隧道水平冻结法施工工艺

水水平平冻冻结结施施工工技技术术1.水平冻结设计1.1设计原则与关键技术1.1.1设计原则⑴在水平冻结加固后，保证在隧道掘进过程中围岩具有足够的稳定性，确保施工安全。⑵保证施工过程中引起的地层沉降满足设计要求，以确保地面建筑物和地下管线的安全。⑶满足环境保护及施工供水、供电能力要求。⑷进行系统的施工监测，实现信息化施工。1.1.2关键技术⑴冻结孔施工为了确保冻结孔的施工质量，先在钻孔工作面(钻孔桩和旋喷桩复合结构)用金钢石取芯钻开孔，并埋设孔口管，正常钻进采用跟管钻，孔口安装密封装置，使泥浆在封闭系统中循环，并用特制的精密水平孔陀螺仪测斜，以确保钻孔质量与施工安全。⑵在积极冻结期内，根据监测信息控制冻土帷幕的温度，保证帷幕形成的强度和均匀性。⑶冻胀融沉的控制1.2冻结段划分及施工顺序由于水平冻结段施工81.86m，且在缓和曲线上，根据水平孔钻进技术条件，隧道分两段冻结。第一段冻结长度为55m，第二段冻结长度为37m，两段冻土帷幕间的搭接长度为10m。在第一段掘进至45m时，现浇400mm厚的钢筋混凝土墙密闭开挖工作面，并回头将断面径向扩大1.3~1.4m，长4m的隧道断面，作为第二段隧道冻结施工作业面。其冻结段划分见图2-13-2-1。施工顺序为：明挖段工作井施工→第一段隧道冻结孔钻进→积极冻结→冻结维护及第一段隧道掘进及初衬施工→扩大段施工→第一段隧道地基强制化冻、注浆和施工内衬→第二段隧道冻结孔钻进→积极冻结→第二段隧道掘进和初衬施工→第二段隧道地基强制化冻、注浆和施工内衬→停止冻结及进行其它冻结孔注浆→冻结设备拆除。1.3冻土帷幕设计1.3.1设计基础资料取土的平均容重为19kN/m3,变形模量为6MPa，泊松比0.395。取冻土(平均温度-10C)的变形模量150MPa，泊松比0.3，设计抗折强度为1.8MPa(上海地区淤泥质粘土的极限抗折强度试验值为2.8～3MPa)，单轴抗压强度5MPa。取地面超载为67kPa（约为土层承载力的2/3）。隧道覆土厚度按11m考虑。1.3.2冻土帷幕结构形式冻土帷幕的断面形状与隧道开挖断面相似，其有效厚度为1.4m，见图2-13-2-2。1.3.3冻土帷幕的承载力计算取出冻土帷幕及地层的一个截面，按线弹性平面应变问题计算冻土帷幕的应力、应变分布。取模型的宽度为24m，高度为28m。用有限元法进行冻土帷幕的受力与变形计算。经ANSYS计算，结果见表2-13-2-1。从表中可以看出，冻土帷幕的承载能力是足够的。图2-13-2-1冻结段划分图图2-13-2-2冻土帷幕结构图计算最大应力及安全系数项目抗拉(抗折)抗压计算值0.466Mpa1.32MPa1.41MPa位置底拱内缘中部底拱外缘中部底拱与左侧墙交接处内缘强度指标1.85.05.0安全系数3.833.783.541.3.4冻结孔、测温孔、泄压孔布置与冻土帷幕形成预计为了使冻土帷幕提前交圈，有利于提高冻土帷幕的均匀性，采用较小的冻结孔控制间距，根据隧道断面，并保证在隧道扩大断面处在扩大断面后冻结帷幕有效厚度1.4m。每段冻结孔数量都为28个，其中第一段冻结孔长55m，冻结孔开孔间距为879mm，开孔位置与开挖边界的距离为600mm，第二段冻结孔长37m，冻结孔开孔间距为809mm，开孔位置与开挖边界的距离为300～600mm，两段冻结孔钻孔与隧道中心线的夹角都为1°，允许偏斜率为8‰，冻结孔沿隧道线路呈放射状钻进，成孔最大间距都不大于1.65m。每段测温孔设置二个，布置在终孔间距最大的相邻两冻结孔中间内侧0.3m处，其深度分别为55m和37m，孔内根据地层情况布置5～8个测温点。卸压孔一个，布置在冻结布置图内侧1.5m靠近隧道中心线处，其孔深分别为45m和30m，孔口安装1泄压阀和2MPa压力表。其冻结孔、测温孔、泄压孔布置见图2-13-2-3、图2-13-2-4。冻土帷幕扩展厚度根据上海地区类似地层冻结施工实测结果并参考竖井冻结壁计算方法确定。设计冻土帷幕交圈时间为30d，积极冻结时间为35d。开挖时的冻结壁有效厚度为1.4m。其冻土帷幕形成预计见图2-13-2-2，图2-13-2-5给出了掘进到不同位置时，冻土帷幕的扩展边界。可以看出，由于采用放射状布孔，掘进时冻土进入隧道开挖断面很少，这样，既有利于初衬喷射混凝土施工，又可增加冻土帷幕有效厚度，保证扩大断面在扩大后其冻土帷幕厚度大于1.4m。1.4冻结技术参数图2-13-2-3第一段冻结孔布置图图2-13-2-4第二段冻结孔布置图图2-13-2-5冻结帷幕的扩展边界图1.4.1冻土帷幕温度有效冻土帷幕的平均温度不高于-10℃，开挖时冻土帷幕表面温度低于-3℃。1.4.2冻结盐水温度设计最低盐水温度为-26℃～-30℃，并要求冻结7d盐水温度达到-20℃，维护冻结时不升高盐水温度。1.4.3冻结孔单孔盐水流量：7～10m3/h。1.4.4冻结管规格：φ108×8mm无缝钢管。1.4.5第一段隧道施工积极冻结时间35d，维护冻结工期80d。第二段隧道施工积极冻结时间35d，维护冻结工期60d。1.4.6冻结需冷量：取冻结管的散热系数为300kcalh-1m-2，冷量损耗为20%，第一段和第二段的冻结管长度分别为1595m和1073m，得冻结需冷量分别为：Q1=0.108×3.1416×1595×300×1.20=194455kcal/hQ2=0.108×3.1416×1073×300×1.20=131061kcal/h1.5主要冻结施工参数见表2-13-2-2。主要冻结施工参数表序号参数名称单位参数备注第一段第二段1冻结长度m5537两冻结段搭接10m2冻土帷幕设计有效厚度m1.41.43冻土帷幕平均温度℃-10-104冻土帷幕交圈时间d30305积极冻结时间d35356冻结孔个数个2929包括1个补孔7冻结孔开孔间距mm879809序号参数名称单位参数备注第一段第二段8设计冻结孔外偏斜角°11冻结孔与隧道中心线的夹角9冻结孔终孔控制间距m1.651.6510冻结孔允许偏斜‰8811设计最低盐水温度℃-26～-30-26～-3012维护冻结盐水温度℃-20～-30-20～-3013单孔盐水流量m3/h7～107～1014冻结管规格mmφ108x8φ108x8无缝钢管15测温孔/卸压孔个数个2/12/1管材规格同冻结管16测温孔/卸压孔深度m55/4537/3017钻孔总长度m17501177包括两个冻结段的冻结孔、测温孔、卸压孔18冻结站最大制冷量kcal/h240000不利工况条件2.水平冻结施工2.1冻结法施工各阶段施工作业内容冻结法施工各阶段作业内容见表2-13-3-1。冻结法施工各阶段作业内容表准备期积极冻结期冻结维护期解冻期冻结管及冷冻液配置钻孔插入冻结管测定精度漏水试验冷冻液配置配管隔热冷冻液循环冻土帷幕形成开挖隧道初支封闭地基加固注浆浇注混凝土内衬工程完成停止机械运转停冻管内注浆充填监测仪器安装测试确定周围建筑施工警戒值钻孔地温冻胀量地下水位冻土层变形精度检测地表沉降冷冻液温度、流量管理冻土壁温度测定及监视地面冻胀、冻土壁变形及地下水位测定及监视地表沉降、地面建筑物监测地表沉降、地面建筑物监测冷冻设备安装冷冻机安装输电设备安装供水设备安装耐压漏水试验设备组装调试开始运转冷冻机运转管理撤出基地注：准备期可进行冻结管、输液管、监测设备和冷冻设备安装平行作业。2.2确定冻结法施工差异警戒值在冻结法施工准备阶段，为确保安全施工，控制地面建筑物倾斜或开裂，应对冻结法施工段范围内的建筑物和管线的位置、使用年限进行实地细致的调查，并作出其强度、刚度和最大变形的评价，以确定安全的差异施工警戒值，根据警戒值，调整冻结设计施工技术参数。2.3冻结法施工工艺流程冻结法施工工艺流程见图2-13-3-1。图2-13-3-12.4冻结法施工工序及施工方法2.4.1冻结孔施工2.4.1.1冻结管、测温管、卸压管和供液管规格冻结管选用ф108×8mm低碳无缝钢管，单根管材长度为1.5～2m，采钻孔测斜及纠偏检测施工准备钻机就位测量布孔钻孔、冻结管安装供液管安装制冷站及管路安装充R22、化CaCl2试运转形成冻结帷幕正常运转冻结帷幕维护及隧道开挖停冻、冻结管注浆制冷站及管路拆除回填注浆设备检修保养隧底解冻及地基注浆加固混凝土内衬冻结法施工工艺流程图用螺纹连接并手工补焊，测温管和水文管管材同冻结管。供液管ф62×6mm用增强聚乙烯塑料管或15#钢管。2.4.1.2打钻设备选型选用MKG-5S型钻机2台。选用BW-250/50泥浆泵2台，流量为250l/min。钻机和泥浆泵总功率为41kw。采用冻结孔钻进专用组合钻具跟管钻进。钻孔测斜采用特制的TY-1型高精度水平钻孔陀螺测斜仪，钻孔浅部用经纬仪灯光测斜校准。2.4.1.3冻结孔质量要求根据施工基准点，按冻结孔施工图布置冻结孔。孔位偏差不应大于100mm。冻结孔孔径110mm。冻结孔钻进深度误差为-0.2～+0.3m。钻孔偏斜率控制在0.8‰以内。成孔最大间距不大于1.65m。2.4.1.4钻机平台搭建钻机平台采用满堂脚手架管搭建，脚手架管平面间距为0.6m×0.6m。平台满铺60mm厚松木板，钻机底盘下垫200mm×200mm方木。根据冻结孔位置，分层加高钻机平台。2.4.1.5冻结孔开孔冻结孔用Φ160mm金刚石取芯钻开孔。每个钻孔安装孔口管，孔口管用ф159×8mm无缝钢管加工。钻进时，孔口管安装孔口密封装置。2.4.1.6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。随钻进放入冻结管。冻结管下到设计深度后密封头部。(2)为了保证钻孔精度，开孔段钻进是关键。钻进前10～20m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斜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密封冻结管头部，并进行打压试漏。冻结孔试漏压力控制在0.7～1.0MPa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孔口管的间隙。(5)在冻结管内下入供液管。供液管用管箍连接，供液管底端焊接0.2m高的支架。然后安装去、回路羊角和冻结管端盖。(6)测温孔施工方法与冻结管相同。2.4.2冻结制冷系统安装2.4.2.1冻结制冷设备选型与管路设计(1)选用YSKF600型冷冻机组1套,YSKF300型冷冻机组各2套(其中1套备用)。当盐水温度在-30℃，冷却水温度为28℃时，冻结站的制冷量约为240000kcal/h，冷冻机组电机总功率为305kw。(2)选用8Sh-13(A)盐水循环泵2台(其中1台备用)，流量270m3/h，扬程36m，电机功率45kw；选用IS200-150-250冷却水循环泵1台，流量400m3/h，扬程20m，电机总功率37kw；。(3)选用DBN3-200型冷却塔2台，电机总功率11kw。(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无缝钢管，盐水干管长度为380m。集、配液管与羊角连接选用1.5高压胶管。(6)冷却水管用5焊管,在冷冻机进出水管上安装温度计。(7)在去、回路盐水管路上安装压力表、温度传感器和控制阀门。在盐水管出口安装流量计。(8)在配液圈与冻结器之间安装阀门二个，以便控制冻结器盐水流量。(9)在盐水管路的高处安装放气阀。(10)盐水和清水管路耐压分别为0.7MPa和0.3MPa。(11)每个冻结站的冷却水用量为30m3/h，最大总用电量约398kw。(12)其它①冷冻机油：选用N40冷冻机油。②制冷剂：选用R22制冷剂。③冷媒剂：用氯化钙溶液作为冷冻循环盐水。盐水比重为1.265。2.4.2.2冻结站布置与设备安装站内设备主要包括配电柜、冷冻机组、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及清水池等。冻结站布置主要设备布置见图2-13-3-2。设备安装按设备使用说明书的要求进行。2.4.2.3管路连接、保温与测试仪表安装盐水和冷却水管路用管