搜索
冷冻法施工技术总结沈阳地铁二号线三标焦倓然大纲施工中所出现的问题及处理措施冷冻法的概述工文区间联络通道的施工及技术要点冷冻法的概述人工地层冻结法(ArtificialGroundFreezing,AGF)（简称“冻结法”），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。基本原理1使冷冻结构具有较高的强度，能起到承载的作用；使冷冻结构具有绝对的封水性，起到隔离、屏蔽的作用。从而达到不影响地面交通、地面建（构）筑物、安全掘砌结构的作用冷冻目标2冷媒剂(盐水)吸热：氯化钙(CaCl2)等；直接气化吸热：液氮(-195.8℃)、干冰(-78.5℃)。制冷方法3岩土工程冻结制冷通常利用物质由液态变为气态或有物质之间的热量交换来完成实现的。因此有两种类型：土木工程、岩土工程矿山凿井：竖井、斜井隧道施工：隧道掘进；盾构、顶管进出洞、联络通道基坑工程穿越地下对接管线工程事故处理基础加固边坡加固环境保护：污染物处理土工试验：原状土取样其他：泥浆除水4冷冻法的应用工文区间联络通道的施工及技术要点1、工程概况3、施工步骤与技术要点2、冷冻设计概况1、工程概况沈阳市地铁2号线3标工业展览馆站～文体路站区间隧道在位置里程YK12+791.501处设置1号联络通道兼废水泵站，在位置里程YK13+230.000处设置2号联络通道，1号联络通道最低埋深为33m左右，2号联络通道最低埋深为27m左右。联络通道所处地层均为砾砂层，但盾构掘进过程中仍发现卵石存在。实测地下水位埋深为16m左右，地下水属冷水，水量大、流速快，实测地下水流速为20m/d左右。拟构筑联络通道所在位置均为沈阳南北向交通主干道青年大街下方，交通繁忙，没有施工降水井的条件。2、冷冻设计概况两个联络通道冻结孔的布置均采取左线隧道单侧打孔方式进行冻结孔按上仰、水平、下俯三种角度布置，其中1号联络通道共布置冻结孔71个（后变更为64个）。2号联络通道共布置冻结孔51个，1号、2号联络通道各设置2个穿透孔。1号联络通道设计积极冻结时间为45天左右，2号联络通道设计积极冻结时间为40天左右。联络通道测温孔布置8个，冷冻站侧布置2个,对侧布置6个，目的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，左线、右线各2个。以便综合采用相应控制措施，确保施工的安全。3、冷冻施工步骤1、孔位确定9、二次衬砌8、防水施工7、初期支护6、冷冻开挖5、积极冷冻4、冷冻孔连接2、钻孔施工10、后续工作3、冷冻站建立3.1、孔位确定冷冻孔位位置全部由设计院出图确定，通道左、右两侧单排孔的孔间距在0.4米~0.6米之间；上、下部横排间距为1米~1.1米，竖排间距为0.4~0.6米，梅花形布置。冷冻孔点位确定必须由测量人员放线并复合，在相同隧道内的另一侧做出投影点，方便定位及确定点位角度。放点位置必须避开管片缝与管片螺栓、距离管片缝与管片螺栓至少十公分以上。在施工透孔时，应在另侧隧道标记终孔位置，检查并记录透孔的偏离情况，为后续冷冻孔的钻进工作作出指示。3.1.1、1号联络通道孔位布置图3.1.2、2号联络通道孔位布置图3.2、钻孔施工冷冻孔钻进前需进行一系列的准备工作，主要包括：3.2.1、钻孔前的准备工作（1）管片第一次开孔一般采用水钻施工，视冷冻管型号选用水钻大小（冷冻管φ89，水钻钻头φ132），水钻基座安装时应特别注意孔位、角度的复合，必须保证严格按照设计角度钻孔，管片第一次成孔钻进长度视管片厚度而定，但必须将最外层钢筋切割掉，一般留下最外层四~五公分厚的钢筋保护层。（2）安装孔口管及大球阀孔口管采用φ128楔形管（内径108），孔口管包括旁通阀，旁通阀为DN40小球阀。大球阀为DN100球阀。孔口管大球阀绑好麻丝，并抹好环氧树脂的孔口管（3）管片第二次开孔是指用φ94的水钻钻头将一开剩余管片钻透（包括管片壁后注浆层），成孔之后立即将水钻钻杆退出并将大球阀关上防止水土流失。管片第二次开孔（4）安装密封盒在二开完成、球阀关闭后安装密封盒。密封盒分为套管与封口两部分，套管内径为φ104，封口内径为φ94，壁厚均为10mm。套管使用24螺杆与大球阀相连，中间加上防水橡胶垫片，封口与套管之间用长螺杆相连（不能锁紧）。安装密封盒（5）钻头加工主要过程有：1、连接逆止阀。2、将逆止阀与一节30公分左右的冷冻管完整的焊死，必须保证逆止阀与短节之间没有缝隙漏水，并能承受一定的压力。3、加工钻头，用普通钢板或弹簧钢做成90度的箭头型。4、钻头焊接于短节上并将短节与普通的冷冻管焊接牢靠，用内管骨连接。逆止阀结构图短节上开好上钢板的预留口做钻头用的钢板钻头加工完成普通钢板钻头在上述几种钻头中强度最低，主要用于地层中无大粒径卵石、钻进距离短时可以使用。弹簧钢钻头就是将普通钢板钻头中的普通钢板改为弹簧钢钢板。弹簧钢钻头适用于一般困难地层中的成孔钻进，可以在含有一定卵石的地层中施工，钻进距离不宜超过10米。弹簧钢加焊耐磨焊条钻头是弹簧钢钻头的加强型。相比弹簧钢钻头，其更适用于地层中含卵石较多的地层中。适用范围与弹簧钢钻头差不多，但是有比弹簧钢钻头更耐磨的特点，可以适用于10~14米距离的钻进。合金钻头是指在钻头上加焊了合金耐磨块的钻头。相比弹簧钢钻头对于卵石地层的切割钻进能力更强。但是由于合金块的焊接长度与宽度都有限，导致合金钻头的实际耐磨度并不好，加上合金钻头的单价并不低（300~400元/个），在一次成孔中属于耗材，所以在实际施工过程中，并未大量采用。金刚石球齿钻头搭配工业钻杆使用。主要用于需要两次成孔时的第一次钻进，具有高耐磨，可碾压小卵石的特点，类似于盾构刀盘中的滚刀。例如大粒径卵石含量较多、需要钻透管片壁后注浆层的钻孔施工中，可以选用工业钻杆加配金刚石球齿钻头的施工方法。金刚石取芯钻头用于透孔成孔与二开时使用。关键特点是可以强度高、可切割。用来磨透管片，切割钢筋、可以取出切割芯体，某种意义上与水钻钻头类似。在工~文区间联络通道施工中，弹簧钢钢板加焊耐磨焊条钻头可以满足全部一次成孔钻进的要求；在一号联络通道下部第二、三排孔，二号联络通道下部第二排孔施工过程中则需要二次成孔。普通钢板钻头合金钻头弹簧钢钢板钻头金刚石取芯钻头金刚石球齿钻头弹簧钢钢板加焊耐磨焊条冷冻孔钻孔过程中用到的钻头（5）拌制膨润土为保证钻进的顺利进行，需要一边钻进一边注入膨润土浆液。膨润土溶液主要作用有：1、膨润土浆液能起到泥浆护壁的作用；2、钻进时带压的膨润土浆液能将钻头前的砂、土体冲开，方便钻进。拌制膨润土（7）钻机定位采用吊线锤的方法按照三点一线（钻头、钻机尾部、后视点）找中，对中完毕后用量角器或找准角度，当角度与位置均符合要求后固定钻机平台与钻机。钻机用螺杆固定于钻机平台上；钻机平台用四个2.5T的手动葫芦及固定螺扣固定在钻机支架上。调角度固定钻机平台（8）安装盘根当钻头准确进入密封盒内，将牛油盘根装入密封盒套管内，并用密封盒封口将盘根锁死在密封盒内。盘根安装完毕后，将密封盒的封口与套管间的螺杆上紧、锁死，即可开始钻进。安装盘根3.2.2、钻孔施工（1）钻孔配尺每孔钻进前，领班人员或者钻机机长根据该孔的设计钻进深度，进行配尺，尽量使钻进完成后不需要切割冷冻管，以节约材料。如：某孔设计孔深为10.35米，则配尺为：1.8（钻头长）+1.45+1.45+1.45+1.45+1.45+1.45+0.9=11.25（米）超出的长度为余尺，由钻机与密封盒之间的间隙决定，余尺为0.9米。配尺完毕后，将所需冷冻管顺序排列好放置于钻机旁边，方便取用与记录进尺。（2）钻孔施工1.冷冻孔钻进施工按是否需要钻透对面管片可分为透孔施工与普通冷冻孔施工两种。透孔即需要钻透对面管片的冷冻孔。透孔的主要作用有：1、联通隧道的对面冷冻排管，将冷冻排管回路与冷冻站管路相连。2、由于透孔终将钻透对面管片，所以能够对地层影响钻孔施工并致使终孔偏差的情况有直观地了解，并对下一步的钻孔施工做出指导。2.冷冻孔钻进施工按是否需要二次成孔可分为单次成孔与二次成孔两种施工方法。单次成孔钻进施工使用冷冻管作为钻杆，钻头按钻进从易到难的程度可依次选择普通钢板钻头、弹簧钢钢板钻头、弹簧钢钢板加焊耐磨焊条钻头、合金钻头。二次成孔主要用于钻进十分困难的地质情况，具体包括：地层中含有大量大粒径卵石、钻进距离长、需要穿透管片壁后注浆体时等。（3）钻孔完成后的后续工作1.冷冻管成孔后须立即对冷冻管进行封口注浆，注浆浆液采用单液水泥浆，单孔注浆量在0.5~0.8m3之间，配两包普硅32.5的水泥。2.封口注浆的同时可以上逆止阀的丝堵，上丝堵的时间不宜过于滞后于成孔时间。逆止阀的丝堵主要作用是从冻结管内部将逆止阀封死，能防止冷冻盐水渗入土体中，导致冷冻液的流失与土体无法冻结。所以逆止阀丝堵必须上紧（至少承受0.8MPa的压力），可以在丝扣上缠上几圈生胶带以加强密封性。绑好生胶带的丝堵（左）与丝堵接头（右）（4）成孔质量的检测1.测斜与测深冷冻管钻进完成后即可进行测斜、测深实验。测斜使用灯光测斜仪；测深可使用软质的pvc管作探杆进行测量。测斜与测深完成后需绘制每个冷冻孔的实际深度与偏斜图，以便直观的表现冷冻管的分布情况。2.打压测试打压测试原理是利用高压清水泵向已经密封的冷冻管内注水，提高冷冻管内的压力已测试是否存在漏水现象。打压初始压力为0.8~1.0MPa，施压30分钟后压力下降不超过0.05MPa，再延续15分钟后压力不变即为合格。试压合格后的冷冻管即可在冷冻管内安装好供液管及焊接去、回羊角。冷冻孔质量检查合格后，即可下供液管，供液管采用φ45无缝钢管。与89冷冻管之间采用月牙板封水。并焊接去、回路羊角。3.2.3、冷冻孔钻孔施工技术要点冷冻孔钻孔施工技术要点，主要包括：1、管片开孔时的点位与角度控制2、冷冻孔钻孔时的直度与终孔位置控制冻结孔深度H(m)≤1010~3030~60冻结孔最大偏斜Rp（mm）150150~350350~600冻结孔终孔偏斜精度要求冻结孔深度H(m)≤1010~3030~60冻结孔成孔控制间距Smax（mm）1100~13001300~16001600~2000单排冻结孔成孔控制间距设计参考值4、成孔后的冷冻孔密封性保证主要控制工序为：冷冻管焊接质量，逆止阀丝堵是否上紧。3、钻孔过程中的水土流失控制主要控制工序为：定点角度控制，上盘根质量，膨润土注入，钻孔完成后的注浆质量，旁通阀开闭情况。3.3、建立冷冻站3.3.1、冷冻站的选址冷冻站应选在通风良好的地方设立，便于热量排出。可以选在地铁车站地面广场、车站地下二层平台或者同届工作面附近的隧道内。本工程的冷冻站设在工~文区间左线隧道内，距离一号联络通道冻结工作面大概20米左右，距离二号联络通道冻结工作面大概460米。冷冻站主要由两部分组成，包括清水区与盐水区：3.3.2、冷冻站的组成（1）清水区清水区主要承担冷冻机的降温排热工作。清水区包括清水池、一个横流箱、两个冷却塔、两台清水泵及两台大功率风扇组成。（2）盐水区盐水区主要承担冷媒剂的降温工作，这是整个冻结工作中最重要的部分。只有保证冷媒剂不断降温或者持续低温，才能保证冻结壁的持续发展与冻结强度。盐水区主要包括：高压变电器、高压补偿柜、高压控制柜、三台武汉新世界制冷有限公司生产的冷冻机（包括其配套的冷冻机控制柜）、盐水箱、盐水泵（两台）、冷却循环水干管、冷冻盐水干管，（冷却循环水干管与清水区相连，冷冻盐水干管与集配液圈、冷冻管相连）。冷冻盐水干管是连接盐水泵与集配液圈的管道，负责输送与回收冷冻盐水。需要覆盖与包裹隔热材料，起到保温作用。并配备压力表与温度计便于观测盐水干管内的压力与去、回路温度。冷却循环水干管是连接清水泵与冷冻机的管道，负责输送与回收冷却循环水。配备压力表与温度计便于观测冷却循环水干管内的压力与去、回路温度。冷冻机冷却塔盐水泵100m3/h横流箱冷冻盐水干管清水泵清水池冷却