旁通道冻结方案Word格式.docx
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（2）根据上海地铁二号线旁通道和杨家渡220kV电缆隧道顶管出洞地层冻结施工经验，由于混凝土和钢管片相对于土层要容易散热得多，会严重影响隧道管片附近土层的冻结速度和冻结强度，从而影响冻土帷幕的整体稳定性和封水性。
为此，本方案设计采用在对面隧道管片内侧敷设冷板和保温层的措施，以确保冻土帷幕不存在影响安全的薄弱环节。
（3）用金刚石取芯钻开孔，跟管钻进法下冻结管。
冻结孔开孔前，在布孔范围内打若干小口径钻孔，探测地层稳定情况。
如发现砂层，先进行水泥—水玻璃双液壁后注浆，以提高孔口附近地层的稳定性，然后再钻进冻结孔。
每个钻孔都设孔口管，并安装钻孔密封装置，以防钻进时大量出泥、出水。
冻结施工结束后，孔口管管口焊上钢板，以免工程结束后钻孔孔口漏水。
（4）为了杜绝在粉土层中施工冻结孔时容易钻孔出泥的问题，采用煤炭科学研究总院研制强力水平孔钻机，实现无水钻进。
（5）加强冻结过程检测。
在冻土帷幕内布置测温孔和压力释放与观测孔，以便正确测定冻土帷幕厚度和判断冻土帷幕是否交圈。
对侧隧道管片附近土层的冻结情况将成为控制整个冻土帷幕安全的关键，为此，在对侧隧道管片上沿冻土帷幕四周安装测温孔，以全面监测冻土帷幕的形成过程。
（6）采取在对侧隧道管片内侧敷设冷管和保温层、减小冻结孔与对侧隧道管片的距离和迅速降低冻结盐水温度等措施，以加快管片附近土层的冻结速度，并设泄压孔，以减小土层冻胀及其对隧道的影响。
（7）在旁通道衬砌中预埋压浆管，采用注浆方式以补偿土层融沉。
注浆应配合冻土帷幕融化过程进行，开始可注粘土水泥浆。
（8）为节省地面空间，将制冷站设在旁通道附近隧道内，这样也可避免长距离输送盐水造成的冷量损失。
（9）由于冻土的蠕变性很好，冻土帷幕在破坏前必然有一个较大的蠕变过程，可以通过检查开挖过程中的冻土帷幕变形情况判断其安全性。
为此，在开挖过程中必须及时进行冻土帷幕变形和温度观测，如遇冻土帷幕有明显变形，立即用钢支架背板支撑，调整开挖构筑工艺，并同时加强冻结，或在薄弱处冻土帷幕表面，喷洒低温氮气。
（10）由于旁通道的开挖和临时支护施工时间很短，一般不多于7天，比冻土帷幕的化冻时间要短得多，根据矿山井筒冻结工程实践，由于偶然停冻对开挖安全不会产生大的影响。
但是，为了进一步提高施工安全性，还将采取以下措施：
选用可靠的冻结施工机械；
安装足够的备用设备；
加强停冻时的冻土帷幕监测，在冻土帷幕表面喷洒低温氮气，避免冻土帷幕化冻；
尽快施工衬砌，必要时用堆土法封闭开挖工作面。
（详见附图－01隧道预应力支撑结构图）
（11）在整个施工过程中，严密监测地面和隧道变形，确保地面建筑和隧道安全。
3．地层冻结施工
3.1冻土帷幕厚度设计
据试算与工程成功经验取，旁通道冻土帷幕的有效厚度为1.4m，冻土帷幕的受力计算模型见图2，模型的宽度为6m,高度为7m。
冻土帷幕顶面所受土压力按上覆土体重量计算，侧面土压力按侧压系数0.7计算。
覆土厚度取14m，土的平均重度取18.5kN/m3。
地面超载20kN。
3.1.1旁通道冻土帷幕顶面土压力
3.1.2旁通道冻土帷幕侧面土压力
用有限元法进行冻土帷幕的受力与变形计算，其有限元计算模型见图4（a）。
设计取冻土的弹性模量和泊松比分别为150MPa和0.3，冻土强度指标（平均温度-10℃）为：
抗折强度1.5MPa（试验极限抗折强度2.8～3.0MPa），抗压强度为5.0MPa，抗剪强度为1.8MPa。
强度检验计算结果见图4（b）~（f）和表1。
从表中可以看出，冻土帷幕的总体承载能力是足够的。
计算显示在冻土帷幕内侧角部存在应力集中，但是范围很小（<
0.1m），且应力值远小于强度值，加之实际施工中冻土帷幕角部是圆弧过度的，冻土帷幕中间有土体或支撑，
（a）有限元计算模型（b）ux分布
（c）uy分布（d）σx分布
（e）σy分布（f）τxy分布
图4冻土帷幕的有限元分析模型及分析结果
表1冻土帷幕应力、位移计算值及安全系数
指标
抗压MPa
抗剪MPa
位移mm
位置
墙内侧
墙外侧
拱内侧
拱外侧
角部
拱部
墙中部
计算值
-0.017
1.410
0.780
0.451
2.231
0.898
22
21
强度指标
1.5
5.0
1.8
安全系数
88
3.54
6.41
11
2.16
2.0
备注
受拉
应力集中
未减去初始位移
所以，在施工中是允许的。
集水井尺寸较小，并且内部是冻实的，其承载安全系数更大。
3.2冻结孔布置和冻土帷幕形成预计
地层冻结加固范围确定首先须满足以下基本要求：
一是围护开挖区，确保开挖和支护施工能安全顺利地进行，主要是要保证冻土帷幕有足够的强度，也就实际冻土帷幕的有效厚度要达到设计厚度；
其次，还要便于隧道开挖和支护，降低施工费用，缩短施工工期。
为此，确定在一条隧道施工冻结孔，加固通道周围土层的冻结孔沿通道四周布置，基本呈水平，加固泵站土层的冻结孔成向下倾斜状。
冻结孔控制间距为1000mm。
根据设计冻结孔间距、冻结温度和盐水流量估算，冻土帷幕交圈时间为20～25天，冻土帷幕达到设计厚度时间分别为30天（根据过去旁通道冻结施工监测结果，冻土帷幕的总厚度可达1.8m）。
冻土帷幕形成参见附图－02冻结孔布置立面透视图、附图－03冻结孔布置和附图－04冻土帷幕交圈预计图。
3.3其它冻结施工设计参数
（1）设计最低盐水温度为-26～-30℃，并要求冻结7天盐水温度达到-20℃。
维护冻结盐水温度一般不高于-20℃。
（2）冻土帷幕平均温度不高于-10℃。
（3）冻结孔单孔盐水流量为7～10m3/h。
（4）冻结管外径为95mm。
（5）冻结管散热系数取300kcalh-1m-2，冷量损耗取20%，计算旁通道的冻结管长度和冻结总需冷量为：
710m和76300kcal/h.
（6）设测温孔10个，深度3～12m；
泄压孔2个，深度3～7m。
冻结施工设计参数详见表3。
3.4施工流程与施工工艺
表3主要冻结施工参数一览表
序号
参数名称
单位
数量
备注
1
地层加固体积
m
2100
2
冻土墙设计厚度
1.4
3
冻土墙平均温度
℃
-10
取冻土抗折、抗剪和抗压强度分别为1.5MPa、1.8MPa和5MPa
４
冻土帷幕交圈时间
天
20
从开冻至可以打开通道口
5
积极冻结时间
30
6
冻结孔个数
个
64
7
冻结孔成孔控制间距
m
1.0
8
冻结孔允许偏斜
%
9
设计最低盐水温度
-26～-30
冻结7天盐水温度达-20℃以下
10
维护冻结盐水温度
≦-20
单孔盐水流量
m3/h
7～10
12
冻结管规格
mm
φ95×
低碳钢无缝钢管
13
测温孔
管材同冻结管
14
测温孔深度
3～12
15
卸压孔个数
16
卸压孔深度
3～7
17
冻结孔总长度
710
包括冻结孔、测温孔、泄压孔
18
冻结总需冷量
kcal/h
76300
工况条件
3.4.1施工流程
冻结施工流程见图5。
冻结施工流程
维护冻结
图5冻结施工流程图
3.4.2施工准备
（1）要求提前供电到旁通道施工场地附近，并清理隧道及施工场地，保证施工通行顺畅。
（2）在隧道内铺设两趟3”钢管至旁通道施工工作面，用于冻结孔打钻供水、排污和冻结时的供、排水。
在旁通道施工工作面安装排污泵和排水泵各一台。
在端头井中安装流量40m3/h潜水泵1台，在施工工作面安装流量40m3/h的排污泵1台。
（3）安装两台7.5kw的轴流风机，用于隧道通风。
（4）安装钻孔施工平台。
（5）在旁通道施工工作面两端砌高约0.5m的泥浆挡墙，以免冻结孔钻进时泥浆四溢影响隧道内施工环境整洁。
（6）用脚手架管搭建长约20m的冻结设备安装平台，上铺厚6cm、长2～3m的木板。
（7）施工设备进场。
由于隧道内交通不便，受施工的影响大，应合理安排施工设备运抵安装地点的时间顺序。
（8）移交施工坐标点和钻孔定位。
3.4.3冻结孔施工
（1）冻结管、测温管、卸压管和供液管规格
冻结管选用的ф95×
8mm低碳无缝钢管，单根管材长度以1～1.5m为宜，采用螺纹连接。
测温管和泄压管管材同冻结管。
供液管采用Φ62×
6mm增强聚乙烯塑料管或1.5”焊接钢管。
（2）打钻设备选型
选用MKD-5S型钻机，其主要技术性能参数为：
输出扭矩：
2000kN·
给进及起拔力：
117/78kN
钻孔最大直径：
Φ150mm
最大行程：
480mm
选用BW-200/50泥浆泵一台，流量为200l/min。
钻机和泥浆泵总功率为48kw。
用冻结管作钻杆。
一般土层采用三叶刮刀钻头钻进，钻头直径Φ100mm。
钻头后面连接逆止和丝堵部件。
（3）冻结孔质量要求
根据施工基准点，按冻结孔施工图布置冻结孔。
孔位偏差不应大于100mm。
冻结孔孔径为Φ100mm。
冻结孔钻进深度不应小于设计值，不大于设计0.5m，或者以钻头碰到对侧隧道管片为准。
钻孔偏斜应控制在1%以内。
成孔最大间距不大于1.0m。
采用经纬仪灯光测斜。
（4）冻结孔开孔
在冻结孔布孔范围内用Φ38mm小口径钻孔检查地层稳定性，如有涌水、冒砂现象，则需进行双液壁后注浆。
管片上冻结孔开孔Φ140mm金刚石取芯钻。
每个钻孔安装孔口管，孔口管用ф140×
6mm无缝钢管加工，孔口管头部车250mm长的鱼鳞扣，安装时在鱼鳞扣外面缠绕麻丝并涂抹锚固密封胶。
钻进时，在孔口管尾端连接孔口密封装置。
（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。
冻结管丝扣要补焊。
2）对穿孔施工要采用专用钻头。
钻头刚碰到对侧隧道管片时，要控制钻进压力。
快钻透管片前，要减小泥浆循环量并控制钻进速度。
钻透管片后，要迅速密封冻结管与隧道管片的间隙。
3）为了保证钻孔精度，开孔段钻进是关键。
钻进前2m时，要反复校核钻杆方向，调整钻机位置，并用精密罗盘或经纬仪检测偏斜无问题后方可继续钻进。
4）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在0.7～1.0MPa之间，稳定30分钟压力无变化者为试压合格。
对于上仰的冻结孔，可以安装供液管后再打压，或者适当延长稳压时间。
5）冻结管安装完毕后,截去露出隧道管片的孔口管，并用堵漏材料密封冻结管与孔口管的间隙。
测温孔施工方法与冻结管相同。
6）在冻结管内下入供液管。
供液管底端连接0.2m长的支架。
然后安装去、回路羊角和冻结管端盖。
3.4.4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YSLGF-300型冷冻机组1套，当盐水温度为-26℃，冷却水温度26℃时，其最大制冷量约为86000kcal/h。
冷冻机组电机总功率为102kw。
2）选用200S42A盐水循环泵2台（其中1台备用），流量198m3/h，扬程43m，电机功率37kw。
3）选用IS125-100-250冷却水循环泵1台，流量100m3/h，扬程20m，电机总功率11kw；
DBNL3-50型冷却塔2台，电机总功率6kw。
4）设盐水箱一个，容积6m3。
5）盐水干管和集配液管均选用ф159×
5mm无缝钢管或6”焊管，集、配液管与羊角连接选用1.5"
高压胶管。
6）冷却水管用5”焊管。
7）冷冻板用1.5”管加工。
8）在冷冻机进出水管上安装温度传感器，在去、回路盐水管路上安装压力、温度传感器和控制阀门。
在盐水管出口安装流量计。
在盐水箱安装液面传感器。
9）在配液圈与冻结器之间安装阀门二个，以便控制冻结器盐水流量。
10）在盐水管路的高处安装放气阀。
11）在去路盐水干管上安装单向阀。
12）盐水和清水管路耐压分别为0.7MPa和0.3MPa。
13）冻结施工冷却水用量为15m3/h，最大总用电量约171kw。
参见：
附图－05冻结站布置与冻结系统简图。
14）其它
（1）冷冻机油：
选用N40冷冻机油。
（2）制冷剂：
选用R22制冷剂。
（3）冷媒剂：
用氯化钙溶液作为冷冻循环盐水。
盐水比重为1.260～1.265。
（2）冻结站布置与设备安装
冻结站设在旁通道附近隧道内。
站内设备主要包括配电柜、冷冻机组、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，并用管架架设在施工平台上或隧道管片上。
盐水管路要离地面安装，避免浸水和高低起伏。
回路盐水干管上要做“∩字形弯起。
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。
集配液圈与冻结管的连接用高压胶管，旁通道四周的主冻结孔每两个一串联，其它冻结孔每三个一串联，串联尽量应间隔进行。
在对侧隧洞管片内侧冻结加固范围内敷设冷冻板，敷设方法为用膨胀螺栓和压板直接固定在管片上。
冷冻板与穿透冻结孔之间用胶管连接。
在上铺设5cm厚的聚苯乙料烯泡沫塑保温板。
冷冻机组的蒸发器及低温管路保温用软质炮沫塑料。
盐水箱、盐水干管和冷冻板表面用50mm厚的聚苯乙烯泡沫板保温。
温度计、压力表和流量计安装要按有关规范进行。
（4）溶解氯化钙和机组充氟加油
先在盐水箱内注入约1/4的清水，然后开泵循环并逐步加入固体氯化钙，直至盐水浓度达到设计要求。
溶解氯化钙时要除去杂质。
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。
机组充氟和冷冻机加油按照设备使用说明书的要求进行。
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。
3.4.5积极冻结与维护冻结
（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、盐水流量和冻土帷幕扩展情况，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-20℃以下。
（2）探孔与维护冻结
实测冻土帷幕温度和厚度达到设计值后，打开泄压孔确认无泥水涌出，并安装好防水门后，方可打开通联络道预留口的钢管片。
掘进过程中，根据暴露冻土帷幕的稳定性,可进入维护冻结,但盐水温度不宜高于-20℃。
旁通道开挖期间，要在施工场地附近准备3罐液氮。
（3）停止冻结
浇筑完混凝土内衬后即可停止冻结，并进行自然解冻。
（4）冻结孔密封
截去露出隧道管片的孔口管和冻结管，然后在孔口管管口焊接8mm厚的钢板。
4．开挖与构筑施工方案
4.1施工流程
经探孔确认冻土帷幕已交圈并达到设计厚度后即可进行旁通道的开挖预构筑施工。
开挖构筑施工在冻结施工同一条隧道内进行。
开挖构筑施工流程为：
积极冻结运转同时进行开挖构筑施工准备→钢管片接缝焊接→隧道预应力支撑安装→探孔试挖，打开洞口钢管片→通道掘进与临时支撑→喷射混凝土找平→施工防水层→通道钢筋混凝土内衬施工→集水井开挖与临时支撑→集水井钢筋混凝土内衬施工→停止冻结，冻结孔封孔→壁后充填注浆。
4.2开挖方式
旁通道开挖掘进是根据工程结构特点,采取分区分层方式进行施工,施工顺序如图6所示。
图6旁通道开挖顺序图
开挖采用短段掘砌技术,开挖步距控制在0.3～0.5m,两端喇叭口处断面较大，为减轻开挖对隧道变形的影响，开挖步距控制在0.3m。
由于冻土强度高，韧性好，普通手镐无法施工，需采用风镐掘进。
为了提高掘进效率，加快施工进度，缩短冻土暴露时间，风镐尖需做特殊处理。
另外，在冻土中掘进，环境温度在0°
C以下，输风管路及风镐中的冷凝水容易结冰，影响风镐的正常工作，每个掘进班配备5～6把风镐，以避免风镐不能正常工作而影响施工进度。
在掘进施工中根据揭露土体的加固效果及施工监测信息，及时调整开挖步距和支护强度，确保安全施工。
在开挖过程中，还要及时对暴露的冻土墙进行保温。
4.3支护方式
采用两次支护方式。
第一次支护（初衬）建议采用预应力钢支架加木背板。
第二次支护（内衬）采用现浇钢筋混凝土。
初衬与内衬之间铺设防水卷材并进行壁间注浆。
4.3.1临时支护
旁通道泵站开挖后，地层中原有的应力平衡受到破坏，引起通道周围地层中的应力重新分布，这种重新分布的应力不仅使上部地层产生位移，而且会形成新的附加荷载作用在已加固好的冻土帷幕上，使冻土帷幕墙产生变形。
为控制这种变形，冻土开挖后就要及时对冻结壁进行支护。
此外及时支护对于防止冻土帷幕内侧局部融冻和片帮也是必须的。
所以旁通道的临时支护既作维护地层稳定、确保施工安全的一项重要技术措施，又作为永久支护的一部分，是支护工艺最为关键的一步。
经过力学计算，确定旁通道临时支护的结构形式如图7所示。
通道支撑为直腿圆拱封闭框架，除拱部用18#槽钢外，其他用18#工字钢。
为增加支架的稳定性，每道支架中部加有一根横撑，拱形支架的间排距与通道的开挖步距相对应为0.3～0.5m,相邻支架间加设纵向拉杆，以增加整个支护体系的整体性和稳定性。
集水井支护用矩形钢支架，也用18#工字钢制作，支架间距为0.5m，上下两排支架间由8根拉杆相互连接。
必要时，在支撑框架内可增设横向支撑或支柱加强，以增加支架的整体稳定性及抗变形能力。
钢支撑与冻土之间加木背板，木背板厚度为5cm，木背板后充填10cm厚的50#水泥砂浆。
（a）通道（b）集水井
图7初衬及临时支护结构图
临时支护采用18#工字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，为增加支架的稳定性，每道支架中部加有一根横撑，拱形支架的间排距与通道的开挖步距相对应为0.3～0.5m,相邻支架间加设纵向拉杆，以增加整个支护体系的整体性和稳定性。
集水井支护用矩形钢支架，支架间距为0.5m，上下两排支架间由8根拉杆相互连接。
必要时增设十字形横向支撑，以增加支架整体的稳定性及抗变形能力。
4.3.2永久支护
永久支护（衬砌）为钢筋混凝土结构。
为减少混凝土施工接缝，旁通道开挖及临时支护完成后，一次连续浇筑。
由于结构的特殊性，通道顶板内的混凝土浇筑较为困难，为提高结构施工质量，可采取分段浇筑的施工方式，必要时可采用喷浆机对浇筑空隙进行充填。
施工完通道结构后开挖集水井，集水井开挖到设计深度后先浇筑集水井底板，然后一次完成集水井的钢筋混凝土浇筑施工。
4.4施工准备
4.4.1水、电和场地
（1）供水：
将水管接送地面混凝图土搅拌场地，水量为5m3/h。
（2）供电：
隧道内用冻结供电线路供电，用电量约50kw；
工作井提升机用电约7kw。
（3）道路：
允许5～10t卡车进出施工场地，市内运输必要时办理通行证。
（4）在端头井附近提供200m2左右场地，用于施工材料和渣土存放。
4.4.2端头井提升架
如图8所示，主体井架为三角形井架，井架由三根Ф158×
8无缝管及16#槽钢制作而成，卷扬机提升能力为2t，支架脚部及卷扬机基础为混凝土结构，用预埋螺栓固定，最大提升能力2t，主要用作排碴、上下材料及施工机具。
图8端头井简易提升架
井架平台（端头井井盖）由25#槽钢、18#工字钢梁与60mm厚木板搭拼而成，重物通行口由活动门封盖,井盖只在吊桶通过时才打开，随后立即关闭,以防杂物坠落伤人。
4.4.3隧道内工作平台搭设
按旁通道出口尺寸及施工需要，工作平台由上下两层平台和一个斜坡道构成。
在旁通道开口处的隧道支撑架底梁上表面搭设中间工作平台，主要作为
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