凍結(jié)法隧道施工

公司在上海地鐵隧道旁通道工程施工中，采用了凍結(jié)法加固的施工方法，通過對施工工藝的歸納總結(jié)，以及參考有關(guān)施工技術(shù)資料，形成本工法。 二、特點凍結(jié)法適用于各類地層尤其適合在城市地下管線密布施工條件困難地段的施工，經(jīng)過多年來國內(nèi)外施工的實踐經(jīng)驗證明凍結(jié)法施工有以下特點:

1、可有效隔絕地下水，其抗?jié)B透性能是其它任何方法不能相比的，對于含水量大于10%的任何含水、松散，不穩(wěn)定地層均可采用凍結(jié)法施工技術(shù);

2、凍土帷幕的形狀和強度可視施工現(xiàn)場條件，地質(zhì)條件靈活布置和調(diào)整，凍土強度可達5-10Mpa，能有效提高工效;

3、凍結(jié)法是一種環(huán)保型工法，對周圍環(huán)境無污染，無異物進入土壤，噪音小，凍結(jié)結(jié)束后，凍土墻融化，不影響建筑物周圍地下結(jié)構(gòu);

4、凍結(jié)施工用于樁基施工或其它工藝平行作業(yè)，能有效縮短施工工期。

使用范圍凍結(jié)法適用于各類地層，主要用于煤礦井筒開挖施工。目前在地鐵盾構(gòu)隧道掘進施工、雙線區(qū)間隧道旁通道和泵房井施工、頂管進出洞施工、地下工程堵漏搶救施工等方面也得到了廣泛的應(yīng)用。工藝原理:凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，使地層中的水結(jié)冰，將松散含水巖土變成凍土，增加其強度和穩(wěn)定性，隔絕地下水，以便在凍結(jié)壁的保護下，進行地下工程掘砌作業(yè)。它是土層的物理加固方法，是一種臨時加固技術(shù)，當工程需要時凍土可具有巖石般的強度，如不需要加固強度時，又可采取強制解凍技術(shù)使其融化。工藝流程凍結(jié)法施工操作要點:施工時，應(yīng)不斷對每個施工工序進行管理?？刂苾鼋Y(jié)孔施工、凍結(jié)管安裝、凍結(jié)站安裝、凍結(jié)過程檢測的質(zhì)量。

1、凍結(jié)孔施工

1開孔間距誤差控制在±20mm內(nèi)。在打鉆設(shè)備就位前，用儀器精確確定開孔孔位，以提高定位精度。2準確丈量鉆桿尺寸，控制鉆進深度。3按要求鉆進、用燈光測斜，偏斜過大則進行糾偏。鉆進3m時，測斜一次，如果偏斜不符合設(shè)計要求，立即采取調(diào)整鉆孔角度及鉆進參數(shù)等措施進行糾偏，如果鉆孔仍然超出設(shè)計規(guī)定，則進行補孔。

2、凍結(jié)管試漏與安裝

1選擇φ63×4mm無縫鋼管，在斷管中下套管，恢復鹽水循環(huán)。2凍結(jié)管(含測溫管)采用絲扣聯(lián)接加焊接。管子端部采用底蓋板和底錐密封。凍結(jié)管安裝完，進行水壓試漏，初壓力0.8MPa，經(jīng)30分鐘觀察，降壓≤0.05MPa，再延長15分鐘壓力不降為合格，否就近重新鉆孔下管。3冷凍站安裝完成后要按《礦山井巷工程施工及驗收規(guī)范》要求進行試漏和抽真空，確保安裝質(zhì)量符合設(shè)計要求。

3、凍結(jié)系統(tǒng)安裝與調(diào)試

1按1.5倍制冷系數(shù)選配制冷設(shè)備。2為確保凍結(jié)施工順利進行，冷凍站安裝足夠的備用制冷機組。冷凍站運轉(zhuǎn)期間，要有兩套的配件，備用設(shè)備完好，確保冷凍機運轉(zhuǎn)正常，提高制冷效率。3管路用法蘭連接，在鹽水管路和冷卻水循環(huán)管路上要設(shè)置伸縮接頭、閥門和測溫儀、壓力表、流量計等測試元件。鹽水管路經(jīng)試漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保溫，保溫厚度為50mm，保溫層的外面用塑料薄膜包扎。集配液圈與凍結(jié)管的連接用高壓膠管，每根凍結(jié)管的進出口各裝閥門一個，以便控制流量。4冷凍機組的蒸發(fā)器及低溫管路用棉絮保溫，鹽水箱和鹽水干管用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保溫。5機組充氟和冷凍機加油按照設(shè)備使用說明書的要求進行。首先進行制冷系統(tǒng)的檢漏和氮氣沖洗，在確保系統(tǒng)無滲漏后，再充氟加油。6設(shè)備安裝完畢后進行調(diào)試和試運轉(zhuǎn)。在試運轉(zhuǎn)時，要隨時調(diào)節(jié)壓力、溫度等各狀態(tài)參數(shù)，使機組在有關(guān)工藝規(guī)程和設(shè)備要求的技術(shù)參數(shù)條件下運行。

4、積極凍結(jié)階段在凍結(jié)試運轉(zhuǎn)過程中，定時檢測鹽水溫度、鹽水流量和凍土帷幕擴展情況，必要時調(diào)整凍結(jié)系統(tǒng)運行參數(shù)。凍結(jié)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常后進入積極凍結(jié)。

積極凍結(jié)，就是充分利用設(shè)備的全部能力，盡快加速凍土發(fā)展，在設(shè)計時間內(nèi)把鹽水溫度降到設(shè)計溫度。旁通道積極凍結(jié)鹽水溫度一般控制在-25~-28℃之間。

積極凍結(jié)的時間主要由設(shè)備能力、土質(zhì)、環(huán)境等決定的，上海地區(qū)旁通道施工積極凍結(jié)時間基本在35天左右。

5、維護凍結(jié)階段在積極凍結(jié)過程中，要根據(jù)實測溫度數(shù)據(jù)判斷凍土帷幕是否交圈和達到設(shè)計厚度，測溫判斷凍土帷幕交圈并達到設(shè)計厚度后再進行探孔試挖，確認凍土帷幕內(nèi)土層無流動水后(飽和水除外)再進行正式開挖。正式開挖后，根據(jù)凍土帷幕的穩(wěn)定性，提高鹽水溫度，從而進入維護凍結(jié)階段。

維護凍結(jié)，就是通過對凍結(jié)系統(tǒng)運行參數(shù)的調(diào)整，提高或保持鹽水溫度，降低或停止凍土的繼續(xù)發(fā)展，維持結(jié)構(gòu)施工的要求。旁通道維持凍結(jié)鹽水溫度一般控制在-22~-25℃之間。維護凍結(jié)時間由結(jié)構(gòu)施工的時間決定。

6、工程監(jiān)測6.1工程監(jiān)測的目的工程量測作為該工法的一項重要施工內(nèi)容。其目的就是根據(jù)量測結(jié)果，掌握地層及隧道的變形量及變形規(guī)律，以指導施工。由于旁通道施工位于地下十多米處，為防止施工時對地面周邊建筑、地下管線、民用及公共設(shè)施帶來不良影響，甚至嚴重破壞。對施工過程必須有完善的監(jiān)測。

2工程監(jiān)測的內(nèi)容工程監(jiān)測貫穿整個施工過程，其主要監(jiān)測內(nèi)容為:地表沉降監(jiān)測，隧道變形監(jiān)視，通道收斂變形監(jiān)測，凍土壓力監(jiān)測。1.1凍結(jié)孔施工監(jiān)測內(nèi)容為:凍結(jié)管鉆進深度;凍結(jié)管偏斜率;凍結(jié)耐壓度;供液管鋪設(shè)長度。1.2凍結(jié)系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容為:凍結(jié)孔去回路溫度;冷卻循環(huán)水進出水溫度;鹽水泵工作壓力;冷凍機吸排氣溫度;制冷系統(tǒng)冷凝壓力;冷凍機吸排氣壓力;制冷系統(tǒng)汽化壓力。1.3凍結(jié)帷幕監(jiān)測內(nèi)容為:凍結(jié)壁溫度場;凍結(jié)壁與隧道膠結(jié);開挖后凍結(jié)壁暴露時間內(nèi)凍結(jié)壁表面位移;開挖后凍結(jié)壁表面溫度。1.4周圍環(huán)境和隧道土體進行變行監(jiān)測內(nèi)容為:地表沉降監(jiān)測;隧道的沉降位移監(jiān)測;隧道的水平及垂直方向的收斂變形監(jiān)測;地面建筑物沉降監(jiān)測。七、機具設(shè)備

1、凍結(jié)法施工旁通道所用設(shè)備見表1表1

旁通道凍結(jié)施工主要機械設(shè)備表序號 設(shè)備名稱 規(guī)格、型號 數(shù)量 額定功率 能力

1 螺桿冷凍機組 JYSGF300II 2臺 110KW 87500Kcal/h

2 鹽水泵 IS125-100-200 2臺 45KW 200m3/h

3 冷卻水泵 IS125-100-200C 4臺 15KW 120m3/h

4 冷卻塔 NBL-50 4臺 15m3/h

5 鉆機 MK-50 1臺

6 電焊機 BS-40 2臺

7 抽氟機 1臺

說明:以上1-4項凍結(jié)設(shè)備均備用一臺。凍結(jié)設(shè)備詳見附圖

2、凍結(jié)法施工旁通道所用量測設(shè)備見表2表2

旁通道凍結(jié)施工主要量測設(shè)備表序號 設(shè)備名稱 規(guī)格、型號 數(shù)量 備注

1 經(jīng)緯儀 J2 1臺

2 測溫儀 GDM8145 1臺 測量凍土溫度

3 精密水準儀 1臺

4 打壓機 20MPa 1臺 凍結(jié)器打壓試漏

5 收斂儀 1臺 凍土帷幕收斂

6 鋼卷尺 20m 1把

質(zhì)量標準由于凍結(jié)法施工工程技術(shù)難度高，施工風險大，工程中不可預(yù)測因素多，故此對質(zhì)量要求極高。目前主要按照《GB_50213-2010煤炭井巷工程質(zhì)量驗收規(guī)范》、《煤礦井巷工程施工及驗收規(guī)范·GBJ213-90》、《煤礦井巷工程質(zhì)量檢驗評定標準·MT5009-94》標準要求進行施工。除了參照國家有關(guān)標準外，還應(yīng)著重注意以下幾點:

1、凍結(jié)帷幕設(shè)計時應(yīng)選擇比較安全的計算模型，要有足夠的安全系數(shù);

2、冷凍機組制冷量在設(shè)計時，取較大的備用系數(shù);

3、鉆孔的偏斜應(yīng)控制在1%以內(nèi);

4、終孔間距不大于1.0m;

5、在凍土帷幕關(guān)鍵部位，多布置測溫孔，監(jiān)測凍土帷幕的形成過程和形成狀況。

勞動力組織凍結(jié)法施工技術(shù)要求高，專業(yè)性強，且由于其特殊性，現(xiàn)場需配備土建工程師、機械工程師、電氣工程師和測量工程師。

作業(yè)人員配備人員見表3:

表3 作業(yè)人員配備人員

工 作 項 目 工 種 人 數(shù) 備 注

凍結(jié)孔施工 打鉆工 15人 進入凍結(jié)階段可轉(zhuǎn)為普通工凍結(jié)管安裝

凍安工 9人 進入凍結(jié)階段可轉(zhuǎn)為普通工機械維修

機修工 3人電氣維修

電工 2人 (包括設(shè)備數(shù)據(jù)采集)

電焊 電焊工 2人

凍結(jié)管焊接工程監(jiān)測 測量工 3人

環(huán)境變化監(jiān)測測溫 技術(shù)員 1人

測溫孔測溫輔助施工 普通工 4人

當班負責 施工員 2人

總計 41人

十、安全環(huán)境保護

1、設(shè)計要考慮各種最不利條件，保證方案安全可靠:

2、設(shè)計計算的各種最不利條件，在施工組織設(shè)計及施工中，做到重點防范，采取切實可行、有效的措施加以控制。

3、選用無污染、效率高、體積小、重量輕、制冷量大、安裝運輸方便的螺桿冷凍機組作為制冷系統(tǒng)的主機。以適應(yīng)地鐵施工場地小、工期緊的需要。

4、采用通訊系統(tǒng)和視頻系統(tǒng)有效的監(jiān)控施工現(xiàn)場，對施工中發(fā)現(xiàn)的問題及時匯報處理，杜絕一切不安全的施工現(xiàn)象和違章的操作，把事故制止在萌芽狀態(tài)。

5、旁通道設(shè)安全防水門，一備發(fā)現(xiàn)險情關(guān)閉防水門，保護隧道之用。

6、在對面隧道內(nèi)，增設(shè)冷凍板，冷凍板排管外設(shè)置泡沫保溫材料，以確保對面隧道交接處的完好凍結(jié)狀態(tài);在旁通道的左右側(cè)各鉆一個Φ89的凍結(jié)孔，作為冷凍板鹽水循環(huán)的進回液管。

7、在管線交底后也可對地下管線和隧道進行必要的支撐。對離凍結(jié)區(qū)較近的管線與建筑物進行暴露或保溫，防止凍壞。

8、旁通道開挖期間項目管理人員采用二十四小時值班制，對施工的各個環(huán)節(jié)要起到及時的檢查和督促作用，在施工現(xiàn)場準備足夠的備用設(shè)備和物資，以備應(yīng)急之用。

9、為預(yù)防開挖中停電等導致停工，甚至出現(xiàn)冒頂、涌砂事故，采取以下預(yù)案:在旁通道開挖期間，通道內(nèi)準備3米長16#槽鋼(或鋼管)6根，粘土2.0t和足夠的砂袋，以在必要時堆粘土和砂袋封閉通道，預(yù)防淹隧道。

10、凍結(jié)加固中打設(shè)的凍結(jié)孔將穿越④、⑤號土層，該土層局部夾有粉砂薄層，有鉆孔突水、涌砂的可能。A、加大鉆具推力，強行頂入套管B、利用原鉆具系統(tǒng)注漿，漿液選用水泥-水玻璃或丙烯酸鹽類漿液。C、必要時壓緊孔口管密封裝置，封閉該孔。

11、采取必要的措施，防止打凍結(jié)孔時水土流失;在鉆孔施工期間加強沉降的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)跑泥漏沙水土流失嚴重引起的沉降，影響到建筑物和地下管線，應(yīng)立即停止施工，立即注漿，防止沉降影響周圍建筑物和地下管線，到?jīng)]有沉降為止，待地層較穩(wěn)定后再施工鉆孔。

12、加大鹽水在凍結(jié)管內(nèi)的流量，采用串并聯(lián)循環(huán)方式，加快凍結(jié)管的熱交換。

13、用逐步降溫的過程，防止凍結(jié)管由溫度應(yīng)力造成的開裂。凍結(jié)孔每三個串聯(lián)供液，并根據(jù)流量及去回路溫差監(jiān)控凍結(jié)器的鹽水流量及均勻性，確保凍結(jié)帷幕支護可靠。

14、根據(jù)監(jiān)測的測溫孔溫度計算的各個剖面凍結(jié)壁的平均溫度，對溫度偏高的部位，調(diào)整鹽水流量予以調(diào)控。實現(xiàn)信息化施工，加強凍結(jié)壁的監(jiān)測監(jiān)控。根據(jù)監(jiān)測情況調(diào)控凍結(jié)壁強度和變形。

15、加強凍脹與融沉監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)凍脹影響到建筑物和地下管線，通過打的卸壓孔減小凍脹或打凍結(jié)孔加熱循環(huán)，進行解凍;預(yù)留注漿孔，進行跟蹤注漿，防止融沉影響周圍建筑物和地下管線。

十一、效益分析自我國采用凍結(jié)法施工技術(shù)以來，作為一種特殊的施工方法，其抗?jié)B透性能是其它任何方法不能相比的。近年來，城市地下工程施工進入了高峰，復雜的施工環(huán)境使一些大型的設(shè)備往往束手無測，而凍結(jié)法這種僅在施工范圍內(nèi)鉆孔就可解決問題簡易手段正好有了用武之地，本文歸納其有以下優(yōu)勢:

1、可視施工現(xiàn)場條件，地質(zhì)條件靈活布置和調(diào)整，可在地下施工，不占用地面土地，雖加固的費用高出水泥攪拌樁約1/3，但遠遠低于節(jié)省交通組織費用。

2、凍結(jié)土體強度高，并可根據(jù)施工要求調(diào)節(jié)不同部位的強度，安全性好。

3、阻水效果較其他方法更有效。

4、是一種環(huán)保型工法，對周圍環(huán)境無任何污染