水平冷冻施工技术施标样本

13-2-7水平冷冻施工技术标准1前言1.1水平冻结原理冻结法是针对特殊地层条件而采用的一种施工方法，其核心是利用人工制冷手段（在地下工程周围钻凿一定数量的冻结孔，通过冻结管中的供液管，循环由制冷设备提供的低温盐水），使隧道周围松散的、不稳定的含水围岩冻结成封闭的、具有足够强度和刚度的冻结帷幕，然后在其支护下进行隧道的掘进和衬砌的一种施工方法（如图1-1）。不稳定含水土层经过冻结形成冻土帷幕后，强度可显著提高，在侧向土压力下可起挡土墙作用，成为施工作业区的可靠围护结构。此外，冻土帷幕具有良好的隔水性能，且对周围环境不产生污染，因而在技术上有广泛的适用性，工程中遇有流砂、淤泥、卵石、沙砾等含水不稳定冲积层，或裂隙中含水的岩层时都可采用。阀冻结管冻结管回液干管供液干管阀冻结壁冻结管冻结管路示意图冻结剖面示意图图1-1冻结法示意图1.2工艺特点1.2.1冻结方案设计的特点水平冻结方案设计主要包含冻结盐水温度、冻结帷幕平均温度及厚度、冻结孔的设置、致冷量及积极冻结期周期等。冻结帷幕厚度决定了冻结帷幕的强度、稳定性、安全性和冻结时间。冻结帷幕因工程具体地质条件、所处位置及承受外载不同而呈现弹性性状或弹塑性性状，产生塑性变形。若塑性区或塑性变形超过允许值，冻结帷幕和冻结管可能遭到破坏。因此，冻结帷幕厚度既要满足强度条件要求，又要满足变形条件要求。冻结孔的作用是用来安装冻结管，布设制冷设备。冻结孔布置在冻结帷幕的设计中心线上，其孔径、间距和设计倾角依据地层土质、水文条件和工程要求而定。冻结管的散热能力决定于冻结管的散热系数，这是冻结需冷量的基本参数。散热系数随2盐水温度降低而增大，随冻结帷幕厚度的增大而减小，随着冻结孔间距的增大而增加。积极冻结期是指冷冻站投入正式运转后，在最大地压水平的冻结管最大间距处，冻结帷幕扩展到设计厚度和强度的时间。积极冻结期时间主要与冻结孔的间距、盐水温度、土层性质、冻结管直径、地表温度等有关。1.2.2冻结孔成孔的特点冻结孔的成孔精度是冻结施工能否成功的关键之一。地下工程长距离水平冻结多采用双向钻孔布设冻结管。一旦成孔精度不能保证，冻结管的相互搭接处可能出现“开天窗”状态，导致冻结效果不佳甚至引发工程事故。故此，冻结孔施工中，钻头、钻具及钻机设备的选型及优化，钻进过程中的导向及纠偏，钻孔工艺的优化等极为重要。1.2.3冻结特点盐水循环时从盐水池通过冷冻机组致冷后流入布置在地层中的冻结管，吸收部分地层中土体及地下水的热量后通过回液管流回至盐水池，实现盐水致冷的循环。如此周而复始，最终将地层及地层中地下水的温度降低至0℃以下，地下水结冰，邻近冻结孔周围的土体中的地下水率先结冰，绕冻结管形成冻土，随着大量水分子的不断迁移，冻土体积不断加大，至到与邻近冻结孔的土体相互咬合，实现冻结交圈，形成冻结帷幕。随着冻结致冷的不断进行，冻结帷幕的厚度越来越大，直到发展至设计厚度。冻结过程中，结合监控量测数据分析冻结帷幕的发展状态并评估冻结质量。冻结帷幕发展到设计厚度时，可进行隧道开挖施工作业。1.2.4冻结隧道开挖特点冻结帷幕发展到设计要求后，其内部开挖范围内仍然是原状土，采用人工风镐开挖即可。结合冻土特性，开挖过程中必须做到短进尺，快支护，早封闭，勤观测。若冻结帷幕内扩，其内部土层部分受冻后强度会有一定程度提高，采用人工挖方式工效极低，此种情况下可采用自由断面掘进机开挖。1.3施工技术现状日本1962年首次在大阪市应用冻结法安全建成一个过河隧道，至今大约有340多项冻结工程，主要用于隧道、地铁、污水道工程等困难和特殊条件下的各类工程，其中最大的一项工程是80年代建设的东京地铁10号线和11号线冻结工程，在日本桥川河下施工，其冻结改良土体达37000m3，水平冻结长度47m，共计水平冻结管总长度达13750m。大阪交通局在该市地铁5号线工程中，也采用了冻结法确保盾构顺利出洞；日本东京湾隧道施工期间，川崎、木更津人工岛及浮岛八个盾构出洞工程都成功使用了冻结法，该隧道已于19983顺利通车。瑞士苏黎士Milachounck公路隧道一段断面达146m2，宽度达15m，用每冻结段长度达35m共10段构筑了总长度达350m的隧道。80年代中期维也纳一段双轨地下隧道，水平冻结长度64m，采用相向钻35m水平冻结孔的方法安全建成。德国杜塞尔道夫一个115m的隧道单向钻冻结孔的方法进行了水平冻结。1998年在北京地铁国贸站隧道进行的45m水平冻结加固的成功标志我国水平地层冻结施工进入城市地下工程的一个新阶段；1998年上海地铁2号线5个区间联络通道中有4个采用冻结法施工；2000年广州地铁1号线纪越区间过清泉街断层采用水平冻结，隧道长距离64m冻结取得成功，之后南京、深圳等地铁旁通道也相继使用了地层冻结法。地层冻结技术已全面进入我国城市地下工程领域。目前水平冻结法在城市隧道工程中主要应用于：1.盾构法隧道施工中，盾构进出洞土体加固。盾构进出洞时，承受着工作井附近土体产生的巨大地压和水压，可能导致涌水和土体坍塌。目前常用旋喷技术和注浆法加固土体，效果不够理想，常遇到注浆不均匀和盾构刀盘切削浆液结石体等困难，而冻结技术能有效地解决这些问题。2.盾构法隧道施工中，地下或海底对接时土体加固。近年来，世界上许多国家的盾构隧道采用对头掘进，以缩短工期，除采用立井对接方式外，还采用不开凿立井而在地下或海底直接对接。3.城市地铁泵房、旁通道和急转弯部分根据地铁设计要求，间距1km左右需在并排隧道间设立泵站。地下工程经常遇到旁通道和急转弯部分，因其施工距离短、形状不规整，采用盾构施工困难，且经济上不合理，各国常采用冻结法对周围土层加固，然后用矿山法掘进。4.地下隧道交叉处施工。冷冻法施工的适用范围：根据相关资料及《建井工程手册》规定，水平冻结法主要适用于含水量超过10%，地下水速度不大于10m/d的软弱围岩隧道预加固工程中，遇有流砂、淤泥、卵石、砂砾等含水不稳定冲击层或裂隙中含水的岩层时都可采用。2水平冻结施工工艺2.1工艺流程图4图2-1水平冻结施工工艺流程图2.2冻结方案制定目前，国内尚未形成系统的城市地下工程水平冻结设计、施工规范。大多数冻结工程，主要依据类似工程经验确定冻结参数，这使得部分工程由于特殊的地质状况，设计和工程实际状况出现较大偏差，导致施工中出现质量事故甚至安全事故。为保证设计与工程实际情况相符，在方案设计前应现场取土进行冻结试验取得相应的冻结参数并进行方案检算，进一步完善并优化设计方案。2.2.1冻结基本参数冻结基本参数为：盐水温度、冻结帷幕温度、冻结孔单孔盐水流量及冻结帷幕强度等，由于各地土质及外界环境（如气温等）不一样，其冻结的基本参数不同。如广州地区，结合已有工程经验，冻结基本参数初步设计取值为：①盐水温度：施工准备施工机房、基础冷冻站安装冻结器安装冻结孔钻进盐水系统安装、保温充氟利昂、化Cacl2、试运转积极冻结探孔开挖构筑封孔、注浆撤场监测设备保养维护冻结冻结方案设计及优化完善确定冻结设计的基本参数5积极冻结期：-25～-30℃维护期：-22～-25℃；②冻结帷幕平均温度：一般取为-8℃～-12℃；③冻结孔单孔盐水流量为6～8m3/h。④冻结帷幕强度：冻土属流变体，其强度主要决定于颗粒组成、含水率、冻结速度以及荷载作用速度和作用时间，可参见表2-1。表2-1冻土抗压强度参考值冻土温度(℃)瞬时极限抗压强度][MPa冻土温度(℃)瞬时极限抗压强度][MPa砂子砂土粘土砂子砂土粘土-1272112-61009036-2483817-711010040-3635422-812011045-4786827-913011850-5908032-101351252.2.2冻结帷幕厚度确定对于城市地下工程水平冻结设计而言，可采用如下步骤和方法来确定冻结帷幕的计算厚度。①冻结帷幕厚度主要受地面荷载和埋深的影响，地压是确定冻结帷幕厚度的主要考虑因素。通过计算求得隧道顶最大地压及隧底最大侧压。②根据地下工程埋深不同，结合现有施工经验和工程类比，初选一个合适的冻结帷幕平均温度值。通常埋深小于200m时，平均温度选-7～-8℃；当深度大于200m时，且深部有厚层粘土层时，通常选用较低的平均温度，常用-10℃的平均温度。根据选定的平均温度和试验资料或有关经验公式，求得砂土层及一些粘土层的计算强度值，如表2-1。据此，设计冻土帷幕的平均温度为-8℃。③冻结帷幕厚度的初步计算。一般而言，水平冻结工程冻结帷幕厚度取值更多依赖于类似工程经验，但也可根据选定的控制砂层深度、地压大小、该处的荒径大小和土层的强度指6标，用拉麦公式求出冻结帷幕的初选厚度作为参考：[](1)[]ssERKP（2-1）式中：E——冻结帷幕计算厚度，cm；R——筒掘进荒半径，cmP——计算层位的地压，PaK——系数，][s——冻土的允许抗压强度，][s一般取用瞬时单轴抗压强度的1/2.5～1/5；砂土取小值时，粘土取大值0][ms（2-2）—冻土瞬时极限抗压强度，见表2-1；0m—安全系数当冲积层较厚，地压值较大时，按多姆克公式计算。2[()()]ssppERBC（2-3）式中：,BC——系数，用第三强度理论时B＝0.29，C＝2.3；用第四强度理论时B＝0.56，C＝1.33④平均温度核算。冻结帷幕的平均温度是确定冻结帷幕强度和稳定性的基本参数之一。从工程应用出发，一般取最大地压水平的冻结孔间距处的主、界面冻结帷幕平均温度的平均值作为冻结帷幕设计核算的依据，可参考煤矿系统相应的经验公式（如式2-4）。冻结帷幕平均温度能否达到按②中选用的平均温度值。nbtElElTT466.0]266.0/7851.0352.0135.1[3（2-4）式中：T——冻结帷幕有效厚度中的平均温度；bT——盐水温度，℃；l——冻结孔间距，m；E——冻结帷幕厚度，m；——经验系数，=0.25～0.3；nt——计算水平的井帮温度，℃,根据要求或经验给出。上述计算是针对砂层进行的。用上述方法得到的冻结帷幕厚度和实际施工可能有一定7偏差，可在施工中进一步调整。2.2.3冻结孔设计与确定①冻结孔的开孔间距和偏斜率的确定冻结孔的间距和偏斜率是影响冻结孔布置圈直径的主要因素。开孔间距直接影响冻结孔的数量，终孔间距直接影响冻结帷幕的形成时间及其平均温度，而钻孔偏斜率直接影响布置圈的开孔直径和终孔间距,见表2-2。表2-2冻结孔的开孔间距和偏斜率设计参考值隧道覆土深度/m20＜H10＜H＜206＜H＜10水平冻结长度/m不大于50m超过50m开孔间距/m1.0～1.30.8～1.10.7～1.0偏斜率(%)0.2～0.250.25～0.30.3～0.5(说明:隧顶的开孔间距取小值,因其散热量大；隧底和拱腰取大值)②冻结帷幕内外侧厚度比值的确定冻结帷幕内外侧厚度比例关系直接影响到冻结孔布置圈直径和数量。过去竖井冻结设计时内外侧厚度的比值取60/40，而实际上内外侧厚度的比值是个变数。根据试验和实测资料初步得出：冻结帷幕刚交圈时的比值为50/50；当冻结帷幕达到设计厚度时，一般外侧的厚度约占总厚度的45%；冻结一年后的冻结帷幕外侧厚度约占总厚度的35%左右，扣除冻土扩入井内的无用部分，外侧厚度仍占有效总厚度的45%～55%，故设计时冻结帷幕内外侧厚度比仍可按55：45～50：50选取。水平冻结与垂直冻结类似，一般内外侧厚度比取55:45～50:50。③冻结孔布置圈直径LTDD22.11（2-5）式中：D——冻结孔布置圈直径，m；1D——隧道掘进直径，m；T——冻结帷幕厚度，m——钻孔偏斜率，一般取0.3%~0.5%；L——最大地压层位的冻结的水平长度，m④冻结孔数量lDn（2-6）式中：n——冻结孔计算个数；8D——冻结孔布置圈直径，m；l——冻结孔开孔间距，m；一般取0.8~1.3m在水平冻结中，拱部散热量大，为冻结工程的关键控制部位，故开孔的关键控制部位，故开孔间距一般取小值，而拱腰及隧底开孔间距一般取大值。确定冻结孔数量后，进一步核算冻结孔开孔间距n