1、地鐵冷凍法施工工法中鐵十二局集團有限公司一、前言 廣州地鐵二號線過清泉街?jǐn)嗔褞挥谶B新路下、隧道上方應(yīng)元路口交通繁忙，地面周邊環(huán)境極其復(fù)雜。而且隧道的地質(zhì)構(gòu)造與地層巖性變化復(fù)雜，清泉街?jǐn)嗔褞c地鐵斜交，穩(wěn)定性差，導(dǎo)水性強，施工難度高，風(fēng)險大。我們在施工中成功運用全斷面隧道長距離水平冷凍法施工技術(shù)，很好的解決了這一技術(shù)難題，完成了國內(nèi)最長凍結(jié)長度的隧道冷凍法施工。我們將施工實踐加以總結(jié)形成本工法。二、工法特點1、凍結(jié)加固體強度高，可以做到不漏水，洞內(nèi)施工環(huán)境較好。2、施工安全，隧道進洞開挖后，進展較快。3、不受地表場地及深度限制，且不污染環(huán)境，對周邊環(huán)境影響較小，適合城市地下建設(shè)，特別是繁華市區(qū)

2、內(nèi)工程建設(shè)。三、適用范圍本工法適用于對通過斷層破碎帶、流砂層、淤泥層等易坍塌且富含水隧道的地層加固。四、施工工藝（一）工藝原理冷凍法加固土體，礦山法開挖構(gòu)筑的基本原理是：在隧道周圍布置水平凍結(jié)孔，并在凍結(jié)孔中循環(huán)低溫鹽水，使凍結(jié)孔附近的含水地層結(jié)冰，形成強度高，封閉性好的凍結(jié)壁（凍結(jié)帷幕），然后在凍結(jié)壁的保護下運用礦山法進行隧道開挖與構(gòu)筑施工。水平地層凍結(jié)加固和開挖構(gòu)筑的主要施工順序為：施工準(zhǔn)備 凍結(jié)孔施工，同時安裝凍結(jié)制冷系統(tǒng) 安裝凍結(jié)鹽水系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)積極凍結(jié)試挖隧道掘進與臨時支護，維護凍結(jié)永久支護停止凍結(jié)。其關(guān)鍵工序是凍結(jié)孔施工和凍結(jié)過程的監(jiān)測與控制(見圖1)。施工準(zhǔn)備 施工機房、基礎(chǔ)凍

3、結(jié)站安裝集配液圈安裝 鹽水系統(tǒng)安裝、保溫 凍結(jié)器安裝充R22、化CaCl2、試運轉(zhuǎn)設(shè)備檢修保養(yǎng) 正常運轉(zhuǎn) 檢測 試 挖正式掘砌凍結(jié)管充填拆 除圖1 凍結(jié)施工程序（二）施工方法1、施工準(zhǔn)備(1)用風(fēng)機房基坑作凍結(jié)施工工作井。風(fēng)機房基坑尺寸應(yīng)滿足凍結(jié)孔布置和打鉆的需要。(2)工作井內(nèi)設(shè)上、下人的扶梯。用2#鋼管搭建腳手架，并鋪設(shè)5cm厚的木板作為凍結(jié)孔施工平臺。施工平臺上搭建雨蓬。施工平臺搭建要考慮隧道掘進施工的要求。(3)凍結(jié)施工用電直接由工地變電站供給。變電站與動力設(shè)備的開關(guān)柜之間用電纜連接。(4)在工作井下與地面之間敷設(shè)供、排水管各一道，并在工作井內(nèi)設(shè)流量不小于30m3/h的排水用潛水泵一臺

4、。(5)泥漿池也設(shè)在工作井內(nèi)。打鉆設(shè)備用汽車起重機吊到工作井下。2、凍結(jié)孔施工(1)凍結(jié)管、測溫管、水文管和供液管規(guī)格凍結(jié)管、測溫管和水文管均選用壁厚不小于7mm的108低碳無縫鋼管，單根管材長度24m,采用絲扣連接。凍結(jié)管連接用手工焊、補焊。在含水層位置水文管設(shè)濾孔，濾孔面積為10%。供液管選用內(nèi)徑50mm的聚乙烯增強塑料管或鋼管。凍結(jié)管羊角用2#鋼管。(2)打鉆設(shè)備選型針對水平凍結(jié)孔的施工特點以及施工場地的限制，要求所選用的鉆機至少能打70m長的鉆孔并容易控制鉆孔偏斜度，輸出扭矩與給進力大，鉆機的體積要小，分解方便，搬運靈活。為此，選用中煤煤炭科學(xué)研究總院研制的水平鉆機，其主要技術(shù)性能參數(shù)

5、為：輸出扭矩 2000kNm給進及起拔力 50kN鉆孔最大直徑 127mm最大行程 480mm用凍結(jié)管作鉆桿。視地層不同采用刮刀鉆頭、牙輪鉆頭和全斷面金剛石鉆頭，鉆頭后面連接系自行研制的逆止和密封裝置。鉆孔測斜采用專門研制TY-1型壓電式高精度水平鉆孔陀螺測斜儀，淺部用經(jīng)緯儀燈光測斜校準(zhǔn)。(3)凍結(jié)孔質(zhì)量要求根據(jù)建設(shè)方提供的施工基準(zhǔn)點，按凍結(jié)孔施工圖布置凍結(jié)孔。孔位偏差不應(yīng)大于50mm。凍結(jié)孔孔徑為127mm。凍結(jié)孔實際鉆進深度應(yīng)壁設(shè)計深度大0.5m。鉆孔的偏斜應(yīng)控制在8以內(nèi)，成孔最大間距不大于2m。(4)凍結(jié)孔開孔在凍結(jié)孔布孔高度范圍內(nèi)用38mm小口徑鉆鉆孔檢查地層穩(wěn)定性，如有冒砂現(xiàn)象，則需

6、進行雙液壁后注漿。如發(fā)現(xiàn)土層水壓較大，則需安裝孔口管后再行鉆進。安裝孔口管時先用140mm金剛石取芯鉆進250mm左右，然后插入孔口管并用錨固樹脂錨固?？卓诠苡?396mm無縫鋼管加工，旁路接1.5截止閥及泥漿管接頭。管口安裝法蘭及壓緊密封裝置。(5)凍結(jié)孔鉆進與凍結(jié)器安裝按凍結(jié)孔設(shè)計方位要求固定鉆機。隨鉆機放入凍結(jié)管。凍結(jié)管絲扣要補焊。凍結(jié)管下到設(shè)計深度后下堵絲密封頭部。為了保證鉆孔精度，開孔段鉆進是關(guān)鍵。鉆進前1020m時，要反復(fù)校核鉆桿方向，調(diào)整鉆機位置，并用經(jīng)緯儀或陀螺儀檢測偏差無問題后方可繼續(xù)鉆進。凍結(jié)管下入孔內(nèi)前要先配管，保證凍結(jié)管同心度。下好凍結(jié)管后，用測斜儀進行測斜，然后復(fù)測凍

7、結(jié)孔深度。凍結(jié)管長度和偏斜合格后安裝底部密封絲堵，并進行打壓試漏。凍結(jié)孔試漏壓力控制再0.81.2MPa之間，穩(wěn)定30分鐘壓力無變化者為試壓合格。凍結(jié)管安裝完畢后，用堵漏材料密封凍結(jié)管與基坑混凝土墻之間的間隙。在凍結(jié)管內(nèi)下入供液管，然后安裝去、回路羊角和凍結(jié)管端蓋。測溫孔施工方法和要求與凍結(jié)孔相同。水文孔安裝后要進行洗孔，確保出水暢通。3、 凍結(jié)制冷系統(tǒng)安裝(1)凍結(jié)制冷設(shè)備選型與管路設(shè)計選用YSKF220型冷凍機2套，YSKF216型冷凍機2套，當(dāng)鹽水溫度在-24C，冷卻水溫度28C時，其總制冷量為kcal/h。冷凍機組電機總功率為610kw。8SH-13A鹽水循環(huán)泵2臺，流量270m3/h

8、 ，揚程36m，電機總功率90kw。S125-100-200冷凍水循環(huán)泵3臺，流量200m3/h ，揚程20m，電機總功率55.5kw;DBL-200型冷卻塔3臺，電機總功率16.5kw。設(shè)鹽水箱一個，容積6m3。鹽水干管和集配液管均選用2198mm和1596mm鋼管，集、配液管與羊角連接選用2#高壓膠管。冷卻水管總管和支管分別選用12#和6#焊管。在去、回路鹽水管路上安裝壓力表、流量計、溫度傳感器和控制閥門。冷凍施工冷卻水用量為50 m3/h,總用電量約780kw。其他冷凍機油：選用N40冷凍機油。制冷劑：選用R22制冷劑。冷媒劑：用氯化鈣溶液作為冷凍循環(huán)鹽水。凍結(jié)管封閉：冷凍端封頭采用中煤

9、公司的專利技術(shù)。(2)凍結(jié)站布置與設(shè)備安裝將冷凍站布置在風(fēng)機房基坑附近地面。站內(nèi)設(shè)備主要包括配電柜、冷凍機、鹽水箱、鹽水泵、清水泵、冷卻塔及清水池等。設(shè)備安裝按設(shè)備使用說明書的要求進行。(3)管路連接、保溫與測試儀表安裝鹽水和冷卻水管路用法蘭連接。管路應(yīng)固定牢固。去、回路鹽水管路和冷卻水循環(huán)管路上安裝壓力表、流量計、流量計和控制閥門。鹽水管路經(jīng)試漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保溫，保溫層厚度為50mm，保溫層的外面用塑料薄膜包扎。集配液圈與冷凍管的連接用高壓膠管，每根凍結(jié)管的進出口各裝閥門（或夾板）一個，以便控制流量。冷凍機組的蒸發(fā)器及低溫管路用棉絮保溫，鹽水箱和鹽水干管50mm的聚苯乙烯泡沫塑

10、料板保溫。(4)溶解氯化鈣和機組充氟加油鹽水（氯化鈣溶液）比重為 1.2601.265,先在鹽水箱內(nèi)充滿清水，逐步溶解氯化鈣，再送入鹽水干管內(nèi)，直至鹽水系統(tǒng)充滿為止，溶解氯化鈣時要除去雜質(zhì)。(5)積極凍結(jié)與維護凍結(jié)凍結(jié)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)與積極凍結(jié)設(shè)備安裝完畢后進行調(diào)試和試運轉(zhuǎn)。再運轉(zhuǎn)時，要隨時調(diào)節(jié)壓力、溫度等各狀態(tài)參數(shù)，使機組在有關(guān)工藝規(guī)程和設(shè)計要求的技術(shù)參數(shù)條件下運行。在凍結(jié)過程中，定時檢測鹽水溫度、鹽水流量和冷凍壁擴展情況，必要時調(diào)節(jié)凍結(jié)系統(tǒng)運行參數(shù)。冷凍系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常后進入積極凍結(jié)。要求一周內(nèi)鹽水溫度降低至-20C以下。開挖與維護凍結(jié)在積極凍結(jié)過程中，要根據(jù)實測溫度數(shù)據(jù)判斷凍結(jié)壁是否交圈和達到設(shè)計厚

11、度，測溫判斷凍土帷幕交圈并達到設(shè)計厚度再進行探孔試挖，確認凍結(jié)壁內(nèi)土層基本無孔隙水壓后再進行正式開挖。正式開挖后，根據(jù)凍土帷幕的穩(wěn)定性，可進入維護凍結(jié)，但鹽水溫度不應(yīng)高于-18C。在開挖過程中，要定期檢測凍結(jié)壁暴露面的溫度與變形，發(fā)現(xiàn)問題，及時處理。4、凍結(jié)施工質(zhì)量的檢驗與控制方法(1)凍結(jié)孔施工質(zhì)量檢驗與控制凍結(jié)孔施工使本工程的關(guān)鍵工序。冷凍孔施工按下圖2所示的“鉆孔質(zhì)量控制程序”進行。其質(zhì)量要求和檢驗、控制方法見表1。(2)凍結(jié)系統(tǒng)安裝質(zhì)量檢驗凍結(jié)系統(tǒng)安裝質(zhì)量是凍結(jié)施工的基本保證條件之一。凍結(jié)系統(tǒng)安裝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢驗方法見表2。(3)凍結(jié)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)與凍結(jié)壁形成質(zhì)量檢驗凍結(jié)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常是凍結(jié)壁按

12、設(shè)計形成的前提條件。凍結(jié)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)是否正常和凍結(jié)壁是否按設(shè)計形成，直接影響凍結(jié)和隧道掘砌施工的安全和速度。凍結(jié)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)與凍結(jié)壁形成質(zhì)量指標(biāo)與檢驗方法見表3。施工準(zhǔn)備搭設(shè)工作平臺測量定孔位鉆機安裝定向開孔安裝孔口裝置、導(dǎo)向管、扶正器移位、找正調(diào)制泥漿 正常鉆進、下管 測斜 糾 偏成孔測斜凍結(jié)器密封試 壓單孔完成圖2 鉆孔質(zhì)量控制程序凍結(jié)孔施工質(zhì)量的檢驗與控制方法 表1序號檢測內(nèi)容設(shè)計要求檢驗與控制方法1凍結(jié)孔孔位偏離設(shè)計孔位不大于5cm以隧道中心線和隧道軌面(或腰線)為基準(zhǔn)，用鋼卷尺測量放孔位。安裝孔口管和成孔后對孔位進行復(fù)核。2凍結(jié)孔深比凍結(jié)長度大0.5m1.5m鉆進時丈量鉆桿或跟管鉆套管長度。

13、成孔后下1寸鋼管復(fù)測孔深。3凍結(jié)孔偏斜不大于8用陀螺測斜儀測斜，開孔段用經(jīng)緯儀燈光測斜校核。鉆進時每隔1020m測量一次鉆孔偏斜，并將測斜結(jié)果繪制在控制圖上。下凍結(jié)管后復(fù)測偏斜，并繪制鉆孔偏斜透視圖。施工完所有凍結(jié)孔后繪制凍結(jié)壁交圈圖。鉆孔偏斜超標(biāo)時下扶正器糾斜。4凍結(jié)孔終孔間距不大于2m按凍結(jié)孔測斜資料計算終孔間距。為了控制凍結(jié)孔最大孔間距，應(yīng)先隔一個凍結(jié)孔鉆進，然后根據(jù)這兩孔的偏斜情況，適當(dāng)調(diào)整中間凍結(jié)孔的鉆進偏斜。5凍結(jié)管規(guī)格規(guī)格與鋼號與設(shè)計一致檢查出廠合格證和檢驗報告。6凍結(jié)管長度不小于設(shè)計凍結(jié)深度0.5m施工時對每截凍結(jié)管材進行丈量、編號。成孔后下1寸鋼管復(fù)測孔深。7凍結(jié)管耐壓在0.

14、81.2Mpa壓力下穩(wěn)壓30min用泥漿泵或手壓泵注水大壓。為了保證凍結(jié)管的密封性，在凍結(jié)管絲扣處涂抹密封劑。8供液管規(guī)格規(guī)格與設(shè)計一致檢查出廠合格證和檢驗報告。9供液管長度不小于凍結(jié)管長0.5m供液管下到凍結(jié)管管底。下供液管時用鋼卷尺丈量供液管長度。10凍結(jié)管充填充填量不小于凍結(jié)管內(nèi)體積的80凍結(jié)結(jié)束后要對凍結(jié)管進行充填，以免凍結(jié)管銹蝕后導(dǎo)水。充填用水泥漿或水泥砂，直接用砂漿泵從供液管泵入。充填量按泵量計算。凍結(jié)系統(tǒng)安裝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢驗方法 表2序號檢測項目設(shè)計要求試驗、檢驗方法1裝備能力冷凍機裝機容量727.4kw檢查設(shè)備銘牌和說明書鹽水泵總流量7841120m3/h檢查設(shè)備銘牌和說明書冷卻

15、水泵總流量600m3/h檢查設(shè)備銘牌和說明書供電能力780kw由建設(shè)單位提供2冷凍機安裝底座找平水平儀找平用水平儀找平主機聯(lián)軸器找正中心度誤差0.075mm,軸線偏斜0.03用千分表量測管路連接按設(shè)備要求按產(chǎn)品說明書連接、調(diào)試電氣連接按設(shè)備要求按產(chǎn)品說明書接線、調(diào)試試漏高壓和低壓系統(tǒng)試漏壓力分別為1.8MPa和1.2MPa，穩(wěn)壓時間為18h用抽氟機打壓真空試驗5.332kPa保持24h回升0.667kPa用抽氟機抽真空3鹽水系統(tǒng)安裝鹽水泵底座找平水平儀找平用水平儀找平鹽水泵聯(lián)軸器找正中心度誤差0.1mm,間隙0.3mm用千分表量測泵主軸密封滴油1020滴/min試運轉(zhuǎn)鹽水管路安裝按凍結(jié)系統(tǒng)設(shè)計

16、圖按圖檢查鹽水管路試漏打壓0.8MPa穩(wěn)定10min用手動打壓泵打壓4清水系統(tǒng)安裝清水泵底座找平水平儀找平用水平儀找平清水泵聯(lián)軸器找正中心度誤差0.1mm,間隙0.3mm用千分表量測泵主軸密封滴油1020滴/min試運轉(zhuǎn)清水管路安裝按凍結(jié)系統(tǒng)設(shè)計圖按圖檢查清水管路試漏打壓0.3MPa穩(wěn)定10min用手動打壓泵打壓5電氣系統(tǒng)耐壓試驗低壓系統(tǒng)耐壓1000v用搖表試壓6鹽水濃度鹽水比重為1.261.265用比重計量測凍結(jié)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)與凍結(jié)壁壁形成質(zhì)量檢驗方法 表3序號檢測內(nèi)容設(shè)計要求檢驗方法1凍結(jié)制冷系統(tǒng)運轉(zhuǎn)制冷系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常，系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)符合設(shè)備要求檢測去、回路鹽水溫度、流量和冷卻水溫度，檢查冷凍機上的

17、控制儀表讀數(shù)。2鹽水溫度設(shè)計最低鹽水溫度-24-28,開凍7天達到-20用精度為0.3的精密溫度計檢測去路干管鹽水溫度3凍結(jié)壁交圈時間凍結(jié)壁交圈時間30d觀測水文孔水壓，壓力明顯上升時為凍結(jié)壁交圈。4凍結(jié)壁達到設(shè)計厚度時間達到凍結(jié)壁設(shè)計厚度時間為35天根據(jù)測溫孔測溫數(shù)據(jù)確定。5凍結(jié)管工作狀態(tài)凍結(jié)管無斷裂通過監(jiān)測鹽水箱液面與凍結(jié)器回液軟管積霜檢查凍結(jié)管是否漏鹽水。五、機具設(shè)備(見表4) 機具設(shè)備表 表4序號名稱規(guī)格型號數(shù)量用途1鉆機MKD5S4用于打鉆2泥漿泵TBW850/504用于打鉆3除砂泵自制1用于打鉆4水平測斜儀TY12用于打鉆5水平定向儀自制2用于打鉆6造斜器自制3用于打鉆7扶正器自制

18、10用于打鉆8電焊機BS4004用于打鉆9泥漿測定儀1用于打鉆10試壓泵2用于打鉆11冷凍機YSKF2202用于凍結(jié)12冷凍機YSKF2162用于凍結(jié)13冷卻塔DBL2003用于凍結(jié)14鹽水泵8SH13A2用于凍結(jié)15清水泵IS1251002003用于凍結(jié)16測溫儀自制14用于凍結(jié)17流量計5用于凍結(jié)18抽氟機自制1用于凍結(jié)六、勞力組織勞力組織 （一個工班） 表5序號崗位工種人數(shù)說明一鉆孔施工541技術(shù)負責(zé)人12鉆探工程師13材料員14鉆工305泥漿站工46焊工127車工18鉗工29電工2二凍結(jié)施工211 技術(shù)負責(zé)人12工程師13材料員14質(zhì)檢員15安全員16電工27焊工28制冷綜合工12七、

19、質(zhì)量控制措施1、為了確保施工安全，在打第一個凍結(jié)孔時，及時分析主要地層鉆進過程的參數(shù)變化情況，檢查地質(zhì)、水文情況，如有異常，及時采取措施，必要時修正凍結(jié)鉆孔施工參數(shù)。2、提高凍結(jié)施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。限制凍結(jié)孔向隧道內(nèi)偏斜，最大孔間距一般控制在2.2m以內(nèi)，如個別超標(biāo)，將整體分析交圈情況，決定是否采用補孔措施。3、為了保證凍結(jié)工程質(zhì)量，將使用國內(nèi)最先進的高精度水平陀螺儀、糾偏組合鉆具、氟里昂螺桿鹽水制冷機組和凍結(jié)工程監(jiān)測系統(tǒng)。4、不同的地質(zhì)條件使用不同的鉆頭，合理采用鉆進技術(shù)參數(shù)，嚴(yán)格控制鉆進壓力，預(yù)先估計鉆桿、鉆具的自重影響，適當(dāng)抬起鉆桿角度，消除鉆桿、鉆具自重因素而造成的偏差。5、鉆進過程中嚴(yán)格監(jiān)

20、測孔斜，原則上每20m30m測斜一次，測斜后要及時繪制鉆孔偏斜透視圖，發(fā)現(xiàn)超偏及時糾正。6、每個凍結(jié)器都要安裝進回液閥門，及時調(diào)整各個凍結(jié)器的流量。通過流量測定和溫度測定，隨時掌握凍結(jié)器的運行情況。7、安裝鹽水干管時要確保設(shè)計坡度，以免管內(nèi)聚集空氣影響鹽水的流動。必要時鹽水系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置放空閥。8、用溫度檢測系統(tǒng)監(jiān)測凍結(jié)孔的溫度變化，及時預(yù)計凍結(jié)壁的發(fā)展?fàn)顩r。在掘進過程中，要經(jīng)常測量隧道壁面溫度和凍土實際所處位置，對凍結(jié)壁狀態(tài)進行預(yù)報，必要時調(diào)整凍結(jié)供冷參數(shù)。9、為了減少凍結(jié)施工中凍脹和融沉對地面的影響，在凍結(jié)初期，應(yīng)采取快速降溫凍結(jié)措施，以減小地面凍脹影響（同時也要考慮到溫度應(yīng)力對凍結(jié)管產(chǎn)生的不利因素）。凍結(jié)壁融化時，要隨時監(jiān)測地面的下沉情況，一旦沉降量超過地表下沉允許值時，就要及時進行跟蹤注漿。八、安全措施除嚴(yán)格遵守地鐵施工安全操作規(guī)程外，還應(yīng)采取以下措施：1、組織相關(guān)施工人員學(xué)習(xí)安全操作規(guī)程，進行崗前培訓(xùn)。2、編制