凍結(jié)法施工在地鐵隧道開挖中的應(yīng)用

凍結(jié)法施工在地鐵施工中的應(yīng)用xxxx新區(qū)投資控股有限公司內(nèi)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(jù)。關(guān)鍵詞凍結(jié)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(shè)計為單洞雙層。根據(jù)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(nèi)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(shù)達150m/d。豎井以東YSK2+013～YSK2+056段拱部開挖輪廓線以內(nèi)局部位于礫砂層和卵石層中，該種地質(zhì)屬強透水層，結(jié)構(gòu)松散，自承力極差，為Ⅵ級圍巖，極易產(chǎn)生突水、涌砂、坍塌冒頂?shù)痊F(xiàn)象。上部又有鐵路橋通過，為確?，F(xiàn)狀鐵路橋安全，經(jīng)專家論證，決定對該區(qū)段采用凍結(jié)帷幕止水方案。2冷凍施工技術(shù)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(jié)冰后將固體顆粒膠結(jié)成整體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生質(zhì)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(jié)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(jié)冰，呈現(xiàn)過冷現(xiàn)象；3——突變段：水過冷后一旦結(jié)晶，就立即放出結(jié)冰潛熱，出現(xiàn)升溫現(xiàn)象；4——凍結(jié)段：溫度上升接近0℃時穩(wěn)定下來，土體中的水便產(chǎn)生結(jié)冰（t4）過程，將礦物顆粒膠結(jié)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(zhì)，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(zhì)都有很單大的影響。尾冰：漫水結(jié)冰時體積周約增你大扛9.07腰%膝，密度減問小復(fù)8.31壇%袍。亡未凍水：輪土壤凍結(jié)是隨蝶時間而變化的饅復(fù)雜熱過程，糊土中孔隙水是祥逐漸凍結(jié)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(nèi)脖土壤處于由融揪土經(jīng)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(zhì)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(nèi)未撞凍水含量的變則化。倘2.2英漢凍結(jié)帷幕設(shè)計充凍結(jié)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(chǎn)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(jié)壁和凍結(jié)鞠管可能遭受破懶壞。因此，凍姐結(jié)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(jīng)諸過驗算，凍結(jié)胃壁厚度設(shè)計叨為語1.0削m沙時能滿足要求坑。冶2.2.1盆與凍結(jié)孔深度的獲確定享根據(jù)該段的實皮際地質(zhì)資料及辱凍結(jié)的效果，渴確定該段凍結(jié)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(jié)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(jié)孔間距的新確定拘根據(jù)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(jié)定壁蛋,殊采用布孔小間遮距，鹽水大流樹量，凍結(jié)管大羅管徑等措施。律因工期緊迫，里積極凍結(jié)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(jié)交圈形成鼓凍結(jié)壁，根據(jù)純積極凍惑結(jié)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(jié)孔沫孔底間距定燕為這850m箭m精，而凍結(jié)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(jié)孔樓間距河為奏700m療m牌。由凍結(jié)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(jié)壁的匙幾個參數(shù)1、鹽水溫度賭鹽水溫度是影家響凍結(jié)技術(shù)經(jīng)建濟效益的主要奇參數(shù)之一。降增低鹽水溫度對猜加快凍土擴展墾和提高凍結(jié)強及度、穩(wěn)定性有誦一定的作用，晴但也相應(yīng)地加病大了冷凍站的證制冷量，增大璃了工程投資。雹本設(shè)計鹽水溫稠度為：積極凍農(nóng)結(jié)期物間揭-2句4笛～擺-2閘8尋℃求；維護凍結(jié)期輪間遙-1偶8蘆～復(fù)-2家0沒℃孔。戚2財、凍結(jié)孔終孔典間距過凍結(jié)孔終孔間氣距是影響凍結(jié)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(jié)時朗間和消弱凍結(jié)芝壁的強度。腿本設(shè)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(jié)壁平均御溫度監(jiān)主要與鹽水溫派度、孔距、壁筒厚、凍結(jié)管直下徑及地下水溫嫩度等因素有關(guān)翼。本設(shè)計凍結(jié)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(jié)壁平均壤溫度、凍結(jié)速押度及荷載作用亦速度、作用時撞間有關(guān)。本設(shè)路計凍結(jié)壁極限懸抗壓強度站為盲10MP磚a便。篩2.3殺卵凍結(jié)施工啟本段凍結(jié)帷幕煩有三面的凍結(jié)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(jié)止水帷幕平面布置圖就凍結(jié)帷幕止水軌工程采用一次戶凍全深的方案青，凍結(jié)深度秘為溝25柴m卻。湖本段凍結(jié)帷幕脾的鉆孔總工程丹量壟為造4047暖m尸。先①千凍結(jié)孔數(shù)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(shè)置花管）斤。藏2.3.1妻嗚凍結(jié)孔施工薦凍結(jié)孔施工總軟長度通為有4047妄m顛，施工總孔陷數(shù)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(zhì)量，布每孔必須保證款設(shè)計深度；冠2玩、鉆孔偏斜率濾：全孔偏斜應(yīng)悶控制凈在貴3展‰向之內(nèi)；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(diào)內(nèi)采用的測斜務(wù)有經(jīng)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(jīng)緯儀燈光測纖斜法對凍結(jié)孔漁進行測斜。稻3具、鉆孔試漏：類經(jīng)測斜合格的壯凍結(jié)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(jié)管下置慌以前應(yīng)清除管劉內(nèi)雜物，除銹射，并按深度配鍬好管，編號記余錄?？p5譜、凍結(jié)管采用報外接箍對焊，腹套箍、凍結(jié)管隔材質(zhì)應(yīng)與焊條抄相適應(yīng)，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(zhì)泥諸漿，增強鉆孔災(zāi)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(jié)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(diào)。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(shù)慈計算結(jié)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(cè)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(shè)備選型與配請組甚凍結(jié)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(shè)備見鏡表闖1狠。欄該設(shè)備具有如址下優(yōu)點：拳①旬廠房占地面積唐?。皇茛谡n安裝方便，安格裝工程量小；丈③醉制冷能力調(diào)節(jié)店靈活；旨④戒新型設(shè)備，制侄冷效率高。售主要施工設(shè)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(shù)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(xué)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(jié)站安裝購凍結(jié)站駝自益200吼3紗年拳1蒸月受2項日開始安裝，葛經(jīng)闖過稀7債d總安裝完畢，糧至名1輝月適8武日凍結(jié)站供配蹲電系統(tǒng)正常，矮鹽水池內(nèi)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(jīng)打壓試漏仿合格，達到運嫁轉(zhuǎn)條件。凱2.3.6弟典凍結(jié)站運轉(zhuǎn)嚷凍結(jié)站橡于患200美3揪年海1避月妨8攜日開機試運轉(zhuǎn)低，勺1習月墾1騾0灘日正式運轉(zhuǎn)，如凍結(jié)運轉(zhuǎn)類至卵4坑月差2決7排日結(jié)束，歷意時爬108老d集。運轉(zhuǎn)期間各紗冷凍機組運轉(zhuǎn)阻正常，各凍結(jié)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(fù)。雄逐熔積極凍結(jié)和維拐護凍結(jié)分為提高抵御地浸下水流速較大頂?shù)哪芰?，除采鋪取以上措施外撈，輸送低溫鹽界水也是加快凍災(zāi)土發(fā)展的一項拋主要措施，本鍛設(shè)計鹽水溫度孩積極凍結(jié)期間研采另用濕-24儀～拒-2鞏8本℃頌，維護凍結(jié)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(jié)站正常運泉轉(zhuǎn)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(jù)測溫資料芹發(fā)現(xiàn)整個凍結(jié)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(yù)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(yù)期歪的籍22mm/占d持。堪為準確掌握凍屠結(jié)的實際情況麥，對全部凍結(jié)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(jié)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(nèi)，在該深度段講冷量散失嚴重左，凍結(jié)溫度比攤其他深度高出拘約支10判℃瞇。爐通過凍結(jié)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(jù)地質(zhì)資料五，該凍結(jié)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(jīng)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(jié)果，當部分帥地下水流速相風對小的地方凍夜結(jié)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?shù)侥?供0條～該60m/饞d最。幸②稼凍結(jié)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(lǐng)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(jié)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(jié)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(jié)管串冷量散失嚴重哭，凍結(jié)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(jié)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(jié)站管里理，提高制冷傭效率，積極降淘溫。調(diào)整凍結(jié)際管的冷量，各盯個突破，首先面將北面社的啊E攪邊凍結(jié)，使帷肌幕范圍內(nèi)成靜誠水狀態(tài)，加快射凍結(jié)速度。誠②斜在水流上方生（勵E怠邊凍結(jié)壁外側(cè)狹）設(shè)置降水井鴉，目的是減少嘗地下水流速度腦，降低凍結(jié)帷原幕內(nèi)、外水位宗差，達到凍結(jié)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(jié)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(jié)段最薄萌弱處（地下暗煤河入口處）增倉打加強凍結(jié)孔填，使外界熱水代在通過凍結(jié)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(jié)帷幕交圈繭在捉E施線外側(cè)打?qū)Ａ藥?波個降水井，同夕時稀在扎A躍線東側(cè)下、損E津線南側(cè)輪及兩C壁線西側(cè)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(cè)增打加賞強凍結(jié)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(nèi)刺10脈m悄深處的溫度開質(zhì)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(jié)壁塞厚度達似到幸1.25淺m猴。鍬5.1.1職塔凍結(jié)帷幕交圈船的判斷栽①剖測溫孔內(nèi)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(nèi)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(jié)基本交劣圈，凍結(jié)管周凱圍的凍結(jié)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(jié)管內(nèi)提麻供的冷量基本御保持平衡。依②念凍結(jié)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(jié)帷幕已午交圈，則帷幕婆內(nèi)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(nèi)的水位獅基本保持在一巧穩(wěn)定的高度，鼻說明帷幕內(nèi)外渡的水已被凍土叫墻隔斷。錦5.1.2碼切凍結(jié)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(yīng)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(fù)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(nèi)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(nèi)外暖水力聯(lián)系已隔優(yōu)斷，凍結(jié)帷幕南已經(jīng)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(jié)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(jié)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(nèi)注漿層的效果，決定樸先把帷幕內(nèi)的糞存水排干。問①戰(zhàn)隧道內(nèi)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(yù)，孔內(nèi)安礦裝債φ羽50m檢m鬼的鋼花管泄水牢。乓帷幕內(nèi)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(nèi)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