垂直冷冻施工技术Word格式文档下载.docx
《垂直冷冻施工技术Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《垂直冷冻施工技术Word格式文档下载.docx（25页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
4.建筑基坑加固。
基坑冻结加固具有加固体均匀，强度高，阻水性好，加固深度大等优点，因而，采用冻结技术加固基坑越来越受到重视。
5.地下工程涌水、坍塌事故的抢险修复。
6.地下隧道交叉处施工。
1.3冻结法的发展历史
人工地层冻结技术起源于天然冻结现象，在土木工程中的应用是随19世纪制冷机械设备的发展开始的。
冻结法的第一次应用是1862年在南威尔士（SouthWales）的一个矿山竖井施工中，使用人工地层冻结技术加固基坑。
该竖井穿越了含水地层，采用由SiebeGorman有限公司提供的乙醚制冷设备冷却盐水，盐水在埋设于地层中的冻结管路系统里循环。
早期冻结法主要应用于采矿行业。
1880年，德国的F.H.Poetch首先提出冻结法原理，并应用于煤矿开凿立井，1883年，F.H.Poetell在Schneidlingen开发煤矿，采用冻结法施工深103m的立井，并以此获得德国人工地层冻结法凿井专利。
此后，该技术广泛应用于各国地下工程建设中。
1885年在比利时，1888年，在美国Michigan，1892年在法国，1896年在奥地利，1900年在荷兰相继应用了冻结法。
在这些工程中，开始仅冻结岩石顶部以上的表层饱和含水层，以使竖井达到下部的矿床。
冻结法初期应用得最多的领域是矿山工程，随着技术的成熟，逐步引入至城市隧道工程中。
1886年瑞典一个长24m的人行隧道采用冻结法施工。
1906年法国把冻结法应用于横穿河底地铁工程中。
前苏联在70年代前，采用冻结法构筑了70个地铁斜井隧道。
同矿山垂直孔冻结法相比，水平冻结或斜孔冻结的难度更大。
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。
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1998顺利通车。
我国于1955年开始应用冻结法凿井技术，迄今，应用冻结法共建造立井450多个，累计冻结长度70km之多，冻结法凿井所通过的第四纪地层最厚为383.1m（山东全桥煤矿副井）；
穿过最厚表土层374.5m，最大冻结深度435m（河南永夏矿区陈四楼矿副井）；
最大成井净直径8m；
冻结深度超过300m的立井有50多个，其规模仅次于原苏联。
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。
2冻结设计
2.1确定冻结类型和冻结方法
按制冷原理，冻结法采用的冻结方式一般可分为直接冻结方式（直接冻结法）和间接冻结方式（间接冻结法）两类。
直接冻结方式一般靠低温液化气直接制冷，主要采用液氮冻结技术。
液氮在常压下沸点为-195.8℃,气化潜热197.6KJ/kg，其理化性质稳定，是一种良好的制冷工质，和传统盐水——氨循环制冷相比，液氮冻结具有系统简单、低温、快速、高强等特点。
目前使用的液氮温度通常在-196℃，经工厂加工后用储罐车将其运送到工地，并输入预先埋设在地层中的冻结管内，液氮在气化过程中大量吸收热量，使冻结管周围的地层冻结，经气化后的氮气逸入大气层后可自由扩散，浓度迅速降低。
这类冻结方式由于直接冻结速度快，往往用于局部土体冻结或工程抢险中；
同时由于其所需费用相对较高，目前仅用于处理规格较小的危急工程。
间接冻结方式又称盐水常规冻结法。
采用这类冻结方式地面需建冷冻站，其内设有压缩调节制冷装置和输送泵，用氨、氟利昂等制冷剂通过制冷压缩机循环压缩制冷，使低温制冷剂与作为冷媒剂的盐水溶液进行热交换，将盐水冷却到-30℃～-20℃，输送到埋设在土层中的冻结管中然后回到冷冻站，经重新冷却后再输入冻结管，形成循环流动。
冷却盐水在循环不息的流动过程中产生热交换，带走冻结管周围土体的热量，直至土体冻结，达到加固和稳定土体、封闭地下水的目的使冻结管周围的土层逐渐冻结，现形成冻土圆柱体，然后连成冻土帷幕，并达到设计规定的厚度和强度。
盐水冻结法的费用一般较直接冻结法便宜，常用于冻土量大、施工期较长的工程。
由于成本低，形成冻结帷幕均匀易于控制，已被工程界广泛采用。
2.2冻结参数的设计
冻结参数的设计包括冻结帷幕平均温度和厚度、冻结孔布置、积极冻结期时间、盐水温度等。
2.2.1基本冻结参数
盐水温度：
积极期：
-28º
C～-25º
C；
维护期：
-22º
C～-20º
冻结帷幕平均温度：
-8º
冻结孔偏斜要求在0.15％以内，最大孔间距中部1.6m，边部1.1m；
冻结管选用Φ127×
4.5mm无缝钢管。
2.2.2冻结帷幕厚度
对于城市地下工程冻结方案设计而言，可采用如下步骤和方法来确定冻结帷幕的计算厚度。
①垂直冷冻中，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。
通过计算求得冻结帷幕处最大地压。
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。
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标，用拉麦公式求出冻结帷幕的初选厚度作为参考：
（2-1）
式中：
——冻结帷幕计算厚度，cm；
——筒掘进荒半径，cm
——计算层位的地压，Pa
——系数，
——冻土的允许抗压强度，
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
（2-2）
—冻土瞬时极限抗压强度；
—安全系数
当冲积层较厚，地压值较大时，按多姆克公式计算。
（2-3）
——系数，用第三强度理论时
＝0.29，
＝2.3；
用第四强度理论时
＝0.56，
＝1.33
④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。
（2-4）
——冻结帷幕有效厚度中的平均温度；
——盐水温度，℃；
——冻结孔间距，m；
——冻结帷幕厚度，m；
——经验系数，
=0.25～0.3；
——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偏差，可在施工中进一步调整。
2.2.3冻结孔布置
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。
冻结孔布置圈直径
（2-5）
——冻结孔布置圈直径，m；
——立井开挖直径，m；
——冻结帷幕厚度，m
——钻孔偏斜率，一般取0.3%~0.5%；
——最大地压层位的冻结的水平长度，m
冻结孔数量：
（2-6）
——冻结孔计算个数；
——冻结孔开孔间距，m；
立井冻结工程中，冻结孔开孔间距一般为1～1.3m。
确定冻结孔数量后，进一步核算冻结孔开孔间距
（2-7）
2.2.4积极冻结期时间
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。
根据已有的冻土扩展速度推算冻结时间参考经验公式如式（2-8）。
（2-8）
（2-9）
——积极冻结期的推算天数，d
——要求冻结圈的扩展半径，mm；
——在估算冻结时间内的冻土的平均扩展速度，mm/d；
——最大地压处的冻结孔的最大间距，m；
——冻结帷幕的厚度，m。
2.2.5冷冻系统
①制冷设备
我国冻结施工所采用的制冷压缩机主要有活塞式和螺杆式两种，其中，螺杆式是回转式压缩机的一种，它只有旋转运动部件，没有往复运动部件，动平衡性好，性能稳定，制冷量大，可持续时间长。
冻结法一般采用串联双级压缩制冷。
串联双级压缩制冷较单级压缩制冷具有以下优点：
采用二次压缩和中站冷却，降低了压缩机的压缩比和排气温度，从而降低由于余隙容积、气缸壁与压气之间的热交换、泄漏所造成的容积损失，从而提高了压缩机的容积效率，消耗于压缩机的功减少。
当冷却水温度过高，造成冷凝压力与蒸发压力之比≥8时，压缩机供给效率减小，制冷能力降低，采用单级压缩制冷是不经济的；
当冷却水温度超过25℃时，单级压缩制冷的排气温度高达130℃以上，压缩机不能正常运转，盐水温度难以下降，影响冻结。
而采用串联双级压缩制冷可以改善压缩机运转条件，提高制冷效果。
当受到冷冻设备限制或冻结初期及维护冻结期要求的盐水温度较高时，可考虑单级压缩机制冷，但冷却水不应超过25℃。
②盐水系统
传统冷却剂采用盐水，一般是比重为1.24～1.28的氯化钙水溶液，也可采用氯化钠、氯化镁或氯化锂溶液，盐水的结晶点必须比用于地层冻结的极限温度至少低5℃。
溶液体积根据冻结管、盐水干管、集配液圈、蒸发器的盐水箱容积确定。
（2-10）
——氯化钙溶液总体积，m3；
——冻结管总容积，m3；
——盐水干管、集配液圈总容积，m3；
——盐水箱总容积，m3。
固体氯化钙的需有量配制
（2-11）
——固体氯化钙的需用量，kg；
——单方溶液中固体氯化钙的含量，kg/m3；
——固体氯化钙纯度；
一般无水氯化钙取96%，晶体氯化钙取70%。
③冷却水系统
冷却水的温度和量与冷冻站的正常运转、压缩机的制冷效率、盐水温度有直接关系。
如果冷却水温度高或水量不足，导致压缩机的排出温度、压力过高，使操作维护困难，制冷效率低，同时，盐水温度达不到设计要求，势必延长冻结时间，冻土强度低，降低施工安全性。
冷却水的需用量
（2-12）
（2-13）
（2-14）
——冷冻站总需用水量，m3/h
——冷凝器需水量，m3/h
——冷冻机的冷却水套需水量，m3/h
——冷凝器总热负荷，近似计算时可取冷冻站制冷能力的1.25倍
——冷凝器进、出口水的温差，一般取3~5℃
——冷冻机台数
——单台冷冻机的冷却水套需水量
3垂直冷冻施工
冻结法施工技术的主要工序：
钻孔→冻结器铺设→冷冻系统安装→冻结制冷→隧道开挖和衬砌。
3.1冻结孔成孔
应根据施工设计规定的孔位、孔径和孔深钻孔。
冻结孔一般布置在以竖井井筒中心为圆心的圆周上，其直径由井筒直径、冻结深度和冻结帷幕设计厚度等确定。
钻孔直径应比冻结管外径大10mm。
钻孔深度应比冻结管深度深0.5m以上。
钻孔垂直度应满足以下要求：
（1）在冲击层中偏斜率不超过0.3%，且在最终成孔后冻结管管底间距不超过3m；
（2）在分化带及含水基岩中偏斜率不超过0.5%，且冻结管管底间距不大于5m；
（3）钻孔过程中应经常测斜，偏斜值超过规定时，应及时纠正；
冻结管管底最大间距超过规定时，应进行补孔，成孔后应对不同水平面绘制偏斜平面图。
3.1.1钻机
浅埋隧道冻结孔要求钻机尺寸小、占用空间小，并且钻机操作要方便，重量要轻，移动要灵活，扭矩和推力要尽量大。
冻结施工钻孔可采用改进后的坑道钻机，也可采用XQ-100型地质钻机，斜孔可采用斜孔地质钻机成孔。
3.1.2钻头和钻具
冻结孔钻进一般采取跟管钻进，一边钻孔一边铺设冻结管，即采用将冻结管兼做钻杆的工艺方法，钻孔完毕后，钻杆留在钻孔内作为冻结管，这样可防止发生钻孔塌孔。
跟管钻进要求钻头和钻杆连接部位密封，确保在钻进过程中钻杆内的泥浆通畅，达到泥浆护壁的目的。
待钻孔完成后，对钻杆进行加压试漏，测试合格后作为冻结管使用。
用作冻结管的钻管需注意以下方面：
（1）用作冻结管的无缝钢管，壁厚应不小于4mm，管子外径宜为127mm～159mm；
（2）冻结管使用前应做耐压实验，如复用旧管，应全部通过检查予以鉴定；
如采用新管，可按比例抽查，实验压力7MPa，无渗漏现象为合格；
（3）冻结管使用前应除绣；
（4）冻结管管端可采用加厚的锥形丝扣管箍或焊接管箍连接；
（5）冻结管底部应设有密封挡板，并焊有由钢板卷成的底锥，制成后应进行耐压实验，实验压力也为7MPa；
（6）冻结管送入冻结孔就位后，使用前应先进行检漏试验。
实验压力取为全冻结管盐水与清水柱压力差及盐水泵工作压力之和的2倍，30min后如压力下降不超过0.05MPa，再延续15min压力可保持不变者为合格。
3.1.3钻进
每孔开钻前对钻机进行稳平找正，使起吊天轮与回转通孔及孔位点三点一线，并对钻机不带负荷试运转三分钟，对油路及浆液循环系统，进行详细检查是否畅通。
泥浆系统是导向孔钻进过程中的又一关键环节，泥浆作为冷却钻头、悬浮钻屑的流动体，以膨润土及外加剂为原料按一定比例搅拌而成，不同地层对泥浆粘度有不同要求，采用马氏漏斗粘度进行测定，膨润土泥浆适宜环境PH值控制在8.5～10；
粘土层中粘土有一定自稳能力，膨润土泥浆粘度在30秒左右，粉细砂层中采用进口易钻膨润土外加少量聚合物，马氏漏斗粘度控制在40秒左右。
施工中如发现漏浆，粘度应适当加大。
泥浆泵量和泵压均应根据钻孔穿越的地层情况和钻孔的偏斜情况适时进行调整，以达到控制钻孔偏斜、泥浆护壁、防止塌孔的目的。
开钻时为确保钻孔垂直度，探明地下是否有管线及障碍物，前5m应轻压慢转，然后调整地层所需要的钻压及转速。
钻孔一径一次到底，钻孔深度不能小于设计深度，也不能大于0.5m，钻孔到底后如不漏浆停钻冲孔3分钟，减少孔底沉渣、保证冻结管下放深度。
钻孔完成后即时将冻结孔内灌满清水试压验收，初试压力1.0MPa，前5分钟降压值不大于0.05MPa，再持续25分钟不降压为合格。
3.1.4测斜
钻孔过程中应经常测斜，偏斜值超过规定时，应及时纠正；
开孔测斜：
在完成井口管钻进后进行的测斜，用于防止因井口管偏斜导致下部钻孔大量偏斜、井口管深度一般为10m～15m，偏斜率应控制在0.05%以内；
段距测斜：
在钻进过程中要经常进行的测斜，一般每钻进10m～20m测斜一次；
定点测斜：
在容易发生侧移的钻孔区段上进行的测斜，用于监测地层或钻孔直径发生改变时钻孔的垂直度；
终孔测斜：
钻孔达到一定深度后，在插入冻结管以前，对整个钻孔进行一次测斜，一般每10m～20m测一点；
目前可供采用的测斜设备有带有定点器经纬仪的灯光测斜仪和陀螺测斜仪。
3.1.5钻孔偏斜控制
钻孔偏斜的原因很多，大致分两类：
⑴客观原因，即地层软硬不均，倾角不同，地层中存在裂隙、空洞或薄弱带。
⑵主观原因，即操作技术不正确、导向管安装不正、钻孔角度设定不准确、钻压太大、泥浆质量不好等。
钻孔偏斜控制主要包括防偏和纠偏两个方面。
水平冻结钻孔通过安设在孔口的导向装置和在钻孔过程中调整钻机位置、角度和钻孔工艺来控制钻孔偏斜。
3.2冻结器的铺设
冻结孔成孔后就可及时安装冻结管，冻结管可采用Φ127×
4.5mm无缝钢管，地面制冷供液管道按单排冻结孔串联，然后再采用并联方式，主供液管可采用聚乙烯塑料软管，也可采用Φ159×
5mm无缝钢管，回液管亦采用同样方式反向设置。
制冷供液管道的安装时须确保供液管道的密封性和隔热性。
3.3冷冻系统安装
3.3.1冷冻站位置的选择
在浅埋隧道冻结施工中，冷冻站设在地下或是地面均可。
冷冻站设在地下，由于靠近工作面，冷量损耗低，管路和保温工程量小，便于集中管理，而且噪音对地面环境影响小，但供电线路损耗大。
相反，冷冻站设在地面，如果冻结施工现场出现问题，则不便于及时采取解决的措施。
3.3.2冷冻系统的安装和调试
冷冻系统安装包括冷冻机组、盐水与清水系统、供电与控制线路的安装等，通过冷冻系统的整体调试，使冷冻系统的各种设备达到正常运转所要求的指标。
冷冻系统安装过程需注意以下方面：
（1）冷冻站房屋宜用防火材料建造，室内应通风良好，并有防火防毒安全设施及避雷装置；
（2）冷却水取水井必须设在冻结井地下水流的上方，与冻结井的距离应大于抽水影响半径，冻结过程中影响冻结的所有水井均应停止使用；
（3）盐水管路安装完毕后应试通水；
（4）地表环形冷冻沟槽（供冻结管出露用）净高以1.8～2.0m为宜，底部应在地下水位以上，并有排水设施沟槽顶部有保暖和防水设施；
（5）低温系统应隔热防潮，正常情况下，冷量损失不得超过冷冻站工作制冷能力的20%；
3.4冻结制冷
冻结帷幕厚度是依据设计冻结帷幕的平均温度来判定的，进而可指导隧道是否达到开挖条件，而冻结帷幕的平均温度可以相邻单圈冻结孔的单圈冻结帷幕的温度场交圈处的温度来反应。
根据工程具体情况布置相应数量的测温孔，在冻结管内分不同的高度，按地层岩石的分界面分别设置测温点，测温可采用SY-2型测温仪和PN结半导体温度传感器来量测。
冻结施工期间对整个冻结帷幕的温度发展进行监测，用以修正冻结制冷的各种施工参数。
形成冻土帷幕的时期称为积极冻结期，这一时期开始时系统正式启用，冷却盐水开始循环流动。
应注意使盐水温度尽可能低，并昼夜不停的送入冻结管，以便在最短时间内形成厚度和强度达到规定要求的冻土帷幕。
在冻结期内应加强观测，满足下列要求后可进行井筒试挖：
（1）水文观测孔内的水位已经有规律上升并且有水冒出来；
（2）测温孔内的温度已经明显下降，并且已满足设计要求；
（3）按冻结速度及平均温度推算，地层冻结帷幕厚度和强度已经满足设计要求；
维护冻结期冻土帷幕形成后，在维护冻结期内仍需对系统供给冷量，使冻结帷幕厚度和强度在竖井施工期间始终满足设计要求。
3.5隧道开挖和支护
冻结帷幕是否形成、能否开挖要根据测温孔的温度资料，去回路盐水温度状况等来综合判定。
对于冻结工程而言，冻结帷幕的平均温度达到设计温度，同时去回路盐水温差变化较为稳定时，即可以开挖。
同时开挖过程中，还须加强测温孔的温度监测和去回路盐水的温度监测，并以此来安排隧道掘进的循环进尺和掘进速度以及维护冻结期的时间。
3.5.1隧道开挖
冻结达到开挖条件后，即可以开始隧道内掘进施工，隧道开挖依然采用短台阶法施工，台阶长度控制在5～7m，开挖循环进尺1.0m，初期支护在开挖出碴完成后立即进行，开挖暴露时间控制在12小时内。
岩石部分仍采用微差控制爆破开挖，与正常区间隧道开挖相比，只是调整了装药量和炮孔深度。
3.5.2初期支护的结构形式
目前，在浅埋隧道施工中往往采用复合式支护结构。
初期支护结构形式：
钢拱架+钢筋网+喷射混凝土。
厚度在200～300mm，混凝土标号为C20。
钢筋格栅与冻结体之间填充密实，不留空隙。
在冻结段施工期间，喷混凝土宜采用湿喷混凝土施工，混凝土是在地面拌合，拌合后的混凝土成品温度平均为40℃，而冻结法施工段的掌子面平均温度为0～4℃，气温较低，需要解决混凝土在较高温度下拌合，较低温度下使用的问题，同时还需避免由于冻结低温而产生的温度应力引起的混凝土开裂的问题。
针对这些问题，现场需要对混凝土的配比选择进行对比试验，可采取如下措施：
（1）增加水泥用量，以提高混凝土的强度保证率；
（2）掺入防冻剂，以提高混凝土的强度保证率；
（3）选用能适合较低温度环境的速凝剂。
混凝土的配比如下表所示：
表3-1防冻混凝土
升级会员 