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冻结法施工技术王利军2013年10月16日目录冻结法施工工序冻结法的发展应用12冻结法施工的基本原理3冻结法的应用范围及特点45冻结法施工操作要点目录人员配置·工程监测67机具设备8质量控制标准9安全环境保护1011工程案例一、冻结法的发展应用冻结法施工技术在国际上已有一百多年的应用历史，在城市土木工程的应用始于1886年瑞典斯德哥尔摩24m人行隧道的建设。在西欧、俄罗斯、日本等科技发达国家，该技术已是城市建设中一项成熟的施工技术和施工工法。如东京地下快速公路十号及十一号隧道，瑞士阿尔堡勃恩隧道、杜塞尔多夫隧道均采用先冻结后开挖的施工方法，原西德的海尔纳东部泵站建筑基坑，前苏联莫斯科地铁车站基坑等均采用冻结法施工技术施工。我国首次采用冻结法施工技术是在1955年开滦煤矿林西矿风井开凿的立井井筒，至今已有50多年的历史。冻结法最早主要用于煤矿井筒开挖施工，2012年北京中煤施工的甘肃核桃峪煤矿主井井筒达956m，是目前国内外一次冻结深度最深的矿井。进入70年代，冻结法技术开始在城市建设基坑开挖及路桥施工中推广应用。自1992年起，冻结法工艺被广泛应用于上海、北京、广州、深圳、南京、无锡等城市地铁工程施工中。广州地铁在二号线纪～越区间、三号线天河客运站折返线、二/八号线南～洛区间、广佛线朝～普区间都有成功应用。二、冻结法施工的基本原理岩土工程开挖之前，在开挖的工程（如隧道、竖井、基坑等）周围钻造钻孔（冻结孔），利用人工制冷技术，通过冻结孔对地层进行制冷。即从冻结站冷冻机出来的低温盐水，通过管路压入开挖工程周围的冻结孔中，低温盐水作为冷媒在土体内冻结孔中循环，吸收土体热量，增加自身显热，不断循环制冷，使地层中的水结冰，将松散含水岩土变成冻土，形成强度高，封闭性好的冻结壁（冻土帷幕）隔绝地下水的联系，同时抵抗周围岩土的压力，确保工程开挖的安全。人工冻结法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、冻结法的应用范围及特点1、应用范围：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施工。主要用于煤矿井筒开挖施工，基坑工程施工，地铁隧道掘进施工、双线区间隧道联络通道和泵房井施工、盾构（或顶管）进出洞施工，地下工程堵漏抢险施工等。2、特点2.1可有效隔绝地下水，其抗渗透性能是其它工法无法相比的，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。2.2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。2.3冻结法是一种环保工法，对周围环境无污染，无异物进入土壤，噪音小，冻结结束后，冻土强融化，不影响建筑物周围地下结构。2.4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。四、冻结法施工工序①施工准备②冻结孔施工③冻结管试漏与安装④冻结系统的安装与调试⑤积极冻结⑥开挖（维护冻结）⑦解冻⑧封孔及注浆⑨清场验收工艺流程冻结检、监测变形监测五、冻结法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。1、冻结孔施工1.1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。1.2准确量测钻杆尺寸，控制钻进深度。1.3按要求钻进，用灯光或测斜仪测斜，及时进行纠偏。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2.1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。冻结管安装后，进行水压试漏，初压力0.8Mpa，经30分钟观察，降压小于等于0.05Mpa，再延长15分钟压力不降为合格，否则重新钻孔下管，或在断管中下套管。2.2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3.1按1.5倍制冷系数选配制冷设备。3.2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。3.3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。3.4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。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。积极冻结的时间主要由设备能力、土质、环境等决定的，伤害地区旁通道施工积极冻结时间基本在35天左右。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。5、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25~28℃之间。维护冻结时间由结构施工的时间决定。六、工程监测6.1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。犹豫旁通道施工位于地下十多米处，为防止施工是对地面周边建筑、地下管线、民用及公共设施带了不良影响，甚至严重破坏。对施工过程必须由完善的监测6.2、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，隧道变形监测，通道收敛变形监测，冻土压力监测。6.2.1、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。6.2.2、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；制冷系统气化压力。6.2.3、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。6.2.4、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。七、机具设备1、冻结法施工旁通道所用机械设备见表12、冻结法施工旁通道所用量测设备见表2表1.旁通道冻结施工主要机械设备表序号设备名称型号数量额定功率能力1螺杆冷冻机组IYSGF300II2台110KW87500Kcal/h2盐水泵IS125-100-2002台45KW200m3/h3冷却水泵IS125-100-200C4台15KW130m3/h4冷却塔NBL-504台15m3/h5钻机MK-501台6电焊机BS-402台7抽氟机1台说明：以上1-4项冻结设备均备用一台。表2.旁通道冻结施工主要量测设备表序号设备名称型号数量备注1经纬仪J21台2测温仪GDM81451台测量冻土温度3精密水准仪1台4打压机20MPa1台冻结器打压试漏5收敛仪1台冻土帷幕收敛6钢卷尺20m1把八、质量控制标准由于冻结法施工工程技术难度高，施工风险大，工程中不可预测因素多，故此对质量要求极高。目前主要按照《GB_50213-2010煤炭井巷工程质量验收规范》、《煤矿井巷工程施工及验收规范．GBJ213-90》、《煤矿井巷工程质量检验评定标准．MT5009-94》标准要求进行施工。除了参照国家有关标准外，还应着重注意以下几点：1、冻结帷幕设计时英选择比较安全的计算模型，要有足够的安全系数；2、冷冻机组制冷量在设计时，取较大的备用系数；3、钻孔的偏斜应控制在1％以内；4、终孔间距不大于1.0m；5、在冻土帷幕关键部位，多不值测温孔，监测冻土帷幕的形成过程和形成状况。九、人员配置劳动力组织冻结法施工技术要求高，专业性强，且由于其特殊性，现场需配备土建工程师、机械工程师、电器工程师和测量工程师。具体作业人员配备见表3。表3.旁通道冻结施工人员配备表序号工作项目人数备注1冻结孔施工打钻工15人进入冻结阶段可转为普通工冻结管安装2冻安工9人进入冻结阶段可转为普通工机械维修3机修工3人电气维修4电工2人包括设备数据采集5电焊工2人6冻结管焊接工程监测工3人7环境变化监测测温技术员1人8测温孔测温辅助施工人员4人9当班负责、施工员2人十、安全环境保护1、设计要考虑各种最不利条件，保证方案安全可靠。2、设计计算的各种最不利条件，在施工组织设计及施工中，做到重点防范，采取切实可行、有效的措施加以控制。3、选用无污染、效率高、体积小、重量轻、制冷量大、安装运输方便的螺杆冷冻机组作为制冷系统的主机。以适应地铁施工场地小、工期紧的需要。案例一.广州地铁隧道过断裂破碎带超长水平冻结法施工实例案例二.上海地铁旁通道冻结施工实例案例一广州地铁隧道过断裂破碎带超长水平冻结法施工一、工程概况广州地铁二号线纪—越区间过清泉街断裂带隧道工程为双线暗挖隧道，隧道设计断面为马蹄形，开挖宽度6.4米，开挖高度6.704米，左右线中心间距11.2米，隧道坡度为3‰，顶面距地表约15米。该段隧道正上方是交通繁忙的应元路与连新路口，东侧是著名的中山纪念堂，西侧紧邻广东科学馆、粤王古井，北侧为三元宫、民房及商店等，隧道周边聚集了国家级、省级文物保护建筑，它们都处于清泉街断裂破碎带上。清泉街断裂带地质复杂，断层破碎带岩体呈强风化和全风化状态，裂隙发育，地层富水，稳定性差、导水性好，且与上覆淤泥、砂层接触，其施工成败直接关系到地面居民生命财产安全及国家财产安全，施工难度与风险都很大，属于广州地铁二号线隧道难点工程之最。经过多次技术分析论证和经济比较，确定采用水平冻结法加固地层，矿山法开挖构筑的施工方案。本区间隧道风机房竖井北侧（TK14+738.85m以北）左线53米和右线63.5米设计采用全断面水平冻结法加固地层。二、工程地质条件2.1地质概况该段地质构造与地层岩性变化复杂。清泉街断裂带与地铁线路斜交，中山纪念堂战基坑北侧56米宽的破碎带为冻结加固的主要对象。该断层破碎带的母岩为碳质页岩，挤压带的母岩是碳质页岩及白云质灰岩；断层破碎带由角砾岩和断层泥组成，胶结差，呈现强风化状；车站北风机房竖井部位为断层中间挤压带，由全风化状碳质页岩及中风化岩和微风化白云质灰岩组成，其中挤压部分岩芯呈破碎状，裂隙发育，有溶蚀现象。2.2水文地质条件清泉街断裂带地下水由第四系孔隙水、基岩裂隙水、溶蚀水和断裂带裂隙水构成。含水层主要为粗砂、砾砂层，渗透系数为3.34-5.18m/d，属中等渗透性。该断层破碎带、挤压带碎裂岩体透水性较强，渗透系数为0.335m/d。在北风机房竖井（冻结钻孔开口位置）开挖中围护桩间曾发生突发性涌水而淹井，地层有大量涌水的可能性。水位埋深一般为0.7米，地下水对钢筋砼无侵蚀性。三、水平冻结施工方案设计3.1水平冻结施工原理水平冻结施工原理：在隧道周围布置水平冻结孔，从冻结站冷冻机出来的低温盐水，通过管路压入隧道周边的水平冻结孔中，使冻结孔附近的含水地层结冰，形成强度较高，封闭性好的冻结壁（冻土帷幕），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。3.2冻结施工方案技术要点针对该工程的地层特点与施工要求，结合国内外最新地层冻结研究成果，尤其是结合北京、上海等地铁工程中水平冻结施工的经验与教训，提出该冻结工程的设计方案与施工要点。3.2.1用风机房竖井作冻结施工的工作井。风机