凍結(jié)法在地鐵盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道施工中的應(yīng)用

1、凍結(jié)法在地鐵盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道施工中的應(yīng)用 摘要凍結(jié)法是在地層中按預(yù)定間隔埋設(shè)凍結(jié)管（100mm的管徑）冷卻液在凍結(jié)管上循環(huán)，則管周圍地層中的孔隙水以管為中心生成年輪形柱狀凍土。若使鄰近的凍土柱連結(jié)在一起，即形成止水墻或反力墻。凍結(jié)法施工技術(shù)在國際上被廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)和煤礦建設(shè)中，已有100多年的歷史，我國采用凍結(jié)法施工技術(shù)至今也已有40多年的歷史，主要用于煤礦井筒開挖施工，自1992年起，凍結(jié)法工藝被廣泛應(yīng)用于上海、北京、深圳、南京等城市地鐵工程施工中。公司在杭州地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道工程施工中，采用了凍結(jié)法加固的施工方法，本文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。關(guān)鍵詞

2、凍結(jié)法 地鐵 聯(lián)絡(luò)通道 應(yīng)用 1工程概況杭州地鐵九堡東站喬司南站盾構(gòu)區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道及泵站位于區(qū)間隧道中部，聯(lián)絡(luò)通道及泵站采取合并建造模式，距離聯(lián)絡(luò)通道上部地面正上方14m處有一居民房，聯(lián)絡(luò)通道上方無重要管線。擬構(gòu)筑聯(lián)絡(luò)通道所在位置的隧片為鋼管片，隧道內(nèi)徑為5.5m，上、下行線隧道中心線距離15.46m。聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)見圖1。圖1 聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)示意圖2工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件根據(jù)離聯(lián)絡(luò)通道最近的地質(zhì)勘探孔提供的地質(zhì)情況，聯(lián)絡(luò)通道所處地層上部和中部為5砂質(zhì)粉土、下部6粉砂夾砂質(zhì)粉土，見圖1所示。該土層具有高壓縮性、低強度、靈敏度高、透水性強等特點，在動力作用下易產(chǎn)生流變現(xiàn)象。在該地層內(nèi)進行聯(lián)絡(luò)通道開

3、挖構(gòu)筑，須對土體進行穩(wěn)妥、可靠的加固處理。凍結(jié)法加固土體具有強度高，封水性好，安全可靠的優(yōu)點，極適于本工程。3施工工藝過程3.1施工方案選定根據(jù)上述聯(lián)絡(luò)通道施工條件，決定采用“隧道內(nèi)水平凍結(jié)加固土體、隧道內(nèi)礦山法開挖構(gòu)筑”的全隧道內(nèi)施工方案。即：在隧道內(nèi)利用水平孔和部分傾斜孔凍結(jié)加固地層，使聯(lián)絡(luò)通道及泵房外圍土體凍結(jié)，形成強度高，封閉性好的凍結(jié)帷幕。在凍土中采用礦山法進行聯(lián)絡(luò)通道及泵站的開挖構(gòu)筑施工，地層凍結(jié)和開挖構(gòu)筑施工均在區(qū)間隧道內(nèi)進行。3.2凍結(jié)法的施工工藝圖2 凍結(jié)法施工流程圖3.3凍結(jié)加固設(shè)計3.3.1凍結(jié)帷幕的加固范圍聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕按凍結(jié)加固設(shè)計圖的要求進行施工。凍結(jié)壁平均溫度設(shè)

4、計為-10，相應(yīng)的凍土強度的設(shè)計指標為：單軸抗壓3.6Mpa，抗折1.8Mpa，抗剪1.6Mpa，無側(cè)限抗壓強度qu3.0Mpa，土體滲透系數(shù)k1×0-8cm/sec。3.3.2 凍結(jié)孔、測溫孔與卸壓孔的布置.1凍結(jié)孔布置從上、下行線隧道兩側(cè)打孔方式進行施工。凍結(jié)孔按上仰、水平、下俯三種角度布置，共布置凍結(jié)孔78個，其中上行線64個，下行線14個。設(shè)置穿透孔4個。凍結(jié)孔的布置詳見圖3、圖4。圖3：凍結(jié)孔立面透視 圖4：凍結(jié)孔平面布置.2 測溫孔布置測溫孔共布置8個，上行線4個，下行線4個，深度為26m，主要是測量凍結(jié)帷幕范圍不同部位的溫度發(fā)展狀況，以便綜合采用相應(yīng)控制措施，確保施工的

5、安全。.3 卸壓孔布置在凍結(jié)帷幕封閉區(qū)域內(nèi)布置4個卸壓孔(利用管片上的注漿孔)，上行線、下行線各2個。在卸壓孔上安裝壓力表，可以直觀的監(jiān)測凍結(jié)帷幕內(nèi)的壓力變化情況，通過每日觀測，及時判斷凍結(jié)帷幕的形成，并可直接釋放凍脹壓力。3.3.3凍結(jié)參數(shù)（1） 積極凍結(jié)期鹽水溫度為-28-30，維護凍結(jié)期溫度為-25-28。（2） 積極凍結(jié)時間為40天，維護凍結(jié)時間與開挖和結(jié)構(gòu)施工相同。（3） 凍結(jié)孔單孔流量不小于3m3/h。（4） 積極凍結(jié)7天鹽水溫度降至18以下，積極凍結(jié)15天鹽水溫度降至-24以下， 去、回鹽水溫差不大于2，開挖時鹽水溫度降至-28以下。3.3.4 需冷量計算和冷凍機選型凍結(jié)需冷量計

6、算：Q=1.2··d·H·K式中:H凍結(jié)總長度，m；d凍結(jié)管直徑；K凍結(jié)管散熱系數(shù)；將上述參數(shù)代入公式得出最大需冷量為：根據(jù)以上計算需冷量，選用W-YSLGF300型螺桿機組二臺套，并聯(lián)安裝，單臺運行，互為備用。單臺機組設(shè)計工況制冷量為8.7×104 Kcal/h，電機功率110KW，完全滿足制冷需求。3.3.5 凍結(jié)系統(tǒng)輔助設(shè)備（1）鹽水循環(huán)泵選用IS150-125315型2臺，流量200m3/h，電機功率30KW 。（2）冷卻水循環(huán)泵選用IS150-125315型2臺，流量200m3/h，電機功率30KW。冷卻塔選用NBL-50型2臺，補充

7、新鮮水15m3/h。3.3.6 管路選擇（1）凍結(jié)管選用89×8mm,20#低碳鋼無縫鋼管,絲扣連接,另加手工電弧焊焊接。單根長度11.5m。（2）供液管選用1.5鋼管，采用焊接連接。（3）測溫管和卸壓管選用32×3.5mm,無縫鋼管。（4）鹽水干管和集配液圈選用159×6mm無縫鋼管。（5）冷卻水循環(huán)管選用133×4.5mm無縫鋼管。（6）凍結(jié)站對側(cè)隧道的冷凍排管選用32×3.5mm無縫鋼管。3.3.7 其它（1） 冷凍機油選用N46冷凍機油。（2） 制冷劑選用氟立昂F-22。（3） 冷媒劑選用氯化鈣溶液。（4） 總用電額定負荷約388kw/

8、h。3.4凍結(jié)孔施工圖5 凍結(jié)孔開孔及密封裝置示意圖3.4.1 凍結(jié)孔定位與管片開孔 依據(jù)施工基準點，按凍結(jié)孔施工圖進行凍結(jié)孔孔位放線，孔位布置首先要依據(jù)管片配筋圖和鋼管片加強筋的位置，在避開主筋、管片縫、螺栓及鋼管片肋板的前提下可適當(dāng)調(diào)整，不大于100mm。開孔選用J-200型金剛石鉆機，配130mm金剛石取芯鉆頭進行鉆孔，深度約200250mm，控制不得鉆穿管片。用鋼楔楔斷巖心，取出后，打入加工好的孔口管，且用至少有4個固定點將孔口管固定在管片上，然后安裝密封裝置，如圖5所示。3.4.2 凍結(jié)孔施工順序先施工透孔，根據(jù)穿透孔的偏差，進一步調(diào)整有關(guān)鉆進參數(shù)。然后根據(jù)聯(lián)絡(luò)通道施工的孔位，采用由

9、上向下的順序進行施工，這樣可防止因下層凍結(jié)孔的施工引起上部地層擾動，減小鉆孔施工時的事故發(fā)生率。3.4.3 鉆孔偏斜和終孔控制鉆孔的偏斜應(yīng)控制在150mm以內(nèi)，在確保凍結(jié)帷幕厚度的情況下，單排凍結(jié)孔最大間距不得大于1.4m，多排凍結(jié)孔最大間距不得大于1.68m，否則應(yīng)補孔。凍結(jié)孔鉆進深度應(yīng)不小于設(shè)計深度。鉆頭碰到隧道管片的，不參與制冷循環(huán)的長度不大于150mm。3.4.4 凍結(jié)孔鉆進與凍結(jié)管設(shè)置（1）鉆孔設(shè)備使用MD-50鉆機一臺，配用BW250型泥漿泵，鉆具利用89×8凍結(jié)管作鉆桿；凍結(jié)管之間采用絲扣連接，接頭螺紋緊固后再用手工電弧焊焊接，確保其同心度和焊接強度。（2）正常情況下，

10、鉆進時安裝簡易鉆頭，直接無水鉆進。如果鉆進困難時，在鉆頭部位安裝一個特制單向閥門，采用帶水鉆進。凍結(jié)管到達設(shè)計深度后沖洗單向閥，并密封凍結(jié)管端部。（3）鉆進過程中嚴格監(jiān)測孔偏斜情況，發(fā)現(xiàn)偏斜要及時糾偏，下好凍結(jié)管后，進行凍結(jié)管長度的復(fù)測，然后再用燈光測斜儀進行測斜并繪制鉆孔偏斜圖。凍結(jié)管長度和偏斜合格后再進行打壓試漏，壓力控制在0.8MPa，穩(wěn)定15分鐘壓力無變化者為試壓合格。（4）在凍結(jié)管內(nèi)下供液管,然后焊接凍結(jié)管端蓋和去、回路羊角。生產(chǎn)準備凍結(jié)孔測量定位鉆機安裝找正正常鉆進單孔完成糾偏測斜測斜、檢漏開孔，安密封裝置鉆孔結(jié)束3.4.5 鉆孔質(zhì)量控制程序 圖6：鉆孔質(zhì)量控制程序圖3.5冷凍站安

11、裝3.5.1 凍結(jié)站布置與設(shè)備安裝將凍結(jié)站設(shè)置在上行線隧道內(nèi)，靠近聯(lián)絡(luò)通道位置。站內(nèi)設(shè)備主要包括冷凍機、鹽水箱、鹽水泵、清水泵、冷卻塔及配電控制柜等。設(shè)備安裝按設(shè)備使用說明書的要求進行。其布置參見(附圖7：凍結(jié)站平面布置圖)。圖7：凍結(jié)站平面布置圖3.5.2 管路連接、保溫與測試儀表管路用法蘭連接，隧道內(nèi)的鹽水管用架子敷設(shè)在隧道管片斜坡上，以免影響隧道通行。在鹽水管路和冷卻水循環(huán)管路上要設(shè)置、閥門和測溫儀、壓力表等測試組件。鹽水管路經(jīng)試漏、清洗后用保溫板或棉絮保溫，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，每組凍結(jié)管的進出口各裝閥門一個，以便控制流量。冷

12、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厚的保溫板或棉絮保溫。聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)管片保溫：由于混凝土和鋼管片相對于土層要容易散熱得多，為加強凍結(jié)帷幕與管片膠結(jié)，聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)管片表面采取保溫措施，以減少冷量損失。將鋼管片格柵內(nèi)用素砼填充密實，然后采用PEF板保溫板對凍結(jié)帷幕發(fā)展區(qū)域管片進行隔熱保溫。保溫范圍為凍結(jié)帷幕區(qū)域處加向外擴展2m。在凍結(jié)站對側(cè)隧道的凍結(jié)管的端部區(qū)域范圍內(nèi)布置冷凍排管，然后采用PEF板對凍結(jié)排管進行覆蓋隔熱保溫。3.6積極凍結(jié)與維護凍結(jié)3.6.1 凍結(jié)系統(tǒng)試運轉(zhuǎn)與積極凍結(jié)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

13、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。凍結(jié)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常后進入積極凍結(jié)。此階段為凍結(jié)帷幕的形成階段，積極凍結(jié)期鹽水溫度為-28-30，設(shè)計凍結(jié)時間40天，視現(xiàn)場實際凍結(jié)效果，如不能按時達到凍結(jié)壁的設(shè)計要求，可延長積極凍結(jié)時間。3.6.2 維護凍結(jié)在積極凍結(jié)過程中，要根據(jù)實測溫度資料判斷凍結(jié)帷幕是否交圈和達到設(shè)計厚度，維護凍結(jié)期溫度為-25-28，凍結(jié)時間貫穿聯(lián)絡(luò)通道及泵站開挖和主體結(jié)構(gòu)施工始終。3.6.3 凍結(jié)質(zhì)量控制程序充氟、試運轉(zhuǎn)維護凍結(jié)凍結(jié)結(jié)束冷卻水供給檢 測生產(chǎn)準備基礎(chǔ)施工安 裝設(shè)備試壓試壓包扎凍結(jié)孔驗收凍結(jié)器安裝積極凍結(jié)圖8：凍結(jié)質(zhì)量控制程序3.7具備開挖凍結(jié)技術(shù)指標要確定打開管片

14、進行開挖還需結(jié)合測溫孔資料、卸壓孔壓力、探孔情況等方面綜合考慮，需具備如下條件，方可進行開挖構(gòu)筑的施工。項目數(shù)值備注凍結(jié)帷幕厚度達到設(shè)計要求根據(jù)測溫孔推算凍結(jié)帷幕平均溫度-10用成冰公式法計算鹽水溫度積極期-28-30用測溫儀監(jiān)測維護期-25-28鹽水去、回路溫差(包括各支路)積極期2凍結(jié)至設(shè)計溫度時維護期卸壓孔交圈前靜水壓力通過壓力表觀測交圈后劇增至0.150.3MPa3.8融沉控制及收尾工作融沉控制5砂質(zhì)粉土、6粉砂夾砂質(zhì)粉土，擬采用自然解凍結(jié)合跟蹤注漿的的方式來控制融沉。并根據(jù)監(jiān)測反饋的信息，進行動態(tài)調(diào)整注漿參數(shù)。收尾工作（1）澆筑完集水井砼結(jié)構(gòu)層即可停凍，進行施工設(shè)備的拆除工作，并清理

15、、整理現(xiàn)場，按要求跟蹤注漿。（2）凍結(jié)孔管補強：凍結(jié)站拆除，回收供液管，放出CaCl2鹽水后，割去露出隧道管片的孔口管和凍結(jié)管，并在孔口管管口焊接12厚的封口板封閉管口。（3）待通道混凝土結(jié)構(gòu)達到設(shè)計強度后，拆除隧道內(nèi)的鋼支架，并再次對稱擰緊特殊襯砌環(huán)內(nèi)的所有連接螺栓。（4）按設(shè)計在集水井上方加裝鋼蓋板。（5）用砼澆筑鋼管片內(nèi)格柵，并將外露鋼構(gòu)件表面刷涂環(huán)氧瀝青漆二度。（6）整理、修整、清理聯(lián)絡(luò)通道施工現(xiàn)場，并用清水進行沖洗，通道內(nèi)不得有泥漿、油污和上道工序留下的施工設(shè)備。4.實踐結(jié)論通過凍結(jié)法在實際施工中的應(yīng)用，我們可以知道凍結(jié)法在工程實踐中具有很多的優(yōu)勢：（1）封水性好有自由水(一般情況下

16、含水率應(yīng)大于10%,否則要采取增加土層濕度的輔助工法)就能凍結(jié)成凍土,形成凍土壁。無論是透水層,還是隔水層,凍土壁可以阻隔地下水侵入,形成干燥的施工環(huán)境。（2）強度高一般認為凍土是一種黏彈塑性材料,其強度同土質(zhì)、容重、含水率、含鹽量及溫度等因素有關(guān),一般可達到210 MPa,遠大于融土強度,從而起到結(jié)構(gòu)支撐墻的作用。（3）適應(yīng)性強適應(yīng)各種土層及多種地下工程,尤其適用于含水量大、地層軟弱、其他工法施工困難或無法施工的地下工程。（4）復(fù)原性施工結(jié)束土層恢復(fù)原狀,對土層破壞性很小。這是其他工法所無法比擬的。（5）繞障性具有繞過障礙凍結(jié)加固和封水能力。（6）無公害用電能換取冷能,不污染大氣環(huán)境,無有害物質(zhì)排放,對地下水無污染。在環(huán)保要求高的工程中,其優(yōu)越性尤其明顯。（7）可控性凍結(jié)工期、凍結(jié)壁厚度、凍結(jié)壁形狀等都可調(diào)控。（8）適用性可在密集建筑區(qū)和現(xiàn)有工程建筑物下施工,不需進行基坑排水,可避免因抽水引起地基沉降造成對周圍建筑物的不利影響。（9）施工便利無支襯、無拉錨,可進行敞開式施工并擴大建筑面積,縮短工期。參考文獻1楊維好,黃家會.凍結(jié)管受力分析與試驗研究J.冰川凍土,1999(1):121.2喬京生,陶龍光,弭尚銀.地鐵隧道水平凍