盾构隧道冷冻法络通道施工方案.docx

1、盾构隧道冷冻法络通道施工方案苏州市轨道交通一号线-TS-14标会展中心站华池街站联络通道兼泵站 冻结法施工组织设计江苏建基建设有限公司二九年十二月1 编制依据1苏州地铁一号线-TS-14标土建工程区间平纵断面及衬砌环布置图；2苏州地铁一号线-TS-14标土建工程会华区间联络通道兼泵站结构设计图；3苏州地铁一号线-TS-14标土建工程工程沿线建（构）筑物调查报告；4苏州地铁一号线-TS-14标土建工程工程详细勘查报告；5地下铁道工程施工及验收规范GB50299-1999 2003版;6矿山井巷工程施工及验收规范GBJ213-90；7煤矿井巷工程质量检验评定标准MT5009-94；8国家有关现行规

2、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排水的要求，会展中心站华池街站设一个联络通道兼泵站。该联络通道兼泵站中心里程为右DK20+789.996（左DK20+789.996），线间距为13.00 m，联络通道处隧道中心标高-12.790m。地面标高为4.00m。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6.8m，通道两端开口部分为1.6m2.1m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2.1m，拱形部分高0.65m，宽2.5米，通道设防

3、火门两道；通道下面的泵站净空断面为4.0m2.5m2.9m（长宽高）。通道的开挖尺寸：6.8m（长）3.8m（宽）5.08m（高）；集水井开挖尺寸：5.3m（长）3.8 m（宽） 3.62m（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。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、拱的结构层为400mm厚的现浇钢筋混凝土，通道喇叭口附近顶部和底部的结构层分别为1050mm、1330mm厚的现浇

4、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 工程地质根据会展中心站华池街站区间地质勘察资料，工本区间为广阔的冲湖积平原，水系发达，地势平坦，是典型的水网化平原，本区间无不良地质作用，联络通道处土层自上而下依次为2填土、淤泥土1淤泥土，2粉质粘土、1粉土、2粉砂、粉质粘土。联络通道上方地面为玲珑街路面，联络通道兼泵站所处地层主要为2-Q32-2粉砂、-Q32-2粉质粘土。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、微承压水和承压水三种类型。微承压水主要为1粉土、2粉砂，为良好的赋水和透水层，该含水层组埋

5、深37米，厚度约7.0011.50米，该含水层的补给来源主要为潜水和地表水。承压水含水层由粉土层组成，埋深较大（30米以上），该层对本工程施工及运营影响不大。场地内地下水对砼及砼结构中氏钢筋无腐蚀性，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

6、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。

7、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2-Q32-2粉砂、-Q32-2粉质粘土，所以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

8、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，

9、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

10、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，开始可注粘土水泥浆。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

11、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时的粉质粘土压=3.6Mpa, 拉=2.1Mpa,剪

12、=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16.79m，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=H=(Ho+Hx)+20 =322.2(kPa)Pcs=Ps=(Ho-Hs)=180.2(kPa)Pcx=Px=(Ho-Hs+h)=200.4(kPa)式中：土的容重，约为18kN/（地面超载20 kN /m2）； H、Ho计算点的土的埋深；Hx、Hs联络通道下部、上部冻

13、结管到联络通道中心线的距离； 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1.6m，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)485-636-46-639520轴力N (KN)396956956956426 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123

14、45应力类型压压拉剪压压拉剪压应力值MPa1.381.460.800.420.221.460.760.421.40安全系数k262.5323.82.5283.826从表4-2数据可见，各截面的压应力最小的安全系数K =2.5，拉应力安全系数K道=2.8,， 剪应力安全系数K=3.8；安全；根据设计，联络通道道冻结壁有效厚度选取1.6m，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，冻结孔按上仰、近水平、下俯三种角度布置。通道兼泵站冻结孔数70个（左线隧道59个包括4个穿孔，右线隧道11个）。其中四个对穿孔，为对面冷板和冻结孔供

15、冷。冻结孔的布置详见附图冻结孔施工平面图及附图冻结管布置剖面图，并根据钻机情况、管片配筋情况和旁通道拟开管片的实际位置，对钻孔孔位作少量调整。开孔间距为0.5 m 0.8 m设计测温孔8个，每侧隧道各布置4个；泄压孔4个，每侧隧道各布置2个。冻结孔的布置详见附图1、2。4.4.2 制冷设计1、联络通道冻结参数确定（1）设计盐水温度为-28-30。（2）冻结孔单孔流量不小于5m3/h。（3）冻结孔终孔间距Lmax1000mm，冻土发展速度取28mm/d，冻结帷幕交圈时间为19天，达到设计厚度时间为40天。（4）积极冻结达到开挖时间为40天，维护冻结时间为30 天。4.4.3 需冷量和冷冻机选型冻

16、结需冷量由下式计算：Q=1.3.d.H.K式中:H冻结总长度；（包括100m冷板）1号联络通道为642m, d冻结管直径；0.089 mK冻结管散热系数；250 Kcal/h将上述参数代入公式得：Q= 1.3.d.H.K =58309Kcal/h根据需冷量设计联络通道选用YSLGF300型螺杆机组1台套，设计单台机组工况制冷量为87500 Kcal/h，单台电机功率110KW。另设计单个通道冻结站各备用一台套螺杆机组。4.4.4 冻结系统辅助设备1、单个冻结站配盐水循环泵选用IS150-125200型2台，其中各备用一台，单台流量200m3/h，电机功率45KW。2、单个冻结站冷却水循环泵选用

17、IS125-125200C型2台，其中各备用一台，单台流量120m3/h，电机功率30KW。3、单个冻结站冷却塔选用KST-80RT型2台，补充新鲜水80m3/h。4.4.5 管路选择1、冻结管选用898mm， 20#低碳无缝钢管,丝扣连接,单根长度12m。2、测温孔管选用603mm,20#低碳无缝钢管。3、供液管选用钢管，采用焊接连接。4、盐水干管和集配液圈选用1596mm无缝钢管。5、冷却水管选用1274.5mm供水钢管。4.4.6 用电负荷：每个联络通道设计用电负荷均约为250kw/h；4.4.7 其它1、冷冻机油选用N46冷冻机油。2、制冷剂选用氟立昂R-22。 3、冷媒剂选用氯化钙溶

18、液。4.5 冻结施工技术要点在该地层冻结工程中，由于其特殊施工条件与要求，需采取特别工艺与技术措施，以控制冻结孔钻进，地层冻胀和融沉等对隧道的影响，根据国内外最新研究成果和施工经验，提出以下冻结施工技术措施:1、在已贯通的隧道钻冻结孔，根据联络通道的结构采用上仰、近水平和下俯三种成孔角度。2、由于冻土抗拉强度低，因此除设计中尽量降低冻土帷幕所承受的拉应力外，主要做好冻结和开挖的配合工作，要求及时封闭薄弱的冻结壁，并根据开挖后冻结帷幕变形情况及时调整开挖构筑工艺。3、为减小土层冻胀，隧道上下对称布置冻结孔，在适当部位设卸压孔，并采用小开孔距，较低盐水温度，较大盐水流量以加快冻结速度。4、在冻土帷

19、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。5、为解决冻结设备噪音扰民问题，节省地面空间，冷冻站设置在隧道内。6、加强对冻结地层温度、地层沉降的监测，信息反馈指导联络通道的施工。5 冻结施工5.1 施工程序图5-1 冻结施工程序图5.2 施工准备联络通道兼泵站在冻结孔施工的同时或之前要进行地面排水孔的施工。该孔的施工采用垂直钻机进行施工，下2506mm的钢管。在正式施工前，还应做好如下准备工作在正式施工前，还应做好如下准备工作：1、加工件工期较长，应在开工前进行准备。具体加工件见表5-1。2、用”钢管在施工出入端头井内塔建脚手架，作为连接隧道与地铁车站底层平台的便桥。3、单个冻

20、结站施工区域采用在隧道内敷设一条150mm2动力电缆，用于冻结钻孔施工、隧道内冻结系统供电及开挖构筑供电。4、在隧道内铺设两趟”管路至联络通道施工工作面，用于冻结孔打钻及冻结运转供水和排污。5、在联络通道施工工作面两端砌高约0.25m的泥浆挡墙，以免冻结孔钻进时泥浆四溢影响隧道内环境整洁。6、用厚5cm的木板在联络通道处铺设冻结施工场地，按不同位置的冻结孔钻进要求，用”钢管搭建冻结孔施工脚手架。表5-1 加工件一览表序号加工件名称单位数量备注1钻头组合套702冻结管（兼作钻杆）m7001m、1.5m钻杆3过渡接头个404孔口管个705上堵头用接长杆m406堵头个707冻结干管、集配液圈套18冻

21、结管头个709冷却塔水箱套110隧道预应力支架套425#等组焊11端头井提升架套112内支撑套15.3 冻结孔施工5.3.1 冻结孔施工方法：冻结孔施工工序为：定位开孔及孔口管安装孔口装置安装钻孔测量封闭孔底部打压试验。5.3.1.1 定位开孔及孔口管安装根据设计孔位在砼管片和钢管片上定位开孔，分述如下：1、砼管片上：首先，开孔前要准确定位，并根据砼管片内钢筋位置调整孔位，用开孔器（配金刚石钻头取芯）按设计角度开孔，开孔直径130，当开到深度300时停止钻进，以不钻穿管片控制，安装孔口管，孔口管的安装方法为：首先将孔口处凿平，安好四个膨胀螺丝，而后在孔口管的鱼鳞扣上缠好麻丝或棉丝等密封物，将孔

22、口管砸进去，用膨胀螺丝上紧，上紧后，再去掉螺母，装上DN125闸阀，再将闸阀打开，用开孔器从闸阀内开孔，开孔直径为91，贯穿砼管片，这时，如若地层内的水砂流量大，就及时关好闸门。2、钢管片上：在钢管片上焊好孔口管，接好闸阀和孔口装置，用钻机接上金刚石钻头，通过孔口装置切割钢管片钻进。5.3.1.2 孔口装置安装用螺丝将孔口装置装在闸阀上，注意加好密封垫片。详见图5-2。图5-2 孔口装置示意图若涌水涌砂较厉害，还应当进行注浆（水泥浆或双液浆）止水。5.3.1.3 钻孔按设计要求调整好钻机位置，并固定好，将钻头装入孔口装置内，在孔口装置上接上”阀门，并将盘根轻压在盘根盒内。施工时，首先采用干式钻

23、进，当钻进困难不进尺时，从钻机上进行注水钻进，同时打开小阀门，观察出水、出砂情况，利用阀门的开关控制出浆量，保证地面不出现沉降。钻机选用MD-60型锚杆钻机，钻机扭矩2000NM，推力20KN。 5.3.1.4 封闭孔底部用丝堵封闭好孔底部，具体方法是，利用接长杆将丝堵上到孔的底部，利用反扣在卸扣的同时，将丝堵上紧。5.3.1.5 打压试验封闭好孔口用手压泵打水到孔内，至压力达到0.8MPa时，停止打压，关好闸门，观测压力的变化，30分钟内压力无变化为合格。5.3.2 钻孔偏斜和终孔间距采用经纬仪和水准仪监测开孔前和钻孔时的上下仰府角及方位角，钻孔的偏斜应控制在1%以内，在确保冻土帷幕厚度的情

24、况下，终孔间距不得大于1.0m，采用每3米钻进后测量一次偏斜，如偏斜大可有效地控制偏斜，进行纠偏。如发现钻孔偏斜超过设计要求，应及时拔除冻结孔，重新钻孔，直到满足设计要求，考虑地压大、摩擦力大等因素，冻结孔无法拔出，应在超设计的孔间距之间打一个补孔，以保证终孔间距不大于1.0米。5.3.3 冻结孔钻进与冻结管设置1、使用MD-60钻机一台，利用冻结管作钻杆，冻结管采用丝扣加密封剂连接，接缝要补焊，确保其同心度和焊接强度，冻结管到达设计深度后密封头部。2、钻进过程中严格监测孔斜情况，发现偏斜要及时纠偏，下好冻结管后，进行冻结管长度的复测，然后再用经纬仪进行测斜并绘制钻孔偏斜图。冻结管长度和偏斜合

25、格后再进行打压试漏，压力控制在0.8Mpa，稳定30分钟压力无变化者为试压合格。3、在冻结管内下供液管，然后焊接冻结管端盖和去、回路羊角。4、冻结管安装完毕后，用堵漏材料密封冻结管与管片之间的间隙。5、利用钢管片上的注浆孔作泄压孔。5.4 冷冻站安装5.4.1 冻结站布置与设备安装将冻结站设置在隧道内，单个冻结站占地面积约80平方米，站内设备主要包括冷冻机、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及配电控制柜等。设备安装必须按设备使用说明书的要求进行。考虑冷冻机运转的连续性，不能停机检修，在运转前联系厂家来人检修冷冻机，以保证冷冻机可靠连续运转。5.4.2 管路连接、保温与测试仪表管路用法兰连接，隧道内

26、的盐水管用管架敷设在隧道管片上，且应避免影响隧道通行。在盐水管路和冷却水循环管路上要设置伸缩接头、阀门和测温仪、压力表、流量计等测试元件。盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温，保温厚度为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，每根冻结管的进出口各装阀门一个，以便控制流量。联络通道四周主冻结孔每两个一串联，其它冻结孔每三个一串联。冷冻机组的蒸发器及低温管路用棉絮保温，盐水箱和盐水干管用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保温。考虑管片的散热，对左右线隧道管片内侧安装冷冻板，来加强冻结。5.4.3 溶解氯化钙和机组充氟加油盐水（氯化钙溶液）比重为1.27，先在盐水

27、箱内充满清水，溶解氯化钙，再送入盐水干管内，直至盐水系统充满为止，溶解氯化钙时要除去杂质。机组充氟和冷冻机加油必须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。5.5 积极冻结与维护冻结5.5.1 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备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。5.5.2 试挖与维护冻结在积极冻结过程中，要根据实测温度数据判断冻土帷幕是否

28、交圈和达到设计厚度，同时要监测冻土帷幕与隧道的胶结情况，测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度且与隧道完全胶结后再进行探孔试挖，确认冻土帷幕内土层基本无压力后再进行正式开挖。试挖条件：测温孔可根据测温孔实测数据，推算出冻土发展速度及在该冻结时间内的冻土发展半径，从而算出冻结帷幕厚度，再根据成冰公式得出冻结帷幕平均温度，若各个层位、部位冻结帷幕的厚度和平均温度达到设计要求后，即可打开管片进行开挖。卸压孔在积极冻结过程中，卸压孔有两个作用，一是起到释放冻胀压力的作用，另一方面根据显示的压力来判断冻结帷幕是否交圈。在冻结初期卸压孔是没有压力的，随着冻土的逐渐扩展，水分不断迁移，交圈后冻土形成一个封闭的土

29、体，冻胀压力得不到释放而逐渐增加，它的外在表现即为卸压孔压力的增长。探孔在开挖前，在左右线用开孔器在离冻结管一定距离上开探孔，以判断冻结帷幄厚度。盐水去、回路温差由于冻结帷幕交圈后需冷量较交圈前要小，因此冻结帷幕交圈前盐水去、回路温差要比交圈后大，不过此现象仅作为判断冻结帷幕交圈的参考。要确定打开管片进行开挖还需结合测温孔资料、卸压孔压力、探孔情况等方面综合考虑。正式开挖后，为确保冻土帷幕的稳定性，盐水温度仍控制在-28-30之间。停止冻结浇筑完混凝土内衬后停止冻结，进行自然解冻。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。5.5.3 冻结及开挖技术控制指标冻结及开挖技术控制指标项目数值备注冻结帷幕厚度通道1.6m根据测温孔推算集水井1.6m冻结帷幕平均温度-10用公式法得出盐水温度积极期-28-30用测温仪监测维护期-28-30盐水去、回路温差积极期2.51.0以内用测温仪监测维护期1.0以内卸压孔交圈前一般无压力通过压力表观测交圈后剧增至0.15 MPa0.3MPa附：主要地层冻结施工参数一览表旁通道兼泵站主要地层冻结施工参数一览表序号参数名称单位数量备注1冻结帷幕设计厚度 m1.62冻结帷幕平均温度-103冻结帷幕设计交圈时间天194冻结孔个数个705冻结孔设计间距m0.50