冻结法施工技术难点研究论文

地铁施工旁通道冻结法施工工艺冻结法施工工法一、前言作为一种成熟的施工方法，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，其中冻结最大深度达435m，冻结表土层最大厚度达375m.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。公司在上海地铁隧道旁通道工程施工中，采用了冻结法加固的施工方法，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。二、特点冻结法适用于各类地层尤其适合在城市地下管线密布施工条件困难地段的施工，经过多年来国内外施工的实践经验证明冻结法施工有以下特点：1、可有效隔绝地下水，其抗渗透性能是其它任何方法不能相比的，对于含水量大于10%的任何含水、松散，不稳定地层均可采用冻结法施工技术；2、冻土帷幕的形状和强度可视施工现场条件，地质条件灵活布置和调整，冻土强度可达5-10Mpa，能有效提高工效；3、冻结法是一种环保型工法，对周围环境无污染，无异物进入土壤，噪音小，冻结结束后，冻土墙融化，不影响建筑物周围地下结构；4、冻结施工用于桩基施工或其它工艺平行作业，能有效缩短施工工期。一、使用范围冻结法适用于各类地层，主要用于煤矿井筒开挖施工。目前在地铁盾构隧道掘进施工、双线区间隧道旁通道和泵房井施工、顶管进出洞施工、地下工程堵漏抢救施工等方面也得到了广泛的应用。二、工艺原理:冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，将松散含水岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水，以便在冻结壁的保护下，进行地下工程掘砌作业。它是土层的物理加固方法，是一种临时加固技术，当工程需要时冻土可具有岩石般的强度，如不需要加固强度时，又可采取强制解冻技术使其融化。三、工艺流程冻结法四、施工操作要点:施工时，应不断对每个施工工序进行管理。控制冻结孔施工、冻结管安装、冻结站安装、冻结过程检测的质量。1、冻结孔施工开孔间距误差控制在±20mm内。在打钻设备就位前，用仪器精确确定开孔孔位，以提高定位精度。准确丈量钻杆尺寸，控制钻进深度。按要求钻进、用灯光测斜，偏斜过大则进行纠偏。钻进3m时，测斜一次，如果偏斜不符合设计要求，立即采取调整钻孔角度及钻进参数等措施进行纠偏，如果钻孔仍然超出设计规定，则进行补孔。2、冻结管试漏与安装选择φ63×4mm无缝钢管，在断管中下套管，恢复盐水循环。冻结管（含测温管）采用丝扣联接加焊接。管子端部采用底盖板和底锥密封。冻结管安装完，进行水压试漏，初压力，经30分钟观察，降压≤0．05MPa，再延长15分钟压力不降为合格，否就近重新钻孔下管。冷冻站安装完成后要按《矿山井巷工程施工及验收规范》要求进行试漏和抽真空，确保安装质量符合设计要求。3、冻结系统安装与调试按倍制冷系数选配制冷设备。为确保冻结施工顺利进行，冷冻站安装足够的备用制冷机组。冷冻站运转期间，要有两套的配件，备用设备完好，确保冷冻机运转正常，提高制冷效率。管路用法兰连接，在盐水管路和冷却水循环管路上要设置伸缩接头、阀门和测温仪、压力表、流量计等测试元件。盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温，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，每根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50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保温。机组充氟和冷冻机加油按照设备使用说明书的要求进行。首先进行制冷系统的检漏和氮气冲洗，在确保系统无渗漏后，再充氟加油。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。4、积极冻结阶段在冻结试运转过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻土帷幕扩展情况，必要时调整冻结系统运行参数。冻结系统运转正常后进入积极冻结。积极冻结，就是充分利用设备的全部能力，尽快加速冻土发展，在设计时间内把盐水温度降到设计温度。旁通道积极冻结盐水温度一般控制在-25～-28℃之间。积极冻结的时间主要由设备能力、土质、环境等决定的，上海地区旁通道施工积极冻结时间基本在35天左右。5、维护冻结阶段在积极冻结过程中，要根据实测温度数据判断冻土帷幕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后再进行探孔试挖，确认冻土帷幕内土层无流动水后（饱和水除外）再进行正式开挖。正式开挖后，根据冻土帷幕的稳定性，提高盐水温度，从而进入维护冻结阶段。维护冻结，就是通过对冻结系统运行参数的调整，提高或保持盐水温度，降低或停止冻土的继续发展，维持结构施工的要求。旁通道维持冻结盐水温度一般控制在-22～-25℃之间。维护冻结时间由结构施工的时间决定。6、工程监测工程监测的目的工程量测作为该工法的一项重要施工内容。其目的就是根据量测结果，掌握地层及隧道的变形量及变形规律，以指导施工。由于旁通道施工位于地下十多米处，为防止施工时对地面周边建筑、地下管线、民用及公共设施带来不良影响，甚至严重破坏。对施工过程必须有完善的监测。工程监测的内容工程监测贯穿整个施工过程，其主要监测内容为：地表沉降监测，隧道变形监视，通道收敛变形监测，冻土压力监测。冻结孔施工监测内容为：冻结管钻进深度；冻结管偏斜率；冻结耐压度；供液管铺设长度。冻结系统监测内容为：冻结孔去回路温度；冷却循环水进出水温度；盐水泵工作压力；冷冻机吸排气温度；制冷系统冷凝压力；冷冻机吸排气压力；制冷系统汽化压力。冻结帷幕监测内容为：冻结壁温度场；冻结壁与隧道胶结；开挖后冻结壁暴露时间内冻结壁表面位移；开挖后冻结壁表面温度。周围环境和隧道土体进行变行监测内容为：地表沉降监测；隧道的沉降位移监测；隧道的水平及垂直方向的收敛变形监测；地面建筑物沉降监测。6.七、机具设备1、冻结法施工旁通道所用设备见表1表1旁通道冻结施工主要机械设备表序号 设备名称 规格、型号 数量 额定功率 能力1 螺杆冷冻机组 JYSGF300II 2台 110KW 87500Kcal/h2 盐水泵 IS125-100-200 2台 45KW 200m3/h3 冷却水泵 IS125-100-200C 4台 15KW 120m3/h4 冷却塔 NBL-50 4台 15m3/h5 钻机 MK-50 1台6 电焊机 BS-40 2台7 抽氟机 1台说明：以上1-4项冻结设备均备用一台。冻结设备详见附图2、冻结法施工旁通道所用量测设备见表2表2旁通道冻结施工主要量测设备表序号 设备名称 规格、型号 数量 备注1 经纬仪 J2 1台2 测温仪 GDM8145 1台 测量冻土温度3 精密水准仪 1台4 打压机 20MPa 1台 冻结器打压试漏5 收敛仪 1台 冻土帷幕收敛6 钢卷尺 20m 1把

冻结法是一种施工方法，最早用于俄国金矿开采，后由德国工程师用于煤矿矿井建设获得专利技术趋于成熟，现在已广泛应用于地铁、深基坑、矿井建设等工程中。

冻结技术是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行地下工程掘砌施工的特殊施工技术。其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。冻结壁是一种临时支护结构， 永久支护形成后，停止冻结， 冻结壁融化。岩土工程冻结制冷技术通常利用物质由液态变为气态，即汽化过程的吸热现象来完成的。其制冷系统多以氨作为制冷工质，为了使氨由液态变为气态，再由气态变为液态，如此循环进行，整个制冷系统由氨循环系统、盐水循环系统和冷却水循环系统3 大循环构成。

冻结法具有以下优点：

（1）有效隔绝地下水；

（2）适应性强，几乎不受地层条件的限制（低含水量地层除外）；

（3）施工灵活；

（4）绿色施工，无污染；

（5）复杂地层施工经济合理。

施工方法

在井筒开挖之前，从地面沿其外围一定距离的同心圆周上按等间距向下钻孔，孔底深入不透水层，然后向每个钻孔中沉放用无缝钢管做的下端封闭的冻结管；在地面安装冷冻设备,采用氨(NH3)为制冷剂，将冷媒剂氯化钙(CaCl2)溶液（习称盐水）冷却到-20～-30°C,用循环泵和插至冻结管深处的聚氯乙烯供液管将盐水送入冻结管。经低温盐水长时间连续地吸取管外的热量，使周围地层冻结。盐水吸取地层的热量后温度上升，在循环泵的作用下，经回路管回到冷冻设备和制冷剂接触而重新冷却。原为液态的氨，在减压的条件下蒸发时摄取盐水的热量后，经压缩和冷凝又使其液化，在管道内循环流动，重复使用。在每一冻结管周围形成的冻土圆柱体，其直径随时间而增大，这些圆柱体互相交接成密实而闭合的冻土墙，能承受水、土压力并阻隔地下水，在它的保护下开挖地层和修筑衬砌（见图）。

采用冻结法施工时，须根据施工进度、冻土墙的需要强度、开挖顺序等，确定冻土墙的厚度、冻结管群的间距与行数，以及其长度、冻结顺序和解冻顺序等，从而选择必要的冻结设备。还须制订施工中的测定温度计划和测定点。根据测定结果，以连续或间断的供冷方式保持冻土墙的冻结。同时研究地层冻结时的膨胀和解冻时的下沉情况，预先制定测定方法和对策。此外，在地下构筑物施工时,必然要在接近-5～-10°C的冻面处灌筑混凝土,因此最好采用低温早强混凝土,否则要埋设加热器或敷设绝热材料，以减少冻土墙对混凝土的影响。地下构筑物完成后，要对冻结的地层进行均匀而连续的解冻，对埋深不大的地下工程,可停止供应盐水,令其自然解冻；如埋深很大时,则供应温度逐渐提高的盐水,进行人工解冻。此外，各国还有用液态气体蒸发制冷的。进行冻结时，只需用储气罐将液态氮运至工地直接注入冻结管即可，因此工地设备简单，但其缺点是液态氮使用不安全，有一定的危险性。

冻结法既适用于松散不稳定的冲积层和裂隙发育的含水岩层，也适用于淤泥、松软泥岩以及饱和含水和水头特别高的地层。对于土中含水率非常小或地下水流速相当大的处所不适用。1883年德国最早用冻结法开凿竖井，随后比利时、荷兰、英国、波兰、苏联、美国、加拿大等国也主要用此法开挖竖井。近30年来，冻结法除广泛地用于矿山井巷工程以外，也用于修建地下铁道车站和自动扶梯斜隧道、地下洞室以及桥墩的深基础等工程。中国于1955年首次在开滦林西煤矿应用此法开凿风井以来，至1982年，已开凿190多个井筒,累计冻结深度超过3万米，最大冻结深度为415米。