旁通道冻结法技术规章.docx
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旁通道冻结法技术规章
上海市工程建设规范
旁通道冻结法技术规范
Technicalcodeforcrosspassage
Freezingmethod
DG/TJ08-902-2006
J10851-2006
主编单位：
上海申通轨道交通研究咨询有限公司
批准部门：
上海市建设和交通委员会
施行日期：
2006年10月1日
2006年上海
1.总则
1.0.1为了贯彻执行工程建设的方针，政策，推广应用在设计，施工中的各项行之有效的科研成果和经验，保证地铁建设工程冻结法施工质量，促进技术进步，做到经济合理，安全可靠，特指定本规程。
1.0.2本规程适用于上海地铁建设中圆隧道旁通道应用盐水制冷系统的冻结法技术的工程勘察，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，掘砌及监控德望能够方面。
在设计及施工时，应严格执行本规程的规定。
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，应综合考虑工程特征，周边环境和工程地质条件及水位地质条件，选择合理的冻结壁结构和冻结工艺。
在旁通道掘砌施工中应做到地层冻结与掘砌的协调配合，确保施工安全。
1.0.4采用冻结法施工的盾构进出洞加固，建筑基坑维护，隧道地基土加固和其他隧道旁通道施工等工程，可根据工程的特性和工程地质及水文地质条件，参考应用本规程。
1.0.5采用冻结法施工的旁通道工程，除应符合本规程的规定外，还应符合国家和本市现行的有关标准，规范和规程。
2术语
2.0.1冻结法groundfreezingmethod
在施工地下构筑物之前，用人工制冷的方法，将构筑物周围含水地层进行冻结，形成具有临时承载和隔水作用并满足工程施工安全需要的冻结壁，然后在冻结壁的保护下进行构筑物掘砌作业的一种施工工法。
2.0.2盐水制冷系统brinerefrigerationsystem
以氯化钙等盐溶液为冷媒剂的间接制冷系统。
采用盐水制冷系统的冻结法施工技术简称盐水冻结。
2.0.3表土层soillayer
覆盖于基岩露头之上的第三纪，第四纪地层。
冻结法一般用于含水表土层的加固。
2.0.4冻土圆柱frozensoilcolumn
冻结器与周围含水地层发生热交换并使周围含水地层冻结所形成的近似圆柱的冻土柱。
2.0.5冻结壁frozensoilwall
用制冷技术在构筑物周围地层所形成的具有一定厚度和强度的连续冻结岩土体，又称冻土帷幕或冻土墙。
冻结壁由两两相交的冻土圆柱组成，相邻冻土圆柱的交界面称冻结壁界面。
2.0.6冻结壁厚度frozensoilwallthickness
冻结壁壁面上任一点与另一壁面之间的最短距离。
冻结壁厚度设计值在一般指在拟建构筑物开挖面外侧冻结壁所要达到的最小厚度。
2.0.7冻结壁平均温度averagetemperatureoffrozensoilwall
冻结壁任一截面温度分布的平均值。
冻结壁平均温度设计值一般指拟建构筑物开挖面外围冻结壁界面处所要达到的平均温度。
2.0.8冻结壁交圈时间frozensoilwallclosingtime
从地层冻结开始至构筑物周围主要冻结器布置圈上所有相邻的冻结器多形成的冻土圆柱按设计要求完全相交所需要的时间。
2.0.9冻结壁形成期formableperiodoffrozensoilwall
从地层冻结开始至冻结壁形成达到设计要求所需的时间，也称积极冻结期。
2.0.10冻结壁维护期maintainableperiodoffrozensoilwall
冻结壁形成达到设计要求后，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期间。
也称维护冻结期。
2.0.11人工冻土artificialfrozenground
用人工制冷技术使含水地层降温冻结所形成的冻土。
2.0.12冻结站refrigerationplant
在拟建构筑物附近集中安设制冷设备和设施的场所。
冻结站主要有制冷剂（氟利昂等）循环系统，冷媒（盐水等）循环系统，冷却水循环系统及供电系统。
2.0.13冻结孔freezehole
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。
冻结孔有时也泛指冻结器。
冻结孔一般沿围绕构筑物的环线布置，该环线称冻结孔布置圈。
2.0.14冻结器freezingapparatus
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。
冻结器由冻结管和置于冻结管内的供液管等组成，冻结管要求导热性好，不渗漏，一般采用无缝钢管。
2.0.15泄压孔pressurereleasehole
用来观测和释放土层水压力的孔（管）。
可以通过观测冻结壁围护结构内泄压孔水压变化来判断冻结壁是否交圈，通过泄压孔泄水，排泥来缓减土层冻胀对周围环境的影响。
2.0.16温度观测孔temperaturemeasurementhole
布置在冻结壁及冻结降温区内，用于安装温度传感器监测不同时期地层温度分布情况的钻孔。
测温数据用来计算冻结壁扩展速度，冻结壁厚度和冻结壁平均温度等冻结壁形成特性参数。
2.0.17冻结孔间距aspacebetweentwoadjacentfreezeholes
相邻两冻结孔之间的距离。
冻结孔不同深度处的冻结孔间距一般也是不同的。
相邻冻结孔孔口之间的距离称冻结孔开孔间距。
实际施工完成的冻结孔间距称冻结孔成孔间距。
2.0.18测斜deviationalmeasurement
检查冻结孔，温度检测孔，水位观测孔在不同深度上的偏斜值和偏斜方位的工作。
测斜应在钻进施工中进行，并于成孔后再进行最终测量。
2.0.19掘进步距（段长）drivagestepsize
掘砌施工过程中，每个开挖与支护循环作业的掘进长度。
2.0.20冻土压力frozengroundpressure
冻结壁作用于支护上的法向压力的统称，亦称冻结压力。
冻结压力为临时荷载。
2.0.21旁通道bypass
地铁隧道旁用于联络两条地铁隧道或安设隧道泵站的短隧道和硐室。
旁通道一般有水平通道，集水井和水平通道与地铁隧道连接的喇叭口三部分组成。
3基础资料
3.1勘察资料
3.1.1周围地面环境及地下管线资料。
主要应包括周边地面及地下的建筑物结构，设备，管线特征及其与拟建旁通道的位置关系，建筑物，设备和管线等特殊保护要求等。
3.1.2勘察孔地质柱状图及相关描述。
应包括勘察孔位置，深度，勘察孔主要施工工艺及主要施工过程，勘察孔全深范围内的土层分布图，土层名称，层顶标高，层厚，取样点位置，土体性状，包含物及物理特征等。
勘察孔深度应不小于旁通道结构埋深的2.3倍。
3.1.3含水层及地下水活动特征。
应包括含水层埋深，厚度，渗透系数，地下水水位及其变化幅度，以及含水层与地表水体的水力联系等。
当旁通道附近含水层地下水活动频繁，地下水流速有可能超过5m/d时，还应提供该含水层的地下水流向，流速等资料。
3.1.4土层的常规物理力学特征指标。
主要包括土层的密度，含水量，塑性指标，颗粒组成，内摩擦角和粘结力，膨胀量和承载力等。
3.2冻土试验资料
3.2.1土层的热物理特性指标。
主要应包括原始地温，结冰温度，导热系数，比热和冻胀率等。
3.2.2冻土的物理力学特性指标。
主要包括抗压强度，剪切强度，抗折强度，蠕变参数和融沉率等。
3.3其他资料
3.3.1旁通道结构施工图。
3.3.2其他与旁通道冻结法设计，施工有关资料。
如：
拟建旁通道附近隧道施工的有关情况，隧道内及端头井附近的交通及场地条件，地区气象资料等。
4地层冻结设计
4.1一般规定
4.1.1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，并使周围环境和建筑物不受损害。
4.1.2冻结壁宜作为临时承载结构。
当要求承载时间较长时，宜设立初期支护形成复合承载体系。
4.1.3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（1类冻结壁除外）。
3.冻结孔布置图。
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筑物产生影响的分析。
8.对周围环境和建筑物的影响监测与保护要求。
4.1.4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－2ºC或有地下热源可能影响土体冻结；
3.土层含水量低可能影响土体冻结强度；
4.用其他施工方法扰动过的地层；
5.有其他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。
4.1.5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。
4.1.6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。
4.1.7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筑物荷载，地面超载及其他临时荷载。
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.垂直土压力按计算点以上覆土重量及地面建筑物荷载，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；基底土反力可按主动土压力计算，也可按静力平衡计算。
4.侧向土压力计算的经验公式为Ps=KPt
公式中Ps―――为侧向土压力，kpa
Pt―――为计算点的垂直土压力，kpa
K―――为侧压系数，一般取K=0.7
4.2冻结壁设计
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，间表4.2.1。
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密封的冻结壁结构形式。
（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）对冻结壁有严格变形控制要求时，可采用“冻实”的冻结壁形式
3.旁通道的通道部分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。
4.开挖后冻结壁应设初期支护或内支撑，但冻结壁承载力设计仍按承受全部荷载计算。
4.2.2冻结设计基础参数确定
1.冻结壁平均度温
冻结壁平均温度应根据冻结壁承受荷载大小（或开挖深度），冻胀融沉可能对环境造成的影响及工艺合理性确定，在一般情况下可按表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。
表4.2.2－1冻结壁平均温度设计参考值
开挖深度Hjm
<12
12～30
>30
冻结壁平均温度Tp°C
－6～－8
－8～－10
≤－10
2.盐水温度与盐水流量
（1）盐水温度与盐水流量应满足在设计的时间内使冻结壁厚度和平均温度达到设计值的要求。
（2）最低盐水温度确定应根据设计冻结壁平均温度，地层环境及气候条件确定，在一般情况下可按表4.2.2－2选取。
设计冻结壁平均温度低，地温高，气温低时宜取较低的盐水温度。
冻结壁平均温度Tp°C
－6～－8
－8～－10
≤－10
最低盐水温度Ty
°C
－26～－28
－28～－30
－30～－32
（3）按下列要求控制盐水温度：
积极冻结7天盐水降至－18°C以下，积极冻结15天盐水温度降至－24°C以下（设计最低盐水温度高于－24°C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。
施工初期支护后可进行维护冻结，但维护冻结盐水温度不宜高于－22°C，并确保冻结壁与隧道管片得交界面不化冻。
（4）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°C。
（5）开挖时，去、回路盐水温差不宜高于2°C。
（6）冻结孔单孔盐水流量应根据冻结管散热要求、去、回路盐水温差和冻结管直径确定。
冻结管内盐水流动状态宜处于层流与紊流之间。
并联的冻结孔单孔盐水流量之和不得小于按式4.3.5－1计算的盐水循环总流量。
一般情况下冻结孔单孔盐水流量可按表4.2.2－3选取，冻结管直径大时取较大的盐水流量。
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
单孔盐水流量Qyk
m³/h
3.0~5.0
5.0~8.0
≥8.0
3.冻结管
（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）冻结管外径可选用Φ89～127mm，不宜小于Φ73mm，管壁厚度不宜小于5mm。
4.2.3冻结壁厚度设计与强度检验
1.Ⅱ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设计冻结壁平均温度下的冻土力学特性指标。
3.开挖后应及时施工初期支护，冻结壁的空帮时间不宜大于24小时。
4.按下列公式进行冻结壁的强度检验，一般情况下可具体只进行抗压、抗折和抗剪检验。
Kδ≤R（4.2.3）
式中δ―――为冻结壁应力，MPa;
R----为冻土的强度指标，MPa
K----为安全系数，Ⅲ类冻结壁强度检验安全系数按表4.2.3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
抗折
抗剪
安全系数
2.0
3.0
2.0
2.有特殊要求时验算冻结壁的变形。
3.旁通道喇叭口处的冻结壁设计厚度不应小于0.8m，其他部位的冻结壁设计厚度不应小于1.4m。
4.在冻结壁与隧道管片的交接面强度未经计算检验时，冻结壁与隧道管片的交接面宽度不得小于喇叭口处的冻结壁设计厚度，且冻结壁界面上的最低温度不得高于设计平均温度。
4.2.4冻结孔布置
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设计冻结厚度、冻结壁平均温度、盐水温度和冻结工期要求等确定，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
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
40～100
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，开孔位置应避开管片接缝、螺栓口，并且宜避开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
Lks=Lsj+L0+L1（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
碰到对侧隧道管片而不能循环盐水的冻结管端部长度不得大于150mm.
8.应在冻结孔未穿透管片的隧道管片内表面敷设冷冻排管，以补强冻结壁与隧道管片的交界面。
冷冻排管的敷设范围不应小于冻结壁设计厚度，冷冻排管的内径不应小于30mm，管间距不应大于0.5m。
9.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。
4.2.5冻结壁形成预计
1.冻结壁扩展厚度可按下式计算
Eyj=Vdpt
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（或冻土圆柱）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
20
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％。
2.冻结壁交圈时间可按下式估算
tjp=smax/vdp
式中tjp――――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。
3.冻结壁形成期应不小于预计冻结壁厚度和平均温度达到设计要求的时间。
4.冻结壁交圈后的温度分布可简化为定常温度场计算。
冻结壁扩展过程和平均温度可采用通用数值方法或通用经验公式计算。
4.2.6隧道管片保温
1.在冻结壁附近隧道管片内侧应敷设保温层。
保温层敷设范围不得小于设计冻结壁边界外2m。
2.隧道管片保温层应采用导热系数和吸水率小，阻燃性好的保温材料。
导热系数应不大于0.04W/mh,吸水率应不大于2％。
可采用聚氨脂、橡塑、聚苯乙烯和聚乙烯软质泡沫等保温材料。
保温层厚度不应小于30mm，在一般情况下可取30～50mm。
3.宜采用现场喷涂施工的聚氨脂发泡保温层。
采用保温板材时，应采用专用胶水将保温板密贴在隧道管片上，板材之间搭接宽度不得小于150mm。
4.3制冷系统设计
4.3.1制冷能力计算
1.冻结管吸热能力按式4.3.1－1计算
Qg=qA（4.3.1－1）
式中Qg―――为冻结管吸热能力，kJ/h
q―――为冻结管吸热系数，可取1047～1172kJ/m²h
A―――为冻结管总表面积，m²。
2.冻结站所需制冷能力按式4.3.1－2计算
Qz=mQg（4.3.1-2）
式中Qz―――为计算制冷能力，kJ/h
m―――为冷量损失系数，可取m=1.1～1.2。
4.3.2冷冻机
1.制冷剂循环系统的冷凝温度高于冷却水循环系统得出水温度3～5ºC。
2.制冷剂循环系统的蒸发温度低于设计最低盐水温度5～7ºC。
3.由计算制冷能力、制冷剂循环系统的冷凝温度、蒸发温度确定冷冻机的型号与数量。
选定冷冻机的总制冷能力不得小于计算制冷能力，并应考虑足够的备用。
4.3.3盐水
1.地层冻结用盐水（冷媒剂）可采用氯化钙水溶液。
2.氯化钙水溶液的凝固点应低于设计盐水温度8～10ºC，比重不宜高于1.27。
3.盐水中可掺加氢氧化钠或重铬酸纳以减轻盐水对金属的腐蚀。
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。
G=1.2g（V1+V2+V3）/ρ（4.3.3）
G―――氯化钙用量，kg
g―――为单位盐水体积固体氯化钙含量，kg/m³；
ρ―――为固体氯化钙纯度，一般无水氯化钙取96％，警惕氯化钙取70％；
V1――――为冻结器内盐水体积，m³
V2―――为干管及集、配集液圈内盐水体积，m³；
V3―――为蒸发器和盐水箱内盐水体积，m³。
4.3.4盐水管路
1.按盐水流速计算供液管、干管和配集液管管径。
盐水在冻结器环形空间的流速宜为0.1～0.3m/s，在供液管中的流速宜为0.6～1.5m/s，在干管及配集液管中的流速宜为1.5～2.0m/s。
2.盐水干管及配集液管可选用普通低碳钢无缝钢管或焊接钢管，管壁厚度不宜小于4.5mm。
供液管可选用钢管或聚乙烯增强塑料管，供液管接头必须有足够强度以防断裂。
3.在盐水干管中可安装软接头以减小温度应力和制冷设备运转引起的震动。
4.3.5盐水泵
1.盐水循环总流量应按下式计算
W=Qr/Δt×γ×c（4.3.5－1）
式中W―――为盐水泵循环计算总流量，m³；
Qr－―――为计算制冷能力，kJ/h;
Δt―――为去回路盐水温差，℃，一般取Δt＝1～2℃。
γ―――为盐水密度，kg/m³
c―――为盐水比热，kJ/kg℃.
2.盐水泵扬程应按下式计算
Hc=1.15（h1+h2+h3+h4）+h5+h6+h7（4.3.5－2）
式中Hc―――为盐水泵计算扬程，m;
h1―――为盐水干管和集配液圈中的压力损失，m；
h2―――为供液管中的压头损失，m；
h3―――为冻结器环形空间的压头损失，m；
h4―――为盐水管路中弯头、三通、阀门等局部阻力，取值为（h1+h2+h3）的20％，m；
h5―――为盐水泵的压头损失，3～5m；
h6―――为封闭式循环系统中回路盐水管高出盐水泵的高度，一般取1.5m；
h7―――为蒸发器内的盐水压头损失，m.
其中，h1+h2+h3＝（λL/d）×（ω²/2g）,λ=0.3164/Re¼（紊流），λ=64/Re（层流），Re＝ω·d·γ/（µ·g）
式中d―――为盐水管的直径，m；
L―――为盐水管的长度，m；
g―――为重力加速度，9.81m/s2
ω―――为盐水流速，m/s；
γ―――为盐水流动阻力系数；R2为雷诺数；
µ―――为盐水动力粘度系数，Pa·s。
3.盐水泵电动机功率按下式确定
N=1.25·W·Hc·γ/（102×3600×η1·η2）（4.3.2-3）
式中η1―――为盐水泵的效率，取0.75；
η2－――为电动机的效率，取0.85。
4.按盐水循环计算总流量、盐水泵扬程和电机功率选择水泵型号和台数，配备盐水泵在计算扬程下的总流量不得小于计算流量，并应设足够
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