隧道水平冻结法施工工艺.docx

1、隧道水平冻结法施工工艺隧道水平冻结法施工工艺1.水平解冻设计1.1设计原那么与关键技术1.1.1设计原那么在水平解冻加固后，保证在隧道掘进进程中围岩具有足够的动摇性，确保施工平安。保证施工进程中惹起的地层沉降满足设计要求，以确保空中修建物和地下管线的平安。满足环境维护及施工供水、供电才干要求。停止系统的施工监测，完成信息化施工。1.1.2关键技术解冻孔施工为了确保解冻孔的施工质量，先在钻孔任务面(钻孔桩和旋喷桩复合结构)用金钢石取芯钻开孔，并埋设孔口管，正常钻进采用跟管钻，孔口装置密封装置，使泥浆在封锁系统中循环，并用特制的精细水平孔陀螺仪测斜，以确保钻孔质量与施工平安。在积极解冻期内，依据监

2、测信息控制冻土帷幕的温度，保证帷幕构成的强度战争均性。冻胀融沉的控制1.2解冻段划分及施工顺序由于水平解冻段施工81.86m，且在紧张曲线上，依据水平孔钻进技术条件，隧道分两段解冻。第一段解冻长度为55m，第二段解冻长度为37m，两段冻土帷幕间的搭接长度为10m。在第一段掘进至45m时，现浇400mm厚的钢筋混凝土墙密闭开挖任务面，并回头将断面径向扩展1.31.4m，长4m的隧道断面，作为第二段隧道解冻施任务业面。其解冻段划分见图2-13-2-1。施工顺序为：明挖段任务井施工第一段隧道解冻孔钻进积极解冻解冻维护落第一段隧道掘进及初衬施工扩展段施工第一段隧道地基强迫化冻、注浆和施工内衬第二段隧道

3、解冻孔钻进积极解冻第二段隧道掘进和初衬施工第二段隧道地基强迫化冻、注浆和施工内衬中止解冻及停止其它解冻孔注浆解冻设备撤除。1.3冻土帷幕设计1.3.1设计基础资料取土的平均容重为19kN/m3,变形模量为6MPa，泊松比0.395。取冻土(平均温度-10C)的变形模量150MPa，泊松比0.3，设计抗折强度为1.8MPa(上海地域淤泥质粘土的极限抗折强度实验值为2.83MPa)，单轴抗压强度5MPa。取空中超载为67kPa约为土层承载力的2/3。隧道覆土厚度按11m思索。1.3.2冻土帷幕结构方式冻土帷幕的断面外形与隧道开挖断面相似，其有效厚度为1.4m，见图2-13-2-2。1.3.3冻土帷

4、幕的承载力计算取出冻土帷幕及地层的一个截面，按线弹性平面应变效果计算冻土帷幕的应力、应变散布。取模型的宽度为24m，高度为28m。用有限元法停止冻土帷幕的受力与变形计算。经ANSYS计算，结果见表2-13-2-1。从表中可以看出，冻土帷幕的承载才干是足够的。图2-13-2-1图2-13-2-2计算最大应力及平安系数项目抗拉(抗折)抗 压计算值0.466Mpa1.32MPa1.41MPa位置底拱内缘中部底拱外缘中部底拱与左侧墙交接处内缘强度目的1.85.05.0平安系数3.833.783.541.3.4解冻孔、测温孔、泄压孔布置与冻土帷幕构成估量为了使冻土帷幕提早交圈，有利于提高冻土帷幕的平均性

5、，采用较小的解冻孔控制间距，依据隧道断面，并保证在隧道扩展断面处在扩展断面后解冻帷幕有效厚度1.4m。每段解冻孔数量都为28个，其中第一段解冻孔长55m，解冻孔开孔间距为879mm，开孔位置与开挖边界的距离为600mm，第二段解冻孔长37m，解冻孔开孔间距为809mm，开孔位置与开挖边界的距离为300600mm，两段解冻孔钻孔与隧道中心线的夹角都为1，允许偏斜率为8，解冻孔沿隧道线路呈放射状钻进，成孔最大间距都不大于1.65m。每段测温孔设置二个，布置在终孔间距最大的相邻两解冻孔中间内侧0.3m处，其深度区分为55m和37m， 孔内依据地层状况布置58个测温点。卸压孔一个，布置在解冻布置图内侧

6、1.5m接近隧道中心线处，其孔深区分为45m和30m，孔口装置1泄压阀和2MPa压力表。其解冻孔、测温孔、泄压孔布置见图2-13-2-3、图2-13-2-4。冻土帷幕扩展厚度依据上海地域相似地层解冻施工实测结果并参考竖井解冻壁计算方法确定。设计冻土帷幕交圈时间为30d，积极解冻时间为35d。开挖时的解冻壁有效厚度为1.4m。其冻土帷幕构成估量见图2-13-2-2，图2-13-2-5给出了掘进到不同位置时，冻土帷幕的扩展边界。可以看出，由于采用放射状布孔，掘进时冻土进入隧道开挖断面很少，这样，既有利于初衬放射混凝土施工，又可添加冻土帷幕有效厚度，保证扩展断面在扩展后其冻土帷幕厚度大于1.4m。1

7、.4解冻技术参数图2-13-2-3图2-13-2-4图2-13-2-51.4.1冻土帷幕温度有效冻土帷幕的平均温度不高于-10，开挖时冻土帷幕外表温度低于-3。1.4.2解冻盐水温度设计最低盐水温度为-26-30，并要求解冻7d盐水温度到达-20，维护解冻时不降低盐水温度。1.4.3解冻孔单孔盐水流量：710 m3/h。1.4.4解冻管规格：1088 mm无缝钢管。1.4.5第一段隧道施工积极解冻时间35d，维护解冻工期80d。第二段隧道施工积极解冻时间35d，维护解冻工期60d。1.4.6解冻需冷量：取解冻管的散热系数为300kcalh-1m-2，冷量损耗为20%，第一段和第二段的解冻管长度

8、区分为1595m和1073m，得解冻需冷量区分为：Q1=0.1083.141615953001.20=194455kcal/hQ2=0.1083.141610733001.20=131061kcal/h1.5主要解冻施工参数见表2-13-2-2。主要解冻施工参数表序号参 数 名 称单位参 数备 注第一段第二段1解冻长度m5537两解冻段搭接10m2冻土帷幕设计有效厚度m1.41.43冻土帷幕平均温度-10-104冻土帷幕交圈时间d30305积极解冻时间d35356解冻孔个数个2929包括1个补孔7解冻孔开孔间距mm879809序号参 数 名 称单位参 数备 注第一段第二段8设计解冻孔外偏斜角1

9、1解冻孔与隧道中心线的夹角9解冻孔终孔控制间距m1.651.6510解冻孔允许偏斜8811设计最低盐水温度-26-30-26-3012维护解冻盐水温度-20-30-20-3013单孔盐水流量m3/h71071014解冻管规格mm108x8108x8无缝钢管15测温孔/卸压孔个数个2/12/1管材规格同解冻管16测温孔/卸压孔深度m55/4537/3017钻孔总长度m17501177包括两个解冻段的解冻孔、测温孔、卸压孔18解冻站最大制冷量kcal/h240000不利工况条件2.水平解冻施工2.1解冻法施工各阶段施任务业内容解冻法施工各阶段作业内容见表2-13-3-1。解冻法施工各阶段作业内容表

10、预备期积极解冻期解冻维护期解冻期解冻管及冷冻液配置钻孔拔出解冻管测定精度漏水实验冷冻液配置配管隔热冷冻液循环冻土帷幕构成开挖隧道初支封锁地基加固注浆浇注混凝土内衬工程完成中止机械运转停冻管内注浆充填监测仪器装置测试确定周围修建施工警戒值钻孔地温冻胀量地下水位冻土层变形精度检测地表沉降冷冻液温度、流量管理冻土壁温度测定及监视空中冻胀、冻土壁变形及地下水位测定及监视地表沉降、空中修建物监测地表沉降、空中修建物监测冷冻设备装置冷冻机装置输电设备装置供水设备装置耐压漏水实验设备组装调试末尾运转冷冻机运转管理撤出基地注：预备期可停止解冻管、输液管、监测设备和冷冻设备装置平行作业。2.2确定解冻法施工差异

11、警戒值在解冻法施工预备阶段，为确保平安施工，控制空中修建物倾斜或开裂，应对解冻法施工段范围内的修建物和管线的位置、运用年限停止实地细致的调查，并作出其强度、刚度和最大变形的评价，以确定平安的差异施工警戒值，依据警戒值，调整解冻设计施工技术参数。2.3解冻法施工工艺流程解冻法施工工艺流程见图2-13-3-1。图2-13-3-12.4解冻法施工工序及施工方法2.4.1解冻孔施工2.4.1.1解冻管、测温管、卸压管和供液管规格解冻管选用1088mm低碳无缝钢管，单根管材长度为1.52m，采用螺纹衔接并手工补焊，测温管和水文管管材同解冻管。供液管626mm用增强聚乙烯塑料管或15#钢管。2.4.1.2

12、打钻设备选型选用MKG-5S型钻机2台。选用BW-250/50泥浆泵2台，流量为250 l/min。钻机和泥浆泵总功率为41kw。 采用解冻孔钻进公用组合钻具跟管钻进。钻孔测斜采用特制的TY-1型高精度水平钻孔陀螺测斜仪，钻孔浅部用经纬仪灯光测斜校准。2.4.1.3解冻孔质量要求依据施工基准点，按解冻孔施工图布置解冻孔。孔位偏向不应大于100mm。解冻孔孔径110mm。解冻孔钻进深度误差为-0.2+0.3m。钻孔偏斜率控制在0.8以内。成孔最大间距不大于1.65m。2.4.1.4钻机平台搭建钻机平台采用满堂脚手架管搭建，脚手架管平面间距为0.6m0.6m。平台满铺60mm厚松木板，钻机底盘下垫

13、200mm200 mm方木。依据解冻孔位置，分层加高钻机平台。2.4.1.5解冻孔开孔解冻孔用160mm金刚石取芯钻开孔。每个钻孔装置孔口管，孔口管用1598mm无缝钢管加工。钻进时，孔口管装置孔口密封装置。2.4.1.6解冻孔钻进与解冻器装置(1)按解冻孔设计方位要求固定钻机。随钻进放入解冻管。解冻管下到设计深度后密封头部。(2)为了保证钻孔精度，开孔段钻进是关键。钻进前1020m时，要重复校核钻杆方向，调整钻机位置，并用经纬仪或陀螺仪检测偏斜无效果前方可继续钻进。(3)解冻管下入孔内前要先配管，保证解冻管同心度。下好解冻管后，用测斜仪停止测斜，然后复测解冻孔深度。解冻管长度和偏斜合格后密封

14、解冻管头部，并停止打压试漏。解冻孔试漏压力控制在0.71.0MPa之间，动摇30分钟压力无变化者为试压合格。(4)解冻管装置终了后，用堵漏资料密封解冻管与孔口管的间隙。(5)在解冻管内下入供液管。供液管用管箍衔接，供液管底端焊接0.2m高的支架。然后装置去、回路羊角和解冻管端盖。(6)测温孔施工方法与解冻管相反。2.4.2解冻制冷系统装置2.4.2.1解冻制冷设备选型与管路设计(1)选用YSKF600型冷冻机组1套,YSKF300型冷冻机组各2套(其中1套备用)。当盐水温度在-30，冷却水温度为28时，解冻站的制冷量约为240000 kcal/h，冷冻机组电机总功率为305 kw。(2)选用8

15、Sh-13(A)盐水循环泵2台(其中1台备用)，流量270m3/h，扬程36m，电机功率45kw；选用IS200-150-250冷却水循环泵1台，流量400 m3/h，扬程20m，电机总功率37kw；。(3)选用DBN3-200型冷却塔2台，电机总功率11kw。(4)设盐水箱一个，容积6m3。(5)盐水干管和集配液管均选用2198mm无缝钢管，盐水干管长度为380m。集、配液管与羊角衔接选用1.5高压胶管。(6)冷却水管用5焊管,在冷冻机进出水管上装置温度计。(7)在去、回路盐水管路上装置压力表、温度传感器和控制阀门。在盐水管出口装置流量计。(8)在配液圈与解冻器之间装置阀门二个，以便控制解冻

16、器盐水流量。(9)在盐水管路的高处装置放气阀。(10)盐水和清水管路耐压区分为0.7MPa和0.3MPa。(11)每个解冻站的冷却水用量为30m3/h，最大总用电量约398kw。(12)其它冷冻机油：选用N40冷冻机油。制冷剂：选用R22制冷剂。冷媒剂：用氯化钙溶液作为冷冻循环盐水。盐水比重为1.265。2.4.2.2解冻站布置与设备装置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。解冻站布置主要设备布置见图2-13-3-2。设备装置按设备运用说明书的要求停止。2.4.2.3管路衔接、保温与测试仪表装置盐水和冷却水管路用管架直接铺在空中上，法兰衔接。去、回路盐水干

17、管用管架固定在任务井井壁上。温度计、压力表和流量计装置按设计停止。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。冷冻机组的蒸发器及高温管路用50mm厚的软质泡沫塑料保温，盐水箱和盐水干管用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保温。2.4.2.4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，然后开泵循环并逐渐参与固体氯化钙，直至盐水浓度到达设计要求。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解冻管盐水回流时溢出盐水箱。机组充氟和冷冻机加油依照设备运用说明书的要求停止。首先停止制冷系统的检漏和氮气冲洗，在确保系统无渗

18、漏后，再充氟加油。2.4.3积极解冻与维护解冻2.4.3.1解冻系统试运转与积极解冻设备装置终了后停止调试和试运转。在试运转时，要随时调理压力、温度等各形状参数，使机组在有关工艺规程和设计要求的技术参数条件下运转。在解冻进程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻土帷幕扩展状况，图2-13-3-2必要时调整解冻系统运转参数。解冻系统运转正常后进入积极解冻。要求一周内盐水温度降至-20以下。2.4.3.2试挖与维护解冻依据水文孔观测确定冻土帷幕曾经交圈，并依据实测温度判别冻土帷幕到达设计厚度后，再用取芯钻打入冻土帷幕外部未冻土中2m以上，确认冻土帷幕内无动水。然后，可以分区翻开任务井井壁。开挖至土层内

19、后，实测冻土帷幕的厚度、外表温度和变形，如已到达设计要求，那么可进入正常施工，否那么应中止掘进，增强解冻，并剖析缘由，采取相应措施。隧道正式掘进后进入维护解冻期。原那么上，掘进时期的维护解冻盐水温度与盐水流量与积极解冻相反，如施工中依据实测剖析，确实证明冻土帷幕扩展速度比估量的要快，冻土帷幕有足够的承载力与动摇性，已满足设计要求，可以适当提高盐水温度，但最高不能高于-20。末尾做内衬后，在确保外衬平安的状况下，可以提高盐水温度，甚至提早中止解冻。2.4.4隧道开挖及支护当冻土层有效厚度及强度到达要求，解冻施工进入维护解冻期后按弧形导坑分部开挖法停止施工，其施工表示图见图2-13-3-3，工艺流

20、程图见图2-13-3-4，开挖时，首先选用人工开挖未解冻的土层，再应用风镐掘进冻土。留意：解冻帷幕暴出面温度不得高于-5，且暴露时间控制在24h内，同时，在放射混凝土中掺加复合早强剂。2.4.5隧道衬砌2.4.5.1保证衬砌厚度及钢筋搭接长度。2.4.5.2严厉控制测量，防止隧道欠挖，钢筋绑扎时，专人担任，环向、纵向钢筋搭接长度区分为钢筋直径的3525倍。2.4.5.3保证混凝土设计强度为保证衬砌强度不低于C30的要求，施工前应作混凝土配合比实验，经过实验确定最正确配合比，并严厉加以控制，使之到达设计要求。图2-13-3-3图2-13-3-42.4.5.4保证立模质量衬砌采用自制的简易钢模板台

21、车施工，立模时严厉控制模板外形尺寸不能侵入衬砌内轮廓线，并向外不超越50mm，由跟班测量人员担任，并堵好堵头板，以保证模板接缝外不漏浆液。2.4.5.5保证混凝土施工质量为加快混凝土硬化和防止局部冻坏，混凝土内参与水泥重量2.5%4%的J851早强防冻减水剂和水泥重量3%4%的MRT早强防冻剂，这两种资料具有改善混凝土的和易性和密实性，增强混凝土的抗渗功用及耐冻性，并在施工时增强混凝土振捣，根绝蜂窝麻面。2.4.5.6增强混凝土施工的延续性。2.4.5.7增强对混凝土养护，以防止冻土对混凝土有冻害。2.4.6隧道地基强迫解冻和中止解冻施工完初衬后，在隧道下方的6个解冻孔中循环热水，使隧道地基的

22、冻土帷幕解冻。然后停止隧道地基注浆处置。水加热的电热管总功率为100kW。注完浆后，浇筑混凝土内衬，完工后即可中止解冻。停冻后截去孔口管，然后在孔口管内抽出盐水后注浆充填。2.4.7制冷站和供冷管路撤除撤除制冷站和供冷管路的机遇及要求为：1.衬砌施工完后，中止解冻并撤除制冷站，留意：中止解冻后仍需增强观测。2.解冻进程中应经常观测隧道发作的变化， 发现效果及时处置。2.4.8回填注浆在停止混凝土浇注时，埋设注浆管，再依据监变形资料确定注浆量，停止跟踪注浆，以控制和消弭冻土的融沉，注浆任务不时继续到监测任务完毕。2.4.9扩展断面施工技术措施1.现浇400mm厚的钢筋砼墙密闭开挖任务面2.检测解

23、冻帷幕的解冻厚度，使之大于1.4m。3.短进尺分块刷大隧道断面,并及时施作增强支护。4.施工进程中增强监测，做好信息化施工。3.解冻法施工监控量测为了确保水平孔解冻暗挖隧道平安优质、按时完成，且保证周围修建物及地下管线平安，须对解冻系统、空中、地层和支护结构停止必要的监测，使监测的信息资料得以及时反应，及时调整施工技术参数，指点施工，以便调整施工工艺并采取措施。3.1监测内容3.1.1水平钻孔施工监测内容3.1.1.1钻孔长度3.1.1.2铺设解冻管长度3.1.1.3解冻管偏斜3.1.1.4解冻器密封功用3.1.1.5供液管铺设长度3.1.2解冻系统监测内容3.1.2.1解冻器进出口盐水温度3

24、.1.2.2冷却循环水进出水温度3.1.2.3冷冻机排出口温度3.1.2.4盐水泵任务压力3.1.2.5冷冻机排出口压力3.1.2.6制冷系统冷凝压力3.1.2.7制冷系统气化压力3.1.3解冻壁监测内容3.1.3.1解冻壁内测温孔温度3.1.3.2解冻壁断面水文泄压孔压力变化及温度变化3.1.3.3开挖后解冻壁隧道围岩的变形位移3.1.3.4开挖后解冻壁的温度3.1.4支护结构及地表、空中修建、地下管线、构筑物变化的监测3.2监测方法、手腕及说明3.2.1水平解冻孔偏斜的监测运用水准仪、经纬仪，结合灯光停止。解冻器密封功用的监测采用管内注水，电动试压泵加压的方法试漏，试漏顺序及目的契合水平孔

25、解冻器设计要求，每孔测量一次。3.2.2温度监测盐水系统和解冻壁温度监测，运用标定的MS-100型电脑自动测温仪测量。制冷系统和冷却水循环系统以及解冻壁周边围岩温度运用点温仪并结合精细水银温度计测量，监测频率每天13次，必要时每2h一次。3.2.3压力监测制冷系统和盐水系统的任务压力装置经过压力表量测，制冷高压系统选用02.5Mpa压力表，中高压系统选用01.6Mpa压力表，监测频率每2小时一次。3.2.4位移监测空中各测点的位移监测运用水准仪、经纬仪、塔尺和钢尺，隧道内位移量测运用收敛仪、钢尺、水准仪、经纬仪。位移监测频率：空中为每天12次，必要时，随时跟踪监测开挖任务面：每一开挖循环一次，

26、必要时增强监测频率。4.冻胀及融沉预防措施土层冻胀主要是土层中水结冰收缩惹起，影响要素除含水量的多少外，还与冻土压力大小、解冻速度快慢、解冻温度上下、冻土中水量补给状况等要素有关。冻土的融沉是相对冻胀发生的，由于冻土消融后，土中水分因自重作用淅出，融土在围岩压力及颗粒自重作用下，紧缩体积惹起融沉。拟采取以下措施控制冻胀和融沉：4.1增强解冻壁温度、厚度监测，及时调理解冻盐水温度和解冻时间。4.2在开挖断面内外，视地层状况经过泄压孔增加冻胀压力，控制冻胀影响范围和方向。4.3降低盐水温度，加大盐水流量，以利加快解冻壁开展速度，增加冻土的水分位移，即增加冻胀。4.4在隧道开挖进程中，预埋注浆孔，在

27、解冻壁消融时，视融沉开展状况，及时跟踪压密注浆控制融沉。4.5在空中和开挖隧道断面内设测点，跟踪监测空中及解冻壁周边围岩的位移状况，及时剖析，及时处置，视状况可区分采用液氮解冻法补强、泄压、注浆措施控制位移、冻胀、融沉等状况。5.解冻法施工进度、水电供应、设备及休息力布置5.1施工进度布置解冻施工工序及工期进度布置详见六章施工进度方案网络图2-6-4-2。两个解冻施工段的解冻孔施工工期为30d、31d，集、配液管路装置试运转工期均为5d，积极解冻工期均为35d、36d，维护解冻期包括掘进与初衬施工、局部强迫化冻、隧道地基注浆和浇筑内衬,区分为100d和81d撤除解冻设备15d，思索解冻施工及任

28、务井施工累计总工期404d。5.2解冻法休息力组织为了确保水平孔解冻施工平安、顺利按期完成，成立两个作业队，钻孔队、解冻队。人数区分为钻孔队21人、解冻队18人；施任务业队每天三班循环作业。5.3水、电供应方案水电用量见表2-13-6-1。解冻钻孔施工和解冻站装置时期用电约为122kw，用水约1m3/h。积极解冻时最大用电量约为398kw。解冻运转时期新颖冷却水补给量约15m3/h。5.4解冻法施工设备解冻法施工设备见表2-13-6-2。水电用量供应表表2-13-6-1序号设备称号型号单位每台耗量设备台数算计备注一打钻、装置用电量kw122钻机MKG-5kw30260泥浆泵BW-250/50kw11222电焊机kw20240二解冻用电量kw398冷冻机YSKF220kw2031203 冷冻机YSKF216kw1021102盐水泵8sh-13(A)kw45145清水泵IS200-150-250kw37137冷却塔DBN3-200kw5.5211四解冻用水量m3/h20新水补给主要解冻施工设备供应明细表序号设备称号数量单位规格型号主要任务功用指数估量何时进场备注一打钻1钻机2台MKG-5S2泥浆泵2台BW250/501台备用4水平测斜仪2台特制5电焊机3台BS-4006泥浆测定仪1台7试压泵1台8套丝机1台二解冻1冷冻机组1套YSLGF60