徐州地鐵2號線冷凍法施工應用及研究

1、    徐州地鐵2號線冷凍法施工應用及研究    張紅艷摘 要：徐州市地鐵2號線沿線地質條件較為復雜，其中區(qū)間泵房及聯(lián)絡通道多數處于輕微中等液化的粉土、砂土中。本文通過對采用冷凍法施工的漢源大道站新元大道站區(qū)間的泵房及聯(lián)絡通道的主要施工工藝及技術措施的說明，提煉歸納出此類不良地質條件下冷凍法施工的關鍵點及注意事項，確保了泵房及聯(lián)絡通道的安全成型。關鍵詞：冷凍;施工工藝;注意事項;液化：u455.49 ：a ：1671-2064（2019）02-0107-021 工程概況1.1 基本情況徐州市地鐵2號線是徐州市主城區(qū)南北向的骨干線路，全長24.29km，共

2、設車站20座。根據地質情況，有部分區(qū)間的泵房及聯(lián)絡通道設計采用冷凍法施工，漢源大道站新元大道站區(qū)間的泵房及聯(lián)絡通道便是其中之一，本文以此為例進行應用和研究說明。1.2 工程地質漢源大道新元大道站區(qū)間泵房及聯(lián)絡通道處地層從地面表層至下層的地質情況依次為5-3砂質粉土、4-3粉質黏土、3-4黏土、3-4b砂質粉土、3-4a含砂姜黏土、3-4黏土。1.3 設計參數漢源大道站新元大道站區(qū)間泵房及聯(lián)絡通道凍結壁的最小厚度為1.8m，凍結孔的布設需要按照上仰孔、近水平孔、下俯孔三種角度方式，布置在聯(lián)絡通道的四周，凍結孔的數量為73個，其中凍結孔數凍結站一側隧道內53個，對側隧道內20個。2 須冷量計算機及

3、相關設備選擇2.1 凍結需冷量的計算凍結管的散熱系數取250kcal/m2·h，冷量損失系數取1.3，采用q=dhkmc，得凍結需冷量式中：h-凍結管的總長度，d-凍結管的直徑，km-凍結管的散熱系數。經過計算得出：漢源大道新元大道區(qū)間泵房及聯(lián)絡通道制冷量需要：q=1.3*0.089*547.464*250+1.3*0.045*88.5 *250+0.25*115*250*0.159=5.74萬kcal/h根據計算選用單臺制冷量為8.5萬kcal/h jyslgf300型螺桿機組兩臺，其中預留1臺備用。2.2 單個凍結系統(tǒng)的輔助設備（1）8sh-13a型鹽水泵兩臺，流量為270m3/

4、h，電機功率為37kw，其中預留一臺備用。（2）冷卻水循環(huán)設備選用is150-125-250型清水泵兩臺，流量200m3/h，電機功率18.5kw，其中預留一臺備用。（3）凍結管為89×8mm，采用絲扣連接。冷凍排管為45×4mm，六排布置，排管間距為40cm。（4）測溫管為45×4mm無縫鋼管、泄壓管選用89×8mm20#低碳無縫鋼管。（5）供液管選用48×4mm pe管。（6）鹽水干管和集配液管選用159×5.5mm無縫鋼管+160×7mmpe管。3 冷凍法施工工藝及技術措施3.1 凍結孔施工根據地勘報告，在凍結孔施工過

5、程中，要高度重視并做好各種防止泥水流失防患措施。在凍結孔施工之前，對施工人員進行安全技術交底，開孔時要采取二次開孔施工方法，第一次不開穿管片，第二次開穿管片時要在裝好球閥后在球閥內開孔，凍結孔鉆進時一定要裝好孔口密封裝置，防止水土流失導致地面及隧道沉降。凍結孔施工工序如下：定位開孔孔口管安裝孔口裝置安裝鉆孔測量封閉孔底打壓測漏。如圖1所示：3.2 冷凍站布置與設備安裝在隧道內聯(lián)絡通道附近設置一個凍結站（近漢源大道側），向聯(lián)絡通道供冷。凍結站占地面積約220m2，站內主要設備包括清水泵、鹽水泵、變壓器、冷凍機、冷卻塔、鹽水箱及配電控制柜等。設備安裝必須嚴格按設備對應配套說明書中的要求執(zhí)行。考慮冷

6、凍機運轉必須要連續(xù)，無法停機檢修，在運轉前必須聯(lián)系專業(yè)人員對冷凍機進行檢修，以保證冷凍機可靠連續(xù)運轉。如圖2所示。3.3 凍結系統(tǒng)試運轉、積極凍結與試開挖設備安裝完畢后必須要進行調試和試運轉。在進行試運轉時，要隨時根據要求調節(jié)壓力、溫度等各種狀態(tài)參數，使機組在符合相關工藝規(guī)程和設備要求的技術參數條件下正常運行。在凍結過程中，要定時檢測鹽水的溫度、鹽水的流量和凍土帷幕的擴展情況。必要時調整凍結系統(tǒng)的運行參數，待凍結系統(tǒng)全部運轉正常后，方可進入積極凍結。在積極凍結的過程中，要根據現(xiàn)場實際測量的溫度數據來判斷凍土帷幕是否交圈，以及是否達到設計要求的凍結厚度。同時要監(jiān)測凍土帷幕與隧道的膠結情況。通過測

7、量溫度來判斷凍土帷幕交圈，并達到設計厚度，而且與隧道完全膠結后，再挖掘探孔，確認凍土帷幕內土層基本無壓力，方可正式開始掘進。如圖3所示：3.4 開挖與構筑由于聯(lián)絡通道內空間相對較小，開挖時采用人工利用風鎬進行開挖。漢源大道站至新元大道站區(qū)間的泵房及聯(lián)絡通道首先開挖通道部分，待通道開挖完成、二襯混凝土澆筑完成強度達到70%后，再進行泵站開挖及結構施工，聯(lián)絡通道兼泵房結構完成以后進行充填及融沉注漿。如圖4所示。3.5 地層跟蹤注漿及其它在開挖初期支護時，預埋注漿管深度至初期襯砌后，漢源大道新元大道站區(qū)間泵房及聯(lián)絡通道共有注漿孔41個，融沉補償注漿漿液以單液水泥漿為輔，水泥-水玻璃雙液漿為主。注漿范

8、圍為全部凍結土體。融沉補償注漿必須要遵循少量、多次、多點、均勻的原則。單孔每次注漿量為100300l，注漿壓力不得大于0.5mpa。融沉注漿一方面要保證凍土全部融化，融化時間一般為34個月，另一方面以沉降控制，當24h內聯(lián)絡通道頂部地面沉降觀測值大于0.5mm，或累計沉降觀測值大于3mm時，需立即進行融沉補償注漿;當聯(lián)絡通道頂部地面累計隆起3mm，應立即停止注漿。具體施工參數要根據地面變形監(jiān)測情況隨時進行調整。3.6 工程監(jiān)測冷凍法的全部施工過程，包括凍結開始到掘進，以及永久支護結構成型的整個時間段，被凍結的土體熱力學性質發(fā)生了劇烈的變化，并對施工環(huán)境產生了一定的影響。施工監(jiān)控量測為隨時掌握和

9、控制施工過程中的參數調整提供了主要依據，是工程安全的重要保障。主要監(jiān)測內容有：凍結孔偏斜凍結器密封性能監(jiān)測、溫度監(jiān)測、壓力監(jiān)測、鹽水流量與鹽水溫度監(jiān)測、凍土帷幕監(jiān)測等。4 冷凍法施工注意事項及關鍵點總結（1）采用金剛石材質的取芯鉆在管片點位上開孔，孔口密封裝置安裝完成后，用凍結管替代鉆桿直接鉆進，以減少地層中水土流失。（2）為減少凍結孔施工時地層中泥水流失，需使用功率大的鉆機進行施工，盡量使用無泥漿鉆進。如在鉆孔過程中發(fā)生泥水流失，成孔后應立即進行補漿充填。（3）由于管片的導熱系數比較大，會直接影響隧道管片與冷凍土體的膠接效果，進而影響凍結帷幕的整體穩(wěn)定性和閉水性。因此，在管片外部增加隔熱保溫

10、措施，以減緩冷量損失，另可在對側隧道布置六排冷凍排管。（4）加強凍結過程中的監(jiān)測。在凍結影響區(qū)內布置測溫孔，用以正確判斷凍結孔是否交圈，同時確定凍結帷幕厚度。對側隧道管片與附近土體的膠接情況會影響到整個聯(lián)絡通道凍結施工的安全。因此，必須在對側隧道管片后增設測溫點，全面監(jiān)測管片后凍結帷幕的形成過程。（5）在聯(lián)絡通道的兩端設置泄壓孔，以削弱土體凍脹對隧道的影響。（6）各凍結孔交圈前，在隧道內設置預應力支架，盡量減少凍脹對現(xiàn)有隧道的影響。（7）開挖前，在聯(lián)絡通道的開挖側安裝安全防護門;聯(lián)絡通道的初期支護完成后，可拆除防護門，并打開對側隧道的鋼管片。（8）在開挖冷凍后的土體時，需加強監(jiān)測開挖面的溫度及

11、凍結壁收斂值，如遇開挖面溫度驟升或凍結壁收斂值增大，需立即加強開挖面暴露凍土的保溫措施，同時安裝型鋼拱架，調整開挖工法，同時加強凍結效果。（9）由于凍脹和凍土融沉效果強烈，會影響到凍土周邊土層受力體系的平衡，進而隧道容易發(fā)生水平位移、沉降和收斂，因此在整個施工過程中，隧道的監(jiān)控量測是確保隧道安全的重要措施。（10）應提前在隧道襯砌層中預埋注漿管，以便后期對土層融沉注漿補償，注漿應與凍結帷幕融化的過程協(xié)調同步進行。（11）加強在冷凍法施工區(qū)域內的既有地面建筑和管線的實時監(jiān)測。5 結語徐州軌道交通2號線一期工程沿線地質條件復雜，主要分布有全新統(tǒng)沖積粉砂、粉土，多為輕微液化中等液化土層，且厚度變化較大，總體上工程性質較差。區(qū)間泵房及聯(lián)絡通道多數設計為盾構隧道貫通后的暗挖施工，在徐州市同類工程施工中，當采用三軸攪拌樁地面加固或洞內超前小導管洞內注漿加固并輔以降水施工等施工方案時，暗挖施工極易引發(fā)涌水、涌砂、塌方等工程災害，嚴重時后果不可估量。在具有輕微中等液化的粉土、砂土中，采用冷凍法進行泵房及聯(lián)絡通道暗挖施工，成功避免了此類地層不易加固的缺陷。漢源大道站新元大道站區(qū)間泵房及聯(lián)絡通道采用冷凍法施工，歷時120天，完成從冷凍站設置到襯砌澆筑等主要施工工序，是此類不良地質條