冷凍技術(shù)應(yīng)用于垂直施工的新方法

3-2-8垂直冷凍施工技術(shù)1序言1.1凍結(jié)法概述凍結(jié)法是運用人工制冷技術(shù)，在地下開挖體周圍需加固的含水軟弱地層中鉆孔鋪管，安裝冷凍器，然后運用制冷壓縮機(jī)提供冷氣，通過低溫鹽水在凍結(jié)器中循環(huán)，帶走地層熱量，使地層中的水結(jié)冰，將天然巖土變成凍土，形成完整、密閉、高強(qiáng)度的臨時加固體，從而到達(dá)加固地層、隔絕地下水與地下工程聯(lián)絡(luò)的目的。然后，在凍結(jié)體的保護(hù)下進(jìn)行地6、施工以便，簡樸，經(jīng)濟(jì)上合理。國外的工程實例表明，凍結(jié)工程成本與其他施工(如注漿和旋噴)處在相似的數(shù)量級，并且伴隨加固深度的加大，凍結(jié)工法的經(jīng)濟(jì)性越來越來明顯?；谝陨祥L處，凍結(jié)法在都市地下工程越來越受到重視，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于地基基礎(chǔ)工程、都1.2凍結(jié)法的合用條件根據(jù)有關(guān)資料及《建井工程手冊》規(guī)定，凍結(jié)法重要合用于含水量超過10%,地下水速度不不小于10m/d的軟弱圍巖隧道預(yù)加固工程中，遇有流砂、淤泥、卵石、砂礫等含水不穩(wěn)定沖擊層或裂1.盾構(gòu)法隧道施工中，盾構(gòu)進(jìn)出洞土體加固。盾構(gòu)進(jìn)出洞時，承受著工2.盾構(gòu)法隧道施工中，地下或海底對接時土體加固。近年來，世界上許多國家的盾構(gòu)隧道采用3.都市地鐵泵房、旁通道和急轉(zhuǎn)彎部分根據(jù)地鐵設(shè)計規(guī)定，間距1km左右需在并排隧道間設(shè)置4.建筑基坑加固?；觾鼋Y(jié)加固具有加固體均勻，強(qiáng)度高，阻水性好，加固深度大等長處，因1.3凍結(jié)法的發(fā)展歷史人工地層凍結(jié)技術(shù)來源于天然凍結(jié)現(xiàn)象，在土木工程中的應(yīng)用是隨19世紀(jì)制冷機(jī)械設(shè)備的發(fā)凍結(jié)法的第一次應(yīng)用是1862年在南威爾士(SouthWales)的一種礦山豎井施工中，使用人工地應(yīng)用于各國地下工程建設(shè)中。1885年在比利時，1888年，在美國Michigan,1892年在法國，1896年在奧地利，1923年在荷蘭相繼應(yīng)用了凍結(jié)法。在這些工程中，開始僅凍結(jié)巖石頂部以上的表層飽年瑞典一種長24m的人行隧道采用凍結(jié)法施工。1前蘇聯(lián)在70年代前，采用凍結(jié)法構(gòu)筑了70個地鐵斜井隧道。同礦山垂直孔凍結(jié)法相比，水平凍結(jié)或斜孔凍結(jié)的難度更大。瑞士蘇黎士Milachounck公路隧道一段斷面達(dá)146m2,寬度達(dá)15m,用每凍結(jié)段長度達(dá)35m共10段構(gòu)筑了總長度達(dá)350m的隧道。80年代中期維也納一段雙軌地下隧道，水平凍結(jié)長度64m,采用相向鉆35m水平凍結(jié)孔的措施安全建成。德國杜塞爾道夫一種115m的隧道單向鉆凍結(jié)孔的措施進(jìn)行了水平凍結(jié)。日本1962年初次在大阪市應(yīng)用凍結(jié)法安全建成一種過河隧道，至其中最大的一項工程是80年代建設(shè)的東京地鐵10號線和11號線凍結(jié)工程，在日本橋川河下施工，其凍結(jié)改良土體達(dá)37000m2,水平凍結(jié)長度47m,合計水平凍結(jié)管總長度達(dá)13750m。大阪交通局在該津人工島及浮島八個盾構(gòu)出洞工程都成功使用了凍結(jié)法，該隧道已于1998順利通車。我國于1955年開始應(yīng)用凍結(jié)法鑿井技術(shù)，迄今，應(yīng)用凍結(jié)法共建造立井450多種，合計凍結(jié)長度70km之多，凍結(jié)法鑿井所通過的第四紀(jì)地層最厚為383.1m(山東全橋煤礦副井);穿過最厚表土層374.5m,最大凍結(jié)深度435m(河南永夏礦區(qū)陳四樓礦副井);最大成井凈直徑8m;凍結(jié)深度超過300m的立井有50多種，其規(guī)模僅次于原蘇聯(lián)。1998年在北京地鐵國貿(mào)站隧道進(jìn)行的45m水平凍結(jié)加固的成功標(biāo)志我國水平地層凍結(jié)施工進(jìn)入都市地下工程的一種新階段；1998年上海地鐵2號線5個區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道中有4個采用凍結(jié)法施工；2023年廣州地鐵1號線紀(jì)越區(qū)間過清泉街?jǐn)鄬硬捎盟絻鼋Y(jié)，隧道長距離64m凍結(jié)獲得成功，之后南2凍結(jié)設(shè)計2.1確定凍結(jié)類型和凍結(jié)措施按制冷原理，凍結(jié)法采用的凍結(jié)方式一般可分為直接凍結(jié)方式(直接凍結(jié)法)和間接凍結(jié)方式(間接凍結(jié)法)兩類。直接凍結(jié)方式一般靠低溫液化氣直接制冷，重要采用液氮凍結(jié)技術(shù)。液氮在常壓下沸點為-195.8℃,氣化潛熱197.6KJ/kg,其理化性質(zhì)穩(wěn)定，是一種良好的制冷工質(zhì)，經(jīng)工廠加工后用儲罐車將其運送到工地，并輸入預(yù)先埋設(shè)在地層中的凍結(jié)管內(nèi)，液氮在氣化過程中大量吸取熱量，使凍結(jié)管周圍的地層凍結(jié)，經(jīng)氣化后的氮氣逸入大氣層后可自由擴(kuò)散，濃度迅速減少。此類凍結(jié)方式由于直接凍結(jié)速度快，往往用于局部土體凍結(jié)或工程搶險中；同步由于其所需費冷裝置和輸送泵，用氨、氟利昂等制冷劑通過制冷壓縮機(jī)循環(huán)壓縮制冷，使低溫制冷劑與作為冷媒劑的鹽水溶液進(jìn)行熱互換，將鹽水冷卻到-30℃~-20℃,輸送到埋設(shè)在土層中的凍結(jié)管中然后回到冷凍站，經(jīng)重新冷卻后再輸入凍結(jié)管，形成循環(huán)流動。冷卻鹽水在循環(huán)不息的流動過程中產(chǎn)生熱互換，帶走凍結(jié)管周圍土體的熱量，直至土體凍結(jié)，到達(dá)加固和穩(wěn)定土體、封閉地下水的目的使凍結(jié)管周圍的土層逐漸凍結(jié)，現(xiàn)形成凍土圓柱體，然后連成凍土帷幕，并到達(dá)設(shè)計規(guī)定鹽水凍結(jié)法的費用一般較直接凍結(jié)法廉價，常用于凍土量大、施工期較長的工程。由于成本低，形2.2凍結(jié)參數(shù)的設(shè)計凍結(jié)孔偏斜規(guī)定在0.15%以內(nèi)，最大孔間距中部1.6m,邊部1.1m;2.2.2凍結(jié)帷幕厚度①垂直冷凍中，凍結(jié)帷幕厚度重要受地面荷載和埋深的影響，地壓是確定凍結(jié)帷幕厚度的重要②根據(jù)地下工程埋深不一樣，結(jié)合既有施工經(jīng)驗和工程類比，初選一種合適的凍結(jié)帷幕平均溫度值。一般埋深不不小于200m時，平均溫度選-7～-8℃;當(dāng)深度不小于200m土層時，一般選用較低的平均溫度，常用-10℃的平均溫度。根據(jù)選定的平均溫度和試驗資料或有關(guān)經(jīng)驗公式，求得砂土層及某些粘土層的計算強(qiáng)度值。③凍結(jié)帷幕厚度的初步計算。一般而言，水平凍結(jié)工程凍結(jié)帷幕厚度取值更多依賴于類似工程經(jīng)驗，但也可根據(jù)選定的控制砂層深度、地壓大小、該處的荒徑大小和土層的強(qiáng)度指標(biāo)，用拉麥公式求出凍結(jié)帷幕的初選厚度作為參照：[o,]——凍土的容許抗壓強(qiáng)度，[σ,]一般取用瞬時單軸抗壓強(qiáng)度的1/2.5～1/5;砂土取小值時，粘土取大值σ—凍土瞬時極限抗壓強(qiáng)度；當(dāng)沖積層較厚，地壓值較大時，按多姆克公式計算。式中：B,C——系數(shù)，用第三強(qiáng)度理論時B=0.29,C=2.3;用第四強(qiáng)度理論時B=0.56,可參照煤礦系統(tǒng)對應(yīng)的經(jīng)驗公式(如式2-4)。凍結(jié)帷幕平均溫度能否到達(dá)按②中選用的平均溫度值。2.2.3凍結(jié)孔布置δ——鉆孔偏斜率，一般取0.3%~0.5%;L——最大地壓層位的凍結(jié)的水平長度，m積極凍結(jié)期時間積極凍結(jié)期是指冷凍站投入正式運轉(zhuǎn)后，在最大地壓水平的凍結(jié)管最大間距處，凍結(jié)帷幕擴(kuò)展到設(shè)計厚度和強(qiáng)度的時間。積極凍結(jié)期時間重要與凍結(jié)孔的間距、鹽水溫度、土層性質(zhì)、凍結(jié)管直徑、地表溫度等有關(guān)。根據(jù)已經(jīng)有的凍土擴(kuò)展速度推算凍結(jié)時間參照經(jīng)驗公式如式(2-8)。我國凍結(jié)施工所采用的制冷壓縮機(jī)重要有活塞式和螺桿式兩種，其中的一種，它只有旋轉(zhuǎn)運動部件，沒有往復(fù)運動部件，動平衡性好，性能穩(wěn)定，制冷量大，可持續(xù)時凍結(jié)法一般采用串聯(lián)雙級壓縮制冷。串聯(lián)雙級壓縮制冷較單級壓縮制冷次壓縮和中站冷卻，減少了壓縮機(jī)的壓縮比和排氣溫度，從而減間的熱互換、泄漏所導(dǎo)致的容積損失，從而提高了壓縮機(jī)的容積效率，消耗于壓縮機(jī)的功減少。當(dāng)冷卻水溫度過高，導(dǎo)致冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之比≥8時，壓縮機(jī)供應(yīng)效率減小，制冷能力減少，采用單級壓縮制冷是不經(jīng)濟(jì)的；當(dāng)冷卻水溫度超過25℃時，單級壓縮制冷的排氣壓縮機(jī)不能正常運轉(zhuǎn)，鹽水溫度難如下降，影響凍結(jié)。而采用串聯(lián)雙級壓縮制冷可以改善壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)條件，提高制冷效果。當(dāng)受到冷凍設(shè)備限制或凍結(jié)初期及維護(hù)凍結(jié)期規(guī)定的鹽水溫度較高時，可考慮單級壓縮機(jī)制冷，但冷卻水不應(yīng)超過25℃。氯化鋰溶液，鹽水的結(jié)晶點必須比用于地層凍結(jié)冷卻水的溫度和量與冷凍站的正常運轉(zhuǎn)、壓縮機(jī)的制冷效率、鹽水溫度有直接關(guān)系。假如冷卻Q.——冷凝器總熱負(fù)荷，近似計算時可取冷凍站制冷能力的1.25倍3垂直冷凍施工3.1凍結(jié)孔成孔應(yīng)根據(jù)施工設(shè)計規(guī)定的孔位、孔徑和孔深鉆孔。凍結(jié)孔一般布置在以豎井井筒中心為圓心的圓(1)在沖擊層中偏斜率不超過0.3%,且在最終成孔后凍結(jié)管管底間距不超過3m;(2)在分化帶及含水基巖中偏斜率不超過0.5%,且凍結(jié)管管底間距不不小于5m;(3)鉆孔過程中應(yīng)常常測斜，偏斜值超過規(guī)定期，應(yīng)及時糾正；凍結(jié)管管底最大間距超過規(guī)定鉆機(jī)跟管鉆進(jìn)規(guī)定鉆頭和鉆桿連接部位密封，保證在鉆進(jìn)過程中鉆桿內(nèi)的泥漿暢通，到達(dá)泥漿護(hù)壁(2)凍結(jié)管使用前應(yīng)做耐壓試驗，如復(fù)用舊管，應(yīng)所有通過檢查予以鑒定；如采用新管，可按(3)凍結(jié)管使用前應(yīng)除繡；(4)凍結(jié)管管端可采用加厚的錐形絲扣管箍或焊接管箍連接；(5)凍結(jié)管底部應(yīng)設(shè)有密封擋板，并焊有由鋼板卷成的底錐，制成后應(yīng)進(jìn)行耐壓試驗，試驗壓力也為7MPa;(6)凍結(jié)管送入凍結(jié)孔就位后，使用前應(yīng)先進(jìn)行檢漏試驗。試驗壓力取為全凍結(jié)管鹽水與清水柱壓力差及鹽水泵工作壓力之和的2倍，30min后如壓力下降不超過0.05MPa,再延續(xù)15min壓力可3.1.3鉆進(jìn)每孔開鉆前對鉆機(jī)進(jìn)行穩(wěn)平找正，使起吊天輪與回轉(zhuǎn)通孔及孔位點三點一線，并對鉆機(jī)不帶負(fù)泥漿系統(tǒng)是導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過程中的又一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，泥漿作為冷卻鉆頭、潤土及外加劑為原料按一定比例攪拌而成，不一樣地層對泥漿粘度有不一度進(jìn)行測定，膨潤土泥漿合適環(huán)境PH值控制在8.5～10;粘土層中粘土有一定自穩(wěn)能力，膨潤土泥漿粘度在30秒左右，粉細(xì)砂層中采用進(jìn)口易鉆膨潤土外加少許聚合物，馬氏漏斗粘度控制在40秒左右。施工中如發(fā)現(xiàn)漏漿，粘度應(yīng)合適加大。泥漿泵量和泵壓均應(yīng)根據(jù)鉆鉆孔一徑一次究竟，鉆孔深度不能不不小于設(shè)計深度，也不能不小于0.5m,鉆孔究竟后如不漏漿停鉆沖孔3分鐘，減少孔底沉渣、保證凍結(jié)管下放深度。鉆孔完畢后即時將凍結(jié)孔內(nèi)灌滿清水試壓驗收，初試壓力1.0MPa,前5分鐘降壓值不不小于0.05MPa,再持續(xù)25分鐘不降壓為合格。測斜開孔測斜：在完畢井口管鉆進(jìn)后進(jìn)行的測斜，用于防止因井口管偏斜導(dǎo)致下部鉆井口管深度一般為10m～15m,偏斜率應(yīng)控制在0.05%以內(nèi)；定點測斜：在輕易發(fā)生側(cè)移的鉆孔區(qū)段上進(jìn)行的測斜，用于監(jiān)測地層或鉆孔直徑發(fā)生變化時鉆鉆孔偏斜控制重要包括防偏和糾偏兩個方面。水平凍結(jié)鉆孔通過安設(shè)在孔口的導(dǎo)向裝置和在鉆3.2凍結(jié)器的鋪設(shè)無縫鋼管，回液管亦采用同樣方式反向設(shè)置。制冷供液管道的安裝時須保證供液管道的密封性和隔3.3冷凍系統(tǒng)安裝在淺埋隧道凍結(jié)施工中，冷凍站設(shè)在地下或是地面均可。冷量損耗低，管路和保溫工程量小，便于集中管理，并且噪音對地面環(huán)境影響小，但供電線路損耗3.3.2冷凍系統(tǒng)的安裝和調(diào)試?yán)鋬鱿到y(tǒng)安裝包括冷凍機(jī)組、鹽水與清水系統(tǒng)、供電與控制線路的安裝等，通過冷凍系統(tǒng)的整(1)冷凍站房屋宜用防火材料建造，室內(nèi)應(yīng)通風(fēng)良好，并有防火防毒安全設(shè)施及避雷裝置；(2)冷卻水取水井必須設(shè)在凍結(jié)井地下水流的上方，與凍結(jié)井的距離應(yīng)不小于抽水影響半徑，(3)鹽水管路安裝完畢后應(yīng)試通水；(4)地表環(huán)形冷凍溝槽(供凍結(jié)管出露用)凈高以1.8～2.0m為宜，底部應(yīng)在地下水位以上，(5)低溫系統(tǒng)應(yīng)隔熱防潮，正常狀況下，冷量損失不得超過冷凍站工作制冷能力的20%;3.4凍結(jié)制冷根據(jù)工程詳細(xì)狀況布置對應(yīng)數(shù)量的測溫孔，在凍結(jié)管內(nèi)分不一樣的高度，按地層巖石的分界面應(yīng)注意使鹽水溫度盡量低，并晝夜不停的送入凍結(jié)管，以便在最短時間內(nèi)形成厚度和強(qiáng)度到達(dá)規(guī)定(1)水文觀測孔內(nèi)的水位已經(jīng)有規(guī)律上升并且有水冒出來；(2)測溫孔內(nèi)的溫度已經(jīng)明顯下降，并且已滿足設(shè)計規(guī)定；(3)按凍結(jié)速度及平均溫度推算，地層凍結(jié)帷幕厚度和強(qiáng)度已經(jīng)滿足設(shè)計規(guī)定；維護(hù)凍結(jié)期凍土帷幕形成后，在維護(hù)凍結(jié)期內(nèi)仍需對系統(tǒng)供應(yīng)冷3.5隧道開挖和支護(hù)凍結(jié)帷幕與否形成、能否開挖要根據(jù)測溫孔的溫度資料，去回路鹽水溫度狀況等來綜合鑒定。對于凍結(jié)工程而言，凍結(jié)帷幕的平均溫度到達(dá)設(shè)計溫度，同步去回路鹽水溫差變化較為穩(wěn)定期，即可以開挖。同步開挖過程中，還須加強(qiáng)測溫孔的溫度監(jiān)測和去回路鹽水的溫度監(jiān)測，并以此來安排凍結(jié)到達(dá)開挖條件后，即可以開始隧道內(nèi)掘進(jìn)施工，隧道開挖仍然采用短度控制在5～7m,開挖循環(huán)進(jìn)尺1.0m,初期支護(hù)在開挖出碴完畢后立即進(jìn)行，開挖暴露時間控制在12小時內(nèi)。巖石部分仍采用微差控制爆破開挖，與正常區(qū)間隧道開挖相比，只是調(diào)整了裝藥量和炮目前，在淺埋隧道施工中往往采用復(fù)合式支護(hù)構(gòu)造。初期支護(hù)構(gòu)造混凝土。厚度在200～300mm,混凝土標(biāo)號為C20。鋼筋格柵與凍結(jié)體之間填充密實，不留空隙。在凍結(jié)段施工期間，噴混凝土宜采用濕噴混凝土施工，混凝土是在地面拌合，拌合后的混凝土成品溫度平均為40℃,而凍結(jié)法施工段的掌子面平均溫度為0～4℃,氣溫較低，需要處理混凝土在較高溫度下拌合，較低溫度下使用的問題，同步還需防止由于凍結(jié)低溫而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力引起的混表3-1防凍混凝土配合比水灰比8604速凝劑(%)FDN-KD防凍劑(%)3.6施工監(jiān)測凍結(jié)過程中應(yīng)定期定人監(jiān)測測溫孔內(nèi)不一樣位置的溫度，根據(jù)測溫成果，計算凍結(jié)峰面的發(fā)展為了全面掌握水平凍結(jié)過程中隧道暗挖施工的地層變化狀況，應(yīng)在原有施工監(jiān)測的基礎(chǔ)上加密在凍結(jié)施工區(qū)域應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的沉降觀測點，以顯示凍結(jié)期間凍脹引起的地面隆起、隧道開此外，假如凍結(jié)工程周圍有重要建筑物，也應(yīng)在建筑物附近設(shè)置沉降觀測點，并需在凍結(jié)施工3.7凍漲融沉的控制措施凍結(jié)速度快慢、凍結(jié)溫度高下、凍土中水量補給狀況等原因有(5)凍結(jié)停凍后及時回收供液管和凍結(jié)管，用比重1.6～1.7的水泥漿充填。4勞動力組織4.1重要管理人員表4-1重要管理人員表111124.2施工勞感人員配置凍結(jié)施工時，工種及人數(shù)配置見表4-2。表4-2重要施工人員表電焊工42255機(jī)具設(shè)備配置表5-1鉆孔設(shè)備表型號或規(guī)格1臺 1臺1臺 型號或規(guī)格1臺2臺2臺2臺81臺 6質(zhì)量控制要點6.1鉆孔施工的質(zhì)量控制要點6.2凍結(jié)實行階段的質(zhì)量控制要點7安全注意事項7.1施工現(xiàn)場的安全措施7.2施工機(jī)械的安全措施④發(fā)現(xiàn)用電事故隱患，須及時向上級領(lǐng)導(dǎo)匯報，按“三定”(定人、定期間、定整改措施)原8工程實例8.1工程簡介上海市地鐵2號線陸家嘴站至河南中路站區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道(如下簡稱旁通道)位于兩站區(qū)間隧道中部，作為地鐵運行中隧道的集排水泵站和上下行隧道間的安全聯(lián)絡(luò)通道。其構(gòu)造由兩個與隧道相交的喇叭口、通道和泵站構(gòu)成。從提供的地質(zhì)柱狀圖、土工試驗成果和地基土的物理力學(xué)性能指標(biāo)可以看出，旁通道附近重要為