冷冻法地层加固施工工法

冻结孔及测温孔布置图
5.2.4.
5.2.4.1.
⑴设备安装
设备基础放样→施工设备基础（或锚固地脚螺栓）→设备就位、调平、固定→敷设电缆→安装电控系统→冷冻机试漏→冷冻机充氟、加油→冷却水池注水→化盐水→制冷系统试运转→盐水箱和冷冻机低温容器及管路保温。
⑵冻结站管路安装
主管路放样→安装管架→安装主管路→安装分支管路→安装压力与温度测点→管路试漏→盐水管路保温。
5.2.4.3.
⑴冷冻机、水泵、冷却塔等设备应按照设备使用说明书的要求进行安装，并符合《机械设备安装工程施工及验收通用规范》（GB50231-98）和《施工现场临时用电安全技术规范》（JBJ46-2005）等规范的有关规定。
⑵冷冻机要水平安装，底盘要坐实，用楔铁找平。
⑶冷冻机和水泵固定后要重点检查连轴器的间隙和同心度、轴封和盘根的松紧情况，确认满足设备安装技术要求。
⑹流量计要水平安装在直管上。
⑺管路采用压水试漏，注意管内不留空气，水温与环境温度基本一致。
⑻盐水管路经试漏后用50mm厚橡塑保温筒保温，在保温层外包扎塑料薄膜。在法兰和阀门处先包扎30~50mm厚棉套，再用塑料薄膜覆盖。盐水箱采用100mm厚聚苯乙烯保温板保温。
⑼裸露管路涂刷防锈底漆和统一色彩的面漆。
冷冻法地层加固施工工法
中铁四局集团机械工程分公司
1.
十九世纪六十年代，冻结法首先应用于英国南威尔士的建筑基础工程。1883年，德国工程师波茨舒（P.H.Potsch）在阿尔巴里的煤矿采用冻结法成功施工了103m深的井筒，并获得了冻结技术专利，引起全世界的关注。世界各国都广泛地应用冻结技术，促进了冻结技术的发展。冻结法在我国起步较晚，但发展速度却很快。我国自1955年开滦矿区首先应用冻结法凿井以来，冻结法已发展成为我国工程领域通过不稳定冲积层和裂隙含水层的主要施工方法。冻结法施工是利用人工制冷技术，使地层中的水结成冰，把天然土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下结构的联系，以便在冻结帷幕的保护下进行开挖施工的一种特殊施工方法。随着冻结技术在在国内的使用和发展，冻结法在国内有着广泛的应用，但目前，冻结法用于市政工程，其工艺质量控制技术还处于起步阶段，在施工中技术难度大。冻结法具有灵活性好、强度高、均匀性和隔水性好、对周围环境影响小等优点，为保证冻结法的安全可靠，经过施工实践，总结提高，积累经验，形成此工法。
5.2.5.
⑴按照设备使用说明书的要求进行冷冻机组充氟和加油。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。
⑵先在盐水箱中灌满清水，开泵循环冲洗管路，排除管路中的脏水。
⑶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。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。
5.2.4.4.
⑴管路安装应符合《工业金属管道工程施工及验收规范》（GB50235-97）和《现场设备、工源自文库管道焊接工程施工及验收规范》（GB50236-98）等规范的要求。
⑵按照冻结站设计图铺设管路。应根据现场空间和设备位置适当调整管路布置，尽量缩短管路长度、减少管路弯头，并做到竖直横平、整齐美观。
5.
5.1.
为形成冻结壁，首先在预加固空间周围打一定数量的冻结孔，孔内安装冻结器。冻结站制出的低温盐水（-25℃~-35℃），经去路盐水干管，配液圈到供液管底部，沿冻结管和供液管之间的环形空间上升到回液管（正循环，反之如果盐水从环型空间到冻结管底部则为反循环），经集液圈，回路盐水干管至蒸发器（盐水箱），形成盐水循环。低温盐水在冻结器中流动，吸收周围地层之热量形成冻结圆柱，冻结圆柱逐渐扩大并连接成封闭的冻结壁，直至达到其设计厚度和强度为止。
⑶适应性广。适用于任何含一定水量的松散岩土层，在复杂工程、水文地质如软土、含水不稳定层、流砂、高水压及高地压、埋深大等地层条件下冻结技术有效、可行。
⑷冻结工程施工最大的污染是钻孔时的少量的泥浆排出，冻结过程不向地层注入任何有害物质，冻结工程完毕后，地层自然融化恢复原有状况，不会在地层留下有碍于其它工程施工的地下障碍物，是一种“绿色”施工方法。
⑽外围冻结孔终孔间距Lmax≤1000mm。
⑾冻结需冷量：冻结管散热系数取250 kcal/h•m2，冷量损耗取20%。计算冻结需冷量。
5.2.2.
冻结孔科学合理布置是方案取得良好冻结效果的基础，工作极为重要，本方案的冻结孔布置如下图。
整个冻结区域共布置冻结孔3排，共计53个。
A、B、C三排冻结孔，A排20孔（包括角部增加的2个孔），B排17孔，C排16孔。以地面+63.85m计算，A、B、C排孔深度21.3m，由0.0m～8.7m为保温段，不冻结。实际钻孔是在端头井结构外侧的高台上（高度约3米），因此实际钻孔深度比设计值深3米。
⑸冻结加固土体均匀，整体性好。冻结加固体的形状、大小、可以根据需要灵活设计，可以把设计的土体全部冻成冻土，形成地下工程施工帷幕。土层注浆和深层搅拌桩，只是对土体局部加固，加固范围不易控制、加固体强度不均匀。
⑹冻结施工在正常运转期间，一般每班只需要6~8名操作人员，节约了大量劳动力。
⑺占用施工场地小。冷冻施工仅需地面提供冷却塔和冷冻机组占用地及加固体本身用地。
⑶其它
①拔管要在盾构进入洞口内，且安装好密封装置后进行，盾构头部距冻土墙不小于0.2m，以防影响拔管。
②在隧道范围内所有冻结管全部拔出后，盾构方可开始推进，防止盾构推进损坏冻结管，使其无法拔出。
⑶在连接管路和安装阀门前要检查确认管内不留杂物。必要时进行除锈和吹扫。
⑷主要管路用200×200mm方木管架铺设在隧道地面上，分支管路用“T”字型钢管柱架空铺设，管架间距为4~6m。盐水干管坡度0.1%，在管路端头高处设1”放空阀。
⑸阀门、压力表和温度计安装要整齐，便于操作和读数。测温管采用3分钢管加工，埋设时管口向上，深度为水管直径的1/3~1/2。
3.
本工法适用于软弱含水土层的地铁施工盾构始发及到达洞门地层加固施工，洞门加固、联络通道以及类似地层的加固。
4.
冻结法包括三大循环：1.盐水循环，盐水吸收地层热量，在盐水箱内将热量传递给蒸发器中的液氨；2.氨循环，液氨变为饱和蒸气氨，再被氨压缩机压缩成过热蒸气进入冷凝器冷却，高压液氨从冷凝器经贮氨器，经节流阀流入蒸发器液氨在蒸发器中气化吸收周围盐水的热量；3.冷却水循环，冷却水在冷却水泵，冷凝器和管路中循环，将地热和压缩机产生的热量传递给大气。通过三大循环实现地层的降温，把土体变成冻土。
盐水循环和拔管示意图
⑵拔管顺序
①依次先拔第一、二排冻结管，不需完全解冻，冻结管拔至盾构上方，用钢管将其连接成网格，防止下沉，重新连接冻结系统继续冻结，防止盾构推进过程中浆液从融化的冻结孔中溢出。
②第三排冻结管，用于强制解冻，待冻土平均温度满足盾构推进时拔除该排冻结管至盾构上方，重新冻结。
③在隧道两侧的冻结管暂时不拔，待盾构穿过最后一道冻土墙后，再拔除该处冻结管并充填。
盾构始发冻结加固形式
2.
⑴加固效果好，封水效果明显。冻结法利用低温盐水循环带走地层的热量，通过降低地层温度形成冻土帷幕。冻结加固使土体中的大部分水分结冰，冻结体强度通常能达到5~10MPa强度，可以减小加固体体积；结构体强度均匀而且其阻水效果是其他方法无法比拟的。
⑵冻土在达到设计温度时，冻土的抗压强度、抗剪强度和抗拉强度等力学特性有明显的提高。
冻结法加固洞门地层施工工艺流程图
5.2.
5.2.1.
⑴设计积极冻结期最低盐水温度为-28～-30℃，并要求冻结7天达到-20℃，打开洞门时盐水温度达到最低值。
⑵维护冻结期温度为-25℃~-28℃；
⑶封头冻土墙平均温度不高于-10℃。打开出洞口时冻土墙与工作井地连墙交界面附近温度低于-5℃。
⑷冻结孔采用串并联方式，单孔盐水流量不小于5m3/h。
盾构始发地层加固需要解决的技术问题，一是要保证打开地连墙时前方土体不坍塌，防止漏水。二是始发时，地层加固要为盾构始发后调整姿态创造条件，以防止盾构上仰、覆土失稳、地表隆沉等问题发生。根据设计提供盾构始发加固图采取下图所示的始发冻结加固形式。根据功能要求，冻结加固区分为两个部分，一是与地连墙紧贴的前冻土墙（封头冻土墙），其作用是保证打开始发口地连墙后前方土体不坍塌，不漏水；二是平衡段，由冻土拱和前冻土墙（平衡段冻土墙）组成，其作用是防止盾构始发后盾构机头上仰、覆土失稳和地表隆沉。
5.2.4.2.
⑴验收现场施工设备、检测仪表、工程材料，确保设备、仪表、材料的相关资料齐全，设备型号和材料规格等符合设计及有关标准的要求。
⑵制作盐水箱、清水箱、管架等加工件。
⑶清理场地，设备（包括盐、清水箱）基础和主管线放样。应根据实际场地情况对冻结站布置设计进行适当调整，以便于设备安装、操作，增加美观。
5.2.4.5.
⑴冻结器头部盖板采用6mm钢板，羊角管采用建筑管加工。
⑵羊角管与冻结管管壁焊接角度不大于40°，各冻结器的羊角管焊接角度和软管连接要整齐统一，避免管路出现硬弯增加盐水流动阻力。
⑶冻结器采用钢丝网中高压胶管连接，丝扣接头。
⑷连接软管用30mm厚软质橡塑保温筒保温，在保温筒外缠裹塑料胶带。
5.2.6.
5.2.6.1.
设备安装完毕后进行调试和试运转。在试运转时，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、盐水流量和冻土墙扩展情况，必要时调整冻结系统运行参数。冻结系统运转正常后进入积极冻结，要求一周内盐水温度降至-20℃以下。
5.2.6.2.
根据测温孔温度实测结果，确认冻土墙平均温度和厚度达到设计值，并且冻土墙与地连墙界面温度不高于-5℃后，可破盾构出洞口地连墙钢筋混凝土。破盾构出洞口地连墙钢筋混凝土时，并密切注意破地连墙时是否破坏冻结管，如一旦发现冻结管漏盐水，及时关闭该冻结器。
5.2.7.
5.2.7.1.
利用人工局部解冻的方案，进行拔管，具体方法如下：利用热盐水在冻结器里循环，使冻结管周围的冻土融化达到10mm～20mm时，开始拔管。
⑷至盐水浓度达到1.15左右时开冷冻机。随着盐水温度降低再加入氯化钙，直至达到设计盐水浓度。
⑸融化氯化钙时用筛网除去杂质，严禁将包装袋掉入盐水箱。
⑹检查盐水水位报警器，确保其工作正常。
⑺测量各冻结器的盐水流量，调节控制阀门，确保各冻结器盐水流量符合设计要求。
⑻如发现个别冻结器或冷冻排管盐水流量随时间延长逐渐减小，表明管路有积空气的情况，应及时增设放空阀。
5.2.3.
为达到对土体的有效监测，在冻结区域共布置测温孔6个。地面测温孔深度与附近冻结孔深度一致，每个地面测温孔在冻结壁内布置3个温度测点，位置分别为冻结壁中部和离冻结壁上、下边界0.5m处，洞口测温孔深度为进入冻土1m，应避开冻结孔位置。须拔除测温管采用冻结管材，其余测温管ф42×3mm焊管，对焊连接。
⑷冷却塔安装应重点检查布水器电机电缆接头绝缘是否作好、电机转动方向是否正确、布水器布水是否均匀。
⑸冷却塔与电器设备应有足够距离，防止水溅到电器上引发机电事故。
⑹盐水箱下垫100×100×1500mm方木，间距不大于800mm。方木之间充填100mm厚聚苯乙烯保温板。
⑺按设备配电线路图要求连接供电电缆和控制电缆。要确保设备的保护接地良好。
⑴盐水加热
用一只2m3左右的盐水箱储存盐水，用40～80kw的电热丝进行加热盐水。
⑵盐水循环
利用流量为10m3/h盐水泵循环盐水，先用30～40℃的盐水循环5分钟左右，然后60～80℃的盐水循环达30分钟左右，当回路盐水温度上升到25～30℃时，即可进行边循环边试拔。
5.2.7.2.
⑴起拔
用两个10吨的千斤顶进行试拔，拔起0.5m左右时，便可停止循环热盐水，用压风将管内盐水排出。然后快速拔出冻结管。拔管注意冻结管与挂钩要成一线，冻结管不能蹩劲，拔管时要常转动冻结管，冻结管不能硬拔，如拔不动时，要继续循环热盐水解冻，直至拔起冻结管。
⑸冻结管规格：Φ108×5mm低碳钢无缝钢管，采用内衬管对焊连接。
⑹测温管规格：需要拔除的测温管同冻结管；不需要拔除的测温管采用Φ48×3.5mm焊接钢管，采用直接对焊连接。
⑺供液管选用1.5″钢管，采用焊接连接。
⑻盐水干管和集配液圈选用Φ159×6mm无缝钢管。
⑼冷却水管选用Φ133×4.5mm无缝钢管。