最新轨道交通xx站盾构进洞冻结加固施工方案Word格式文档下载.docx
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4.冻结帷幕技术性能必须满足盾构进洞施工的安全和质量要求。
5.冻结方案应符合现场实际条件的施工可行性和良好的可操作性。
6.施工方案应在满足工程要求工期的条件下具备优化能力。
7.施工方案及措施必须满足城市环保及节能要求。
8.减少冻胀与融沉的危害。
1.3、工程概况
上海轨道交通11号线江边风井~济阳路站区间工程采用盾构法施工隧道，盾构机本体长8.5米，地面标高+4.5米，隧道中心埋深-12.577米。
本工程济阳路路站西端头井盾构出洞口处的地基已采用高压旋喷桩进行加固。
原加固情况见图一。
图一
由于一些不可预见性问题，盾构进洞开样孔9个，开始其中有一个出现出水出砂现象，后期其他探孔也出现漏水漏沙现象，鉴于工期等现场的其它工况条件，为确保盾构进洞的安全，对其采取冻结法进行封水堵漏加固土体的措施，再进行破洞门割除钢筋，进行盾构推进进洞。
该段地层地质条件复杂，盾构进洞段穿越的土层主要为：
④层灰色淤泥质粘土、流塑，较均匀，含云母、有机质及贝壳碎屑，夹少量粉性土，局部为淤泥质粉质粘土，高压缩性。
⑤1j灰色粘质粉土，湿，中密，欠均匀，含云母、有机质，偶见贝壳碎屑，夹少量粘性土，中压缩性。
其中⑤1j层为微承压水层，盾构进洞时有涌砂涌水的风险。
为保证盾构机进洞安全，防止泥砂及地下水涌入工作井，及保护地面建构筑物的安全；
盾构进洞地基冻结加固拟采用冻结盾构机全长水平冻结加固方法施工。
鉴于洞门已进行过高压旋喷加固，只对盾构机外圈进行冻结，冻结完成后盾构机推进到地连墙槽壁，对盾构机外围及盾构机盾尾管片进行注浆，利用冻结壁封闭外部水力来源，然后破槽壁盾构进洞。
二、冻结方案与冻结参数
2.1.冻结方案的确定
根据盾构施工所处地层及地面环境、地面没有施工场地，地面不具备冻结施工条件。
盾构进洞地基加固拟采用端头井内水平冻结加固方法施工。
详见施工示意图二。
图二
2.1.1．冻土墙厚度h的确定
设冻土墙平均温度为-10℃，冻土抗压强度σ压=3.6MPa，抗拉强度σ拉=1.8MPa，抗剪强度τ剪=1.6MPa。
洞口采取板状冻结方式加固。
冻结加固体在盾构进洞破壁时，起到抵御水土压力、防止土层塌落和泥水涌入工作井的作用。
该进洞口冻结加固体，其承受的荷载、计算模型及冻结管布置的示意图如图1所示：
⑴计算水土压力：
洞口的中心埋深为17.077m，当开洞直径为6.7m时，开洞口的底缘深度为20.427m。
则按重液公式计算得到水土压力为：
P=0.013H=0.266MPa
⑵假定加固体为整体板块而承受水土压力，运用日本计算理论计算加固体的厚度：
，计算得冻土墙厚度为2m。
表1运用日本计算理论的数据及结果
冻土平均温度℃
冻土弯拉强度σ
水土压力P
加固体开挖内直径D
系数β
安全系数k
计算加固体厚度h
-10
1.8Mpa
0.266MPa
6.7m
1.2
2.0
2
⑶运用我国建筑结构静力计算理论公式进行验算：
圆板中心所受最大弯曲应力计算公式为
表2运用我国建筑结构静力计算理论计算数据及结果
加固体开挖内直径D
冻土泊松比μ
计算加固体h
计算得加固体最大弯拉应力σmax
冻土弯拉强度σ-10℃
0.266MPa
0.35
2m
0.94MPa
1.8MPa
1.91
σmax<
<
σ-10℃
⑷剪切验算加固体厚度
沿槽壁开洞口周边验算加固体剪切应力
表3剪切应力验算数据及结果
水土压力P
加固体厚度h
最大剪切应力τ
冻土抗剪强度τ-10
安全系数K
τmax=0.221MPa
τ-10=1.6Mpa
0.266Mpa
τmax<
τ-10
7.3
根据以上计算结果并结合我公司类似工程冻结施工经验及现场实际情况（该洞门已进行过高压旋喷加固，不再考虑加固强度要求，仅考虑进洞止水），冻土墙厚度h盾构进洞冻结壁厚度取2.0m（利用注浆将盾构机与外圈冻结壁连接成一体，进行封水，然后进行破除洞门槽壁，盾构进洞），外圈维护冻结帷幕厚度取1.6m。
2.2．冻结范围及冻结孔的布置
鉴于盾构进洞对加固体强度及密封性要求很高，以及实际现场施工情况和条件（施工场地的原因），采用水平冻结方案。
主要技术参数：
冻结体为洞口处冻结板块厚2.0m，直径10m（利用注浆将盾构机与外圈冻结壁连接成一体，进行封水，然后进行破处洞门盾构进洞）。
只设置外圈冻结孔，冻结孔数：
水平冻结孔：
32个，冻结孔深度为10.0米；
测温孔4个，孔深：
外圈进入土层9M。
冻结管管材选择：
冻结孔选用φ89×
8mm20#低碳无缝钢管；
测温孔选用φ89×
8mm20#低碳无缝钢管。
2.2.1．主要冻结施工参数的确定
（1）积极期盐水温度-25~-30℃。
（2）冻结孔偏斜率β≤1%。
（3）盾构进洞加固冻结孔最大终孔间距Lmax=lmax+2βH=1.0m。
（4）盾构进洞加固冻土平均发展速度v=28mm/d。
（5）盾构进洞加固冻土墙交圈时间T=Lmax/2v=20天。
（6）盾构进洞加固冻土墙达到设计强度的时间为30天。
（考虑到水泥加固土体的水泥水化热，可能冻结时间要比原始土层要长一些）。
（7）冷凝温度+35℃。
根据以上参数选定，当冻结孔最大间距处交圈时，冻土墙与槽壁完全胶结。
2.2.2、冻结孔设计
（1）冻结孔布置
盾构进洞每个洞圈共布置水平冻结孔32个；
见如下：
施工示意图三
（2）冻结孔施工
①冻结管、测温管和供液管规格
冻结管选用φ89×
8mm20#低碳钢无缝钢管，采用丝扣连接加焊接；
测温管采用φ89×
8mm无缝钢管。
②打钻设备选型
水平冻结孔施工，选用MD-60A型钻机进行施工，冻结管连接采用丝扣加焊接或内管箍焊接方式。
钻孔使用灯光测斜，冻结孔终孔偏斜控制在1%以内。
选用BW-250/50型泥浆泵１台，电机功率14.5KW。
③水平冻结孔施工方法：
水平冻结孔施工较复杂，工序为：
定位开孔及孔口管安装→孔口装置安装→钻孔→测量→封闭孔底部→打压试验。
具体如下：
（1）定位开孔及孔口管安装：
根据设计在隧道内定好各孔位置。
根据孔位在槽壁上定位开孔，首先注意槽壁内主筋干涉时，调整孔位，用开孔器（配金刚石钻头取芯）按设计角度开孔，开孔直径130㎜，当开到深度300㎜时停止钻进，安装孔口管；
孔口管的安装方法为：
首先将孔口处凿平，安好四个膨胀螺丝，而后在孔口管的鱼鳞扣上缠好麻丝或棉丝等密封物，将孔口管砸进去，用膨胀螺丝上紧，上紧后，再去掉螺母，装上DN125闸阀，再将闸阀打开，用开孔器从闸阀内开孔，开孔直径为110㎜，一直将槽壁开穿，这时，如地层内的水砂流量大，就及时关好闸门。
（2）孔口装置安装：
用螺丝将孔口装置装在闸阀上，注意加好密封垫片。
详见如下示意图。
由于外圈钻孔长度太长，无法采用打倾斜孔的方法来满足设计冻结厚度，
故外圈冻结孔施工时需破坏端头井部分结构。
施工中当第一个孔开通后，没有涌水涌砂，可继续开孔施工，但继续开孔仍要装孔口装置，防止突发涌水涌砂现象出现；
若涌水涌砂较厉害，还应当进行注水泥浆（或双液浆）止水及地层补浆。
（3）钻孔：
按设计要求调整好钻机位置，并固定好，将钻头装入孔口装置内，在孔口装置上接上1.5寸阀门，并将盘根轻压在盘根盒内，首先采用干式钻进，当钻进费劲不进尺时，从钻机上进行注水钻进，同时打开小阀门，观察出水、出砂情况，利用阀门的开关控制出浆量，保证地面安全，不出现沉降。
钻机选用MD-60A型锚杆钻机，钻机扭矩3000N·
M，推力25KN。
（4）封闭孔底部：
用丝堵封闭好孔底部，具体方法是，利用接长杆将丝堵上到孔的底部，利用反扣在卸扣的同时，将丝堵上紧。
（5）打压试验：
封闭好孔口用手压泵打水到孔内，至压力达到0.8MPa时，停止打压，关好闸门，经试压30min压力下降不超过0.05MPa,再延续15min压力保持不变为合格。
（6）管漏：
设计在管漏发生时的处理方法是：
逐根提出孔内管子，并用泥浆泵逐个焊缝打压，找出泄漏焊缝及原因，及时处理，并作好记录，二次下入后仍须自检。
在实际施工中，发生冻结孔打压保压不合格的冻结孔，要采用在泄漏孔冻结管内下入小一级冻结管（套管）的方法处理此类事故。
2.3、冷冻站设计：
（1）、制冷系统
单个盾构进洞需冷量Q=1.3πqNΣHd=3.2万大卡/小时
D=0.089，H=352，q=250
盾构进洞根据冷量计算选用W-YSLGF300Ⅱ型螺杆机组2台套，单台设计工况制冷量为8.75万大卡/小时。
冷冻站首次充氟立昂500Kg。
（2）、冷却水系统
冷却水总需水量：
W=120m3/h，选IS-150-125型水泵，流量200m3/h,电机功率22.5kw。
设计冷却水进水温度+25℃，出水温度+28~32℃。
选用2台NBL－50型冷却水塔，补充新鲜自来水10m3/h左右，水温+21℃。
（3）、盐水系统
.设计盐水比重1250kg/m³
（28.9°
Be）,比热为0.665,盐水凝固点-34.6℃,即盐水流量113m3/h。
设计单孔盐水流量不小于5m3/h。
盐水泵选用IS-150-125型水泵，流量200m3/h,电机功率45kw。
冻结孔为每3孔一组串联安装。
计算盐水干管,则选用Ф159×
5低碳钢无缝钢管供回液。
（4）、.冻结站需N-46号冷冻机油800Kg。
（5）、用电负荷为250KVA。
三、施工工序及工期安排
3.1施工工序
通过测温孔观测计算，确定冻结帷幕交圈、冻土与槽壁完全胶结，并达到设计强度后，盾构推进至槽壁处，停止推进，开始破除洞口槽壁直至槽壁最后一层钢筋砼，槽壁完全破除，然后实施盾构进洞推进。
具体施工工艺见下页图。
冻结站安装与钻孔施工同时进行，钻孔施工结束即可转入冻结器安装冻结阶段。
后再对土体进行加固冻结运转。
冻结法施工工艺流程图
施工前的准备工作（进场、加工件组织）
冻结系统调试
钻孔定位及开孔
冻结系统部分安装
钻冻结管及测斜
冻结管打压
下冻结器
冻结器连接
积极冻结
工程监测
开机冻结
注浆封闭盾构机外围水源，打探孔
开槽破壁、安装止水环
盾构机进洞
解冻封孔、注浆
竣工验收
3.2预计工期
冻土平均发展速度取28mm/d，冻结孔最大间距1000mm，冻土墙交圈时间:
T=1000÷
28÷
2=18天（取20天）,达到厚度及强度需要30天，因此冻结天数达到后可完全破壁，盾构进洞。
3.3、具体工期安排（单个进洞加固计划表见附表）
a、钻孔下管及冻结站安装25天
b、积极冻结水平冻结30天
c、破槽壁盾构推进进洞7天
d、融沉注浆90天
总工期62天（不包括融沉注浆）
具体工期详见附表二：
盾构进洞总工期计划表
为保证盾构进洞时的安全和冻结加固不因时间暴漏过长而融化，应做好冻结施工与盾构施工工序的相互配合；
冻结达到设计要求，盾构机推进到槽壁，注浆封闭盾构机周围空隙后进行探孔检测，探孔检测无水方可进行槽壁的破除，在破完第一层槽壁后（约为槽壁厚度的60%~70%），再进行最后一层钢筋的割除，盾构机推进完成进洞。
根据实际工程进度安排，在盾构进洞前60天内进场开始施工。
四、劳动组织、配套计划
4.1施工平面布置
冻结站现场具体布置根据现场情况定。
工人宿舍、库房、材料堆放场地和施工辅助设施布置，进工地后根据现场情况确定。
考虑施工现场的地方狭小，冻结站可安装在具加固区100米内的施工地区，或安装在车站二层平台采用盐水干管长距离供冷。
4.2劳动力配备计划
劳动力配备计划见下表“劳动力配备计划表”。
打钻工先进场施工，然后进入冻结站安装。
同时施工最多人数为48人。
劳动力配备计划表
工种
人数
打钻工
20
电焊工
4
冻安工
16
技术人员
机修工
管理人员
电工
合计
48
4.3设备与材料供应计划
地层冻结施工的设备与材料用量分别见下表“盾构进洞冻结施工主要设备及材料用量表”。
盾构进洞冻结施工主要设备及材料用量表
编号
项目
单位
数量
备注
一
主要设备
1
冷冻机W-YSLGF300Ⅱ型
台
IS150-125-315水泵
盐水泵
3
IS125-100-215C
清水泵
真空泵（或抽氟机）
5
经纬仪
6
测温仪
7
NBL-50冷却塔
8
MD-50钻机
9
电焊机
二
主要材料
Ф159×
5无缝钢管
T
10
Ф127×
4.5无缝钢管
Ф89×
8无缝钢管
冻结管
1.5”钢管
25
高压胶管
m
600
耐压0.8Mpa
冷冻机油
KG
800
N46
氟里昂R22
氯化钙
1”阀门
只
100
8”阀门
50
11
保温材料
M2
200
进洞主要冻结施工参数一览表
序号
参数名称
数量
冻结孔深度
10.0
入土深度10米
冻土墙设计厚度
冻土墙平均温度
℃
积极冻结时间
天
30
垂直冻结孔数
个
水平冻结孔数
32
冻结孔开孔间距
0.746
冻结孔平均偏斜率
%
设计最低盐水温度
-25～-30
冻结7天盐水温度达到-20℃以下
单孔盐水流量
m3/h
冻结管规格（外圈）水平
mm
φ89×
20#低碳钢无缝钢管
12
测温孔
8mm无缝钢管
13
冻结制冷量
Kcal/h
3.2万
工况条件（进洞）
14
最大用电量
kw
250
15
用水量
新水补充
五、盾构进洞
5.1冻结效果的监测及完成的参数指标
（1）盐水去回路温差不大于-1.5℃。
（2）各孔组温差不大于-2℃，盐水流量≥5立方米。
（3）盐水温度降至-25℃~-28℃以下。
（4）积极冻结时间要达到设计值（30天以上）。
（5）冻结过程中无断管和盐水漏失。
（6）选择合理测温孔测点温度，计算冻结壁厚度及平均温度达到设计值。
（7）打探孔无水，且探孔内温度在-5℃以下已结冰。
（8）经过四方验收合格后方可破槽壁盾构机进洞。
5.2盾构进洞流程
当冻结帷幕满足设计要求时开始破除槽壁60cm，破除完后，在进行探孔检测，达到设计后，再对最后一层槽壁20cm钢筋砼进行破除，对内圈的（3圈）冻结孔内盐水吹出，进行洞口内冻结管拔除（第1、2、3圈），然后盾构靠上冻结壁；
冻结段推进过程中严格控制推进速度和压力。
盾构靠近槽壁
注浆封闭空隙
槽壁破除50-80cm
探孔
盾构进洞
盾构推进
破除槽壁最后一层钢筋
盾构进洞流程图
六、破壁及盾构穿越冻结区的保证措施
6.1温度控制
为了保证盾构能够推进，因此盾构外周的冻土温度必须得到有效的控制，冻土温度通过测温孔得到。
我们控制盾构外周的冻土温度不高于－5℃。
最终通过测温手段确定冻结已达既定要求后才进行盾构进洞施工
6.2打设槽壁探孔
通过测温孔观测计算，确认冻结帷幕达到设计厚度及强度，在洞门槽壁上均布的打若干探孔，以判断冻土与槽壁的胶结情况。
探孔在两测温孔之间布置，按照各探孔的布置在洞门上定点，然后用开孔钻机打探孔，探孔进入冻土内深度控制在10～15cm，探孔打好后，采用高精度的温度计或测温仪进行量测，各探孔实测温度必须低于－4℃。
6.3槽壁凿除
当通过探孔实测温度判断冻结帷幕与槽壁完全胶结后，盾构机靠上槽壁，探孔无水方可将槽壁全部破除，最后一层破壁时间不宜超过1天，以防冻结帷幕融化，影响其强度。
应采取措施作好保温工作，以确保冻土的低温强度。
盾构进洞时，最后一层破壁可采用分层分块进行，如破壁时间来不及的情况下直接用盾构破壁，防止冻结帷幕融化，造成不良后果。
7、冻胀与融沉控制措施
7.1、冻胀对周围环境的影响及控制
土层冻胀主要是地层中孔隙水结冰膨胀引起的，多数土层结冰时均要产生冻胀，冻胀量的大小与土层力学特性，约束条件，冻结速度，土层含水量及水分迁移的多少有关，水变冰的体积膨胀量约9%，而土体膨胀量一般约为3%-4%，依据施工经验，在浅土层进行冻结时易产生较大的冻胀量，一般取冻土体积的15%。
影响范围可能波及到非冻土区1～1.5m，因此，冻结施工前，只要对所有影响范围内的管线采取适当的保护措施；
施工过程中，加强检测，冻胀影响完全可以控制。
（如采用定向钻孔，局部冻结，热水循环等）
冻土产生的冻胀压力与冻土的平均冻胀率及周围土性的弹性模量、泊松比有关。
经实测。
由于冻结区域是开放式的，槽壁为C30钢筋砼，因此冻胀力不会对槽壁产生较大影响。
7.2、融沉控制和环境保护措施
融沉主要是冻土融化时排水固结引起的，滞后于冻土的融化,冻土融化时的沉降量与融层厚度、融层土的特性有关。
根据施工经验和土工试验,冻土融化后，其标高可能略低于原始地层的标高，为减少融沉量，解冻后，可在隧道内进行适当的跟踪注浆，减小冻结对周围环境的影响。
在冻结管拔出的同时在孔内灌注水泥––粘土浆或粉煤灰浆，为防止低温对注浆强度的影响，在水泥–粘土浆或粉煤灰浆内掺防冻早强剂氯化钙（2～3%）。
7.2.1融沉补偿注浆
（1）注浆管布置
采用隧道内管片注浆孔进行融沉注浆。
（2）注浆材料：
注浆材料采用水泥单液浆或水泥—水玻璃双液浆。
水泥－水玻璃双液浆比为：
水泥浆与水玻璃溶液体积比为1：
1。
水泥浆水灰比为1：
0.8。
注浆压力为0.4~0.5MPA。
（3）注浆顺序
注浆的顺序是先下部后上部。
（4）注浆原则及方法
注浆遵循多次少量均匀的原则。
单孔一次注浆量为0.5m3，最大不超过1m3。
注浆压力按设计要求为静水压力的2倍，压力小于0.5MPa。
一天地层沉降大于0.5mm，或累计地层沉降大于3mm时应进行融沉补偿注浆；
地层隆起达到3mm时应暂停注浆。
具体要根据地面变形监测情况做适当调整。
以少量多次为原则，按融化冻土体积15%控制注浆量；
注浆范围为整个冻结区域。
7.2.2注浆施工过程的监测
控制地面沉降变形是注浆的目的。
因此，解冻过程中，要加强地面变形监测、冻土温度监测、冻结壁后水土压力监测。
以上综合监测数据是注浆参数调整的依据。
7.2.3融沉注浆结束条件
融沉注浆的结束是以地面沉降变形稳定为依据。
若冻结壁已全部融化，且不注浆的情况下实测地层沉降持续一个月每半个月不大于0.5mm，累计沉降量小于1mm；
即可停止融沉注浆。
7.3、其他控制技术措施
7.3.1为了预防冻胀和融沉,设计选用标准制冷量较大的冷冻机组,在短时间内把盐水温度降到设计值,以加快冻土发展,提高冻土强度,减少冻胀和融沉量。
7.3.2掌握和调整盐水温度和盐水流量,必要时可采取间歇式冻结,控制冻土发展量，以减少冻胀和融沉。
7.3.3预计融沉量较大的部位可采取压浆充填,以把融沉造成的危害降低到最低限度。
7.4、冻结保温措施：
由于气温较高，为减少冷量损失，冻结器及盐水干管采用绝热材料进行保温，必要时槽壁使用泡沫板覆盖保温，同时做好防雨措施。
7.5环境设施保护措施
盾构进洞加固施工为防止施工时对周边建筑、地下管线、民用及公共设施带来不良影响，必须制定严格的保护措施。
（1）必须选用无污染、效率高、安装运输方便的螺杆冷冻机组作为制冷系统的主机。
防止挥发性气体污染环境。
（2）采取必要的措施，防止打冻结孔时水土流失；
在钻孔施工期间加强沉降的监测，发现跑泥漏沙水土流失严重引起的沉降，影响到建筑物和地下管线，应立即停止施工，立即注浆，防止沉降影响周围建筑物和地下管线，到没有沉降为止，待地层较稳定后再施工钻孔
（3）施工之前必须认真查清周遍建筑、地下管线、民用及公共设施的具体情况，针对性制定具体保护措施。
（4）加强冻胀与融沉监测，发现冻胀影响到建筑物和地下管线，通过打设的卸压孔减小冻胀或从冻结孔加热循环，进行解冻；
布置注浆孔，进行跟踪注浆，防止融沉影响周围建筑物和地下管线。
（5）施工过程中进洞口所处的地面沉降和隆起量应控制在规范要求以内。
在隧道轴线上，沿中心线每5m布置一沉降测点。
每一测量断面以轴线为中心，向两侧2m、4m、6m各布置一沉降测点
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