冷冻法施工工法案例解析

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1 冷冻法施工工法案例解析

一、前言

广州地铁二号线过清泉街断裂带位于连新路下、隧道上方应元

路口交通繁忙，地面周边环境极其复杂。而且隧道的地质构造与地层岩性变化复杂，清泉街断裂带与地铁斜交，稳定性差，导水性强，施工难度高，风险大。我们在施工中成功运用全断面隧道长距离水平冷冻法施工技术，很好的解决了这一技术难题，完成了国内最长冻结长度的隧道冷冻法施工。我们将施工实践加以总结形成本工法。

二、工法特点

1、冻结加固体强度高，可以做到不漏水，洞内施工环境较好。

2、施工安全，隧道进洞开挖后，进展较快。

3、不受地表场地及深度限制，且不污染环境，对周边环境影

响较小，适合城市地下建设，特别是繁华市区内工程建设。

三、适用范围

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2 本工法适用于对通过断层破碎带、流砂层、淤泥层等易坍塌且

富含水隧道的地层加固。

四、施工工艺

（一）工艺原理

冷冻法加固土体，矿山法开挖构筑的基本原理是：在隧道周围布置水平冻结孔，并在冻结孔中循环低温盐水，使冻结孔附近的含水地层结冰，形成强度高，封闭性好的冻结壁（冻结帷幕），然后在冻结壁的保护下运用矿山法进行隧道开挖与构筑施工。水平地层冻结加固和开挖构筑的主要施工顺序为：施工准备———冻结孔施工，同时安装冻结制冷系统———安装冻结盐水系统和监测系统———积极冻结———试挖———隧道掘进与临时支护，维护冻结———永久支护———停止冻结。其关键工序是冻结孔施工和冻结过程的监测与控制(见图1)。

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3 （二）施工方法

1、施工准备

(1)用风机房基坑作冻结施工工作井。风机房基坑尺寸应满足

冻结孔布置和打钻的需要。

(2)工作井内设上、下人的扶梯。用2#钢管搭建脚手架，并铺设5cm厚的木板作为冻结孔施工平台。施工平台上搭建雨蓬。施工平台搭建要考虑隧道掘进施工的要求。

(3)冻结施工用电直接由工地变电站供给。变电站与动力设备的开关柜之间用电缆连接。

(4)在工作井下与地面之间敷设供、排水管各一道，并在工作井内设流量不小于30m3/h的排水用潜水泵一台。

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4 (5)泥浆池也设在工作井内。打钻设备用汽车起重机吊到工作

井下。

2、冻结孔施工

(1)冻结管、测温管、水文管和供液管规格

冻结管、测温管和水文管均选用壁厚不小于7mm的φ108低碳无缝钢管，单根管材长度2～4m,采用丝扣连接。冻结管连接用手工焊、补焊。在含水层位置水文管设滤孔，滤孔面积为10%。供液管选用内径50mm的聚乙烯增强塑料管或钢管。冻结管羊角用2#钢管。

(2)打钻设备选型

针对水平冻结孔的施工特点以及施工场地的限制，要求所选用的钻机至少能打70m长的钻孔并容易控制钻孔偏斜度，输出扭矩与给进力大，钻机的体积要小，分解方便，搬运灵活。为此，选用中煤煤炭科学研究总院研制的水平钻机，其主要技术性能参数为：输出扭矩2000kN·m

给进及起拔力50kN

钻孔最大直径Ф127mm

最大行程480mm

用冻结管作钻杆。视地层不同采用刮刀钻头、牙轮钻头和全断面金刚石钻头，钻头后面连接系自行研制的逆止和密封装置。钻孔测斜采用专门研制TY-1型压电式高精度水平钻孔陀螺测斜仪，浅部用经纬仪灯光测斜校准。

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5 (3)冻结孔质量要求

根据建设方提供的施工基准点，按冻结孔施工图布置冻结孔。

孔位偏差不应大于50mm。冻结孔孔径为127mm。冻结孔实际钻进深度应壁设计深度大。钻孔的偏斜应控制在8‰以内，成孔最大间距不大于2m。

(4)冻结孔开孔

在冻结孔布孔高度范围内用Ф38mm小口径钻钻孔检查地层稳定性，如有冒砂现象，则需进行双液壁后注浆。如发现土层水压较大，则需安装孔口管后再行钻进。安装孔口管时先用Ф140mm金刚石取芯钻进250mm左右，然后插入孔口管并用锚固树脂锚固。孔口管用Ф139×6mm无缝钢管加工，旁路接’截止阀及泥浆管接头。管口安装法兰及压紧密封装置。

(5)冻结孔钻进与冻结器安装

①按冻结孔设计方位要求固定钻机。随钻机放入冻结管。冻结管丝扣要补焊。冻结管下到设计深度后下堵丝密封头部。

②为了保证钻孔精度，开孔段钻进是关键。钻进前10～20m时，要反复校核钻杆方向，调整钻机位置，并用经纬仪或陀螺仪检测偏差无问题后方可继续钻进。

③冻结管下入孔内前要先配管，保证冻结管同心度。下好冻结管后，用测斜仪进行测斜，然后复测冻结孔深度。冻结管长度和偏斜合格后安装底部密封丝堵，并进行打压试漏。冻结孔试漏压力控制再～之间，稳定30分钟压力无变化者为试压合格。

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6 ④冻结管安装完毕后，用堵漏材料密封冻结管与基坑混凝土墙

之间的间隙。

⑤在冻结管内下入供液管，然后安装去、回路羊角和冻结管端盖。测温孔施工方法和要求与冻结孔相同。水文孔安装后要进行洗孔，确保出水畅通。

3、冻结制冷系统安装

(1)冻结制冷设备选型与管路设计

①选用YSKF220型冷冻机2套，YSKF216型冷冻机2套，当盐水温度在-24°C，冷却水温度28°C时，其总制冷量为

677680kcal/h。冷冻机组电机总功率为610kw。

②8SH-13A盐水循环泵2台，流量270m3/h，扬程36m，电机总功率90kw。

③S冷冻水循环泵3台，流量200m3/h，扬程20m，电机总功率;DBL-200型冷却塔3台，电机总功率。

④设盐水箱一个，容积6m3。

⑤盐水干管和集配液管均选用Ф219×8mm和Ф159×6mm钢管，集、配液管与羊角连接选用2#高压胶管。

⑥冷却水管总管和支管分别选用12#和6#焊管。

⑦在去、回路盐水管路上安装压力表、流量计、温度传感器和控制阀门。

⑧冷冻施工冷却水用量为50 m3/h,总用电量约780kw。

⑨其他

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冷冻机油：选用N40冷冻机油。

制冷剂：选用R22制冷剂。

冷媒剂：用氯化钙溶液作为冷冻循环盐水。

冻结管封闭：冷冻端封头采用中煤公司的专利技术。

(2)冻结站布置与设备安装

将冷冻站布置在风机房基坑附近地面。站内设备主要包括配电

柜、冷冻机、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及清水池等。设备安装按设备使用说明书的要求进行。

(3)管路连接、保温与测试仪表安装

盐水和冷却水管路用法兰连接。管路应固定牢固。去、回路盐水管路和冷却水循环管路上安装压力表、流量计、流量计和控制阀门。盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温，保温层厚度为50mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎。集配液圈与冷冻管的连接用高压胶管，每根冻结管的进出口各装阀门（或夹板）一个，以便控制流量。

冷冻机组的蒸发器及低温管路用棉絮保温，盐水箱和盐水干管50mm的聚苯乙烯泡沫塑料板保温。

(4)溶解氯化钙和机组充氟加油

盐水（氯化钙溶液）比重为～,先在盐水箱内充满清水，逐步溶解氯化钙，再送入盐水干管内，直至盐水系统充满为止，溶解氯化钙时要除去杂质。

(5)积极冻结与维护冻结

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8 ①冻结系统运转与积极冻结

设备安装完毕后进行调试和试运转。再运转时，要随时调节压

力、温度等各状态参数，使机组在有关工艺规程和设计要求的技术参数条件下运行。在冻结过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冷冻壁扩展情况，必要时调节冻结系统运行参数。冷冻系统运转正常后进入积极冻结。要求一周内盐水温度降低至-20°C以下。

②开挖与维护冻结

在积极冻结过程中，要根据实测温度数据判断冻结壁是否交圈和达到设计厚度，测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度再进行探孔试挖，确认冻结壁内土层基本无孔隙水压后再进行正式开挖。正式开挖后，根据冻土帷幕的稳定性，可进入维护冻结，但盐水温度不应高于-18°C。在开挖过程中，要定期检测冻结壁暴露面的温度与变形，发现问题，及时处理。

4、冻结施工质量的检验与控制方法

(1)冻结孔施工质量检验与控制

冻结孔施工使本工程的关键工序。冷冻孔施工按下图2所示的“钻孔质量控制程序”进行。其质量要求和检验、控制方法见表1。

(2)冻结系统安装质量检验

冻结系统安装质量是冻结施工的基本保证条件之一。冻结系统安装质量标准与检验方法见表2。

(3)冻结系统运转与冻结壁形成质量检验

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9 冻结系统运转正常是冻结壁按设计形成的前提条件。冻结系统

运转是否正常和冻结壁是否按设计形成，直接影响冻结和隧道掘砌施工的安全和速度。冻结系统运转与冻结壁形成质量指标与检验方法见表3。

冻结孔施工质量的检验与控制方法 表1

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冻结系统运转与冻结壁壁形成质量检验方法 表3

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12 五质量控制措施

1、为了确保施工安全，在打第一个冻结孔时，及时分析主要

地层钻进过程的参数变化情况，检查地质、水文情况，如有异常，及时采取措施，必要时修正冻结钻孔施工参数。

2、提高冻结施工质量标准。限制冻结孔向隧道内偏斜，最大孔间距一般控制在以内，如个别超标，将整体分析交圈情况，决定是否采用补孔措施。

3、为了保证冻结工程质量，将使用国内最先进的高精度水平陀螺仪、纠偏组合钻具、氟里昂螺杆盐水制冷机组和冻结工程监测系统。

4、不同的地质条件使用不同的钻头，合理采用钻进技术参数，严格控制钻进压力，预先估计钻杆、钻具的自重影响，适当抬起钻杆角度，消除钻杆、钻具自重因素而造成的偏差。

5、钻进过程中严格监测孔斜，原则上每20m～30m测斜一次，测斜后要及时绘制钻孔偏斜透视图，发现超偏及时纠正。

6、每个冻结器都要安装进回液阀门，及时调整各个冻结器的流量。通过流量测定和温度测定，随时掌握冻结器的运行情况。

7、安装盐水干管时要确保设计坡度，以免管内聚集空气影响盐水的流动。必要时盐水系统应设置放空阀。

8、用温度检测系统监测冻结孔的温度变化，及时预计冻结壁的发展状况。在掘进过程中，要经常测量隧道壁面温度和冻土实际所处位置，对冻结壁状态进行预报，必要时调整冻结供冷参数。

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13 9、为了减少冻结施工中冻胀和融沉对地面的影响，在冻结初

期，应采取快速降温冻结措施，以减小地面冻胀影响（同时也要考虑到温度应力对冻结管产生的不利因素）。冻结壁融化时，要随时监测地面的下沉情况，一旦沉降量超过地表下沉允许值时，就要及时进行跟踪注浆。

六安全措施

除严格遵守地铁施工安全操作规程外，还应采取以下措施：

1、组织相关施工人员学习安全操作规程，进行岗前培训。

2、编制和呈报安全计划，安全技术方案和安全措施，并认真贯彻落实。

3、积极做好安全生产检查，发现事故隐患，要及时整改。

4、检测隧道壁面温度和冻结壁变形情况，若发现异常，及时采取相应措施。

5、与隧道掘砌施工相配合，在冻结隧道内放炮施工时合理选择爆破方案和爆破参数，依照浅孔、密布、弱瀑，循序渐进的原则选用各参数，爆破时必须确保冻结管的正常工作。

七效益分析

对于通过断层破碎带、流砂层、淤泥层等易坍埸且富含水隧道，过去常规的施工方法：如大管棚小导管注浆超前支护或地面旋喷注浆加固地层等手段，有时受施工场地、工期、投资等的限制，甚至受其工法的制约，无法确保地层加固效果。而纪越区间过清泉街断裂带隧道采用水平冻结法施工，一次水平冻结长度，属国内最长，

v1.0 可编辑可修改而且制冷系统采用新型氟利昂盐水螺杆冷冻机组，降温速度快，盐水容易控制，自动化程度高，冻结效果非常好。在隧道掘进过程中，达到无漏水效果，很好地改善了洞内施工环境，且施工质量好，速度快，同时经冻结的地层稳定性好，安全性高。地表沉降的监测数据表明，用水平冷冻法施工所引的地表变化远远小于常规的施工方法。该方法的成功应用，对推动我国水平冻结技术的发展，具有极为重要的意义。

八、工程实例

广州地铁二号线纪念堂站—纪越区间隧道过清泉街断裂带，中铁十二局集团公司采用冻结法加固地层形成冻结圈、矿山法开挖构筑施工（一次水平冻结长度，属国内最长），有效地保证了工程质量和安全，在工期紧迫的情况下，其冷冻法施工质量好，速度快，不仅确保了冷冻施工效果，且为后续工程质量提供了有力保障。

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