容
冻胀试验
-5~-15℃选3种不同温度
单轴抗压强度
三轴剪切强度
-5~-15℃选2种不同温度
导热系数测定（冻土与非冻土）
测定
热容量测定
冻结温度
3.4编制冻结施工组织设计应有下列构筑物设计有关资料
1项目设计概况；
2构筑物特征；
3构筑物上下场所地形地貌特征；
4构筑物周围永久、临时设施（含管线、建筑物、设备等）布置；
5构筑物施工图；
6地区气象资料。
4.1.1本章适用于浅埋地下结构施工中含水地层的冻结加固设计。
包括：
隧道、旁通道、地下室、竖井、基坑、盾构和顶管进、出洞口的地层冻结加固。
4.1.2地层冻结加固应在设计的时间内保证土方开挖和结构施工的安全，并使周围环境和建（构）筑物不受损害。
4.1.3冻结壁宜作为临时承载结构。
当要求承载时间较长时，宜设立内支撑形成复合承载体系（重力式冻结挡土墙除外）。
4.1.4地层冻结设计应包括以下内容：
1冻结壁结构方案比较与选择；
2冻结壁的承载力和变形验算（I类冻结壁除外）；
3冻结孔布置设计；
4冻结壁形成验算；
5冻结制冷系统设计；
6对冻结壁的监测与保护要求；
7可能对周围环境和建（构）筑物产生影响的分析；
8对周围环境和建（构）筑物的影响监测与保护要求。
4.1.5在地层冻结区域内有以下情况时，设计中应进行深入分析并采取针对性措施：
1地下水流速大于5m/d、有集中水流或地下水水位有明显（≥2m/d）波动；
2土层结冰温度低于-2℃或有地下热源可能影响土体冻结；
3地层含水量低影响土体冻结强度；
4用其他施工方法扰动过的地层；
5有其它可能影响地层冻结或地层冻结可能严重影响周围环境的情况。
4.1.6当冻结壁表面直接与大气接触，或通过导热物体与大气产生热交换时，应在冻结壁或导热物体表面采取保温措施。
4.1.7在冻结壁形成期间，冻结壁内或冻结壁外200m区域内的透水砂层中不宜采取降水措施。
必须降水施工时，冻结设计应充分考虑降水产生的不利影响。
4.1.8冻结壁的荷载计算
1冻结壁的荷载应包括下列各项：
1）土压力；
2）水压力;
3土方开挖影响范围以内地面建（构）筑物荷载、地面超载及其它临时荷载。
2土压力和水压力对砂性土宜按水土分算的原则计算；
对粘性土宜按水土合算的原则计算；
也可按经验公式计算。
3冻结壁上覆土压力按上覆土体重量及地面建（构）筑物荷载、地面超载计算；
侧向土压力按主动土压力计算，可采用郎肯土压力理论计算；
底板土反力可按静力平衡计算。
4侧向土压力计算的经验公式为
式4.1.8
式中Ps为侧向土压力，kPa；
Pt为上覆土压力，kPa；
K为侧压系数，一般取K=0.7。
4.2.1冻结壁结构形式选择
1冻结壁按其功能与要求分为三类，见表4.2.1-1。
应根据冻结壁功能要求分类选择不同形式和安全性能的冻结壁结构。
表4.2.1-1冻结壁功能分类表
类别
功能与要求
说明
I
仅用于止水而无承载要求
如岩石裂隙和混凝土界面缝隙止水
II
仅用于承载而无止水要求
如不透水粘性土层的加固
III
既要求承载又要求止水
如含水砂土层的加固与止水
2冻结壁结构形式选择原则
1）冻结壁宜按受压结构设计。
2）在含水砂性土层中应采用封闭的冻结壁结构形式。
3）冻结壁的几何形状宜与拟建地下结构的轮廓接近，并易于冻结孔布置。
4）冻结壁结构形式选择应有利于控制土层冻胀与融沉对周围环境的影响。
5）竖井和隧道冻结壁宜采用圆形或近似圆形断面。
6）基坑深度小于5m时，冻结壁可按重力式挡土墙设计。
7）有严格变形控制要求时，可采用“冻实”的冻结壁形式。
3可按表4.2.1-2选择冻结壁及内支撑形式和确定承载比例。
复杂、重要结构物，内支撑承载比例按100%计算。
表4.2.1-2冻结壁和内支撑形式及承载比例
序号
工程类型
冻结壁形式
内支撑形式
承载比例
冻结壁
内支撑
1
盾构与顶管进出洞
可采用墙式冻结壁。
大型盾构出洞可增加“门”型冻结壁抗浮。
不设内支撑
100%
2
旁通道及集水井
通道部份可采用直墙圆拱冻结壁，集水井可采取满堂加固或采用“V”字形冻结壁。
钢支撑+木背板；
钢支撑+木背板+喷射混凝土。
25~50%
3
竖井
可采用竖直环形冻结壁。
钢筋混凝土井壁；
钢筋混凝土井壁+缓压层。
50~90%
4
隧道
可采用水平环形冻结壁。
钢格栅+喷射混凝土；
80~100%
5
基坑围护
基坑深度小于5m时可采用重力式挡土墙。
冻结壁表面保温。
4.2.2冻结设计基础参数确定
1冻结壁平均温度
冻结壁平均温度应根据冻结壁承受荷载大小（或开挖深度）确定，也可按表4.2.2-1选取。
冻结壁承受荷载大、安全要求高的工程宜取较低的冻结壁平均温度。
4.2.2-1冻结壁平均温度设计参考值
开挖深度Hj，m
0~12
12~20
20~32
>
32
冻结壁平均温度Tp，℃
–6~-8
-7~-9
-8~-10
≤-10
2盐水温度与盐水流量
1）最低盐水温度应根据设计冻结壁平均温度、地层环境及气候条件确定，也可按表4.2.2-2选取。
设计冻结壁平均温度低、地温高、气温低时取较低的盐水温度。
表4.2.2-2最低盐水温度设计参考值
最低盐水温度Ty，℃
–25~-27
-26~-28
-27~-30
-29~-32
2）按下列要求控制盐水温度：
积极冻结7天盐水降至-18℃以下，积极冻结15天盐水温度降至-24℃以下（设计最低盐水温度高于-24℃时取设计最低盐水温度），开挖过程中盐水温度降至设计最低盐水温度以下。
施工内支撑后可进行维护冻结，但维护冻结盐水温度不宜高于-22℃。
3）开挖过程中，在保证冻结壁平均温度和厚度达到设计要求且实测判定冻结壁安全的情况下，可适当提高盐水温度，但不宜高于-25℃。
4）开挖时，去回、路盐水温差不宜高于2℃。
5）冻结孔单孔盐水流量应根据冻结管散热要求和冻结管直径确定，也可按表4.2.2-3选取，冻结管直径大时取较大的盐水流量。
冻结管内盐水流动状态宜处于层流与紊流之间。
表4.2.2-3单孔盐水流量设计参考值
冻结孔串联长度Lk，m
≤40
40~80
80~120
120
单孔盐水流量Qyk，m3/h
3.0~5.0
4.5~8.0
7.0~10.0
≥9.0
3冻结管材质、规格与接头形式
1）冻结管应选用导热和低温性能好的材质，宜采用低碳钢无缝钢管。
2）冻结管直径可选用Φ89~Φ127mm，不宜小于Φ73mm，管壁厚度不宜小于5mm。
3）冻结管接头可采用螺纹连接、外接箍焊接和加内衬对焊连接。
冻结管接头应有足够的强度，防止在施工过程中冻结管接头断裂。
当需要拔管（盾构进出洞加固）或预计冻结壁变形大、有可能引起冻结管断裂时，宜采用加内衬对焊连接接头。
4.2.3冻结壁厚度设计与强度检验
1II类和III类冻结壁应按承载力要求设计冻结壁厚度。
2冻结壁内力宜采用通用结构力学计算方法计算。
冻结壁的力学计算模型可按均质线弹性体简化，其力学特性参数宜取冻结壁平均温度下的冻土力学特性试验值。
3冻结壁内力和变形计算可考虑设置有内支撑的工况，但必须对内支撑的结构形式、承载力及其施工时序等有明确的设计。
设内支撑时，冻结壁的空帮时间不宜大于24h。
4III类冻结壁强度检验安全系数按下表选取，II类冻结壁强度检验安全系数取III类冻结壁的0.9倍。
表4.2.3III类冻结壁强度检验安全系数
项目
抗压
弯拉
抗剪
安全系数
2.0
3.0
5有特殊要求时验算冻结壁的变形。
6I类冻结壁按冻结交圈要求设计冻结壁厚度。
I类冻结壁可不作强度验算，但应在冻结壁交圈后再积极冻结不少于3d。
4.2.4冻结孔布置与冻结壁形成预计
1冻结孔布置参数包括冻结孔成孔控制间距、冻结孔开孔间距、冻结孔孔位、冻结孔深度和冻结孔偏斜精度要求等。
冻结壁形成参数包括冻结壁交圈时间、预计冻结壁扩展厚度和冻结壁平均温度等。
2冻结孔成孔控制间距应按冻结工期要求、设计盐水温度和冻结冻平均温度等确定，布置单排冻结孔时冻结孔成孔控制间距可按表4.2.4-1选取，但不宜大于冻结壁设计厚度。
多排冻结孔密集布置时，内部冻结孔成孔控制间距可取边孔的1.2倍。
表4.2.4-1单排冻结孔成孔控制间距设计参考值
冻结孔类型
水平或倾斜冻结孔
竖直冻结孔
冻结孔深度H（m）
≤10
10~30
30~60
40~100
冻结孔成孔控制间距Smax（mm）
1100~1300
1300~1600
1600~2000
1200~1400
1400~1800
3冻结孔偏斜精度要求可按表4.2.4-2选定。
表4.2.4-2冻结孔偏斜精度要求
冻结孔最大偏斜
Rp（mm）
150
150~350
350~600
150~250
250~400
4冻结孔开孔间距不宜大于冻结孔成孔控制间距与冻结孔最大偏斜之差。
5当布置单排冻结孔在规定冻结工期内达不到设计冻结壁厚度和平均温度时，应布置多排冻结孔冻结。
6冻结孔宜均匀布置并避开地层中的障碍物。
在隧道管片上布置冻结孔时，开孔位置宜避开管片螺栓口、钢筋混凝土管片主筋和钢管片肋板。
7冻结孔深度可按下式确定
式4.2.4-1
式中Lks为冻结孔深度，m；
Lsj为从冻结孔孔口到冻结壁设计边界的距离，m；
L0为不能循环盐水的冻结管端部长度，m；
L1为冻结管端部冻结削弱影响深度，m。
8当只需要加固地层深部土体时，可采用浅部冻结管保温或下双供液管的方法进行局部冻结。
9冻结壁扩展厚度可按下式计算
式4.2.4-2
式中Eyj为预计冻结壁厚度，m；
vdp为冻结壁平均扩展速度，m/d；
t为冻结时间，d。
冻结壁平均扩展速度可按表4.2.4-3选取或采用通用计算方法计算。
表4.2.4-3单排孔冻结壁扩展速度设计参考值
冻结时间t（d）
20
30
40
50
60
冻结壁平均扩展速度vdp（mm/d）
34
28
24
22
如为密集布孔，内部冻结孔之间的冻结壁扩展速度可比上表给出的设计参考值增加5%~20%。
10冻结壁交圈时间可按下式估算
式4.2.4-3
式中tjq为预计冻结壁交圈时间，d；
Smax为冻结孔成孔控制间距，m；
vdp为冻结壁平均扩展速度，m/d。
11冻结壁形成期应不少于预计冻结壁厚度和平均温度达到设计要求的时间。
12冻结壁温度分布可简化为定常温度场计算。
冻结壁平均温度宜采用通用数值方法或通用经验公式计算。
4.3冷冻站制冷系统设计
冷冻站制冷系统由制冷剂循环系统、冷媒剂循环系统、冷却水循环系统三部分组成。
4.3.1制冷剂循环设计
1冻结管吸热能力按式4.3.1-1计算
式4.3.1-1
式中
——冻结管总吸热能力（kJ/h）；
——冻结管长度（m）;
d——冻结管外径（m）;
K——冻结管吸热系数，取1047～1172（kJ／
）。
2冷冻站制冷能力按式4.3.1-2确定。
式4.3.1-2
——冷冻站制冷能力（kJ/h）；
m——冷量损失系数，取1.1～1.2。
3冷冻设备的选型
1）制冷剂循环系统的冷凝温度高于冷却水循环系统的出水温度3～5℃。
2）制冷剂循环系统的蒸发温度低于冷媒剂循环系统的温度5～7℃。
3）由冷冻站的制冷能力、制冷剂循环系统的冷凝温度、蒸发温度确定冷冻设备的型号与数量。
4.3.2冷媒剂循环系统设计
冷媒剂循环系统的溶液为氯化钙水溶液。
1氯化钙水溶液循环系统管路内流速宜为：
1）冻结器循环空间的盐水流速为0.1～0.3m/s;
2）供液管盐水流速为0.6～1.5m/s;
3）干管及配集液管盐水流速为1.5～2.0m/s。
2氯化钙水溶液应符合下列规定：
1）氯化钙水溶液的凝固点应低于设计盐水温度8～10℃；
2）氯化钙水溶液的比重不宜高于1.27。
3）氯化钙水溶液的性质应符合表4.3.2-2规定。
表4.3.2-2氯化钙水溶液性质
密度（kg/m3）（在+15℃时）
波美度（°
Be）（在+15℃时）
浓度（质量%）（在+15℃时）
1.24
28.0
25.7
1.26
29.8
27.5
1.27
30.7
28.5
1.28
31.6
29.4
1.286
32.3
29.90
凝固温度（℃）
-31.2
-38.6
-43.6
-50.1
-55.0
1m3盐水中氯化钙含量（kg）
318.7
346.5
360.7
376.3
385.7
主
要
热
物
理
性
质
比热
（kJ/kg.℃）
-20
-25
-30
-35
-40
2.805
2.763
－
2.742
2.721
2.700
2.680
2.659
2.638
导热系数
（kJ/m.h.℃）
1.829
1.805
1.779
1.821
1.796
1.771
1.750
1.817
1.792
1.767
1.742
1.721
1.813
1.763
1.737
1.716
动力粘度
×
103
（pa.s）
10.55
12.90
14.80
11.86
14.70
17.15
21.56
12.64
15.97
18.82
24.50
30.38
13.82
21.27
25.48
32.34
14.38
18.33
22.54
4）氯化钙水溶液应充满循环系统中所有的容器和管路。
氯化钙用量按下式计算确定。
式4.3.2-1
——冻结器内盐水体积（
）；
——干管及集、配集液圈内盐水体积（
——蒸发器内盐水体积（
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