凍結法施工在地鐵隧道開挖中的應用

凍結法施工在地鐵施工中的應用xxxx新區(qū)投資控股有限公司內容提要本文通過對冷凍法的施工原理和施工過程簡述，為今后類似工程提供參考依據。關鍵詞凍結帷幕地鐵1工程概況**地鐵一期工程4A標段區(qū)間起訖里程為YSK（ZSK）2+001.7～+260，線路走向由東向西，位于現(xiàn)狀道路下，先后穿越鐵路橋、現(xiàn)狀立交橋、現(xiàn)狀河流，全長258.3m，地下各種管道、管線眾多。除1號豎井（SK2+056～SK2+070）明挖施工外，其余為暗挖施工，暗挖隧道設計為單洞雙層。根據本工程的勘察資料，本段區(qū)間地層在勘探揭示深度范圍內上覆第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml）、海沖積層（Q4m+al）及第四系殘積層（Qel），下伏震旦系（Z）花崗片麻巖。該區(qū)域地下水主要補給來源為大氣降水及河水。雨季河水補給地下水，旱季地下水補給河水，地下水與河水水力聯(lián)系較為緊密。該區(qū)域地下含水層含水豐富，補給條件充足，特別是在14m以上的強滲透層，其滲透流速最大可達到15m/d，通過滲透流速反算的滲透系數達150m/d。豎井以東YSK2+013～YSK2+056段拱部開挖輪廓線以內局部位于礫砂層和卵石層中，該種地質屬強透水層，結構松散，自承力極差，為Ⅵ級圍巖，極易產生突水、涌砂、坍塌冒頂等現(xiàn)象。上部又有鐵路橋通過，為確?，F(xiàn)狀鐵路橋安全，經專家論證，決定對該區(qū)段采用凍結帷幕止水方案。2冷凍施工技術2.1冷凍法原理2.1.1凍土的形成過程凍土的形成過程,實際上是土層中地下水結冰后將固體顆粒膠結成整體的物理力學性質發(fā)生質變的過程,也是消耗冷量最多的過程,如圖1所示,地層中水的凍結過程可以劃分為五個階段:圖1凍土中水凍過程曲線圖1——冷卻段：向土層供冷初期,土體逐漸降溫以達到冰點；圖1凍土中水凍過程曲線圖2——過冷段：土體降溫至0℃以下時，自由水尚不結冰，呈現(xiàn)過冷現(xiàn)象；3——突變段：水過冷后一旦結晶，就立即放出結冰潛熱，出現(xiàn)升溫現(xiàn)象；4——凍結段：溫度上升接近0℃時穩(wěn)定下來，土體中的水便產生結冰（t4）過程，將礦物顆粒膠結成整體，形成凍土；5——凍土繼續(xù)冷卻段：隨著溫度的降低，凍土的強度逐漸加大。2.1.2凍土的組成乘凍土有三部分北組成：骨架、御冰和未凍水。捕骨架：躬礦物顆粒是凍叉土多相和多成戶分體系的主體駐，顆粒大小和星形狀直接影響策凍土的性質，厭礦物成分對凍會土的形成過程揪（冰的形成速逢度、膨脹等）化和性質都有很單大的影響。尾冰：漫水結冰時體積周約增你大扛9.07腰%膝，密度減問小復8.31壇%袍。亡未凍水：輪土壤凍結是隨蝶時間而變化的饅復雜熱過程，糊土中孔隙水是祥逐漸凍結的。釋實際上凍土中回在任何負溫下依總有一部分水神保持未凍狀態(tài)伯與凍土共存，褲在一定范圍內脖土壤處于由融揪土經塑性過渡太到堅硬凍土的窯中間狀態(tài)，而掌不同土壤的過劫渡狀態(tài)溫度是陰不同的，即凍急土中的未凍水棍含量取決于冷坐卻溫度、壓力習及礦物顆?；蚺杏袡C物的性質國，而冷卻溫度獲是影響未凍水轟含量的主要因敲素。負溫值的雨微小變化都會隔引起凍土內未撞凍水含量的變則化。倘2.2英漢凍結帷幕設計充凍結壁屬彈理性釘-懇粘滯披體陜,稱在外荷載作用描下呈彈性區(qū)和記塑性許區(qū)省,鄭并產生塑性變觸形柱,壇如塑性區(qū)或塑俱性變形超過允更許牧值匆,率凍結壁和凍結鞠管可能遭受破懶壞。因此，凍姐結壁厚度既要放滿足強度條件晝又要滿足變形述條件要求，經諸過驗算，凍結胃壁厚度設計叨為語1.0削m沙時能滿足要求坑。冶2.2.1盆與凍結孔深度的獲確定享根據該段的實皮際地質資料及辱凍結的效果，渴確定該段凍結嚴深度推為窩25斜m雕，以進入微風耀化花崗片麻巖蠟為準，保證凍劉結底墊的形成吩，確保隧道開教挖及支護施工咳安全。艇2.2.2臉盟凍結孔間距的新確定拘根據現(xiàn)場條件刪，因地下水流益速較大，為提蟻高凍土發(fā)展速注度，增強抵抗似地下水流速較稀大的能力，盡拘快形成凍結定壁蛋,殊采用布孔小間遮距，鹽水大流樹量，凍結管大羅管徑等措施。律因工期緊迫，里積極凍結期最便多安排一個月療時間仁（贈30溫d矛），其中要摧用察20朋d況達到冷凍相切月，土10菜d米凍結交圈形成鼓凍結壁，根據純積極凍惑結蒙22mm/盈d率的速度正常發(fā)套展，貧則嚷20×22×岔2=880m點m種，因此凍結孔沫孔底間距定燕為這850m箭m精，而凍結孔的寇全孔偏斜率規(guī)叫范要求唇為癢≦爐3喝‰慚，孔吐深錯25及m還，因此凍結孔樓間距河為奏700m療m牌。由凍結管采濫用退Φ陡127×4.適5m僻m弟無縫鋼管。臥2.2.3哲涌影響凍結壁的匙幾個參數1、鹽水溫度賭鹽水溫度是影家響凍結技術經建濟效益的主要奇參數之一。降增低鹽水溫度對猜加快凍土擴展墾和提高凍結強及度、穩(wěn)定性有誦一定的作用，晴但也相應地加病大了冷凍站的證制冷量，增大璃了工程投資。雹本設計鹽水溫稠度為：積極凍農結期物間揭-2句4笛～擺-2閘8尋℃求；維護凍結期輪間遙-1偶8蘆～復-2家0沒℃孔。戚2財、凍結孔終孔典間距過凍結孔終孔間氣距是影響凍結譯壁的形成平均辱時間和平均溫菌度的重要因素漆。間距過大，表將延長凍結時朗間和消弱凍結芝壁的強度。腿本設計相鄰兩灑孔的終孔間距朝不大南于葬850m記m簡。袖3殖、凍結壁平均御溫度監(jiān)主要與鹽水溫派度、孔距、壁筒厚、凍結管直下徑及地下水溫嫩度等因素有關翼。本設計凍結掩壁平均溫度哪取遼-竿8錄℃兇。4、凍土強度裁凍土屬于流變粱體，其強度主請要取決于顆粒朗組成、含水率眠、凍結壁平均壤溫度、凍結速押度及荷載作用亦速度、作用時撞間有關。本設路計凍結壁極限懸抗壓強度站為盲10MP磚a便。篩2.3殺卵凍結施工啟本段凍結帷幕煩有三面的凍結輛壁閉合利到濕1孩號豎井的鉆孔餓圍護樁，形成凍一封閉的止水壽墻。菠詳見之圖窩2剃。圖2圖2凍結止水帷幕平面布置圖就凍結帷幕止水軌工程采用一次戶凍全深的方案青，凍結深度秘為溝25柴m卻。湖本段凍結帷幕脾的鉆孔總工程丹量壟為造4047暖m尸。先①千凍結孔數考為禿14賠9桐個，布置測溫夢孔判1講2揉個，深第度墻25框m革；閃②喘布置水文胡孔偉2妻個（深度暫爐定潛11彎m穗，尤在扮4查～溝6佩m扒，偵8堂～屑10虹m萄處設置花管）斤。藏2.3.1妻嗚凍結孔施工薦凍結孔施工總軟長度通為有4047妄m顛，施工總孔陷數再16旗3孔個，采稅用懸1慎3翠臺汁XY-150暗型鉆機施工。侮1茫、孔深：為保評證工程質量，布每孔必須保證款設計深度；冠2玩、鉆孔偏斜率濾：全孔偏斜應悶控制凈在貴3展‰向之內；相鄰兩織個鉆孔終孔最曬大孔間距不超踐過秋850態(tài)mm掌，如有超出則烏在兩孔中間補弄一孔。目前國調內采用的測斜務有經緯儀燈光相測斜法和陀螺齊儀測斜法兩種脖。本標段采用揭經緯儀燈光測纖斜法對凍結孔漁進行測斜。稻3具、鉆孔試漏：類經測斜合格的壯凍結孔在使用旬前必須對每孔滔進行打壓試漏過，試驗壓力骨為韻2.5蹤Mpa歷,見穩(wěn)大壓鋒30min弱,免壓力不變?yōu)楹匣蟾?。?離、凍結管下置慌以前應清除管劉內雜物，除銹射，并按深度配鍬好管，編號記余錄?？p5譜、凍結管采用報外接箍對焊，腹套箍、凍結管隔材質應與焊條抄相適應，焊接為時每根管端部傍要對齊找正，炊保證同心度和曉垂直度，焊接女后不得有砂眼驚等缺陷。無6傘、配制優(yōu)質泥諸漿，增強鉆孔災護壁能力，防惠止塌孔。巾繭憤鹽水循環(huán)系統(tǒng)載1俱、鹽水干管和更集、配液圈選聰用億φ悶168×5龜mm富無縫鋼管，兩邪去兩回途共掛4穗路，心每量4留個凍結孔串聯(lián)蕉成一組，鹽水購流量菊為鏡8也m項3老/h吐，鹽水比重選燥用但1.2襲6調。勻總循環(huán)量違：皺W肢br賣=300眠m謀3喚/h被。攪2姥、鹽水泵選迷用謎10紙sh-9蘿型水念泵竟2秤臺票，廢1癢臺備用（每臺絹泵功率豆為驟75飲kw鐮，流蒙量陰Q=36睡0階—笑612檢m體3犧/h婚）。斥3坊、固體氯化鈣怪用量芳采用公式上：校G=1.2×霸gbr耕×無v/p怖gb石r把—拾每立方米鹽水垂中氯化鈣含量闊；助v失—稅鹽水總體積；僚p練—恭氯化鈣含水系碼數慈計算結斯果瓶G=33戲t王。揮呢饞管溝防護穴1遞、為減少鹽水棍在管路中流動裙時的冷量的損師失，用保溫材毫料把鋼管封包搞?。慌?釘、在管路兩側車用磚各砌一道殿高某1.4克m法的矮墻，墻頂系用薄板覆蓋，駕再用保溫材料惰滿鋪。扭2.3.4罪融設備選型與配請組甚凍結帷幕止水初工程選用螺桿俘制冷壓縮機全組既YSKF2-廁2塊0響型鼓3極臺股，忽YSKF2-朵1對6蝦壓縮機她組旨1功臺，總裝機容答量嗚170000啦0Kcal/琴h憂。地層需冷爸量張51.500席00Kcal醒/棋h拳，實際制冷量緒為汁766000雄Kcal/征h觸，實際制冷量她大于地層需冷鉤量，主要施工賣設備見鏡表闖1狠。欄該設備具有如址下優(yōu)點：拳①旬廠房占地面積唐小；瘦②課安裝方便，安格裝工程量??；丈③醉制冷能力調節(jié)店靈活；旨④戒新型設備，制侄冷效率高。售主要施工設備叼表達久式師幅圣票表餐1譜序號往名埋黃欠稱伯規(guī)藍殃旁格告單位余數量羨備裕喪航注呆1掃冷凍機鳳YSKF2-蹄20研臺早3張冷凍機須YSKF2-爹16嚷臺播1害2脆鹽水泵巴10SH-9傻臺甲2錢備致用撫1啞臺棵3魚循環(huán)水泵寬10SH-1痰0鑼臺袖2答備酸用亦1畫臺崇4毀鉆嚼腳滔機翁XY-100責臺搏13塊5顏冷卻塔刷CDBN-1離50米臺逝2終冷卻塔慨CDBN-5鞠0蛛臺侄1負6晴電焊機渠BDL-50學0豆臺父2攜7材打壓泵環(huán)DC-400朵臺遇1齡2.3.5卷繁凍結站安裝購凍結站駝自益200吼3紗年拳1蒸月受2項日開始安裝，葛經闖過稀7債d總安裝完畢，糧至名1輝月適8武日凍結站供配蹲電系統(tǒng)正常，矮鹽水池內氯化匠鈣全部溶解，叨三大循環(huán)系統(tǒng)脂已基本形成，怠并經打壓試漏仿合格，達到運嫁轉條件。凱2.3.6弟典凍結站運轉嚷凍結站橡于患200美3揪年海1避月妨8攜日開機試運轉低，勺1習月墾1騾0灘日正式運轉，如凍結運轉類至卵4坑月差2決7排日結束，歷意時爬108老d集。運轉期間各紗冷凍機組運轉阻正常，各凍結永器暢通無阻，隸鹽水溫度降溫著正常。鹽水降際溫情況見否圖盼3復。雄逐熔積極凍結和維拐護凍結分為提高抵御地浸下水流速較大頂的能力，除采鋪取以上措施外撈，輸送低溫鹽界水也是加快凍災土發(fā)展的一項拋主要措施，本鍛設計鹽水溫度孩積極凍結期間研采另用濕-24儀～拒-2鞏8本℃頌，維護凍結期慘鹽水溫度采嘩用伶-18射～點-2罪0輛℃那。禁3掏慧施工中出現(xiàn)的剝問題及原因分黨析英3.1峽脂施工中出現(xiàn)的哥問題速凍結站正常運泉轉鉗10橋d洲后運,騾對鋒1筐2案個測溫孔分別換在策5怠m煤、爹10驢m層、敏15府m擠、缸20徒m萄、理25城m蓄處進行測溫，豆根據測溫資料芹發(fā)現(xiàn)整個凍結獄段炸在婚8管～星12元m侮深度段水平降做溫緩慢，其印中齒A容、殃E哨線最不理想，野遠小于預期效雜果，每天降溫取僅鑒為耍0.1還℃藥，有時甚至溫兇度回升，凍土疊平均發(fā)展速度乖僅壩有厘7振～事8mm/顏d款，遠小于預期歪的籍22mm/占d持?？盀闇蚀_掌握凍屠結的實際情況麥，對全部凍結緊器進行縱向溫用度檢測，發(fā)現(xiàn)擇在汪10妻m濟水平各凍結孔利縱向溫度明顯盲偏高，其反映刮的情況與測溫丹情況完全相符內，在該深度段講冷量散失嚴重左，凍結溫度比攤其他深度高出拘約支10判℃瞇。爐通過凍結孔縱凡向溫度分析，第該暗河主要通識道位忠于邪E2竊5認～你E3乏0圖孔兼和宗A1醒8瞧～喇A2奏2我孔之間，寬度袖約漁4眼m腎。笑3.2撲齡原因分析嘉①用根據地質資料五，該凍結段地俊處些現(xiàn)狀暈河道，銀礫砂層下部分貨布一層卵石層特，卵石最大直咸徑丹達驗500灣mm鞋，該層中地下禍水具有較高的長流速，經采用截同位素示蹤法還測得該段的最踏大地下水流速惑達嚴到兄15m/鉤d腥，這是地下水寇漫流時的測算瞞結果，當部分帥地下水流速相風對小的地方凍夜結住后，地下病水僅從哨暗河處流，這悔必將增大該處棄地下水的流速荷，從水文孔的虎水位資料分析震，地下水流速畫達當到末4供0條～該60m/饞d最。幸②稼凍結施工前，者該地層已進行悅了高壓旋噴加隆固，把地層的嘩原始狀況已破傭壞界.杰③叉現(xiàn)狀區(qū)鐵路高架橋樁此基托換的人工鐵挖孔樁開挖時罷，由于強透水液層沒有很有效炎措施堵水，施階工時只有大量尾抽水，致使卵極石層中原有的裝充填物被水帶定走，形成空洞鑰，使地層透水許性增大，加上剪自北向南水力努坡度大，從而領形成地下暗河責，地下水流速歌極劇增大。螺④忘造成該凍結區(qū)呈段闊8植～沫12真m澡溫度偏高的原態(tài)因，首先說明嫩在該區(qū)段地下德熱交換很大，垮致使凍結管冷蠶量散失嚴重。聚地下水流速太楚大是造成該地正層降溫緩慢的武主要原因編。息1張#腦水文孔值和歇1悟#減參考井水位相食距煌24腳m肝，而水位相送差州2.01把m米，水力坡度達雹到舌8攔%帖，從而使地下釀水流速大大增射加。估算地下暑水流速達偶到崗4罵0星～姜60m/寄d多，造成該區(qū)段飼地下熱交換大賴，致使凍結管串冷量散失嚴重哭，凍結速度慢界。加4游延采取措施賴由上可知，該暈段地層降溫慢雷的原因是地下豐水流速太大，冤造成地下熱交倆換大，致使凍夾結管冷量散失辯嚴重。針對此占原因制定如下究措施：懷①衣加強凍結站管里理，提高制冷傭效率，積極降淘溫。調整凍結際管的冷量，各盯個突破，首先面將北面社的啊E攪邊凍結，使帷肌幕范圍內成靜誠水狀態(tài)，加快射凍結速度。誠②斜在水流上方生（勵E怠邊凍結壁外側狹）設置降水井鴉，目的是減少嘗地下水流速度腦，降低凍結帷原幕內、外水位宗差，達到凍結謹帷幕范圍水位欲基本平衡，種促使凍土加快早發(fā)展。把③川在凍結區(qū)薄弱極段增打灌漿孔血，從地面灌注忠水泥水玻璃雙嘩液漿，充填大事量抽水留下的樂地層孔隙，減誕小地下水流速漠。矛④縮在寸E攀線凍結段最薄萌弱處（地下暗煤河入口處）增倉打加強凍結孔填，使外界熱水代在通過凍結壁勤時，首先得到淘降溫，以利于奧凍土墻的快速撐形成。攻⑤窄為掌握凍土發(fā)櫻展情況，剛在李E億線增打水文孔荒和測溫孔。5效果剪5.1戒圖凍結帷幕交圈繭在捉E施線外側打專了帶5波個降水井，同夕時稀在扎A躍線東側下、損E津線南側輪及兩C壁線西側共打灌掛漿芹孔混1義1績個，階在吐E探線替E2茫6顆～舊E3望0蓄孔外側增打加賞強凍結捉孔走5形個，測溫困孔苗1閱個，水文際孔瞎2怕個。采取措施獵后，測溫孔廢內刺10脈m悄深處的溫度開質始下降，秘至毀3握月豎2理0第日溫度已達伸到糕-5.3裹℃聾，估算凍結壁塞厚度達似到幸1.25淺m猴。鍬5.1.1職塔凍結帷幕交圈船的判斷栽①剖測溫孔內各深懇度段的溫度都濫達到零攝氏度甩以下，并在一容段時間內溫度感下降的幅度很脫小，基本保持誼在一個溫度值笛不變，可以說疼明凍結基本交劣圈，凍結管周凱圍的凍結體直顛徑已達到一定秩的范圍，其周價邊與地下水進膛行的熱交換量梯與凍結管內提麻供的冷量基本御保持平衡。依②念凍結帷幕是否宣交圈的另一種吩比較直觀的判倘斷方法，是從阿水文孔的水位認變化情況。如串果凍結帷幕已午交圈，則帷幕婆內的水位基本捐不隨帷幕外的向水位變化而變斷化，也就是說工帷幕內的水位獅基本保持在一巧穩(wěn)定的高度，鼻說明帷幕內外渡的水已被凍土叫墻隔斷。錦5.1.2碼切凍結帷幕的實稿際情況劫3四月抓1疑0截日后各測溫孔挑所測溫度全部戀達到零攝氏度牽以下漂，掃3霞月迅2樂0妙日各測溫孔中真各深度段的溫應度基本達到最博低點插。禍3瞞月淋2洋2捷日停止降水井評抽水，人為地彎恢復帷幕外的嬌地下水位，水治位上噸漲弦3.64秩m鴉，而帷幕內水暈位則沒有上抬底，仍保持在原紫有的位置，這銹說明帷幕內外暖水力聯(lián)系已隔優(yōu)斷，凍結帷幕南已經形成，詳臟見鋤表霜2慨。動掃3勾月險2貴4蒙日駐地監(jiān)理組優(yōu)織專家對凍結斜帷幕進行了中獸間驗收，一致識同意可以隧道旬開挖施工。埋5.2賤除放水錯該段隧道開挖控拱頂標高蒙為烏-6屯m印，比凍結帷幕橋現(xiàn)有水位低將括近隆3午m蠟，為了保證隧挪道開挖時的安摔全及洞內注漿層的效果，決定樸先把帷幕內的糞存水排干。問①戰(zhàn)隧道內排水，講采用鉆機在掌綱子面從殘積土較層斜向上鉆孔業(yè)，孔底控制在核砂礫石層下部閱，孔徑懂為秩75m鎮(zhèn)m預，孔內安礦裝債φ羽50m檢m鬼的鋼花管泄水牢。乓帷幕內外水位各測量對比鵲表諒燃資表察2鋪孔號圾日期累絕對標高菜備注貍帷幕內水瘦位兇(沃m)健帷幕外水塔位但(旨m)紀3鳴月遵1膠7穗日揀-3.251芹-3.159淘3鏈月室1痛8煤日王-3.191訴-3.415府3屯月醉1怎9傳日虧-3.191捷-3.449秋3籠月獎2份0姐日沒-3.16