垂直冷凍施工技術(shù)

1、3-2-8垂直冷凍施工技術(shù)1前言1.1凍結(jié)法概述1.1.1凍結(jié)法凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，在地下開(kāi)挖體周?chē)杓庸痰暮浫醯貙又秀@孔鋪管，安裝冷凍器，然后利用制冷壓縮機(jī)提供冷氣，通過(guò)低溫鹽水在凍結(jié)器中循環(huán)，帶走地層熱量，使地層中的水結(jié)冰，將天然巖土變成凍土，形成完整、密閉、高強(qiáng)度的臨時(shí)加固體，從而達(dá)到加固地層、隔絕地下水與地下工程聯(lián)系的目的。然后，在凍結(jié)體的保護(hù)下進(jìn)行地下工程的開(kāi)挖施工，待襯砌支護(hù)完成后，凍結(jié)地層逐步解凍，最終恢復(fù)到原始狀態(tài)。1.1.2地層凍結(jié)技術(shù)的特點(diǎn)同其它土體加固方法相比，凍結(jié)法具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、凍結(jié)加固使土體中的大部分水分結(jié)冰，提高了土的強(qiáng)度，而且強(qiáng)度均勻。2、整體支護(hù)性

2、能好，凍結(jié)帷幕形成后，凍結(jié)帷幕內(nèi)不會(huì)存在任何縫隙，是一個(gè)完整的支護(hù)體；封水效果好，可保證開(kāi)挖工作面在無(wú)水條件下作業(yè)。3、能適應(yīng)不同的地質(zhì)條件，凍結(jié)深度不受限制，而注漿、地下連續(xù)墻等方法對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)能力差，而且其加固深度有一定的限制。4、適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)形狀地下工程的施工。凍結(jié)加固體的形狀、大小，可以根據(jù)需要靈活設(shè)計(jì)。5、環(huán)保型工法。由于凍結(jié)法是一種臨時(shí)措施，所凍地層最終要恢復(fù)到原始狀況，因而能夠保護(hù)城市地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地下水不受污染。6、施工方便，簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)上合理。國(guó)外的工程實(shí)例表明，凍結(jié)工程成本與其它施工（如注漿和旋噴）處于相同的數(shù)量級(jí)，而且隨著加固深度的加大，凍結(jié)工法的經(jīng)濟(jì)性越來(lái)越來(lái)明顯。基

3、于以上優(yōu)點(diǎn)，凍結(jié)法在城市地下工程越來(lái)越受到重視，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于地基基礎(chǔ)工程、城市地鐵、隧道工程、水利工程等市政工程中。1.2凍結(jié)法的適用條件根據(jù)相關(guān)資料及建井工程手冊(cè)規(guī)定，凍結(jié)法主要適用于含水量超過(guò)10%，地下水速度不大于10m/d的軟弱圍巖隧道預(yù)加固工程中，遇有流砂、淤泥、卵石、砂礫等含水不穩(wěn)定沖擊層或裂隙中含水的巖層時(shí)都可采用。目前凍結(jié)法在城市隧道工程中主要應(yīng)用于：1.盾構(gòu)法隧道施工中，盾構(gòu)進(jìn)出洞土體加固。盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)，承受著工作井附近土體產(chǎn)生的巨大地壓和水壓，可能導(dǎo)致涌水和土體坍塌。目前常用旋噴技術(shù)和注漿法加固土體，效果不夠理想，常遇到注漿不均勻和盾構(gòu)刀盤(pán)切削漿液結(jié)石體等困難，而凍結(jié)技

4、術(shù)能有效地解決這些問(wèn)題。2.盾構(gòu)法隧道施工中，地下或海底對(duì)接時(shí)土體加固。近年來(lái)，世界上許多國(guó)家的盾構(gòu)隧道采用對(duì)頭掘進(jìn)，以縮短工期，除采用立井對(duì)接方式外，還采用不開(kāi)鑿立井而在地下或海底直接對(duì)接。3.城市地鐵泵房、旁通道和急轉(zhuǎn)彎部分根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)要求，間距1km左右需在并排隧道間設(shè)立泵站。地下工程經(jīng)常遇到旁通道和急轉(zhuǎn)彎部分，因其施工距離短、形狀不規(guī)整，采用盾構(gòu)施工困難，且經(jīng)濟(jì)上不合理，各國(guó)常采用凍結(jié)法對(duì)周?chē)翆蛹庸?，然后用礦山法掘進(jìn)。4.建筑基坑加固?；觾鼋Y(jié)加固具有加固體均勻，強(qiáng)度高，阻水性好，加固深度大等優(yōu)點(diǎn)，因而，采用凍結(jié)技術(shù)加固基坑越來(lái)越受到重視。5.地下工程涌水、坍塌事故的搶險(xiǎn)修復(fù)。6.地

5、下隧道交叉處施工。1.3凍結(jié)法的發(fā)展歷史人工地層凍結(jié)技術(shù)起源于天然凍結(jié)現(xiàn)象，在土木工程中的應(yīng)用是隨19世紀(jì)制冷機(jī)械設(shè)備的發(fā)展開(kāi)始的。凍結(jié)法的第一次應(yīng)用是1862年在南威爾士(South Wales)的一個(gè)礦山豎井施工中，使用人工地層凍結(jié)技術(shù)加固基坑。該豎井穿越了含水地層，采用由SiebeGorman有限公司提供的乙醚制冷設(shè)備冷卻鹽水，鹽水在埋設(shè)于地層中的凍結(jié)管路系統(tǒng)里循環(huán)。早期凍結(jié)法主要應(yīng)用于采礦行業(yè)。1880年，德國(guó)的F.H.Poetch首先提出凍結(jié)法原理，并應(yīng)用于煤礦開(kāi)鑿立井，1883年，F(xiàn).H.Poetell在Schneidlingen開(kāi)發(fā)煤礦，采用凍結(jié)法施工深103m的立井，并以此獲得

6、德國(guó)人工地層凍結(jié)法鑿井專利。此后，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于各國(guó)地下工程建設(shè)中。1885年在比利時(shí)，1888年，在美國(guó)Michigan，1892年在法國(guó)，1896年在奧地利，1900年在荷蘭相繼應(yīng)用了凍結(jié)法。在這些工程中，開(kāi)始僅凍結(jié)巖石頂部以上的表層飽和含水層，以使豎井達(dá)到下部的礦床。凍結(jié)法初期應(yīng)用得最多的領(lǐng)域是礦山工程，隨著技術(shù)的成熟，逐步引入至城市隧道工程中。1886年瑞典一個(gè)長(zhǎng)24m的人行隧道采用凍結(jié)法施工。1906年法國(guó)把凍結(jié)法應(yīng)用于橫穿河底地鐵工程中。前蘇聯(lián)在70年代前，采用凍結(jié)法構(gòu)筑了70個(gè)地鐵斜井隧道。同礦山垂直孔凍結(jié)法相比，水平凍結(jié)或斜孔凍結(jié)的難度更大。瑞士蘇黎士Milachounck公

7、路隧道一段斷面達(dá)146m2，寬度達(dá)15m，用每?jī)鼋Y(jié)段長(zhǎng)度達(dá)35m共10段構(gòu)筑了總長(zhǎng)度達(dá)350m的隧道。80年代中期維也納一段雙軌地下隧道，水平凍結(jié)長(zhǎng)度64m，采用相向鉆35m水平凍結(jié)孔的方法安全建成。德國(guó)杜塞爾道夫一個(gè)115m的隧道單向鉆凍結(jié)孔的方法進(jìn)行了水平凍結(jié)。日本1962年首次在大阪市應(yīng)用凍結(jié)法安全建成一個(gè)過(guò)河隧道，至今大約有340多項(xiàng)凍結(jié)工程，主要用于隧道、地鐵、污水道工程等困難和特殊條件下的各類工程，其中最大的一項(xiàng)工程是80年代建設(shè)的東京地鐵10號(hào)線和11號(hào)線凍結(jié)工程，在日本橋川河下施工，其凍結(jié)改良土體達(dá)37000m3，水平凍結(jié)長(zhǎng)度47m，共計(jì)水平凍結(jié)管總長(zhǎng)度達(dá)13750m。大阪交通

8、局在該市地鐵5號(hào)線工程中，也采用了凍結(jié)法確保盾構(gòu)順利出洞；日本東京灣隧道施工期間，川崎、木更津人工島及浮島八個(gè)盾構(gòu)出洞工程都成功使用了凍結(jié)法，該隧道已于1998順利通車(chē)。我國(guó)于1955年開(kāi)始應(yīng)用凍結(jié)法鑿井技術(shù)，迄今，應(yīng)用凍結(jié)法共建造立井450多個(gè)，累計(jì)凍結(jié)長(zhǎng)度70km之多，凍結(jié)法鑿井所通過(guò)的第四紀(jì)地層最厚為383.1m(山東全橋煤礦副井)；穿過(guò)最厚表土層374.5m，最大凍結(jié)深度435m(河南永夏礦區(qū)陳四樓礦副井)；最大成井凈直徑8m；凍結(jié)深度超過(guò)300m的立井有50多個(gè)，其規(guī)模僅次于原蘇聯(lián)。1998年在北京地鐵國(guó)貿(mào)站隧道進(jìn)行的45m水平凍結(jié)加固的成功標(biāo)志我國(guó)水平地層凍結(jié)施工進(jìn)入城市地下工程的

9、一個(gè)新階段；1998年上海地鐵2號(hào)線5個(gè)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道中有4個(gè)采用凍結(jié)法施工；2000年廣州地鐵1號(hào)線紀(jì)越區(qū)間過(guò)清泉街?jǐn)鄬硬捎盟絻鼋Y(jié)，隧道長(zhǎng)距離64m凍結(jié)取得成功，之后南京、深圳等地鐵旁通道也相繼使用了地層凍結(jié)法。地層凍結(jié)技術(shù)已全面進(jìn)入我國(guó)城市地下工程領(lǐng)域。2凍結(jié)設(shè)計(jì)2.1確定凍結(jié)類型和凍結(jié)方法按制冷原理，凍結(jié)法采用的凍結(jié)方式一般可分為直接凍結(jié)方式（直接凍結(jié)法）和間接凍結(jié)方式（間接凍結(jié)法）兩類。直接凍結(jié)方式一般靠低溫液化氣直接制冷，主要采用液氮凍結(jié)技術(shù)。液氮在常壓下沸點(diǎn)為-195.8,氣化潛熱197.6KJ/kg，其理化性質(zhì)穩(wěn)定，是一種良好的制冷工質(zhì)，和傳統(tǒng)鹽水氨循環(huán)制冷相比，液氮凍結(jié)具有系統(tǒng)

10、簡(jiǎn)單、低溫、快速、高強(qiáng)等特點(diǎn)。目前使用的液氮溫度通常在-196，經(jīng)工廠加工后用儲(chǔ)罐車(chē)將其運(yùn)送到工地，并輸入預(yù)先埋設(shè)在地層中的凍結(jié)管內(nèi)，液氮在氣化過(guò)程中大量吸收熱量，使凍結(jié)管周?chē)牡貙觾鼋Y(jié)，經(jīng)氣化后的氮?dú)庖萑氪髿鈱雍罂勺杂蓴U(kuò)散，濃度迅速降低。這類凍結(jié)方式由于直接凍結(jié)速度快，往往用于局部土體凍結(jié)或工程搶險(xiǎn)中；同時(shí)由于其所需費(fèi)用相對(duì)較高，目前僅用于處理規(guī)格較小的危急工程。間接凍結(jié)方式又稱鹽水常規(guī)凍結(jié)法。采用這類凍結(jié)方式地面需建冷凍站，其內(nèi)設(shè)有壓縮調(diào)節(jié)制冷裝置和輸送泵，用氨、氟利昂等制冷劑通過(guò)制冷壓縮機(jī)循環(huán)壓縮制冷，使低溫制冷劑與作為冷媒劑的鹽水溶液進(jìn)行熱交換，將鹽水冷卻到-30-20，輸送到埋設(shè)在土

11、層中的凍結(jié)管中然后回到冷凍站，經(jīng)重新冷卻后再輸入凍結(jié)管，形成循環(huán)流動(dòng)。冷卻鹽水在循環(huán)不息的流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生熱交換，帶走凍結(jié)管周?chē)馏w的熱量，直至土體凍結(jié)，達(dá)到加固和穩(wěn)定土體、封閉地下水的目的使凍結(jié)管周?chē)耐翆又饾u凍結(jié)，現(xiàn)形成凍土圓柱體，然后連成凍土帷幕，并達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的厚度和強(qiáng)度。鹽水凍結(jié)法的費(fèi)用一般較直接凍結(jié)法便宜，常用于凍土量大、施工期較長(zhǎng)的工程。由于成本低，形成凍結(jié)帷幕均勻易于控制，已被工程界廣泛采用。2.2凍結(jié)參數(shù)的設(shè)計(jì)凍結(jié)參數(shù)的設(shè)計(jì)包括凍結(jié)帷幕平均溫度和厚度、凍結(jié)孔布置、積極凍結(jié)期時(shí)間、鹽水溫度等。2.2.1基本凍結(jié)參數(shù)鹽水溫度：積極期：-28ºC-25ºC；維護(hù)期

12、：-22ºC-20ºC；凍結(jié)帷幕平均溫度：-8ºC；凍結(jié)孔偏斜要求在0.15以內(nèi)，最大孔間距中部1.6m，邊部1.1m；凍結(jié)管選用127×4.5mm無(wú)縫鋼管。2.2.2凍結(jié)帷幕厚度對(duì)于城市地下工程凍結(jié)方案設(shè)計(jì)而言，可采用如下步驟和方法來(lái)確定凍結(jié)帷幕的計(jì)算厚度。垂直冷凍中，凍結(jié)帷幕厚度主要受地面荷載和埋深的影響，地壓是確定凍結(jié)帷幕厚度的主要考慮因素。通過(guò)計(jì)算求得凍結(jié)帷幕處最大地壓。根據(jù)地下工程埋深不同，結(jié)合現(xiàn)有施工經(jīng)驗(yàn)和工程類比，初選一個(gè)合適的凍結(jié)帷幕平均溫度值。通常埋深小于200m時(shí)，平均溫度選-7-8；當(dāng)深度大于200m時(shí)，且深部有厚層粘土層時(shí)，通常選

13、用較低的平均溫度，常用-10的平均溫度。根據(jù)選定的平均溫度和試驗(yàn)資料或有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，求得砂土層及一些粘土層的計(jì)算強(qiáng)度值。凍結(jié)帷幕厚度的初步計(jì)算。一般而言，水平凍結(jié)工程凍結(jié)帷幕厚度取值更多依賴于類似工程經(jīng)驗(yàn)，但也可根據(jù)選定的控制砂層深度、地壓大小、該處的荒徑大小和土層的強(qiáng)度指標(biāo)，用拉麥公式求出凍結(jié)帷幕的初選厚度作為參考：（2-1）式中：凍結(jié)帷幕計(jì)算厚度，cm；筒掘進(jìn)荒半徑，cm計(jì)算層位的地壓，Pa系數(shù)，凍土的允許抗壓強(qiáng)度，一般取用瞬時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度的1/2.51/5；砂土取小值時(shí)，粘土取大值 （2-2） 凍土瞬時(shí)極限抗壓強(qiáng)度； 安全系數(shù)當(dāng)沖積層較厚，地壓值較大時(shí)，按多姆克公式計(jì)算。（2-3）式中：

14、系數(shù)，用第三強(qiáng)度理論時(shí)0.29，2.3；用第四強(qiáng)度理論時(shí)0.56，1.33平均溫度核算。凍結(jié)帷幕的平均溫度是確定凍結(jié)帷幕強(qiáng)度和穩(wěn)定性的基本參數(shù)之一。從工程應(yīng)用出發(fā)，一般取最大地壓水平的凍結(jié)孔間距處的主、界面凍結(jié)帷幕平均溫度的平均值作為凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)核算的依據(jù)，可參考煤礦系統(tǒng)相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式（如式2-4）。凍結(jié)帷幕平均溫度能否達(dá)到按中選用的平均溫度值。（2-4）式中：凍結(jié)帷幕有效厚度中的平均溫度；鹽水溫度，；凍結(jié)孔間距，m；凍結(jié)帷幕厚度，m；經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，=0.250.3；計(jì)算水平的井幫溫度，,根據(jù)要求或經(jīng)驗(yàn)給出。上述計(jì)算是針對(duì)砂層進(jìn)行的。用上述方法得到的凍結(jié)帷幕厚度和實(shí)際施工可能有一定偏差，可在施工中

15、進(jìn)一步調(diào)整。2.2.3凍結(jié)孔布置凍結(jié)孔的間距和偏斜率是影響凍結(jié)孔布置圈直徑的主要因素。開(kāi)孔間距直接影響凍結(jié)孔的數(shù)量，終孔間距直接影響凍結(jié)帷幕的形成時(shí)間及其平均溫度。凍結(jié)孔布置圈直徑 （2-5）式中：凍結(jié)孔布置圈直徑，m； 立井開(kāi)挖直徑，m； 凍結(jié)帷幕厚度，m 鉆孔偏斜率，一般取0.3%0.5%；最大地壓層位的凍結(jié)的水平長(zhǎng)度，m凍結(jié)孔數(shù)量： （2-6）式中：凍結(jié)孔計(jì)算個(gè)數(shù)；凍結(jié)孔布置圈直徑，m； 凍結(jié)孔開(kāi)孔間距，m；立井凍結(jié)工程中，凍結(jié)孔開(kāi)孔間距一般為11.3m。確定凍結(jié)孔數(shù)量后，進(jìn)一步核算凍結(jié)孔開(kāi)孔間距 （2-7）2.2.4積極凍結(jié)期時(shí)間積極凍結(jié)期是指冷凍站投入正式運(yùn)轉(zhuǎn)后，在最大地壓水平的凍結(jié)

16、管最大間距處，凍結(jié)帷幕擴(kuò)展到設(shè)計(jì)厚度和強(qiáng)度的時(shí)間。積極凍結(jié)期時(shí)間主要與凍結(jié)孔的間距、鹽水溫度、土層性質(zhì)、凍結(jié)管直徑、地表溫度等有關(guān)。根據(jù)已有的凍土擴(kuò)展速度推算凍結(jié)時(shí)間參考經(jīng)驗(yàn)公式如式（2-8）。（2-8）（2-9）式中：積極凍結(jié)期的推算天數(shù)，d 要求凍結(jié)圈的擴(kuò)展半徑，mm； 在估算凍結(jié)時(shí)間內(nèi)的凍土的平均擴(kuò)展速度，mm/d； 最大地壓處的凍結(jié)孔的最大間距，m； 凍結(jié)帷幕的厚度，m。2.2.5冷凍系統(tǒng)制冷設(shè)備我國(guó)凍結(jié)施工所采用的制冷壓縮機(jī)主要有活塞式和螺桿式兩種，其中，螺桿式是回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的一種，它只有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件，沒(méi)有往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件，動(dòng)平衡性好，性能穩(wěn)定，制冷量大，可持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。凍結(jié)法一般采用串聯(lián)

17、雙級(jí)壓縮制冷。串聯(lián)雙級(jí)壓縮制冷較單級(jí)壓縮制冷具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用二次壓縮和中站冷卻，降低了壓縮機(jī)的壓縮比和排氣溫度，從而降低由于余隙容積、氣缸壁與壓氣之間的熱交換、泄漏所造成的容積損失，從而提高了壓縮機(jī)的容積效率，消耗于壓縮機(jī)的功減少。當(dāng)冷卻水溫度過(guò)高，造成冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之比8時(shí)，壓縮機(jī)供給效率減小，制冷能力降低，采用單級(jí)壓縮制冷是不經(jīng)濟(jì)的；當(dāng)冷卻水溫度超過(guò)25時(shí)，單級(jí)壓縮制冷的排氣溫度高達(dá)130以上，壓縮機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，鹽水溫度難以下降，影響凍結(jié)。而采用串聯(lián)雙級(jí)壓縮制冷可以改善壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件，提高制冷效果。當(dāng)受到冷凍設(shè)備限制或凍結(jié)初期及維護(hù)凍結(jié)期要求的鹽水溫度較高時(shí)，可考慮單級(jí)壓縮機(jī)制冷，

18、但冷卻水不應(yīng)超過(guò)25。鹽水系統(tǒng)傳統(tǒng)冷卻劑采用鹽水，一般是比重為1.241.28的氯化鈣水溶液，也可采用氯化鈉、氯化鎂或氯化鋰溶液，鹽水的結(jié)晶點(diǎn)必須比用于地層凍結(jié)的極限溫度至少低5。溶液體積根據(jù)凍結(jié)管、鹽水干管、集配液圈、蒸發(fā)器的鹽水箱容積確定。 （2-10）式中：氯化鈣溶液總體積，m3； 凍結(jié)管總?cè)莘e，m3； 鹽水干管、集配液圈總?cè)莘e，m3； 鹽水箱總?cè)莘e，m3。固體氯化鈣的需有量配制 （2-11）式中：固體氯化鈣的需用量，kg； 單方溶液中固體氯化鈣的含量，kg/m3； 氯化鈣溶液總體積，m3； 固體氯化鈣純度；一般無(wú)水氯化鈣取96%，晶體氯化鈣取70%。冷卻水系統(tǒng)冷卻水的溫度和量與冷凍站的

19、正常運(yùn)轉(zhuǎn)、壓縮機(jī)的制冷效率、鹽水溫度有直接關(guān)系。如果冷卻水溫度高或水量不足，導(dǎo)致壓縮機(jī)的排出溫度、壓力過(guò)高，使操作維護(hù)困難，制冷效率低，同時(shí)，鹽水溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，勢(shì)必延長(zhǎng)凍結(jié)時(shí)間，凍土強(qiáng)度低，降低施工安全性。冷卻水的需用量 （2-12） （2-13） （2-14）式中：冷凍站總需用水量，m3/h 冷凝器需水量，m3/h 冷凍機(jī)的冷卻水套需水量，m3/h 冷凝器總熱負(fù)荷，近似計(jì)算時(shí)可取冷凍站制冷能力的1.25倍 冷凝器進(jìn)、出口水的溫差，一般取35 冷凍機(jī)臺(tái)數(shù) 單臺(tái)冷凍機(jī)的冷卻水套需水量3垂直冷凍施工凍結(jié)法施工技術(shù)的主要工序：鉆孔凍結(jié)器鋪設(shè)冷凍系統(tǒng)安裝凍結(jié)制冷隧道開(kāi)挖和襯砌。3.1凍結(jié)孔成孔應(yīng)

20、根據(jù)施工設(shè)計(jì)規(guī)定的孔位、孔徑和孔深鉆孔。凍結(jié)孔一般布置在以豎井井筒中心為圓心的圓周上，其直徑由井筒直徑、凍結(jié)深度和凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)厚度等確定。鉆孔直徑應(yīng)比凍結(jié)管外徑大10mm。鉆孔深度應(yīng)比凍結(jié)管深度深0.5m以上。鉆孔垂直度應(yīng)滿足以下要求：（1）在沖擊層中偏斜率不超過(guò)0.3%，且在最終成孔后凍結(jié)管管底間距不超過(guò)3m；（2）在分化帶及含水基巖中偏斜率不超過(guò)0.5%，且凍結(jié)管管底間距不大于5m；（3）鉆孔過(guò)程中應(yīng)經(jīng)常測(cè)斜，偏斜值超過(guò)規(guī)定時(shí)，應(yīng)及時(shí)糾正；凍結(jié)管管底最大間距超過(guò)規(guī)定時(shí)，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)孔，成孔后應(yīng)對(duì)不同水平面繪制偏斜平面圖。3.1.1鉆機(jī)淺埋隧道凍結(jié)孔要求鉆機(jī)尺寸小、占用空間小，并且鉆機(jī)操作要方便

21、，重量要輕，移動(dòng)要靈活，扭矩和推力要盡量大。凍結(jié)施工鉆孔可采用改進(jìn)后的坑道鉆機(jī)，也可采用XQ-100型地質(zhì)鉆機(jī)，斜孔可采用斜孔地質(zhì)鉆機(jī)成孔。3.1.2鉆頭和鉆具凍結(jié)孔鉆進(jìn)一般采取跟管鉆進(jìn)，一邊鉆孔一邊鋪設(shè)凍結(jié)管，即采用將凍結(jié)管兼做鉆桿的工藝方法，鉆孔完畢后，鉆桿留在鉆孔內(nèi)作為凍結(jié)管，這樣可防止發(fā)生鉆孔塌孔。跟管鉆進(jìn)要求鉆頭和鉆桿連接部位密封，確保在鉆進(jìn)過(guò)程中鉆桿內(nèi)的泥漿通暢，達(dá)到泥漿護(hù)壁的目的。待鉆孔完成后，對(duì)鉆桿進(jìn)行加壓試漏，測(cè)試合格后作為凍結(jié)管使用。用作凍結(jié)管的鉆管需注意以下方面：（1）用作凍結(jié)管的無(wú)縫鋼管，壁厚應(yīng)不小于4mm，管子外徑宜為127mm159mm；（2）凍結(jié)管使用前應(yīng)做耐壓實(shí)

22、驗(yàn)，如復(fù)用舊管，應(yīng)全部通過(guò)檢查予以鑒定；如采用新管，可按比例抽查，實(shí)驗(yàn)壓力7MPa，無(wú)滲漏現(xiàn)象為合格；（3）凍結(jié)管使用前應(yīng)除繡；（4）凍結(jié)管管端可采用加厚的錐形絲扣管箍或焊接管箍連接；（5）凍結(jié)管底部應(yīng)設(shè)有密封擋板，并焊有由鋼板卷成的底錐，制成后應(yīng)進(jìn)行耐壓實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)壓力也為7MPa；（6）凍結(jié)管送入凍結(jié)孔就位后，使用前應(yīng)先進(jìn)行檢漏試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)壓力取為全凍結(jié)管鹽水與清水柱壓力差及鹽水泵工作壓力之和的2倍，30min后如壓力下降不超過(guò)0.05MPa，再延續(xù)15min壓力可保持不變者為合格。3.1.3鉆進(jìn)每孔開(kāi)鉆前對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行穩(wěn)平找正，使起吊天輪與回轉(zhuǎn)通孔及孔位點(diǎn)三點(diǎn)一線，并對(duì)鉆機(jī)不帶負(fù)荷試運(yùn)轉(zhuǎn)三分鐘，

23、對(duì)油路及漿液循環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)行詳細(xì)檢查是否暢通。泥漿系統(tǒng)是導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過(guò)程中的又一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，泥漿作為冷卻鉆頭、懸浮鉆屑的流動(dòng)體，以膨潤(rùn)土及外加劑為原料按一定比例攪拌而成，不同地層對(duì)泥漿粘度有不同要求，采用馬氏漏斗粘度進(jìn)行測(cè)定，膨潤(rùn)土泥漿適宜環(huán)境PH值控制在8.510；粘土層中粘土有一定自穩(wěn)能力，膨潤(rùn)土泥漿粘度在30秒左右，粉細(xì)砂層中采用進(jìn)口易鉆膨潤(rùn)土外加少量聚合物，馬氏漏斗粘度控制在40秒左右。施工中如發(fā)現(xiàn)漏漿，粘度應(yīng)適當(dāng)加大。泥漿泵量和泵壓均應(yīng)根據(jù)鉆孔穿越的地層情況和鉆孔的偏斜情況適時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到控制鉆孔偏斜、泥漿護(hù)壁、防止塌孔的目的。開(kāi)鉆時(shí)為確保鉆孔垂直度，探明地下是否有管線及障礙物，前5m

24、應(yīng)輕壓慢轉(zhuǎn)，然后調(diào)整地層所需要的鉆壓及轉(zhuǎn)速。鉆孔一徑一次到底，鉆孔深度不能小于設(shè)計(jì)深度，也不能大于0.5m，鉆孔到底后如不漏漿停鉆沖孔3分鐘，減少孔底沉渣、保證凍結(jié)管下放深度。鉆孔完成后即時(shí)將凍結(jié)孔內(nèi)灌滿清水試壓驗(yàn)收，初試壓力1.0MPa，前5分鐘降壓值不大于0.05MPa，再持續(xù)25分鐘不降壓為合格。3.1.4測(cè)斜鉆孔過(guò)程中應(yīng)經(jīng)常測(cè)斜，偏斜值超過(guò)規(guī)定時(shí)，應(yīng)及時(shí)糾正；凍結(jié)管管底最大間距超過(guò)規(guī)定時(shí)，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)孔，成孔后應(yīng)對(duì)不同水平面繪制偏斜平面圖。開(kāi)孔測(cè)斜：在完成井口管鉆進(jìn)后進(jìn)行的測(cè)斜，用于防止因井口管偏斜導(dǎo)致下部鉆孔大量偏斜、井口管深度一般為10m15m，偏斜率應(yīng)控制在0.05%以內(nèi)；段距測(cè)斜：

25、在鉆進(jìn)過(guò)程中要經(jīng)常進(jìn)行的測(cè)斜，一般每鉆進(jìn)10m20m測(cè)斜一次；定點(diǎn)測(cè)斜：在容易發(fā)生側(cè)移的鉆孔區(qū)段上進(jìn)行的測(cè)斜，用于監(jiān)測(cè)地層或鉆孔直徑發(fā)生改變時(shí)鉆孔的垂直度；終孔測(cè)斜：鉆孔達(dá)到一定深度后，在插入凍結(jié)管以前，對(duì)整個(gè)鉆孔進(jìn)行一次測(cè)斜，一般每10m20m測(cè)一點(diǎn)；目前可供采用的測(cè)斜設(shè)備有帶有定點(diǎn)器經(jīng)緯儀的燈光測(cè)斜儀和陀螺測(cè)斜儀。3.1.5鉆孔偏斜控制鉆孔偏斜的原因很多，大致分兩類：客觀原因，即地層軟硬不均，傾角不同，地層中存在裂隙、空洞或薄弱帶。主觀原因，即操作技術(shù)不正確、導(dǎo)向管安裝不正、鉆孔角度設(shè)定不準(zhǔn)確、鉆壓太大、泥漿質(zhì)量不好等。鉆孔偏斜控制主要包括防偏和糾偏兩個(gè)方面。水平凍結(jié)鉆孔通過(guò)安設(shè)在孔口的導(dǎo)

26、向裝置和在鉆孔過(guò)程中調(diào)整鉆機(jī)位置、角度和鉆孔工藝來(lái)控制鉆孔偏斜。3.2凍結(jié)器的鋪設(shè)凍結(jié)孔成孔后就可及時(shí)安裝凍結(jié)管，凍結(jié)管可采用127×4.5mm無(wú)縫鋼管，地面制冷供液管道按單排凍結(jié)孔串聯(lián)，然后再采用并聯(lián)方式，主供液管可采用聚乙烯塑料軟管，也可采用159×5mm無(wú)縫鋼管，回液管亦采用同樣方式反向設(shè)置。制冷供液管道的安裝時(shí)須確保供液管道的密封性和隔熱性。3.3冷凍系統(tǒng)安裝3.3.1冷凍站位置的選擇在淺埋隧道凍結(jié)施工中，冷凍站設(shè)在地下或是地面均可。冷凍站設(shè)在地下，由于靠近工作面，冷量損耗低，管路和保溫工程量小，便于集中管理，而且噪音對(duì)地面環(huán)境影響小，但供電線路損耗大。相反，冷凍站

27、設(shè)在地面，如果凍結(jié)施工現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)問(wèn)題，則不便于及時(shí)采取解決的措施。3.3.2冷凍系統(tǒng)的安裝和調(diào)試?yán)鋬鱿到y(tǒng)安裝包括冷凍機(jī)組、鹽水與清水系統(tǒng)、供電與控制線路的安裝等，通過(guò)冷凍系統(tǒng)的整體調(diào)試，使冷凍系統(tǒng)的各種設(shè)備達(dá)到正常運(yùn)轉(zhuǎn)所要求的指標(biāo)。冷凍系統(tǒng)安裝過(guò)程需注意以下方面：（1）冷凍站房屋宜用防火材料建造，室內(nèi)應(yīng)通風(fēng)良好，并有防火防毒安全設(shè)施及避雷裝置；（2）冷卻水取水井必須設(shè)在凍結(jié)井地下水流的上方，與凍結(jié)井的距離應(yīng)大于抽水影響半徑，凍結(jié)過(guò)程中影響凍結(jié)的所有水井均應(yīng)停止使用；（3）鹽水管路安裝完畢后應(yīng)試通水；（4）地表環(huán)形冷凍溝槽（供凍結(jié)管出露用）凈高以1.82.0m為宜，底部應(yīng)在地下水位以上，并有排水設(shè)

28、施溝槽頂部有保暖和防水設(shè)施；（5）低溫系統(tǒng)應(yīng)隔熱防潮，正常情況下，冷量損失不得超過(guò)冷凍站工作制冷能力的20%；3.4凍結(jié)制冷凍結(jié)帷幕厚度是依據(jù)設(shè)計(jì)凍結(jié)帷幕的平均溫度來(lái)判定的，進(jìn)而可指導(dǎo)隧道是否達(dá)到開(kāi)挖條件，而凍結(jié)帷幕的平均溫度可以相鄰單圈凍結(jié)孔的單圈凍結(jié)帷幕的溫度場(chǎng)交圈處的溫度來(lái)反應(yīng)。根據(jù)工程具體情況布置相應(yīng)數(shù)量的測(cè)溫孔，在凍結(jié)管內(nèi)分不同的高度，按地層巖石的分界面分別設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)溫可采用SY-2型測(cè)溫儀和PN結(jié)半導(dǎo)體溫度傳感器來(lái)量測(cè)。凍結(jié)施工期間對(duì)整個(gè)凍結(jié)帷幕的溫度發(fā)展進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用以修正凍結(jié)制冷的各種施工參數(shù)。形成凍土帷幕的時(shí)期稱為積極凍結(jié)期，這一時(shí)期開(kāi)始時(shí)系統(tǒng)正式啟用，冷卻鹽水開(kāi)始循環(huán)流動(dòng)

29、。應(yīng)注意使鹽水溫度盡可能低，并晝夜不停的送入凍結(jié)管，以便在最短時(shí)間內(nèi)形成厚度和強(qiáng)度達(dá)到規(guī)定要求的凍土帷幕。在凍結(jié)期內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)，滿足下列要求后可進(jìn)行井筒試挖：（1）水文觀測(cè)孔內(nèi)的水位已經(jīng)有規(guī)律上升并且有水冒出來(lái)；（2）測(cè)溫孔內(nèi)的溫度已經(jīng)明顯下降，并且已滿足設(shè)計(jì)要求；（3）按凍結(jié)速度及平均溫度推算，地層凍結(jié)帷幕厚度和強(qiáng)度已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)要求；維護(hù)凍結(jié)期凍土帷幕形成后，在維護(hù)凍結(jié)期內(nèi)仍需對(duì)系統(tǒng)供給冷量，使凍結(jié)帷幕厚度和強(qiáng)度在豎井施工期間始終滿足設(shè)計(jì)要求。3.5隧道開(kāi)挖和支護(hù)凍結(jié)帷幕是否形成、能否開(kāi)挖要根據(jù)測(cè)溫孔的溫度資料，去回路鹽水溫度狀況等來(lái)綜合判定。對(duì)于凍結(jié)工程而言，凍結(jié)帷幕的平均溫度達(dá)到設(shè)計(jì)溫度

30、，同時(shí)去回路鹽水溫差變化較為穩(wěn)定時(shí)，即可以開(kāi)挖。同時(shí)開(kāi)挖過(guò)程中，還須加強(qiáng)測(cè)溫孔的溫度監(jiān)測(cè)和去回路鹽水的溫度監(jiān)測(cè)，并以此來(lái)安排隧道掘進(jìn)的循環(huán)進(jìn)尺和掘進(jìn)速度以及維護(hù)凍結(jié)期的時(shí)間。3.5.1隧道開(kāi)挖凍結(jié)達(dá)到開(kāi)挖條件后，即可以開(kāi)始隧道內(nèi)掘進(jìn)施工，隧道開(kāi)挖依然采用短臺(tái)階法施工，臺(tái)階長(zhǎng)度控制在57m，開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺1.0m，初期支護(hù)在開(kāi)挖出碴完成后立即進(jìn)行，開(kāi)挖暴露時(shí)間控制在12小時(shí)內(nèi)。巖石部分仍采用微差控制爆破開(kāi)挖，與正常區(qū)間隧道開(kāi)挖相比，只是調(diào)整了裝藥量和炮孔深度。 3.5.2初期支護(hù)的結(jié)構(gòu)形式目前，在淺埋隧道施工中往往采用復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)。初期支護(hù)結(jié)構(gòu)形式：鋼拱架+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土。厚度在200300

31、mm，混凝土標(biāo)號(hào)為C20。鋼筋格柵與凍結(jié)體之間填充密實(shí)，不留空隙。在凍結(jié)段施工期間，噴混凝土宜采用濕噴混凝土施工，混凝土是在地面拌合，拌合后的混凝土成品溫度平均為40，而凍結(jié)法施工段的掌子面平均溫度為04，氣溫較低，需要解決混凝土在較高溫度下拌合，較低溫度下使用的問(wèn)題，同時(shí)還需避免由于凍結(jié)低溫而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力引起的混凝土開(kāi)裂的問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)需要對(duì)混凝土的配比選擇進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，可采取如下措施：（1） 增加水泥用量，以提高混凝土的強(qiáng)度保證率；（2） 摻入防凍劑，以提高混凝土的強(qiáng)度保證率；（3） 選用能適合較低溫度環(huán)境的速凝劑?；炷恋呐浔热缦卤硭荆罕?-1 防凍混凝土配合比水灰比配合比

32、含砂率塌落度8604速凝劑(%)FDN-KD防凍劑(%)0.41:1.75:1.6252184.02.53.6施工監(jiān)測(cè)3.6.1冷凍系統(tǒng)監(jiān)測(cè)去回路鹽水溫差監(jiān)測(cè)根據(jù)去回路的鹽水溫差，可判斷凍結(jié)體的發(fā)展情況。去回路鹽水流量監(jiān)測(cè)觀察凍結(jié)系統(tǒng)鹽水循環(huán)情況，應(yīng)在去回路鹽水干管、供液管處安裝流量計(jì)。3.6.2地層溫度監(jiān)測(cè)凍結(jié)過(guò)程中應(yīng)定時(shí)定人監(jiān)測(cè)測(cè)溫孔內(nèi)不同位置的溫度，根據(jù)測(cè)溫結(jié)果，計(jì)算凍結(jié)峰面的發(fā)展位置，預(yù)測(cè)凍結(jié)體的擴(kuò)展情況。3.6.3變形監(jiān)測(cè)為了全面掌握水平凍結(jié)過(guò)程中隧道暗挖施工的地層變化情況，應(yīng)在原有施工監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上加密測(cè)點(diǎn)和觀測(cè)次數(shù)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括地面升降以及拱頂與拱腳變位。在凍結(jié)施工區(qū)域應(yīng)設(shè)置一定數(shù)

33、量的沉降觀測(cè)點(diǎn)，以顯示凍結(jié)期間凍脹引起的地面隆起、隧道開(kāi)挖時(shí)漲沉交替，停止凍結(jié)后的融沉。此外，如果凍結(jié)工程周邊有重要建筑物，也應(yīng)在建筑物附近設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)，并需在凍結(jié)施工前開(kāi)始觀測(cè)，以確保建筑物的安全。3.7凍漲融沉的控制措施土層凍漲主要是土層中的水結(jié)冰膨脹引起，影響凍脹因素除含水量多少外，還與凍土壓力大小、凍結(jié)速度快慢、凍結(jié)溫度高低、凍土中水量補(bǔ)給狀況等因素相關(guān)。凍土的融沉是相對(duì)凍漲產(chǎn)生的，因?yàn)閮鐾寥诨?，土中水份因自重作用漸小，融土在壓力及土顆粒自重作用下，壓縮體積引起融沉。所采取的主要控制措施如下：（1） 加強(qiáng)凍結(jié)帷幕溫度、厚度監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)節(jié)凍結(jié)鹽水溫度和凍結(jié)時(shí)間，并盡可能采用間隔制冷措

34、施；（2） 加快鹽水降溫速度，加大鹽水流量，以利加快凍土發(fā)展進(jìn)度，減少凍土的水份遷移，即減少凍漲；（3） 在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，根據(jù)揭露地層情況在軟土、粘土中預(yù)埋或預(yù)留注漿孔，在凍結(jié)壁融化時(shí)，視融沉發(fā)展情況及時(shí)跟蹤壓密注漿控制融沉；（4） 在地面和開(kāi)挖隧道斷面內(nèi)布設(shè)測(cè)點(diǎn)，跟蹤監(jiān)測(cè)地面及凍結(jié)帷幕井幫的位移情況，及時(shí)分析，及時(shí)處理，視情況可采取液氮凍結(jié)補(bǔ)強(qiáng)，卸壓或注漿等措施控制位移，以減少凍漲和融沉對(duì)工程施工和周?chē)h(huán)境的影響；（5） 凍結(jié)停凍后及時(shí)回收供液管和凍結(jié)管，用比重1.61.7的水泥漿充填。4勞動(dòng)力組織4.1主要管理人員表4-1 主要管理人員表職 務(wù)人 數(shù)備 注項(xiàng)目負(fù)責(zé)人1項(xiàng)目總工程師1鉆孔項(xiàng)

35、目副經(jīng)理1凍結(jié)項(xiàng)目副經(jīng)理1專業(yè)技術(shù)工程師2可根據(jù)任務(wù)調(diào)整4.2施工勞動(dòng)人員配置凍結(jié)施工時(shí)，工種及人數(shù)配置見(jiàn)表4-2。表4-2 主要施工人員表工 種人 數(shù)備 注打鉆工40可根據(jù)任務(wù)調(diào)整電焊工4可根據(jù)任務(wù)調(diào)整凍安工20可根據(jù)任務(wù)調(diào)整機(jī)修工2可根據(jù)任務(wù)調(diào)整電 工2可根據(jù)任務(wù)調(diào)整輔助工5可根據(jù)任務(wù)調(diào)整5機(jī)具設(shè)備配置5.1鉆孔機(jī)具設(shè)備及附屬設(shè)備的選型與配置表5-1 鉆孔設(shè)備表名 稱型號(hào)或規(guī)格數(shù) 量運(yùn)行容量鉆 孔鉆 機(jī)MK-51臺(tái)30kW泥 漿 泵1臺(tái)10激光測(cè)距儀1臺(tái)5.2制冷設(shè)備的選型與配置表5-2 制冷設(shè)備表名 稱型號(hào)或規(guī)格數(shù) 量運(yùn)行容量?jī)?結(jié)冷 凍 機(jī) 組YSLGF3001臺(tái)218 kW清 水 泵

36、IS125-100-2502臺(tái)18.5 kW鹽 水 泵200S42A2臺(tái)22 kW冷 卻 塔NDBL3-5002 臺(tái)8鹽 水 箱 5m3 1臺(tái)6質(zhì)量控制要點(diǎn)6.1鉆孔施工的質(zhì)量控制要點(diǎn) 定位準(zhǔn)確，按照測(cè)量組現(xiàn)場(chǎng)的放樣進(jìn)行施工。 保證精度，一般控制在0.3%以內(nèi)。 保證設(shè)計(jì)深度。6.2凍結(jié)實(shí)施階段的質(zhì)量控制要點(diǎn) 保證在積極凍結(jié)期內(nèi)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到土體的凍結(jié)。 加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，判斷凍結(jié)體的發(fā)展情況，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)及時(shí)調(diào)整凍結(jié)參數(shù)。7安全注意事項(xiàng)7.1施工現(xiàn)場(chǎng)的安全措施 制度和實(shí)施安全生產(chǎn)責(zé)任制，建立健全各項(xiàng)規(guī)章制度，并嚴(yán)格執(zhí)行。 建立安全生產(chǎn)保證體系，管理有力，保障運(yùn)行。 組織工程項(xiàng)目施工的安全教育和

37、技術(shù)培訓(xùn)，特殊工種作業(yè)人員必須持證上崗，并進(jìn)行開(kāi)工前技術(shù)考核。 建立安全檢查制度，實(shí)行安全生產(chǎn)獎(jiǎng)懲制，消除事故隱患，引導(dǎo)職工齊抓共管，提高其安全生產(chǎn)的積極性。 編制和呈報(bào)安全計(jì)劃、安全技術(shù)方案和安全措施，做到組織、制度、措施之落實(shí)。 設(shè)備使用期間要加強(qiáng)維修和保養(yǎng)，保證設(shè)備完好率和使用率及安全運(yùn)行。 施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)用電要有施工組織設(shè)計(jì)和方案，健全安全用電管理制度和安全技術(shù)檔案。 加大安全投入、安全警示牌醒目，安全設(shè)備完備，滿足安全生產(chǎn)需要。7.2施工機(jī)械的安全措施 鉆機(jī)、泵及冷凍設(shè)備管路必須試運(yùn)轉(zhuǎn)，確認(rèn)機(jī)械性能和各種閥門(mén)管路完好后，方準(zhǔn)施工。 時(shí)檢查各種機(jī)具以及機(jī)電設(shè)備的安全可靠性，發(fā)現(xiàn)隱患及時(shí)處

38、理。 檢修必須在配電處，檢修處設(shè)置檢修停用警示標(biāo)志。7.3施工用電的安全技術(shù)措施 施工現(xiàn)場(chǎng)必須采用“三相五線制”TN-S系統(tǒng)布線，兩級(jí)漏電保護(hù)，三級(jí)配電措施。做好過(guò)電流保護(hù)、PE保護(hù)和漏電保護(hù)。 全部用電設(shè)備必須執(zhí)行“一機(jī)一閘一漏一箱”制。 電工必須持證上崗，禁止無(wú)證操作。 發(fā)現(xiàn)用電事故隱患，須及時(shí)向上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)，按“三定”（定人、定時(shí)間、定整改措施）原則，由用電專業(yè)人員整改落實(shí)。 統(tǒng)一布設(shè)線路，杜絕私拉亂接現(xiàn)象。 工作中經(jīng)常巡查工地，檢查電源線路、照明、電器開(kāi)關(guān)及設(shè)備運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)隱患立即排除。 電工進(jìn)行操作時(shí)，必須切斷電源，嚴(yán)禁帶電作業(yè)，并設(shè)置警示標(biāo)志。 操作高壓電氣設(shè)備主回路時(shí)，必須帶絕緣手套，穿電工絕緣靴，并站在絕緣板上。8工程實(shí)例8.1工程簡(jiǎn)介上海市地鐵2號(hào)線