冷冻法施工专业技术方案.docx

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冷冻法施工专业技术方案

苏州市轨道交通一号线I-TS-05标

滨河路站~三元村站区间联络通道兼泵站

冻结法施工组织设计

江苏建基建设有限公司（专业分包单位）

中铁十三局集团有限公司苏州I-TS-05标项目经理部（总包单位）

二○一○年十月

1编制依据

1、《滨河路站~三元村站区间隧道平纵断面图》（2008.10版）（中铁第四勘察设计院集团有限公司）

2《苏州地铁一号线滨河路站~三元村站区间联络通道及泵房设计图》；

3《苏州地铁一号线滨河路站~三元村站区间土建工程工程沿线建（构）筑物调查报告》；

4《苏州轨道交通一号线滨河路站~三元村站区间岩土工程详细勘察报告》（2008.6）（江苏苏州地质工程勘察院）

5《矿山井巷工程施工及验收规范》．GBJ213-90；

6《煤矿井巷工程质量检验评定标准》．MT5009-94；

7国家有关现行规范及苏州地铁公司的相关标准及要求。

2工程概况

2.1工程位置

为了满足区间紧急疏散及排水的要求滨河路站~三元村站区间设一个联络通道兼泵站。

该联络通道兼泵站中心里程为左DK7+633.090（右DK7+633.086），线间距为13.102m，联络通道净宽设计为2.5m，净高2.75m，联络通道处隧道中心标高-15.773m。

地面标高为2.26m。

隧道中心埋深18.033m。

2.2工程范围和工程结构

联络通道（兼泵站）包括：

连接两条盾构隧道的一条通道、通道下集水井；连接隧道和集水池的一条集水管；联络通道长约6.902m，通道两端开口部分为1.6m×2.1m的矩形洞门，中间部分断面为半圆拱直墙形式：

直墙结构宽2.5m，高为1.5m，拱形部分高1.25m，宽2.5米，通道设防火门两道；通道下面的泵站净空断面为4.0m×2.5m×3.4m（长×宽×高）。

通道的开挖尺寸：

6.902m（长）×3.8m（宽）×5.08m（高）；集水井开挖尺寸：

5.3m（长）×3.8m（宽）×4.12m（深）。

衬砌采用二次衬砌方式，所有临时支护层厚度均为250mm；通道墙、拱和集水井的结构层为400mm厚的现浇钢筋混凝土，喇叭口附近顶部和底部的结构层分别为1050mm、1330mm厚的现浇钢筋混凝土；支护层和结构层之间安装防水层。

其结构图如下。

联络通道结构图

2.3工程地质和水文地质

2.3.1工程地质

根据滨河路站~三元村站区间地质勘察资料，勘察区域为广阔的冲湖积平原，水系发育，地势平坦，系典型的水网化平原。

本区间无不良地质作用，联络通道处的土层自上而下依次为：

①素填土，③-1粘土、③-2粉质粘土，④-1粉土，④-2粉砂、⑤粉质粘土层。

根据判别，该场地内20m以内④-1粉土，④-2粉砂不存在液化趋势。

所处地层主要为④-2粉砂及⑤粉质粘土。

根据距联络通道兼泵站位置较近的地勘地质钻孔C1310的资料并参考附近的地勘孔的地质情况，对该通道地质及水文地质条件描述如下（见表2-1）：

表2-11#联络通道兼泵站地质柱状图

时代成因

土层

名称

层底

深度（m）

层底

标高

（m）

分层

厚度

（m）

土层描述

①

素填土

1.5

0.76

1.5

③1

粘土

5.1

-2.84

3.6

黄褐色~褐黄色,硬塑为主,均质致密

③2

粉质粘土

6.5

-4.24

1.4

灰黄色,可塑为主,干强度、韧性中等

④1

粉土

10.5

-8.24.

4.0

灰色，松散~稍密很湿，干强度、韧性低

④2

粉砂

17.1

-14.84

6.6

灰色，中密~密实，饱和，成分均匀，以长石、石英为主，云母次之

⑤

粉质粘土

27.6

-25.34

10.5

灰色，软塑,局部流塑,为主局闻流塑，干强度、韧性中等。

联络通道柱状图如下：

联络通道兼泵柱状图

2.3.2水文地质

根据钻探揭示的地层结构，工程区域内地下水主要为潜水、微承压水。

潜水含水层主要由粘性土夹碎石和建筑垃圾组成，最低潜水位标高0.21m；微承压水含水层主要为④-1粉土，④-2粉砂层，其中④-1粉土，④-2粉砂层为良好赋水和透水层，勘测其间实测微承压水头进埋深在2.4m左右，微承压水头相应标高在1.17m左右。

在含水层以上为③粘性土层，为相对隔水层。

场地内地下水对砼及砼结构中钢筋无腐蚀性，对钢结构有弱腐蚀性。

3总体方案简介

本工程联络通道根据设计采用冻结法加固土层，即用人工制冷方法使联络通道外围的土层降温冻结，形成一个封闭的冻土维护结构，然后在冻土维护结构中进行联络通道和泵站的掘砌施工；根据工程地质条件及施工条件，确定采用“隧道内钻孔，冻结临时加固土体，矿山法暗挖构筑”的施工方案，即：

在隧道内利用水平孔和倾斜孔冻结加固地层，使联络通道及集水井外围土体冻结，形成强度高，封闭性好的冻土帷幕，然后根据“新奥法”的基本原理，在冻土中采用矿山法进行联络通道及泵站的开挖构筑施工，地层冻结和开挖构筑施工均在区间隧道内进行，其施工工艺见图3-1（联络通道冻结法施工工艺流程图）。

施工前的准备工作（进场、加工件组织）

图3-1联络通道冻结法施工工艺流程图

注浆

冻结系统部分安装

钻孔定位

钻孔

冻结管安装

冻结管打压

下冻结器

冻结系统调试

积极冻结

钢管片焊接、冻结测温监测、预应力支架安装

试挖

工程监测

维护冻结

联络通道开挖、临时支护

联络通道防水施工

联络通道永久结构施工

泵站开挖、临时支护

泵站防水施工

泵站永久结构施工

竣工验收

注浆

冻结孔施工和联络通道临时支护施工为本工程的关键工序。

冻结检测和温度，土体变形，压力监测及联络通道永久支护施工为特殊工序。

4冻结加固设计

4.1施工方案设计的基本原则

1水平冻结帷幕技术性能必须满足旁通道施工的安全和质量要求。

2水平冻结方案应符合现场实际条件的施工可行性和良好的可操作性。

3施工方案应在工程要求工期的条件下具备优化能力。

4施工方案措施必须满足城市环保及节能要求。

5减少冻胀与融沉的危害。

4.2方案设计技术要点

由于该旁通道所处地层主要为④-2粉砂及⑤粉质粘土层，施工时有可能发生泥、水突出和地层沉降。

在施工中必须采取切实可靠的技术措施，以确保旁通道施工的安全并保证施工工期。

提出以下技术要点：

1由于混凝土和钢管片相对于土层要容易散热得多，会影响隧道管片附近土层的冻结速度，从而影响冻土帷幕的整体稳定性和封水性。

特别是要保证旁通道喇叭口部位冻土帷幕的厚度和强度及与管片的完全胶结，在冻结孔施工端喇叭口部位布置两排孔加强冻结，在对侧隧道布置冷冻板。

所有的钢管片的格栅要用砼充填密实，同时管片外面采用PEF板隔热保温，以减少冷量损失，在冻土墙与管片胶结处放置测温点，以加强对冻土墙与管片胶结状况的检测。

2用金刚石取芯钻开孔，跟管钻进法下冻结管。

冻结孔开孔前，在布孔范围内打小孔径探孔，探测地层稳定情况。

如发现有严重漏水冒泥现象，先进行水泥—水玻璃双液壁后注浆，以提高孔口附近地层稳定性，然后再钻进冻结孔。

每个钻孔都设有孔口管，并安装钻孔密封装置，以防钻进时大量出泥、出水。

3针对施工冻结孔时容易产生涌水现象，采用强力水平钻机，尽量实现无泥浆钻进。

如发现钻孔泥水流失，及时进行补浆。

4加强冻结过程检测。

在冻土帷幕内布置测温孔，以便正确判断冻土帷幕是否交圈和测定冻土帷幕厚度。

对侧隧道管片附近土层的冻结情况将成为控制整个旁通道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布置测温孔，以全面监测冻土帷幕的形成过程。

5在旁通道两端布设泄压孔，以减小土层冻胀对隧道的影响。

该孔可作为冻结帷幕压力变化的观测孔，同时利用管片上的注浆孔来卸压。

6旁通道开挖时在隧道内设预应力支架，以防打开预留钢管片时隧道变形和破坏。

施工完旁通道临时支护层后再打开对侧隧道旁通道的预留钢管片。

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。

7由于冻土的蠕变性很强，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，立即用钢支架加木背板支撑，调整开挖构筑工艺，并同时加强冻结。

8为了进一步提高旁通道掘砌施工的安全性，特采取以下措施：

选用可靠的冻结施工机械；准备足够的备用设备；加强停冻时的冻土帷幕监测；尽快施工衬砌，必要时用堆土法密闭开挖工作面。

9由于冻胀力和冻土融沉的作用，影响周围土层的力系平衡，使隧道产生水平位移和沉降，故在整个施工过程中，加强隧道变形的监测，确保隧道安全。

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和形成状况。

4.3冻结帷幕设计

根据现场施工条件，为了通道开挖时的安全，我们采用在两条隧道分别钻孔的方案，即在另一条隧道底部打一排孔，将联络通道封闭，这样开挖时就挖不到冻结管，确保了冻土的强度和安全，另挖土时，减少了冻土的挖掘量。

根据通道结构和水文地质资料，设计联络通道的冻土强度以冻土平均温度为-10℃时的粉质粘土强度为准，根据《建井工程手册第四册》提供的参数，冻土平均温度为-10℃时的粉质粘土σ压=3.6Mpa,σ拉=2.1Mpa,τ剪=1.6Mpa。

4.3.1冻结帷幕厚度的验算

图4-1联络通道计算简图

4.3.2断面、荷载及冻土厚度

根据地质资料，联络通道中心埋深约18.033m，进行冻结帷幕验算。

通道垂直土压力（P）和侧向上、下荷载（Ps、Px），按下式计算：

[注：

由于冻胀，土体向上膨胀，上部土体产生被动土压力，上、下垂直土压力应相等。

]，如图4-1。

P=γ·H=γ·（Ho+Hx）+20=326（kPa）

Pcs=ξ·Ps=ξ·γ·（Ho-Hs）=202（kPa）

Pcx=ξ·Px=ξ·γ·（Ho-Hs+h）=263（kPa）

式中：

γ——土的容重，约为18kN/㎡（地面超载20kN/m2）；

H、Ho——计算点的土的埋深；

Hx、Hs——联络通道下部、上部冻结管到联络通道中心线的距离；

ξ——侧压力系数，取0.7；

h——开挖净高+冻土厚度；

设计冻土帷幕厚度为1.8m，通道开挖轮廓高5.1m，宽3.8m，计算该结构内部的弯矩和轴力，进而求得截面内的压应力、拉应力和剪应力。

4.3.3各截面的弯矩及轴力

联络通道中部冻土结构的弯矩及轴力列于下表4-1、并示于图4-2中。

表4-1联络通道（兼泵站）中部冻土结构的弯矩及轴力

截面

1

2

3

4

5

弯矩M（KN.m）

876

-741

-137

-747

870

轴力N（KN）

397

1097

1097

1097

439

图4-2联络通道冻土结构弯矩及轴力图

4.3.4强度校验、安全系数校验

表4-2通道中部冻土结构各截面安全系数

截面

1

2

3

4

5

应力类型

压

压

拉

剪

压

压

拉

剪

压

应力值MPa

1.51

1.66

0.81

0.45

0.34

1.67

0.78

0.45

1.52

安全系数k

2.4

2.2

2.6

3.5

2.1

2.7

3.5

2.4

从表4-2数据可见，各截面的压应力最小的安全系数K=2.1，拉应力安全系数K=2.3,，剪应力安全系数K=3.5；安全；根据设计，联络通道道冻结壁有效厚度选取1.8m，满足全断面开挖施工要求。

4.4冻结孔布置及制冷设计

4.4.1联络通道冻结孔设计

根据冻结帷幕设计及旁通道的结构，