哈尔滨地铁2号线博工区间联络通道冷冻法施工技术

哈尔滨地铁2号线博工区间联络通道冷冻法施工技术(中国水利水电第四工程局有限公司轨道交通工程公司湖北武汉430000)
内容提要文章介绍了哈尔滨地铁2号线博工区间联络通道冷冻法施工技术，包括该方法的冻结施工参数计算、工序划分及施工方法，分析总结了地铁联络通道冷冻法的关键技术，可为类似高寒地带工程施工提供参考。

1工程概况
I.1区间概况
哈尔滨地铁2号线博物馆站~工人文化宫站区间设置一处联络通道兼泵房，联络通道处线间距II.100m,拱顶覆土厚度约9.8m,底板埋深约17.6m,采用矿山法施工。

联络通道及泵站范围内有一根100给水管，埋深2.0m;—根燃气©219,埋深1.7m;排水<|>400,埋深2.4m;电力管，埋深1.3m。

1.2工程及水文地质状况
博物馆站~工人文化宫站区间所处地貌为岗阜状平原，根据钻孔揭露和室内土工试验结果，该场地勘察深度内揭露的地层为第四纪地层。

表层由杂填土组成，上部地基主要由粉质黏土组成，下部主要由中粗砂厚薄不均黏性土组成。

根据勘探揭示的地层结构，勘探深度内场地地下水可分为上层滞水、孔隙承压水，该位置地下水位位于地下3.2m。

孔隙潜水初见水位埋深3.50~7.80m,地下水静止水位埋深为3.20~7.30m,标高115.33~117.58m(大连高程系)。

松花江阶地段孔隙承压转无压水初见水位埋深&80~11.50m,地下水静止水位埋深为8.5〜11.1m,标高11&54~119.84m (大连高程系)，抗浮设防水位123.5m。

1.3工程难点及控制原则
(1)对周围环境控制要求较高
隧道的抗变形能力较差，且联络通道地表存在道路及管线，变形控制要求高。

施工过程必须严格控制钻孔、开挖及冻胀、融沉对地层的扰动。

(2)结构施工环境较差
通道结构承受的水压大，抗渗要求高。

结构施工环境差，空间狭小，通道拱顶混凝土不易振捣密实,要保证结构不渗漏水难度较大。

2冻结加固方案
2.1施工工法
根据类似工程施工经验，联络通道施工拟采用“隧道内水平冻结加固土体，隧道内暗挖构筑”的全隧道内施工方案，即:在隧道内采用冻结法加固地层,然后在冻土帷幕中采用矿山法进行通道的开挖构筑施工。

2.2工序划分
本工程主要包括隧道内冻结孔造孔施工、冷冻站冻结系统安装、结构周围地层冷冻加固及联络通道开挖与构筑等主要工序。

隧道内结构开挖与构筑主要包括土体开挖、初次支护、防水施工、钢筋绑扎、模板支设、混凝土浇筑等施工工序。

2.3冻结加固方案设计
2.3.1冻结壁设计
收稿日期：2020-2-27
作者简介：韩志虎男(1978-)工程师中国水电四局轨道交通工懿司
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（1）冻土强度的设计指标为：单轴抗压强度不小于4.0MPa,抗折不小于2.0MPa,抗剪不小于1.5MPa （-ior）o
（2）冻结壁交圈时间：冻土发展速度平均按22~24mm/d计算，交圈时间约为24~26d,除冻结交圈时间，判定冻结壁胶圈与否还应根据水文观测孔（亦作泄压孔）压力值的变化情况，当泄压孔压力持续上涨，可判定冻结壁已交圈。

判定冻结帷幕厚度达到设计值与否则应根据温度监测数据进行推算，计算公式如下：
式中,T为冻土温度，七;T1为冻结管内冷媒剂（盐水）温度，°C;r/rl/r2分别为冻结柱内任意点至冻结管中心距离、冻结管外半径和冻土圆柱外半径，单位m。

计算冻结壁的有效厚度为1800mm。

（3）开挖区外围冻结孔布置圈上冻结壁与隧道管片交界处平均温度不高于-5弋，其它部位设计冻结壁平均温度为_10咒。

2.3.2冻结孔布置原则
（1）根据冻结帷幕设计及联络通道的结构，冻结孔按上仰、水平、下俯三种角度布置在联络通道和泵房的四周。

（2）冻结孔开孔位置误差不宜大于100mm,应避开管片接缝、螺栓、主筋和钢管片肋板。

（3）联络通道兼泵房底部用“V”字形布孔方式,开挖时泵房外围冻结管不割除。

（4）施工冻结孔时土体流失量不得大于冻结孔体积，否则应及时进行注浆控制地层沉降。

（5）联络通道共设计冻结孔65个，其中测温孔11个，透孔4个，泄压孔4个，左线冻结孔47个,右线冻结孔18个。

2.3.3测温孔、泄压孔布置
为了准确掌握冻结温度变化情况，联络通道设计11个测温孔用以监测冻结壁厚度、冻结壁平均温度、冻结壁与隧道管片界面温度和开挖区附近地层冻结情况。

为准确判断冻结壁是否交圈，并释放减少土层水土冻胀压力，每座联络通道与通道相接的隧道内两侧共布设4个泄压孔。

2.3.4主要冻结施工设计参数
（1）冻结壁交圈时间：冻土发展速度平均按22~24mm/d计算,交圈时间约为24~26d o
（2）冻结需冷量：冻结管散热系数取300kcal/ h-m2,冷量损耗取20%,
计算公式：Q=TrDxLx300xm（2-1）式中D—结管夕卜径，m;L—冻结管总长度，m; m―量损失系数，选取1.2;Q—需冷量，Kcal/h;
经计算:联络通道需冷量为4.0万Kcal/h。

冻结施工设计参数汇总详见表lo
表1主要冻结施工参数一览表
序号参数名称单位设计参数备注
1冻土帷幕厚度mm1800
2冻土帷幕平均温度*-10
3盐水最低温度-28
4单孔盐水流m3/h M5
5积极冻结时间天M40
可根据冻结
效果调整6冻结孔数量个65
7冻结孔开孔误差mm100
8冻结孔允许偏差mm150
9透孔数量个4
10测温孔数量个11
11卸压孔数量个4
12冻结管总长度m422.211
13冷冻总需冷量10^Kcal/h 4.25
2.4冻结施工
2.4.1冻结孔施工
2.4.1.1冻结管、测温管和供液管规格
冻结管、透孔选用的4）89X8mm低碳无缝钢管,单根管材长度以1.5~2m为宜，部分设置1.0m用于最后收尾，采用丝扣或坡口对焊连接，单根冻结管配管根据现场实际情况进行配管。

测温管材质一般宜同冻结管，供液管采用48mm钢管。

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2.4.1.2钻孔设备
选用MD-80A型钻机1台,BW-200泥浆泵1台；H190型或H200型夯管机，配风量不小于6n?/min空压机。

2.4.1.3冻结孔施工工序
先施工透孔，根据穿透孔的偏差，进一步调整有关钻进参数。

然后根据联络通道施工的孔位，采用由下向上的顺序进行施工。

2.4.1.4冻结孔开孔
管片上冻结孔开孔采用4>120金刚石取芯钻。

每个钻孔安装孔口管，孔口管用4）121x5mm无缝钢管加工，混凝土管片上的孔口管头部加工250mm长的鱼鳞扣，安装时在鱼鳞扣外面缠绕麻丝，安装深度不小20cm,安装完成后孔口管与管片之间采用双快水泥磨平固定，并且采用不小于4个连接点，且连接处不得采用电焊连接。

钻进时，在孔口管尾端连接孔口密封装置（见图1）。

安装孔口管时管片要留100mm 以上的保护层，其上布设4分球阀，用于钻孔后注浆充填空隙。

如冻结孔位置为钢管片，则将孔口管宜接焊接在钢管片上。

冻结孔开孔采用二次开孔工艺。

2.4.1.5冻结管钻进与冻结器安装
（1）按冻结孔设计方位要求固定钻机导轨，调整钻进方向。

（2）压紧孔口密封装置，打开孔口阀门，开始钻进。

（3）为了保证钻进精度，开孔段是关键。

钻进前2m时，要反复校核冻结管方向，调整钻机位置,并用精密罗盘检测偏斜无问题后方可继续钻进，且施工过程中冻结管连接处焊接完成后需静置15min后方可夯进，严禁焊接完成后立即进行钻进。

（4）冻结管下入孔内前要先配管，保证冻结管同心度。

钻好冻结管后，用测斜仪进行测斜，然后复测冻结孔深度，并进行打压试漏。

冻结孔试漏压力应为冻结工作面盐水压力的1.5~2倍，一般不小于0.8MPa,30分钟内压力下降不超过0.05MPa,再延续15min不变为合格。

对于上仰的冻结孔，可以安装供液管后再打压，或者适当延长稳压时间。

（5）冻结管安装完毕后，截去部分露出隧道管片的孔口管，并将冻结管与孔口管的间隙焊牢。

测温孔施工方法与冻结管相同。

（6）在冻结管内下入供液管。

供液管底端连接不小于0.15m长的支架。

然后安装去、回路羊角和冻结管端盖。

（7）冻结孔成孔后立即进行孔口注浆，然后拆卸孔口密封装置。

（8）冻结管钻进完成后采用圆钢或钢板进行封孔。

2.4.2冻结制冷系统设计与安装
2.4.2.1冻结制冷设备选型与管路设计
（1）根据实际工况，在地铁隧道内联络通道附近设置一个冷冻站，布置2台冷冻机组，其中］台运转，1台备用。

（2）冷冻站选用盐水循环泵或有相当流量及扬程的盐水泵2台，一用一备，单台流量198m3/h,扬程43m,电机功率37kW o
（3）冷冻站选用冷却水循环泵或有相当流量及扬程的冷却水循环泵2台，每台流量lOOn^/h,扬程20m,电机总功率18.5kW;配冷却水降温自喷装置。

（4）冷冻站设盐水箱1个，单个容积约6m3/个,盐水箱安装液位报警仪一台，并安装蜂鸣装置。

（5）联络通道周围的盐水干管和集配液管选用4>159mm X5mm钢管，集、配液管与羊角连接选用内径51mm高压胶管。

（6）冷却水管用4>133mm钢管。

（7）每个冷冻机进出水管上安装温度传感器,在盐水箱安装液位观察装置。

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（8）在联络通道配液圈与冻结器之间安装阀门二个，以便控制及监测冻结器盐水流量。

（9）在盐水管路的高处安装放气阀。

（10）盐水和清水管路耐压分别为0.7MPa和0.3MP&O
（11）联络通道冻结制冷施工冷却水用量为15m3/ h,最大总用负荷约201.5kW o
（12）其它
①冷冻机油：选用N46冷冻机油。

②制冷剂：选用R22制冷剂。

③冷媒剂：用氯化钙溶液作为冷冻循环盐水。

盐水比重为1.260~ 1.265O
2.4.2.2冻结站安装
根据现场实际施工条件，冷冻站布置于已施工完成的工人文化宫地铁车站。

冷冻站安装措施如下：（1）设备就位施工措施
1）设备就位后，要求进行操平找正，做到相同的设备一定要达到整齐化一的标准，各类型循环泵需与地面固定。

2）对于现场组装的制冷设备，安装前应将设备零部件及附属管道清洗干净，并应检查零部件表面有无损伤及缺陷，合格后方可按设备装配图纸进行组装。

（2）管道系统安装施工措施
1）阀门的选用应根据设计文件或使用工况（工作压力、工作温度等）的要求确定。

2）成排安装的阀门（如阀站），阀门手轮的中心应在同一条线上。

3）制冷系统管道安装之前，应将管子内的氧化皮、污杂物和锈蚀除去，使管道内壁出现金属光泽面并应将其两端封闭放置于干燥避雨的地方待用O 4）管子切口端面应平整不得有裂纹、重皮。

其毛刺、凸凹、缩口、熔渣、氧化铁、铁屑等应予以清除。

5）安装前，如果发现是旧阀门，要进行检修经密封性实验后方可使用，旧钢管一定要进行除锈、除污工作，以确保整个冻结站开机运转后系统畅通无阻。

2.4.2.3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，并用管架架设在施工平台上或隧道管片上。

盐水管路要离地面安装，避免浸水和高低起伏。

回路盐水干管上要做“门”字形弯起。

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。

集配液圈与冻结管的连接用高压胶管。

冻结孔每3~7个一串联，串联尽量应间隔进行，总分组控制在15组以内，应以每组冻结孔总长度相近为宜。

冷冻机组的蒸发器及低温管路保温用软质泡沫塑料。

盐水箱、盐水干管和冷冻板表面用聚苯乙烯泡沫板保温。

温度计、压力表和流量计安装要按有关规范进行。

2.4.2.4溶解氯化钙和机组充氟加油
先在盐水箱内注入约1/4的清水，然后开泵循环并逐步加入固体氯化钙，直至盐水浓度达到设计要求。

盐水箱内的盐水不能灌得太满，以免高于盐水箱口的冻结管盐水回流时溢出盐水箱。

机组充氟和冷冻机加油按照设备使用说明书的要求进行。

首先进行制冷系统的检漏和氮气冲洗，在确保系统无渗漏后，再充氟加油。

2.4.2.5隧道管片保温
在联络通道附近隧道管片内敷设保温层。

保温范围为：冻结壁外边界2m。

保温层材料采用5cm阻燃保温板铺设。

2.4.3冻结施工
2.4.
3.1管路测试及积极冻结
全部冷冻系统安装完成后，首先进行盐水系统试运转，清水系统不参与运转、冷冻机处于停机状态运转12h并观察液位，液位无变化方可确认制冷系统密闭无漏点。

盐水系统试漏完成后，检查确认冷冻电路系统、冷却水循环系统参数正常后方能开冷冻机。

冷冻机先空转1~3h,观察运转是否异常。

在试运转时，要逐步调节能量、压力、温度和电机负荷等各状态参数,使机组在有关设备规程和运行要求的技术参数条件下运行。

冷冻站正常运转一周盐水温度降至-18T以下,
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积极冻结15d盐水温度降到-24P以下。

开始冻结后，要巡回检查冻结器是否有断裂漏盐水的情况发生，一旦发现盐水漏失，立即关闭阀门。

并根据盐水漏失情况采取补救措施。

在冻结过程中，每天检测去、回路干管盐水温度、冻结器回路盐水温度、盐水箱液位变化、冷却水温度,观察冻结器头部结霜是否有异常融化。

在冻结运转初期，检测各冻结器的盐水流量，如发现检测流量小于设计要求，则应用控制阀门进行调节，或者加大盐水泵泵量，使其满足设计要求。

每天必须巡视冻结情况，每天监测测温孔温度，并根据测温数据，分析冻结壁的扩展速度和厚度，预计冻结壁达到设计厚度时间。

2.4.
3.2开挖条件判定
联络通道开挖时应该具备以下条件:
(1)积极冻结时间以冻结壁的厚度和平均温度达到设计值为标准并要求开挖前盐水温度降到-28r 以下。

(2)根据测温孔测温结果计算，冻土帷幕平均温度和薄弱处冻土厚度达到设计值。

(3)在冻结帷幕比较薄弱的区域打设探孔验证冻土帷幕厚度和冻土温度，以判断冻结效果。

打探孔的位置在布置时应选取在设计冻结帷幕边界附近，并结合钻孔偏斜图和实际测温结果来确定，原则上选取终孔间距相对较大，积极冻结期间盐水循环相对较差和实测温度相对较高的冻结孔的附近钻设。

注意钻孔方向应与联络通道平行，严禁打穿冻结帷幕。

探孔的施工要求同冻结孔，钻设时必须安装孔口管，做好必要的防护措施，严防涌水冒沙情况出现。

(4)泄压孔压力上涨超过7d,或打开泄压孔阀门后不再有泥水涌出。

(5)打开泄压孔确认无泥水涌出。

(6)已安装防护门，确认防护门启闭功能正常,并进行压力实验。

(7)隧道预应力支架安装完成。

(8)水泥、水玻璃等应急材料与设备现场就位。

(9)施工所需材料已到现场并送检，部分材料运至工作面。

(10)做好设备维护、保养工作，保证设备能正常运行，配有备用发电机。

(11)应急预案已上报总包、监理和业主。

(12)各个工序的报监验收资料须齐全。

2.4.
3.3维护冻结
从开挖到结构层施工完之前，盐水温度要保持不高于_28十，去回路温差不大于2T。

维护冻结过程中，要加强冻结施工监测，确保冻结系统运转正常，及时分析冻土帷幕的温度变化。

在开挖过程中，每天监测暴露冻土帷幕的表面温度和位移量，如发现局部冻土帷幕温度较高、变形较大,可用串接管道泵的方法加大对应位置冻结孔内的盐水流量。

开挖期间，不允许提高盐水温度和减小盐水流量。

2.4.
3.4停止冻结
二衬混凝土浇筑完成后即可停止冻结，割除冻结管，并对冻结管进行充填和防渗处理;结构层养护3~7d天内进行充填注浆，注浆时要求完成冻结孔封堵施工且衬砌混凝土强度达到设计强度的70%以上。

3结语
冷冻法适用于各类地层，目前在地铁盾构双线区间联络通道和泵房施工中得到了广泛的应用。

哈尔滨地铁2号线博工区间联络通道冷冻法的施工成功克服了工程水文地质条件、环境条件、城市地下管线密布等多种因素的制约，达到了良好的效果。

冷冻法联络通道施工工艺先进、安全可靠、文明施工程度高,具有良好的社会、经济效益。

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