1、冻结法在地铁盾构隧道联络通道施工中的应用冻结法在地铁盾构隧道联络通道施工中的应用 李 栋（中铁十一局集团城市轨道工程有限公司 武汉 430074 ） 摘要冻结法是在地层中按预定间隔埋设冻结管（100mm的管径）冷却液在冻结管上循环，则管周围地层中的孔隙水以管为中心生成年轮形柱状冻土。若使邻近的冻土柱连结在一起，即形成止水墙或反力墙。冻结法施工技术在国际上被广泛应用于城市建设和煤矿建设中，已有100多年的历史，我国采用冻结法施工技术至今也已有40多年的历史，主要用于煤矿井筒开挖施工，自1992年起，冻结法工艺被广泛应用于上海、北京、深圳、南京等城市地铁工程施工中。公司在杭州地铁隧道联络通道工程施
2、工中，采用了冻结法加固的施工方法，本文通过对施工工艺的归纳总结，以及参考有关施工技术资料，形成本工法。关键词冻结法 地铁 联络通道 应用 1工程概况杭州地铁九堡东站乔司南站盾构区间隧道联络通道及泵站位于区间隧道中部，联络通道及泵站采取合并建造模式，距离联络通道上部地面正上方14m处有一居民房，联络通道上方无重要管线。拟构筑联络通道所在位置的隧片为钢管片，隧道内径为5.5m，上、下行线隧道中心线距离15.46m。联络通道结构见图1。图1 联络通道结构示意图2工程地质及水文地质条件根据离联络通道最近的地质勘探孔提供的地质情况，联络通道所处地层上部和中部为5砂质粉土、下部6粉砂夹砂质粉土，见图1所示
3、。该土层具有高压缩性、低强度、灵敏度高、透水性强等特点，在动力作用下易产生流变现象。在该地层内进行联络通道开挖构筑，须对土体进行稳妥、可靠的加固处理。冻结法加固土体具有强度高，封水性好，安全可靠的优点，极适于本工程。3施工工艺过程3.1施工方案选定根据上述联络通道施工条件，决定采用“隧道内水平冻结加固土体、隧道内矿山法开挖构筑”的全隧道内施工方案。即：在隧道内利用水平孔和部分倾斜孔冻结加固地层，使联络通道及泵房外围土体冻结，形成强度高，封闭性好的冻结帷幕。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。3.2冻结法的施工工艺图2 冻结法施工流程图3
4、.3冻结加固设计3.3.1冻结帷幕的加固范围联络通道冻结帷幕按冻结加固设计图的要求进行施工。冻结壁平均温度设计为-10，相应的冻土强度的设计指标为：单轴抗压3.6Mpa，抗折1.8Mpa，抗剪1.6Mpa，无侧限抗压强度qu3.0Mpa，土体渗透系数k10-8cm/sec。3.3.2 冻结孔、测温孔与卸压孔的布置3.3.2.1冻结孔布置从上、下行线隧道两侧打孔方式进行施工。冻结孔按上仰、水平、下俯三种角度布置，共布置冻结孔78个，其中上行线64个，下行线14个。设置穿透孔4个。冻结孔的布置详见图3、图4。图3：冻结孔立面透视 图4：冻结孔平面布置3.3.2.2 测温孔布置测温孔共布置8个，上行
5、线4个，下行线4个，深度为26m，主要是测量冻结帷幕范围不同部位的温度发展状况，以便综合采用相应控制措施，确保施工的安全。3.3.2.3 卸压孔布置在冻结帷幕封闭区域内布置4个卸压孔(利用管片上的注浆孔)，上行线、下行线各2个。在卸压孔上安装压力表，可以直观的监测冻结帷幕内的压力变化情况，通过每日观测，及时判断冻结帷幕的形成，并可直接释放冻胀压力。3.3.3冻结参数（1） 积极冻结期盐水温度为-28-30，维护冻结期温度为-25-28。（2） 积极冻结时间为40天，维护冻结时间与开挖和结构施工相同。（3） 冻结孔单孔流量不小于3m3/h。（4） 积极冻结7天盐水温度降至18以下，积极冻结15天
6、盐水温度降至-24以下， 去、回盐水温差不大于2，开挖时盐水温度降至-28以下。3.3.4 需冷量计算和冷冻机选型冻结需冷量计算：Q=1.2dHK式中:H冻结总长度，725m；d冻结管直径；K冻结管散热系数；将上述参数代入公式得出最大需冷量为：Q= 6.5104 Kcal/h根据以上计算需冷量，选用W-YSLGF300型螺杆机组二台套，并联安装，单台运行，互为备用。单台机组设计工况制冷量为8.7104 Kcal/h，电机功率110KW，完全满足制冷需求。3.3.5 冻结系统辅助设备（1）盐水循环泵选用IS150-125315型2台，流量200m3/h，电机功率30KW 。（2）冷却水循环泵选用
7、IS150-125315型2台，流量200m3/h，电机功率30KW。冷却塔选用NBL-50型2台，补充新鲜水15m3/h。3.3.6 管路选择（1）冻结管选用898mm,20#低碳钢无缝钢管,丝扣连接,另加手工电弧焊焊接。单根长度11.5m。（2）供液管选用1.5钢管，采用焊接连接。（3）测温管和卸压管选用323.5mm,无缝钢管。（4）盐水干管和集配液圈选用1596mm无缝钢管。（5）冷却水循环管选用1334.5mm无缝钢管。（6）冻结站对侧隧道的冷冻排管选用323.5mm无缝钢管。3.3.7 其它（1） 冷冻机油选用N46冷冻机油。（2） 制冷剂选用氟立昂F-22。（3） 冷媒剂选用氯化
8、钙溶液。（4） 总用电额定负荷约388kw/h。3.4冻结孔施工图5 冻结孔开孔及密封装置示意图3.4.1 冻结孔定位与管片开孔 依据施工基准点，按冻结孔施工图进行冻结孔孔位放线，孔位布置首先要依据管片配筋图和钢管片加强筋的位置，在避开主筋、管片缝、螺栓及钢管片肋板的前提下可适当调整，不大于100mm。开孔选用J-200型金刚石钻机，配130mm金刚石取芯钻头进行钻孔，深度约200250mm，控制不得钻穿管片。用钢楔楔断岩心，取出后，打入加工好的孔口管，且用至少有4个固定点将孔口管固定在管片上，然后安装密封装置，如图5所示。3.4.2 冻结孔施工顺序先施工透孔，根据穿透孔的偏差，进一步调整有关
9、钻进参数。然后根据联络通道施工的孔位，采用由上向下的顺序进行施工，这样可防止因下层冻结孔的施工引起上部地层扰动，减小钻孔施工时的事故发生率。3.4.3 钻孔偏斜和终孔控制钻孔的偏斜应控制在150mm以内，在确保冻结帷幕厚度的情况下，单排冻结孔最大间距不得大于1.4m，多排冻结孔最大间距不得大于1.68m，否则应补孔。冻结孔钻进深度应不小于设计深度。钻头碰到隧道管片的，不参与制冷循环的长度不大于150mm。3.4.4 冻结孔钻进与冻结管设置（1）钻孔设备使用MD-50钻机一台，配用BW250型泥浆泵，钻具利用898冻结管作钻杆；冻结管之间采用丝扣连接，接头螺纹紧固后再用手工电弧焊焊接，确保其同心
10、度和焊接强度。（2）正常情况下，钻进时安装简易钻头，直接无水钻进。如果钻进困难时，在钻头部位安装一个特制单向阀门，采用带水钻进。冻结管到达设计深度后冲洗单向阀，并密封冻结管端部。（3）钻进过程中严格监测孔偏斜情况，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，然后再用灯光测斜仪进行测斜并绘制钻孔偏斜图。冻结管长度和偏斜合格后再进行打压试漏，压力控制在0.8MPa，稳定15分钟压力无变化者为试压合格。（4）在冻结管内下供液管,然后焊接冻结管端盖和去、回路羊角。3.4.5 钻孔质量控制程序 图6：钻孔质量控制程序图3.5冷冻站安装3.5.1 冻结站布置与设备安装将冻结站设置在上行线隧道内
11、，靠近联络通道位置。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。设备安装按设备使用说明书的要求进行。其布置参见(附图7：冻结站平面布置图)。图7：冻结站平面布置图3.5.2 管路连接、保温与测试仪表管路用法兰连接，隧道内的盐水管用架子敷设在隧道管片斜坡上，以免影响隧道通行。在盐水管路和冷却水循环管路上要设置、阀门和测温仪、压力表等测试组件。盐水管路经试漏、清洗后用保温板或棉絮保温，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，每组冻结管的进出口各装阀门一个，以便控制流量。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50m
12、m厚的保温板或棉絮保温。联络通道两侧管片保温：由于混凝土和钢管片相对于土层要容易散热得多，为加强冻结帷幕与管片胶结，联络通道两侧管片表面采取保温措施，以减少冷量损失。将钢管片格栅内用素砼填充密实，然后采用PEF板保温板对冻结帷幕发展区域管片进行隔热保温。保温范围为冻结帷幕区域处加向外扩展2m。在冻结站对侧隧道的冻结管的端部区域范围内布置冷冻排管，然后采用PEF板对冻结排管进行覆盖隔热保温。3.6积极冻结与维护冻结3.6.1 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。冻结系统运转正常后
13、进入积极冻结。此阶段为冻结帷幕的形成阶段，积极冻结期盐水温度为-28-30，设计冻结时间40天，视现场实际冻结效果，如不能按时达到冻结壁的设计要求，可延长积极冻结时间。3.6.2 维护冻结在积极冻结过程中，要根据实测温度资料判断冻结帷幕是否交圈和达到设计厚度，同时要监测冻结帷幕与隧道的胶结情况，测温判断冻结帷幕交圈并达到设计厚度且与隧道完全胶结后，可进入维护冻结阶段。维护冻结期温度为-25-28，冻结时间贯穿联络通道及泵站开挖和主体结构施工始终。3.6.3 冻结质量控制程序图8：冻结质量控制程序3.7具备开挖冻结技术指标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
14、虑，需具备如下条件，方可进行开挖构筑的施工。项目数值备注冻结帷幕厚度达到设计要求根据测温孔推算冻结帷幕平均温度-10用成冰公式法计算盐水温度积极期-28-30用测温仪监测维护期-25-28盐水去、回路温差(包括各支路)积极期2以内冻结至设计温度时维护期1.0以内卸压孔交圈前静水压力通过压力表观测交圈后剧增至0.150.3MPa3.8融沉控制及收尾工作3.8.1融沉控制本联络通道所处的地面环境较好，没有重要的建筑物及管线，同时冻结加固的土层主要为5砂质粉土、6粉砂夹砂质粉土，拟采用自然解冻结合跟踪注浆的的方式来控制融沉。并根据监测反馈的信息，进行动态调整注浆参数。3.8.2收尾工作（1）浇筑完集
15、水井砼结构层即可停冻，进行施工设备的拆除工作，并清理、整理现场，按要求跟踪注浆。（2）冻结孔管补强：冻结站拆除，回收供液管，放出CaCl2盐水后，割去露出隧道管片的孔口管和冻结管，并在孔口管管口焊接12厚的封口板封闭管口。（3）待通道混凝土结构达到设计强度后，拆除隧道内的钢支架，并再次对称拧紧特殊衬砌环内的所有连接螺栓。（4）按设计在集水井上方加装钢盖板。（5）用砼浇筑钢管片内格栅，并将外露钢构件表面刷涂环氧沥青漆二度。（6）整理、修整、清理联络通道施工现场，并用清水进行冲洗，通道内不得有泥浆、油污和上道工序留下的施工设备。4.实践结论通过冻结法在实际施工中的应用，我们可以知道冻结法在工程实践
16、中具有很多的优势：（1）封水性好有自由水(一般情况下含水率应大于10%,否则要采取增加土层湿度的辅助工法)就能冻结成冻土,形成冻土壁。无论是透水层,还是隔水层,冻土壁可以阻隔地下水侵入,形成干燥的施工环境。（2）强度高一般认为冻土是一种黏弹塑性材料,其强度同土质、容重、含水率、含盐量及温度等因素有关,一般可达到210 MPa,远大于融土强度,从而起到结构支撑墙的作用。（3）适应性强适应各种土层及多种地下工程,尤其适用于含水量大、地层软弱、其他工法施工困难或无法施工的地下工程。（4）复原性施工结束土层恢复原状,对土层破坏性很小。这是其他工法所无法比拟的。（5）绕障性具有绕过障碍冻结加固和封水能力
17、。（6）无公害用电能换取冷能,不污染大气环境,无有害物质排放,对地下水无污染。在环保要求高的工程中,其优越性尤其明显。（7）可控性冻结工期、冻结壁厚度、冻结壁形状等都可调控。（8）适用性可在密集建筑区和现有工程建筑物下施工,不需进行基坑排水,可避免因抽水引起地基沉降造成对周围建筑物的不利影响。（9）施工便利无支衬、无拉锚,可进行敞开式施工并扩大建筑面积,缩短工期。参考文献1杨维好,黄家会.冻结管受力分析与试验研究J.冰川冻土,1999(1):121.2乔京生,陶龙光,弭尚银.地铁隧道水平冻结施工地表变形特性的模拟研究J.岩石力学与工程学报,2004(15):2643.3史基盛,陈馈,李荣智.南京地铁联络通道冷冻法施工技术J.建筑机械化,2004(2):33.4 周晓敏, 苏立凡, 贺长俊等. 北京地铁隧道冻结法施工J. 岩土工程学报, 1999, 21(3): 319-322. 5 马玉峰, 苏立凡, 徐兵壮等. 地铁隧道联络通道和泵站的水平冻结施工J. 建井技术. 2000, 21(3): 39-41. 6 郭晓江. 冻结法在广州地铁二号线暗挖隧道中的应用J. 煤炭工程. 2001(12): 27-29.
