3、联络通道冷冻法施工工艺工法

联络通道冷冻法施工工艺工法1前言1.1工艺工法概况人类首次成功地使用人工制冷临时加固土体是在1862年英国威尔士的建筑基础施工中，在我国煤炭建设中的应用也有整整40年的历史了。而在其它岩土工程中的应用则刚刚起步。1994年在上海地铁1#线旁通道施工采用了冷冻加固施工，利用人工制冷技术,使地层中的水变冰,把天然土变成冻土,增加其强度和稳定性,隔绝地下水与地下结构的联系,以便在冻结壁的保护下进行施工的一种特殊施工方法。目前这项地层加固特殊技术被广泛地应用到世界许多国家的隧道、地铁、基坑、矿井、市政及其他岩土工程建设中，成为岩土工程尤其是地下工程施工的重要方法之一，在我国已经广泛应用于矿井深井加固、地铁联络通道及盾构进出洞端头加固、深基坑冻结帷幕墙等施工领域，应用前景十分广阔。1.2工艺原理通过热量交换原理，将冷媒输送至冷冻管道，通过管道内的循环将土体中的热量带出，使土体中水分温度不断降低结冰，范围不断扩大，使施工区域外围土体冻结，形成强度高，封闭性好的冻结帷幕。冷冻法加固地层的原理,是利用人工制冷的方法，将低温冷媒送入地层，把要开挖体周围的地层冻结成封闭的连续冻土帷幕，以抵抗外侧水土压力，并隔绝地下水与开挖面之间的联系，然后在这封闭的连续冻土帷幕的保护下，进行开挖和做永久支护的一种地层特殊加固方法。制冷是由三大循环系统来完成的，分别为氟里昂循环系统、冷媒循环系统和冷却水循环系统。进入地层的冷媒通过进、回管路与地层相连，通过冻结管与地层进行热交换，将冷量传递给周围地层，将地热通过冻结孔由低温冷媒传循环系统传给氟里昂循环系统，再由氟里昂循环系统传给冷却水循环系统，最后由冷却水循环系统排入大气。随着低温冷媒在地层中的不断循环，地层中的水逐渐结冰，形成以冻结管为中心的冻土圆柱，冻土圆柱不断扩展，最后相邻的冻结圆柱连为一体并形成具有一定厚度和强度的冻土帷幕。2工艺工法特点2.1封水性有自由水(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。2.2强度高一般认为冻土是一种黏弹塑性材料,其强度与土质、容重、含水率、含盐量及温度等因素有关,一般可达到210MPa。2.3适应性强适应多种土层,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。2.4复原性施工结束土层恢复原状,对土层破坏性很小。2.5绕障性具有绕过障碍冻结加固和封水能力。2.6可控性冻结工期、冻结壁厚度、冻结壁形状等都可调控。2.7环境影响小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。2.8成本高冻结施工费用3适用范围适用于含水量大、地层软弱、其他工法地层加固施工困难或无法施工的地铁暗挖施工等地下工程。4主要引用标准4.1矿山井巷工程施工及验收规范(GBJ213)4.2煤矿井巷工程质量检验评定标准(MT5009)4.3锚杆喷射混凝土支护技术规范(GB50086)4.4联络通道冻结法技术规程（DG/TJ08-902）4.5建筑基坑支护规程（JGJ120）4.6城市轨道交通工程测量规范（GB5038）4.7工程测量规范（GB50026）4.8建筑变形测量规范（JGJ8）4.9地下铁道工程施工及验收规范（GB50299）4.10混凝土结构工程施工质量验收规范(GB50204)4.11地下防水工程施工及验收规范（GBJ208）5施工方法首先进行冻结帷幕设计计算，确定冻结孔布置间距、角度、长度、冻结设备的选择等相关参数，根据冻结帷幕设计计算，在冻结孔设计位置采用钻机钻孔，布设冻结管，并进行编组，与冻结系统管道连通，启动冻结设备并开始冻结，通过监测检查等手段探测冻结体温度，当冻结壁形成交圈，冻结帷幕的温度达到设计要求后，在维护冻结的基础上，开始进行土方开挖及结构施工，结构全部施工完成后停止冷冻，封闭冻结孔，根据监测情况在冻体与结构间进行融沉注浆，控制环境沉降。6工艺流程及操作要点6.1施工工艺流程6.1.1联络通道冻结法施工工艺流程如图1所示。6.1.2联络通道冻结法施工技术控制要点：1防止冻胀和融沉对隧道及地面的影响，在冻结帷幕内布设卸压孔，冻结开始后根据监测数据进行卸压以防冻胀。保证结构施工质量，尤其是外层临时支护背板后用水泥砂浆充填密实，利用预留注浆孔跟踪注浆加以补强，以防融沉。2在临空面及混凝土结构面上铺设PEF隔热保温板或冷冻板。在冻结帷幕与临空面及混凝土结构交界处放置测温点，以加强对冻结帷幕状况的检测。3采用跟管钻进法下冻结管。冻结孔开孔前，在布孔范围内打小孔径探孔，探测地层稳定情况。每个探孔都设有孔口管，如发现砂层，需安装探孔密封装置，以防钻进时大量出泥、出水。冻结施工结束后，孔口管管口焊上钢板，以免工程结束后孔口漏水。4为了杜绝在局部粉土层中施工冻结孔时出现涌砂涌水的问题，采用夯锤钻进，实现无泥浆钻进。如发现钻孔泥水流失，及时进行封堵。5加强冻结过程检测。在冻土帷幕内布置测温孔和压力释放观测孔，以便正确测定冻土帷幕厚度和判断冻土帷幕是否形成交圈。在冻土帷幕四周最薄弱位置安装测温孔，并在开挖之前打设探孔，以全面监测冻土帷幕的形成过程以及冻结效果。帷幕设计及施工准备准备冻结孔检测冻结站安装充氟、制备冷媒、试运转维护冻结开挖构筑停止冷冻，封孔注浆积极冻结融沉注浆冻结孔钻进监测结束冻结器安装施工机房、基础管路检测盐水系统安装、保温管路连接否否否开挖前评估6在开挖两侧隧道内均设预应力支撑，以防打开联络通道预留口管片时隧道变形和破坏。在联络通道衬砌中预埋注浆管，采用注浆方式以补偿土层融沉。注浆应配合冻土帷幕融化过程进行。图1 联络通道冻结法施工工艺流程7由于冻土的蠕变性很强，冻土帷幕在破坏前必然有一个较大的蠕变过程，可以通过检查开挖过程中的冻土帷幕变形情况判断其安全性。为此，在开挖过程中必须及时进行冻土帷幕变形和温度观测，如遇冻土帷幕有明显变形，温度明显回升立即用预制格栅加背板支撑，调整开挖构筑工艺，并同时加强冻结。8为了进一步提高施工安全性，还将采取以下措施：选用可靠的冻结施工机械，关键机械设备备用一套；预备200KW柴油发电机；加强停冻时的冻土帷幕监测；开挖前必须安装通道安全应急门。9由于冻胀力和冻土融沉的作用，影响周围土层的力系平衡，使隧道产生水平位移和沉降，故在整个施工过程中，加强隧道变形的监测，确保隧道安全。在冻结帷幕关键部位，多布置测温孔，监测冻结帷幕的形成过程和形成状况。10加强地面建筑、管线的保护：加强地面建筑物、地下管线的监测；采用快速冻结减少冻胀；加强融沉注浆。6.2操作要点6.2.1冻结帷幕设计1.冻结帷幕厚度设计1）由专业单位进行设计，冻结设计前进行冻结试验，已确定相关冻结参数。根据以往地铁联络通道冻结施工经验计算公式：t=A(r/E)，式中：r计算点到冻结管距离（m），E冻结帷幕外侧厚度（m），A经验参数取A=19.69,T计算点冻结帷幕温度（）。2）为了确保施工过程万无一失，对该工程冻土帷幕进行强度验算。对冻土帷幕采用有限元分析软件ANSYS进行了应力场分布和位移场分布情况的三维有限元数值分析，并根据计算结果进行了强度验算。3）一般情况下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k1×10-8cm/sec。2.冻结帷幕交圈计算1）冻结前，同一深度的地层具有相同的原始温度，冻结开始后，通过冻结管把冷量传给地层，在冻结管周围产生降温区，形成以冻结管为中心的冻结圆柱，并逐渐扩大至相邻的冻结圆柱连接形成封闭的冻结圆筒，即为冻结帷幕交圈。2）冻结帷幕交圈时间主要与冻结孔间距、盐水温度、土层性质、冻结管直径、地层原始温度、以及冻结器环形空间内盐水运动状态等因素有关。3）冻结帷幕交圈时间计算公式：T=L/2d式中：L冻结孔最大孔间距（mm），d冻土发展速度，结合盐水温度、土层性质、冻结管直径、以及冻结器环形空间内盐水运动状态得出经验值：粘土2530mm/天，砂、岩石3035mm/天。3.冻结帷幕平均温度计算使用冻结施工成冰公式（建井工程手册）tc= tb（1.135-0.352-0.875+0.266）-0.466式中：tc冻结帷幕平均温度（）tb盐水温度（）l冻结孔间距，取0.81mE冻结帷幕有效厚度（m）4冻结孔布置及制冷设计1）冻结孔的布置严格按照设计计算确定的孔位位置、角度、长度进行布孔，钻孔过程中及成孔后进行检测校核。2）测温孔、卸压孔的布设测温孔和卸压孔（压力观测孔）是监测冻土帷幕形成过程和形成状况的必要检查手段，布设的冻土帷幕监测孔必须具有代表性：在冻土帷幕两侧的上、下、左、右四个方向各布置一个测温孔，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。在冻结帷幕封闭区域内布置4个卸压孔，两侧各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。测温孔根据钻孔偏斜情况布置在冻结孔间距较大处。3）制冷设计冻结参数确定设计盐水温度一般为-28-30。冻结孔终孔间距Lmax1200mm，一般冻结帷幕交圈时间为25天，达到设计厚度时间为35天。测温孔和卸压孔具体位置视现场情况而定。测温孔一般定在终孔间距较大的位置。需冷量和冷冻机选型冻结需冷量计算：Q=1.2··d·H·K式中：H冻结总长度（m）；d冻结管直径（m）；K冻结管散热系数（取249.87kcal/m2·h）。盐水、冷却水循环泵及冷却塔等冻结辅助设备的选择满足流量计算要求。管路选择：冻结管选用低碳钢无缝钢管，采用丝扣连接。测温孔管、盐水干管、冷却水管和集配液圈选用无缝钢管，可采用焊接连接。其它：冷冻机油选用N46冷冻机油，制冷剂选用氟立昂R-22，冷媒剂一般选用氯化钙水溶液。6.2.2冻结孔施工1.冻结孔施工顺序先施工定位孔，根据定位孔的偏差，进一步调整有关钻进参数。然后根据确定的孔位，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。2.冻结孔的定位依据施工基准点，按冻结孔施工图进行冻结孔孔位放线，孔位布置依据已有结构可适当调整，但不大于100mm。3.冻结孔开孔及孔口密封装置1）在正式开孔前，钻38mm小孔径探孔，检查地层稳定性，对于砂层，先进行水泥-水玻璃双液壁后注浆，以提高孔口附近地层的稳定性，然后再钻进冻结管。冻结施工结束后，孔口管管口焊上钢板，以免工程结束后钻孔孔口漏水。2）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，用钢楔楔断岩心，取出后，打入加工好的孔口管，并用至少有4个固定点固定，然后安装孔口密封防突装置，如图2所示。图2 孔口密封防突装置4冻结孔钻进与冻结管设置1)钻孔时利用冻结管作钻杆；冻结管每节之间采用丝扣连接，接头螺纹紧固后再焊接，确保其同心度和连接强度。2)正常情况下，钻进时安装普通钻头，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