地铁冷冻法施工工法

地铁冷冻法施工工法

中铁十二局集团有限公司

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，不仅完成了国内最长冻结长度的隧道冷冻法施工，同时也取得了一定的技术经济效益和社会效益。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

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)。

图1 冻结施工程序

（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。

(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。

(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0.5m。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1.5’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

0.8～1.2MPa之间，稳定30分钟压力无变化者为试压合格。

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。

③S125-100-200冷冻水循环泵3台，流量200m3/h，扬程20m，电机总功率55.5kw;DBL-200型冷却塔3台，电机总功率16.5kw。

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

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