国家大剧院.docx

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国家大剧院

国家大剧院台仓基坑封水冻结

施工方案

北京中煤矿山工程公司

二零零零年一月

1地层冻结法简介

地层冻结法是兼有封水与加固地层双重作用的特殊施工工法。

它的工作原理为：

在拟封水（或加固）的地层中安装冻结器，并在冻结器中循环低温冷媒剂，使周围土层冷却冻结，形成一个冻土帷幕，然后可以在冻土帷幕的围护之下安全地进行隧道、基坑等的开挖与构筑施工。

在国外，地层冻结法是富水地层中深基坑围护施工的重要工法之一，如前苏联60年代就完成了直径40m、深20m大基坑的冻结围护工程，其设计冻结壁厚度为5.6m。

在我国，冻结法是冲积层中矿山立井施工的主要方法。

单井冻结冲积层厚度已接近400m。

在市政工程中，70年代北京地铁隧道建设工程中也曾用冻结法进行深基坑的围护加固，基坑的开挖深度达28m，围堰冻结加固长度达90m。

1986年，北京中煤矿山工程公司在东海拉尔水泥厂的卸矿室及长皮带走廊施工中应用冻结法进行基坑地层加固。

卸矿室开挖断面为10.2×11.2m，深14米；长皮带走廊长为31m，宽5.4m，倾角14度。

地下水位0.9～1.5m，地下3m～30m内为卵石和砂层，透水性好。

由于采用大开挖施工，冻结壁按挡土墙设计，冻土平均温度为-5℃，冻结壁厚度设计为2.4m，冻结底板厚度为4.0～5.8m。

采用人式开挖，掘、砌工期为二个半月。

1996年，在紧挨黄浦江的上海杨树浦水厂地下泵房施工中，用冻结法进行基坑维护，基坑开挖深度15米，边长26m，冻结段土层为抛石、填土、淤泥和粉质粘土。

应用表明，冻结法在富水深基坑围护施工中具有很好的适应性，极为安全可靠，且对地层和环境污染较小。

2冻结施工方案设计原则

1、国家大剧院工程对施工技术的可靠性与施工工期有着严格的要求。

其中剧院台仓是目前国内最深的基坑，其施工工作面又远在静水位以下，施工难度极大。

因此，要求对基坑四周和基底地层进行封水加固。

2、封水加固方案考虑二个。

方案一为台仓四周用连续墙围护，仓底地层用冻结法加固，连续墙的优点是可以用作永久支护的一部分；方案二是台仓四周与底部均用冻结法施工，此法的优点是围墙与底部形成一个整体，无论是施工工艺与封水（加固）的效果还是总施工工期都要优于前者，因此，本设计推荐第二种方案。

3、由于基坑深，穿过的地层复杂，承受水压大，对冻结壁设计必须进行严格计算与科学论证。

并从打钻（冻结孔施工）与冻结运转二方面进行综合优化，以求取得最佳效果。

为保证冻结底部的安全性，将冻结底板设计成锅底形（参见冻结壁剖面图），使其受力状态得到改善（设计中仍按平板验算，这样相当于增加了安全系数）。

4、大基坑挖到深31m后进行冻结系统安装与冻结运转。

一方面为减小钻孔工程量，另一方面为避免静水位以下钻孔施工承压水会冒出钻孔，所以，在大基坑挖到静水位时开始施工冻结孔。

冻结孔施工与大基坑开挖平行进行。

5、为了避免冻结钻孔穿透-40m隔水层，使得隔水层上下的含水层通过钻孔导水，在下冻结管时要进行固管。

方法是冻结孔钻进到设计深度后用水泥浆置换孔内泥浆，使得冻结管与钻孔之间的孔隙得以充填密实和隔水。

6、基坑底板采取局部冻结。

开挖时关闭大部分冻结器，仅留少量冻结孔进行围护冻结，以利于开挖施工。

7、通过基坑冻结底板上下的水压检测与抽水试验，判断冻结壁是否交圈。

判明冻结壁绝不透水后再行开挖。

8、冻结施工时定期进行地层温度的量测，随时掌握冻结壁的发展速度，并对其进行预测。

根据监测结果及时调整冻结施工参数。

9、采用先进的制冷机组，以利于冻结控制和减小冻结站占地。

采用冷却塔提高冷却水的利用率，节约水资源。

针对北京地区水硬度比较大的情况，在循环水系统安装除垢设备，提高冷凝器的传热效率。

10、在基坑开挖过程中，对开挖工作面的冻结壁温度和变形进行监测，发现问题，及时调整冻结与开挖施工参数，必要时可采取加强支撑，增加冻结供冷，并对冻结壁表面进行适当保温等措施。

3冻结壁形式与设计厚度

方案一：

台仓基坑四面用连续墙，底部用冻结封底。

冻结底板主要承受自重、地层侧压力、四周冻结壁的约束力、下层承压水的的浮力和下层土的底鼓压力等。

其中下层土的底鼓压力很小，只有下层承压水水压的千分之几，因此可以忽略不计。

取冻结底板厚度H=7m，据计算，由下层承压水压作用引起的冻结底板最大剪力为0.272MPa，拉应力为0.591MPa，压应力为0.965MPa，分别小于表1中对应的冻土强度指标，其安全性满足强度要求。

方案二：

基坑四周地层与底板均采用冻结加固。

冻结底板的强度计算与方案一相同。

基坑四周冻结壁的计算模型见图1。

取土的侧压系数为0.7，土的容重为18.57kN/m3，在基顶以下3m处用钢筋混凝土圈梁加土锚杆加固，水平方向土锚杆间距为1m，土锚杆的最大锚固力为28t。

当冻结40天时，冻结壁厚度为2.4m时，基坑深7m处冻结壁内侧承受的最大拉应力为0.56MPa，外侧承受的最大压应力为0.82MPa，均远小于表1中给出冻土

图1冻结壁的力学计算简图

强度指标，安全系数完全是足够的。

随着冻结时间的延长，冻结壁厚度还会增大，冻结壁的安全性还会提高。

表1冻土的力学参数

冻土力学名称

参数（MPa）

弹性模量

300

单轴抗压强度

4.5

极限抗拉强度

0.9

抗弯强度

粘性

1.5～2.0

砂质

2～3.0

抗剪强度

粘性

1.5～2

砂质

2～3.5

4冻结施工顺序

方案一：

打钻与连续墙同时施工，并进行冻结站安装，待钻孔施工完，安装集配液圈与盐水干管，并进行冻结系统调试，调试结束后进行积极冻结。

方案二：

根据现场情况许可，一旦具备施工条件，尽快施工冻结孔，与此同时施工冻结站。

待钻孔施工完，进行冻结盐水系统安装与联机调试，调试结束后进行积极冻结。

5冻结孔布置与冻结壁形成预计

共设计边孔136个，封底孔314个，冻结孔总数为450个。

冻结孔深38m（从-15m到-53m）。

冻结孔布置详见冻结孔布置平面图。

边孔和封底孔的开孔间距分别不大于1.3m和1.8m。

冻结孔最大偏斜率取0.8%，边孔和封底孔的终孔控制间距分别为1.6m和2.2m。

冻结壁扩展速度取:

积极冻结30mm/d，维护冻结期以20mm/d。

冻结40天时的冻结壁厚度为2.4m。

详见冻结壁平面图和冻结壁剖面图。

6施工工期

冻结孔施工工期为30天，安装与调试20天，积极冻结30天开挖，冻结施工总工期80天。

冻结孔施工可与大基坑开挖平行作业。

维护冻结工期长短视基坑开挖构筑工期而定。

7其它冻结设计参数

1、设计最低盐水温度为-24～-30℃，并要求冻结7天盐水温度达到-20℃。

维护冻结盐水温度不高于-18℃。

2、冻结壁平均温度不高于-8℃。

3、冻结孔（边孔）单孔盐水流量为6～10m3/h。

4、冻结管材选用φ127×6mm低碳钢无缝钢管；供液管采用2’钢管或高强度聚乙烯塑料管。

5、冻结段设测温孔和若干个。

6、冻结站制冷量：

冻结管总长度：

450×20=9000m，计算得工况需冷量为1195kw。

7、所需冻结设备：

YSKF220型盐水螺杆机组五台，工况制冷量约为1065kw，YSKF216型盐水螺杆机组一台,制冷量约106kw，合计制冷量为1225kw。

每台冷冻机需配备一台DNB3-200型冷却塔，共需6台冷却塔。

10SH-6A水泵二台用于盐水系统循环（其中一台备用），IS200-150-250水泵四台（其中一台备用），用于冷却水系统循环。

8、打钻设备：

XB-1000A型钻机4台;每台钻机动力40kw（以后视具体施工条件可以调整），泥浆泵四台供钻机配套使用。

8所需施工条件

1、用电量

打钻期间的用电量为：

装机容量500kw。

冻结期间用电量约为：

装机容量为1220kw。

2、用水量

冻结站总需补充冷却水100m3/h。

3、冻结站用地

每个冻结站占地约200m2。

附：

冻结施工程序

方案一施工进度计划

工序编号

工序名称

工程量

（m）

工期（天）

工程进度（天）

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

1

打钻施工

30

2

制冷安装

20

3

积极冻结

30

4

维护冻结

35

5

拆除冻结站、撤场

6

7

说明：

维护冻结时间长短视，掘砌的速度而定。

方案二施工进度计划

工序编号

工序名称

工程量

（m）

工期（天）

工程进度（天）

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

1

打钻施工

30

2

制冷安装

20

3

积极冻结

30

4

维护冻结

5

拆除冻结站、撤场

6

7

说明：

维护冻结时间长短视，掘砌的速度而定。

附表三

主要施工参数表

序号

参数名称

单位

数量

备注

1

冻结孔深度

m

20

2

冻结孔总数

个

450

3

中间孔

个

314

4

边孔

个

136

5

冻结孔间距（边孔）

m

0.9

6

冻结孔间距（中间孔）

m

1.8

7

设计盐水温度

℃

-28

8

终孔最大距离

m

2.0

9

施工总工期

D

45

10

冻结孔总长度

m

9000

11

冻结期间装机容量

kw

1220

12

冻结壁的设计厚度

m

2.0

13

冻结底部厚度

m

7

14

用水量

M3/h

100

附表四

设备明细供应表

序号

设备

名称

数量

规格型号

主要工作性能指数

备注

一

打钻

1

钻机

5

XB-1000A

40kw

2

泥浆泵

4

BW250/50

¨

3

除砂泵

1

自制

¨

4

测斜仪

2

TY-1

最大测深200米

¨

5

电焊机

4

BS-400

¨

6

泥浆测定仪

1

¨

7

试压泵

2

最大压力为2.5MPa

¨

二

冻结

1

冷冻机

5

YSKF220

标准制冷量:

480KW

¨

2

冷冻机

1

YSKF216

标准制冷量:

240KW

¨

3-1

冷却塔

5

DBL2-200

¨

3-2

冷却塔

1

DBL2-100

4

盐水泵

2

10Sh-6A

¨

6

清水泵

5

IS200-150-250

¨

7

测温仪

14

自制

¨

8

流量计

5

¨

9

抽氟机

1

自制

¨

10附图

照片1

邢东煤矿主井冻结工程冻结深度250米，其中表土层厚度231米，表土层中有厚度达10～12m的卵石层。

照片2

上海杨树浦水厂地下泵房紧邻黄浦江由堤岸向下施工，用冻结法进行护坡，冻结开挖深度距堤顶15米，长度26m，短边长度11m，呈L形冻土墙，土层为抛石填土，淤泥和粉质粘土层。