广州地铁水平冻结法施工工法

'地铁冷冻法施工工法中铁十二局集团有限公司一、前言广州地铁二号线过清泉街断裂带位于连新路下、隧道上方应元路口交通繁忙，地面周边环境极其复杂。而且隧道的地质构造与地层岩性变化复杂，清泉街断裂带与地铁斜交，稳定性差，导水性强，施工难度高，风险大。我们在施工中成功运用全断面隧道长距离水平冷冻法施工技术，很好的解决了这一技术难题，完成了国内最长冻结长度的隧道冷冻法施工。我们将施工实践加以总结形成本工法。二、工法特点1、冻结加固体强度高，可以做到不漏水，洞内施工环境较好。2、施工安全，隧道进洞开挖后，进展较快。3、不受地表场地及深度限制，且不污染环境，对周边环境影响较小，适合城市地下建设，特别是繁华市区内工程建设。三、适用范围本工法适用于对通过断层破碎带、流砂层、淤泥层等易坍塌且富含水隧道的地层加固。四、施工工艺（一）工艺原理冷冻法加固土体，矿山法开挖构筑的基本原理是：15 在隧道周围布置水平冻结孔，并在冻结孔中循环低温盐水，使冻结孔附近的含水地层结冰，形成强度高，封闭性好的冻结壁（冻结帷幕），然后在冻结壁的保护下运用矿山法进行隧道开挖与构筑施工。水平地层冻结加固和开挖构筑的主要施工顺序为：施工准备———冻结孔施工，同时安装冻结制冷系统———安装冻结盐水系统和监测系统———积极冻结———试挖———隧道掘进与临时支护，维护冻结———永久支护———停止冻结。其关键工序是冻结孔施工和冻结过程的监测与控制(见图1)。施工准备施工机房、基础冻结站安装集配液圈安装盐水系统安装、保温冻结器安装充R22、化CaCl2、试运转设备检修保养正常运转检测试挖正式掘砌冻结管充填拆除图1冻结施工程序（二）施工方法1、施工准备(1)用风机房基坑作冻结施工工作井。风机房基坑尺寸应满足冻结孔布置和打钻的需要。15 (2)工作井内设上、下人的扶梯。用2#钢管搭建脚手架，并铺设5cm厚的木板作为冻结孔施工平台。施工平台上搭建雨蓬。施工平台搭建要考虑隧道掘进施工的要求。(3)冻结施工用电直接由工地变电站供给。变电站与动力设备的开关柜之间用电缆连接。(4)在工作井下与地面之间敷设供、排水管各一道，并在工作井内设流量不小于30m3/h的排水用潜水泵一台。(5)泥浆池也设在工作井内。打钻设备用汽车起重机吊到工作井下。2、冻结孔施工(1)冻结管、测温管、水文管和供液管规格冻结管、测温管和水文管均选用壁厚不小于7mm的φ108低碳无缝钢管，单根管材长度2～4m,采用丝扣连接。冻结管连接用手工焊、补焊。在含水层位置水文管设滤孔，滤孔面积为10%。供液管选用内径50mm的聚乙烯增强塑料管或钢管。冻结管羊角用2#钢管。(2)打钻设备选型针对水平冻结孔的施工特点以及施工场地的限制，要求所选用的钻机至少能打70m长的钻孔并容易控制钻孔偏斜度，输出扭矩与给进力大，钻机的体积要小，分解方便，搬运灵活。为此，选用中煤煤炭科学研究总院研制的水平钻机，其主要技术性能参数为：输出扭矩2000kN·m给进及起拔力50kN15 钻孔最大直径Ф127mm最大行程480mm用冻结管作钻杆。视地层不同采用刮刀钻头、牙轮钻头和全断面金刚石钻头，钻头后面连接系自行研制的逆止和密封装置。钻孔测斜采用专门研制TY-1型压电式高精度水平钻孔陀螺测斜仪，浅部用经纬仪灯光测斜校准。(3)冻结孔质量要求根据建设方提供的施工基准点，按冻结孔施工图布置冻结孔。孔位偏差不应大于50mm。冻结孔孔径为127mm。冻结孔实际钻进深度应壁设计深度大0.5m。钻孔的偏斜应控制在8‰以内，成孔最大间距不大于2m。(4)冻结孔开孔在冻结孔布孔高度范围内用Ф38mm小口径钻钻孔检查地层稳定性，如有冒砂现象，则需进行双液壁后注浆。如发现土层水压较大，则需安装孔口管后再行钻进。安装孔口管时先用Ф140mm金刚石取芯钻进250mm左右，然后插入孔口管并用锚固树脂锚固。孔口管用Ф139×6mm无缝钢管加工，旁路接1.5’截止阀及泥浆管接头。管口安装法兰及压紧密封装置。(5)冻结孔钻进与冻结器安装①按冻结孔设计方位要求固定钻机。随钻机放入冻结管。冻结管丝扣要补焊。冻结管下到设计深度后下堵丝密封头部。②为了保证钻孔精度，开孔段钻进是关键。钻进前10～20m15 时，要反复校核钻杆方向，调整钻机位置，并用经纬仪或陀螺仪检测偏差无问题后方可继续钻进。③冻结管下入孔内前要先配管，保证冻结管同心度。下好冻结管后，用测斜仪进行测斜，然后复测冻结孔深度。冻结管长度和偏斜合格后安装底部密封丝堵，并进行打压试漏。冻结孔试漏压力控制再0.8～1.2MPa之间，稳定30分钟压力无变化者为试压合格。④冻结管安装完毕后，用堵漏材料密封冻结管与基坑混凝土墙之间的间隙。⑤在冻结管内下入供液管，然后安装去、回路羊角和冻结管端盖。测温孔施工方法和要求与冻结孔相同。水文孔安装后要进行洗孔，确保出水畅通。3、冻结制冷系统安装(1)冻结制冷设备选型与管路设计①选用YSKF220型冷冻机2套，YSKF216型冷冻机2套，当盐水温度在-24°C，冷却水温度28°C时，其总制冷量为677680kcal/h。冷冻机组电机总功率为610kw。②8SH-13A盐水循环泵2台，流量270m3/h，扬程36m，电机总功率90kw。③S125-100-200冷冻水循环泵3台，流量200m3/h，扬程20m，电机总功率55.5kw;DBL-200型冷却塔3台，电机总功率16.5kw。④设盐水箱一个，容积6m3。⑤盐水干管和集配液管均选用Ф219×8mm和Ф159×6mm15 钢管，集、配液管与羊角连接选用2#高压胶管。⑥冷却水管总管和支管分别选用12#和6#焊管。⑦在去、回路盐水管路上安装压力表、流量计、温度传感器和控制阀门。⑧冷冻施工冷却水用量为50m3/h,总用电量约780kw。⑨其他冷冻机油：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。冻结管封闭：冷冻端封头采用中煤公司的专利技术。(2)冻结站布置与设备安装将冷冻站布置在风机房基坑附近地面。站内设备主要包括配电柜、冷冻机、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及清水池等。设备安装按设备使用说明书的要求进行。(3)管路连接、保温与测试仪表安装盐水和冷却水管路用法兰连接。管路应固定牢固。去、回路盐水管路和冷却水循环管路上安装压力表、流量计、流量计和控制阀门。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。集配液圈与冷冻管的连接用高压胶管，每根冻结管的进出口各装阀门（或夹板）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15 50mm的聚苯乙烯泡沫塑料板保温。(4)溶解氯化钙和机组充氟加油盐水（氯化钙溶液）比重为1.260～1.265,先在盐水箱内充满清水，逐步溶解氯化钙，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。(5)积极冻结与维护冻结①冻结系统运转与积极冻结设备安装完毕后进行调试和试运转。再运转时，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计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、盐水流量和冷冻壁扩展情况，必要时调节冻结系统运行参数。冷冻系统运转正常后进入积极冻结。要求一周内盐水温度降低至-20°C以下。②开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结壁是否交圈和达到设计厚度，测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度再进行探孔试挖，确认冻结壁内土层基本无孔隙水压后再进行正式开挖。正式开挖后，根据冻土帷幕的稳定性，可进入维护冻结，但盐水温度不应高于-18°C。在开挖过程中，要定期检测冻结壁暴露面的温度与变形，发现问题，及时处理。4、冻结施工质量的检验与控制方法(1)冻结孔施工质量检验与控制冻结孔施工使本工程的关键工序。冷冻孔施工按下图2所示的15 “钻孔质量控制程序”进行。其质量要求和检验、控制方法见表1。(2)冻结系统安装质量检验冻结系统安装质量是冻结施工的基本保证条件之一。冻结系统安装质量标准与检验方法见表2。(3)冻结系统运转与冻结壁形成质量检验冻结系统运转正常是冻结壁按设计形成的前提条件。冻结系统运转是否正常和冻结壁是否按设计形成，直接影响冻结和隧道掘砌施工的安全和速度。冻结系统运转与冻结壁形成质量指标与检验方法见表3。施工准备搭设工作平台测量定孔位钻机安装定向开孔安装孔口装置、导向管、扶正器移位、找正调制泥浆正常钻进、下管测斜纠偏成孔测斜冻结器密封试压单孔完成图2钻孔质量控制程序15 冻结孔施工质量的检验与控制方法表1序号检测内容设计要求检验与控制方法1冻结孔孔位偏离设计孔位不大于5cm以隧道中心线和隧道轨面(或腰线)为基准，用钢卷尺测量放孔位。安装孔口管和成孔后对孔位进行复核。2冻结孔深比冻结长度大0.5m～1.5m钻进时丈量钻杆或跟管钻套管长度。成孔后下1寸钢管复测孔深。3冻结孔偏斜不大于8‰用陀螺测斜仪测斜，开孔段用经纬仪灯光测斜校核。钻进时每隔10～20m测量一次钻孔偏斜，并将测斜结果绘制在控制图上。下冻结管后复测偏斜，并绘制钻孔偏斜透视图。施工完所有冻结孔后绘制冻结壁交圈图。钻孔偏斜超标时下扶正器纠斜。4冻结孔终孔间距不大于2m按冻结孔测斜资料计算终孔间距。为了控制冻结孔最大孔间距，应先隔一个冻结孔钻进，然后根据这两孔的偏斜情况，适当调整中间冻结孔的钻进偏斜。5冻结管规格规格与钢号与设计一致检查出厂合格证和检验报告。6冻结管长度不小于设计冻结深度0.5m施工时对每截冻结管材进行丈量、编号。成孔后下1寸钢管复测孔深。7冻结管耐压在0.8～1.2Mpa压力下稳压30min用泥浆泵或手压泵注水大压。为了保证冻结管的密封性，在冻结管丝扣处涂抹密封剂。8供液管规格规格与设计一致检查出厂合格证和检验报告。9供液管长度不小于冻结管长0.5m供液管下到冻结管管底。下供液管时用钢卷尺丈量供液管长度。10冻结管充填充填量不小于冻结管内体积的80％冻结结束后要对冻结管进行充填，以免冻结管锈蚀后导水。充填用水泥浆或水泥砂，直接用砂浆泵从供液管泵入。充填量按泵量计算。15 冻结系统安装质量标准与检验方法表2序号检测项目设计要求试验、检验方法1装备能力冷冻机装机容量727.4kw检查设备铭牌和说明书盐水泵总流量784～1120m3/h检查设备铭牌和说明书冷却水泵总流量≥600m3/h检查设备铭牌和说明书供电能力780kw由建设单位提供2冷冻机安装底座找平水平仪找平用水平仪找平主机联轴器找正中心度误差≤φ0.075mm,轴线偏斜≤0.03°用千分表量测管路连接按设备要求按产品说明书连接、调试电气连接按设备要求按产品说明书接线、调试试漏高压和低压系统试漏压力分别为1.8MPa和1.2MPa，稳压时间为18h用抽氟机打压真空试验5.332kPa保持24h回升≤0.667kPa用抽氟机抽真空3盐水系统安装盐水泵底座找平水平仪找平用水平仪找平盐水泵联轴器找正中心度误差≤φ0.1mm,间隙≤0.3mm用千分表量测泵主轴密封滴油10～20滴/min试运转盐水管路安装按冻结系统设计图按图检查盐水管路试漏打压0.8MPa稳定10min用手动打压泵打压4清水系统安装清水泵底座找平水平仪找平用水平仪找平清水泵联轴器找正中心度误差≤φ0.1mm,间隙≤0.3mm用千分表量测泵主轴密封滴油10～20滴/min试运转清水管路安装按冻结系统设计图按图检查清水管路试漏打压0.3MPa稳定10min用手动打压泵打压5电气系统耐压试验低压系统耐压1000v用摇表试压6盐水浓度盐水比重为1.26～1.265用比重计量测15 冻结系统运转与冻结壁壁形成质量检验方法表3序号检测内容设计要求检验方法1冻结制冷系统运转制冷系统运转正常，系统状态参数符合设备要求检测去、回路盐水温度、流量和冷却水温度，检查冷冻机上的控制仪表读数。2盐水温度设计最低盐水温度-24～-28,开冻7天达到-20℃用精度为±0.3℃的精密温度计检测去路干管盐水温度3冻结壁交圈时间冻结壁交圈时间≤30d观测水文孔水压，压力明显上升时为冻结壁交圈。4冻结壁达到设计厚度时间达到冻结壁设计厚度时间为35天根据测温孔测温数据确定。5冻结管工作状态冻结管无断裂通过监测盐水箱液面与冻结器回液软管积霜检查冻结管是否漏盐水。五、机具设备(见表4)机具设备表表4序号名称规格型号数量用途1钻机MKD—5S4用于打钻2泥浆泵TBW850/504用于打钻3除砂泵自制1用于打钻4水平测斜仪TY—12用于打钻5水平定向仪自制2用于打钻6造斜器自制3用于打钻7扶正器自制10用于打钻8电焊机BS—4004用于打钻9泥浆测定仪1用于打钻10试压泵2用于打钻11冷冻机YSKF2202用于冻结12冷冻机YSKF2162用于冻结13冷却塔DBL—2003用于冻结14盐水泵8SH—13A2用于冻结15清水泵IS125—100—2003用于冻结16测温仪自制14用于冻结17流量计5用于冻结18抽氟机自制1用于冻结15 六、劳力组织劳力组织（一个工班）表5序号岗位工种人数说明一钻孔施工541技术负责人12钻探工程师13材料员14钻工305泥浆站工46焊工127车工18钳工29电工2二冻结施工211技术负责人12工程师13材料员14质检员15安全员16电工27焊工28制冷综合工12七、质量控制措施1、为了确保施工安全，在打第一个冻结孔时，及时分析主要地层钻进过程的参数变化情况，检查地质、水文情况，如有异常，及时采取措施，必要时修正冻结钻孔施工参数。2、提高冻结施工质量标准。限制冻结孔向隧道内偏斜，最大孔间距一般控制在2.2m以内，如个别超标，将整体分析交圈情况，决定是否采用补孔措施。3、为了保证冻结工程质量，将使用国内最先进的高精度水平陀螺仪、纠偏组合钻具、氟里昂螺杆盐水制冷机组和冻结工程监测系统。15 4、不同的地质条件使用不同的钻头，合理采用钻进技术参数，严格控制钻进压力，预先估计钻杆、钻具的自重影响，适当抬起钻杆角度，消除钻杆、钻具自重因素而造成的偏差。5、钻进过程中严格监测孔斜，原则上每20m～30m测斜一次，测斜后要及时绘制钻孔偏斜透视图，发现超偏及时纠正。6、每个冻结器都要安装进回液阀门，及时调整各个冻结器的流量。通过流量测定和温度测定，随时掌握冻结器的运行情况。7、安装盐水干管时要确保设计坡度，以免管内聚集空气影响盐水的流动。必要时盐水系统应设置放空阀。8、用温度检测系统监测冻结孔的温度变化，及时预计冻结壁的发展状况。在掘进过程中，要经常测量隧道壁面温度和冻土实际所处位置，对冻结壁状态进行预报，必要时调整冻结供冷参数。9、为了减少冻结施工中冻胀和融沉对地面的影响，在冻结初期，应采取快速降温冻结措施，以减小地面冻胀影响（同时也要考虑到温度应力对冻结管产生的不利因素）。冻结壁融化时，要随时监测地面的下沉情况，一旦沉降量超过地表下沉允许值时，就要及时进行跟踪注浆。八、安全措施除严格遵守地铁施工安全操作规程外，还应采取以下措施：1、组织相关施工人员学习安全操作规程，进行岗前培训。2、编制和呈报安全计划，安全技术方案和安全措施，并认真贯彻落实。15 3、积极做好安全生产检查，发现事故隐患，要及时整改。4、检测隧道壁面温度和冻结壁变形情况，若发现异常，及时采取相应措施。5、与隧道掘砌施工相配合，在冻结隧道内放炮施工时合理选择爆破方案和爆破参数，依照浅孔、密布、弱瀑，循序渐进的原则选用各参数，爆破时必须确保冻结管的正常工作。九、效益分析对于通过断层破碎带、流砂层、淤泥层等易坍埸且富含水隧道，过去常规的施工方法：如大管棚小导管注浆超前支护或地面旋喷注浆加固地层等手段，有时受施工场地、工期、投资等的限制，甚至受其工法的制约，无法确保地层加固效果。而纪越区间过清泉街断裂带隧道采用水平冻结法施工，一次水平冻结长度63.5m，属国内最长，而且制冷系统采用新型氟利昂盐水螺杆冷冻机组，降温速度快，盐水容易控制，自动化程度高，冻结效果非常好。在隧道掘进过程中，达到无漏水效果，很好地改善了洞内施工环境，且施工质量好，速度快，同时经冻结的地层稳定性好，安全性高。地表沉降的监测数据表明，用水平冷冻法施工所引的地表变化远远小于常规的施工方法。该方法的成功应用，对推动我国水平冻结技术的发展，具有极为重要的意义。十、工程实例广州地铁二号线纪念堂站—15 纪越区间隧道过清泉街断裂带，中铁十二局集团公司采用冻结法加固地层形成冻结圈、矿山法开挖构筑施工（一次水平冻结长度63.5m，属国内最长），有效地保证了工程质量和安全，在工期紧迫的情况下，其冷冻法施工质量好，速度快，不仅确保了冷冻施工效果，且为后续工程质量提供了有力保障，受到业主的好评和奖励。执笔：武明静杨红艳15'