北京和上海地铁水平冻结施工技术

媒通过进、回管路与地层相连 ， 通过冻结管与地层 热交换， 将冷量传给周围地层， 而将地层中热量带 走。 由此使冻结管周围地层由近向远不断降温， 逐
图 １ 冻结管并联和串联凉结方式
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人工地层冻结冻土发展的不同阶段
渐使地层中的水变成冰， 把原松散或有空隙的地层
第１卷 增 ！ ８ １
１９ 月 ９ 年８ ９
岩石力学与工程学报
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滩口 ，
北京和上海地铁水平冻结施工技术‘
观测孔， 孔深 ４ ｍ（ ３ 。 ５ 图 ） 水平冻结孔钻进必须具备 以下技术设施。
图３ 水平冻结孔布盆图
冻结法几乎完全以地层本身的物质形成支护体 系， 基本不要其他材料。 在三材缺少或太贵， 或有时 暂时无供货的地方， 冻结法不会受影响。 由于地层冻结系统可有多种大小的设备及不同 方式组成， 因而它非常适合那些工地、 场所受限， 甚
陈湘生 杨未来．
ｌ （ 煤炭科学研究总院北京建井研究所 北京 １０１） （ 炭科学研究总院 北京 １０１） ００３ 锥 ００３
摘要 介绍 冻结技术的 原理和应用条件， 并详述我国 首次应用 水平冻结技术解决北京地铁“ 书． 大一 段和上海绝抉里 号 黄 下 旁 道困 程何 采用 密封 －． 寡 逆止 和 理 参 解 水 孔过 线 浦江 建 通 难工 题． 孔口 装 旋 式可 钻头 合 工艺 数， 决了 平成 Ｘ
下工程施工的重要方法之一。 冻结法加固地层的原 理， 是利用人工制冷的方法， 将低温冷媒送入地层， 把要开挖体周围的地层冻结成封闭的连续冻土墙，
通过冰胶结在一起， 形成不进水的冻土柱。 若干个 这样的冻结管排列起 半径不断扩展， 相邻冻土柱就会相连， 彼此通过冰 紧密结合在一起， 形成密封连续绮。 表示不同珠 图２ 结时间冻结管周围冻 土发展和冻土柱相连结的过程， 冻结法加固地层分为直接式（ 消耗型制冷解系 统） 和间接式（ 循环冷媒系统） 典型间接式冻结系统 。 主要包括冷冻站系统和地层冻结系统两部分。 前者 主要有压缩机、 冷撅器、 膨胀阀， 后者有冷碟泵、 珠 结 管等。 两系统之间由蒸发器组合在一起。 这种系
过淤泥还是流砂 ， 实践证明都是可行的。 钻进所需主要机具和材料有 ＭＫ ５ － 型钻机、 泥
硬地层中纵横交错多条地下管线。 另外， 隧道顶部 有２ ｍ厚的粉细砂层。 尽管进行了 大面积区域降水，
－ ＝
浆泵、 搅拌机、 箱、 配电 钻管、 钻具及膨润土等． 为保证钻机施工空间的铭要， 从隧道设计断面愁
顶距黄浦扛底（ 峨土） 只有 吕 ．之距， 此处水稼 Ｉ 减 Ｓ 左右， 加之地质柱状资料不全， 无论是绝下开抢翻
冻结孔的施工均具重大风险。 冻结孔旅工中攀 故在
取孔口密封装置， 以防钻进时与黄浦枉水连匆面赞
水． 冻土绮设计中 取冻结帷幕平均沮度一 ℃， 单拍
抗压强度取 ４５ ａ 抗拉吸度 ０９ ａ 土 ． Ｐ ， Ｍ ． Ｐ ． 层压力 Ｍ 按朗肯土压公式计算， 土体内库拱角及内获力分别 取 １． １ ｋａ 上，土层平均重崖取 １． ． １ ０ ， 和 Ｐ ８３ 球 Ｗ 结孔的布置见图６ ） ｂ． （ 和（） ａ
４
钻孔实测结果， 水平偏斜率最大值 。５ ， ．５ 垂 直偏率最大值 ０６％。 ． 钻孔密封加压试验中， ４ 加压 值 ０６－０７ Ｍ ， ． ． ａ 均无渗漏现象。 ５ ４ 可满足设计要
１８ ２ １ 正 供 供电 钻 枯Ｘ ９ 年１月１ 日 式 水 开 。 铭 ９
和Ｘ ３ ５ 号孔时出水甘泥， 应用孔口 密封门止水， 并 注浆治理。 １ 月２ 日 到 ２ 咬 全部完成朋 个凉结孔和多 个补孔的施工工作。 ２ ０ 日 １ 月３ 起冻， ９， ２ １ 年 月２ ９ 日 开始挖隧道管路并正式开挖隧道。 开挖暇序见公 ７ ２ ２ 施工全部结束。 。 月２ 日
法特殊施工 ， 以加固地层， 控制地层位移， 防止地表
沉陷， 保证隧道顺利施工。 依据地铁隧道新奥法施工工艺， 须对隧道断面
拱部上部流砂层实施水平冻结加固方案， 道断 按隧 面形式， 沿拱部均匀布设水平冻结孔１ 个， ０ 孔探４ ０ ｍ， 开孔间距为 ６０ ； ８ ｍｎ 冻结壁上下侧各布置 １ ｉ 个
程中钻杆弯曲和涌水百泥等间理． 关恤词 水平冻结技术， 旋塞式可逆止钻头， 地铁工程
１ 冻结法加固地层的原理及优点
目 地层加固的方法有多种， 前， 目的都是为了 提高地层的强度和稳定性， 以及隔水性能， 从而形 成一个支护系统。 在这一支护系统内可安全地完成 建筑物的建设。 本文所介绍的是通过与地层进行能 量交换， 即通过所谓软件加入来加固地层的方法 — 人工地层冻结法（ 简称冻结工法） 。 人类首次成功地使用人工制冷加固土壤， 是在 １６ 年英国威尔士的建筑墓础施工中。 ８。 ８２ １８ 年德国 工程师Ｆ Ｈ Ｐｅ ｈ ． ｏｔ 首先提出了人工冻结法原理， ． ｃ 并于 １ ３ ８ 年在德国阿尔巴 ８ 里煤矿成功地采用冻结法 建造井筒。 从此， 这项地层加固恃殊技术被广泛地 应用到世界许多国家的隧道、 地铁、 基坑、 矿井、 市 政及其他岩土工程建设中， 成为岩土工程尤其是地
１ ９ 月８ 收到 ９ 年２ 日 来稿． ９ ・原煤 工业都重点科研 工 炭 项目 业性试 验部分（ －６， （ ０） ９ ７
作 湘 介 男。２ 博 。 为 究 煤炭 学 究 院 集 ）事、 炭 学 究 院 京 研 所 长 北 中 矿山 租 者陈 生简 ： ４岁， 士 现 研 员， 科 研 总 （ 团 重 煤 科 研 总 北 建井 究 断 、 京 焦 工
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２： 上海地铁 ．
水 结技未 能 绝 不 绝西 翔 平冻 从 道内 工面 形响 交 翻 －
资。 本文介绍黄浦枉下旁通道租系站水平冻结工．‘ ＿
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旁通道和泵站同黄浦扛底的位ｍ关系如困５ 所示． －
两 个区间 道已 质 随 由 构机笼 工完成。 于旁 姆 由 遨班
至难以接近的地方．
（） １ 为克服钻具固有的“ 下垂” 作用， 在钻孔过 程中需要在钻具转数（） 钻孔加压（ ） 洗并液流 ：， Ｐ， 量ｃ） ＂ 及顶管与正反转方面加以有效配合， 协调钻 进参数， 在钻进工艺方面采取有效措施。 （） ２ 钻机上加导向扶正装置， 以减少“ 垂力” 下 。 （） ３ 尽量减轻钻具前部重量， 用以减小钻具悬
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以抵抗地压， 并隔绝地下水和开挖体之间的联系； 然后在这封闭的连续冻土墙的保护下， 进行开挖和 做永久支护的一种特殊地层加固 方法。 图１ 是地层冻结加固示意图。 进人地层内的冷
旧建筑物基础的地方 ， 其他工法非常困难， 而冻结 法就容易多了。 冻结法无烟、 无振动、 无冲击和强烈噪音， 因而 它适合于环保要求严格的地方。 无论是冻结过程中还是融化后， 冻结法对地下 水及水位ｎ乎没有影响． 因而它适合那些对地下水 质及水位控制严格的地方．
但是由于多条地下管线的严重渗漏， 致使粉细砂土 饱和。 在进行此段隧 道暗挖施工时， 坍塌， 发生 并造 成地面沉陷， 使得施工受阻中断。 为了保障地面立 交桥和地下管线的安全畅通， 经过多种施工方案比 较， 确定从隔断门向西 拍ｍ隧道顶部采用水平冻结
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外衬外缘， 外扩大 １ ｍ 对扩大断面再沿隧 向 ２０ ０ ｍ， 道轴向开挖 １ ｍ 为保证扩大断面内钻孔工作安 ５ 。 全， 对扩大面的拱顶、 拱底及两侧采用横姗网锚喷 支护， 支护厚度４０ 所用水泥砂浆钻杆， ６ ０ｍ ｍ， 长 ｍ， 排距 ８０ 间、 ０ｍ ｍ． ＭＫ ５ － 型钻机布置于隧道端部。 由于水平钻孔 布置在隧道上拱部位， 距隧道下部拱底 ５５ ｍ， ．－７ 因此斋搭设钻机操作平台， 以便于钻机底座能够支 撑稳固。 操作平台主体采用 ３ 号和 ４ 号工字俐， ２ ０ 长 ７ ｍ， 搭设， －８ 横向 间距８０ 斜撑用３ 号工字 ０ｍ ｍ。 ２ 钢， ． ｍ 全面铺设纵向钥模板及木板， 长７５ ． 保证施 工人员安全。 钻孔施工前用功４ ｍ Ｘ ５ １６ ｍ ４ ｍ ． ｍ无缝银管（ 长 ２ 做孔口 并备有控制装置． ｍ） 管， 钻进中用泥浆护壁， 钻杆采用＂０ｍ Ｘ６ １８ ｍ ｍ ｍ 的 ２ 号无缝钥管， ０ 每段长 ２５ ３０ 丝扣连接并 ． 一 ． ｍ， 焊成一整体。 钻孔施工一次到预定长度。 从１９ 年１ 月３ 日 ０ ０ 开始钻孔， １ 月６ 结 ９７ 到 ２ 日 束， 钻成的水平孔孔身最长 ４． ｍ， ５６ 最短 ４． ｍ， ０２ 总计 １ 个水平钻孔， ０ 总长度 ４０５ 有效工期为 １． ｍ，
臂力矩。
２ 工程实例
２１ 北京地铁 ・ 北京地铁复一八线大北窑一热电厂区间隧道有
南北两条东西走向隧道． 其中， 在南隧道， 从大北窑 车站（ 里程 Ｂ ＋ ０） 长 ７ ｍ， ２７ ７ ８ ， ３ 恰处于东西向 ４ ３． 大北窑桥和南北向国贸桥正下方。 该段区间隧道上
（） ４ 钻头设计成“ 咬土” 形状， 使冻结钻孔尽可 能沿水平直线前进。 （） 旋塞式可逆止钻头装置” 用钻杆代冻 ５ 用“ ， 结管， 解决了起钻后因地层坍塌而无法插入冻结管 的问题。 用该装置钻孔时可正常洗孔， 钻完后立即 密封钻具系统， 避免砂土涌人管内， 经过简单洗孔， 旋上旋塞， 完全可以满足冻结时所摇要的密封性。 该装置不论是钻水平孔， 或者是上斜孔， 不论是通
公司总经理， 主要从事地下工程和岩土工程方面的研究和施工技术管理工作。
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第１卷 增刊 ８
陈湘生等 北京和上海地铁水平冻结施工技术
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统中 制冷介质一般为液氮（ 缩机） 氮压 和氛里昂（ 操杆 机组） 在市政工程中一般用氟里昂 。 制冷剂较多。 冷 媒多用抓化钙榕液， 冷媒温度一般为一加℃一一 ３℃之间。 ５ 直接式冻结法， 所用制冷剂主要有掖氮 或固体二氧化碳溶于栖梢后的液体。 它们既是制冷 剂， 又是冷媒。 用泵直接把这种液体注入地层里的 冻结管内， 另一端排出已同地层发生过热交换的尾 气． 这种方法中， 冻结管内 温度一般较低。 液氮可达 一１０ 左右； ９℃ 而氧化碳溶液也可达一７℃ ０ 左右． 这 时冻土墙可在ｎ小时内形成， 对于处理一些工程事 故和高大建筑物地下施工， 具有速度快、 操作方便 和冻土场承载能力大等优点。 当然成本也较高。 冻土墙的功能有多种， 如地下开挖的临时支护， 结构的托换， 以及地下水的控制。 由于冻土中关键 成份冰的力学性质主要取决于温度和时间， 故地层 的地质情况不是主要的因素。 相对其他工法来说， 它可用于任何含水的土层或岩层中， 无论什么样的 结构、 顺粒或渗透特性。 尽管饱和含水量对冻结法 更好， 但即使含水量低到 １％ 冻结法应用也不 ０ 时， 会有什么间题或困难。 软土、 流沙层、 砾石地层， 以 及高水压或高土压地层， 冻结法更具优越性。 土层 或岩层非均质时注浆困难， 可是非常易于冻结． 在 打桩或降水困难或不可能， 有可能造成沉降的这类 地层， 冻结法将是最佳工法。 诸如有建筑填石、 桩或