冻结法施工在地铁中的应用

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1——冷却段:向土层供冷初期,土体逐渐降温以达到冰点;
1
2——过冷段:土体降温至 0℃以下时,自由水尚不结冰,呈现过冷现象; 3——突变段:水过冷后一旦结晶,就立即放出结冰潜热,出现升温现象; 4——冻结段:温度上升接近 0℃时稳定下来,土体中的水便产生结冰(t4)过 程,将矿物颗粒胶结成整体,形成冻土; 5——冻土继续冷却段:随着温度的降低,冻土的强度逐渐加大。
2 冷冻施工技术
2.1 冷冻法原理
2.1.1 冻土的形成过程
冻土的形成过程,实际上是土层中地下水结冰后将固体颗粒胶结成整体的物理 力学性质发生质变的过程,也是消耗冷量最多的过程,如图 1 所示, 地层中水的冻结 过程可以划分为五个阶段:
温度(℃)
t
8
6
4
2
2
4
6

时间(d)
-2
-4
-6
-8
图 1 冻土中水冻过程曲线图
3、钻孔试漏:经测斜合格的冻结孔在使用前必须对每孔进行打压试漏,试验压 力为 2.5Mpa,稳压 30min,压力不变为合格。
4、冻结管下置以前应清除管内杂物,除锈,并按深度配好管,编号记录。 5、冻结管采用外接箍对焊,套箍、冻结管材质应与焊条相适应,焊接时每根管 端部要对齐找正,保证同心度和垂直度,焊接后不得有砂眼等缺陷。 6、配制优质泥浆,增强钻孔护壁能力,防止塌孔。
gbr—每立方米盐水中氯化钙含量; v—盐水总体积; p—氯化钙含水系数 计算结果 G=33t。
2.3.3 管沟防护
1、为减少盐水在管路中流动时的冷量的损失,用保温材料把钢管封包住; 2、在管路两侧用砖各砌一道高 1.4m 的矮墙,墙顶用薄板覆盖,再用保温材料 满铺。
2.3.4 设备选型与配组
冻结帷幕止水工程选用螺杆制冷压缩机组 YSKF2-20 型 3 台,YSKF2-16 压缩机组 1 台,总装机容量 1700000Kcal/h。地层需冷量 51.50000Kcal/h,实际制冷量为 766000Kcal/h,实际制冷量大于地层需冷量,主要施工设备见表 1。
4 采取措施
由上可知,该段地层降温慢的原因是地下水流速太大,造成地下热交换大,致 使冻结管冷量散失严重。针对此原因制定如下措施:
①加强冻结站管理,提高制冷效率,积极降温。调整冻结管的冷量,各个突破, 首先将北面的 E 边冻结,使帷幕范围内成静水状态,加快冻结速度。
②在水流上方(E 边冻结壁外侧)设置降水井,目的是减少地下水流速度,降 低冻结帷幕内、外水位差,达到冻结帷幕范围水位基本平衡,促使冻土加快发展。
2.2 冻结帷幕设计
冻结壁属弹性-粘滞体,在外荷载作用下呈弹性区和塑性区,并产生塑性变形,如 塑性区或塑性变形超过允许值,冻结壁和冻结管可能遭受破坏。因此,冻结壁厚度既 要满足强度条件又要满足变形条件要求,经过验算,冻结壁厚度设计为 1.0m 时能满 足要求。
2.2.1 冻结孔深度的确定
根据该段的实际地质资料及冻结的效果,确定该段冻结深度为 25m,以进入微风 化花岗片麻岩为准,保证冻结底垫的形成,确保隧道开挖及支护施工安全。
2.1.2 冻土的组成
冻土有三部分组成:骨架、冰和未冻水。 骨架:矿物颗粒是冻土多相和多成分体系的主体,颗粒大小和形状直接影响冻 土的性质,矿物成分对冻土的形成过程(冰的形成速度、膨胀等)和性质都有很大 的影响。 冰:水结冰时体积约增大 9.07%,密度减小 8.31%。 未冻水:土壤冻结是随时间而变化的复杂热过程,土中孔隙水是逐渐冻结的。 实际上冻土中在任何负温下总有一部分水保持未冻状态与冻土共存,在一定范围内 土壤处于由融土经塑性过渡到坚硬冻土的中间状态,而不同土壤的过渡状态温度是 不同的,即冻土中的未冻水含量取决于冷却温度、压力及矿物颗粒或有机物的性质, 而冷却温度是影响未冻水含量的主要因素。负温值的微小变化都会引起冻土内未冻 水含量的变化。
冻结管采用Φ127×4.5mm 无缝钢管。
2.2.3 影响冻结壁的几个参数
1、盐水温度 盐水温度是影响冻结技术经济效益的主要参数之一。降低盐水温度对加快冻土 扩展和提高冻结强度、稳定性有一定的作用,但也相应地加大了冷冻站的制冷量, 增大了工程投资。本设计盐水温度为:积极冻结期间-24~-28℃;维护冻结期间-18~
5
温度(℃)
盐水温度 去路
图3 冻结站盐水降温曲线
盐水温度 回路
0
0
-5
-5
-10
-10
-15
-15
-20
-20
-25
-25
-30
-30
-35
-35
1-10 1-17 1-24 1-31 2-7 2-14 2-21 2-28 3-7 3-14 3-21
日期(d)
3.2 原因分析
①根据地质资料,该冻结段地处现状河道,砾砂层下部分布一层卵石层,卵石 最大直径达 500mm,该层中地下水具有较高的流速,经采用同位素示踪法测得该段的 最大地下水流速达到 15m/d,这是地下水漫流时的测算结果,当部分地下水流速相对 小的地方冻结住后,地下水仅从暗河处流,这必将增大该处地下水的流速,从水文 孔的水位资料分析,地下水流速达到 40~60m/d。
2.3.6 冻结站运转
冻结站于 2003 年 1 月 8 日开机试运转,1 月 10 日正式运转,冻结运转至 4 月 27 日结束,历时 108d。运转期间各冷冻机组运转正常,各冻结器畅通无阻,盐水温 度降温正常。盐水降温情况见图 3。
2.3.7 积极冻结和维护冻结
为提高抵御地下水流速较大的能力,除采取以上措施外,输送低温盐水也是加 快冻土发展的一项主要措施,本设计盐水温度积极冻结期间采用-24~ -28℃,维护 冻结期盐水温度采用-18~-20℃。
6
③在冻结区薄弱段增打灌浆孔,从地面灌注水泥水玻璃双液浆,充填大量抽水 留下的地层孔隙,减小地下水流速。
④在 E 线冻结段最薄弱处(地下暗河入口处)增打加强冻结孔,使外界热水在 通过冻结壁时,首先得到降温,以利于冻土墙的快速形成。
⑤为掌握冻土发展情况,在 E 线增打水文孔和测温孔。
该设备具有如下优点: ①厂房占地面积小; ②安装方便,安装工程量小; ③制冷能力调节灵活; ④新型设备,制冷效率高。
主要施工设备表达式
表1
序号 1
名称 冷冻机
规格 YSKF2-20
单位 台
数量 3
备注
4
冷冻机
YSKF2-16

1
2
盐水泵
10SH-9

2
备用 1 台
3
循环水泵
10SH-10

2
备用 1 台
为准确掌握冻结的实际情况,对全部冻结器进行纵向温度检测,发现在 10m 水 平各冻结孔纵向温度明显偏高,其反映的情况与测温情况完全相符,在该深度段冷 量散失严重,冻结温度比其他深度高出约 10℃。
通过冻结孔纵向温度分析,该暗河主要通道位于 E25~E30 孔和 A18~A22 孔之 间,宽度约 4m。
根据本工程的勘察资料,本段区间地层在勘探揭示深度范围内上覆第四系全新 统人工堆积层(Q4ml)、海冲积层(Q4m+al)及第四系残积层(Qel),下伏震旦系(Z)花 岗片麻岩。
该区域地下水主要补给来源为大气降水及河水。雨季河水补给地下水,旱季地 下水补给河水,地下水与河水水力联系较为紧密。该区域地下含水层含水丰富,补 给条件充足,特别是在 14m 以上的强渗透层,其渗透流速最大可达到 15m/d ,通过 渗透流速反算的渗透系数达 150m/d。竖井以东 YSK2+013~YSK2+056 段拱部开挖轮廓 线以内局部位于砾砂层和卵石层中,该种地质属强透水层,结构松散,自承力极差, 为Ⅵ级围岩,极易产生突水、涌砂、坍塌冒顶等现象。上部又有铁路桥通过,为确 保现状铁路桥安全,经专家论证,决定对该区段采用冻结帷幕止水方案。
结速度及荷载作用速度、作用时间有关。本设计冻结壁极限抗压强度为 10MPa。
2.3 冻结施工
本段冻结帷幕有三面的冻结壁闭合到 1 号竖井的钻孔围护桩,形成一封闭的止 水墙。详见图 2。
图 2 冻结止水帷幕平面布置图
冻结帷幕止水工程采用一次冻全深的方案,冻结深度为 25m。 本段冻结帷幕的钻孔总工程量为 4047m。 ①冻结孔数为 149 个,布置测温孔 12 个,深度 25m; ②布置水文孔 2 个(深度暂定 11m,在 4~6m,8~10m 处设置花管)。
冻结法施工在地铁施工中的应用
1 工程概况
**地铁一期工程 4A 标段区间起讫里程为 YSK(ZSK)2+001.7~+260,线路走向 由东向西,位于现状道路下,先后穿越铁路桥、现状立交桥、现状河流,全长 258.3m, 地下各种管道、管线众多。除 1 号竖井(SK2+056~SK2+070)明挖施工外,其余为 暗挖施工,暗挖隧道设计为单洞双层。
2.2.2 冻结孔间距的确定
根据现场条件,因地下水流速较大,为提高冻土发展速度,增强抵抗地下水流 速较大的能力,尽快形成冻结壁,采用布孔小间距,盐水大流量,冻结管大管径等措 施。因工期紧迫,积极冻结期最多安排一个月时间(30d),其中要用 20d 达到冷冻 相切,10d 冻结交圈形成冻结壁,根据积极冻结 22mm/d 的速度正常发展,则 20×22 ×2=880mm,因此冻结孔孔底间距定为 850mm,而冻结孔的全孔偏斜率规范要求为≦ 3‰,孔深 25m,因此冻结孔间距为 700mm。
4
钻机
XY-100

13
5
冷却塔
CDBN-150

2
冷却塔
CDBN-50

1
6
电焊机
BDL-500

2
7
打压泵
DC-400

1
2.3.5 冻结站安装
冻结站自 2003 年 1 月 2 日开始安装,经过 7d 安装完毕,至 1 月 8 日冻结站供 配电系统正常,盐水池内氯化钙全部溶解,三大循环系统已基本形成,并经打压试 漏合格,达到运转条件。
②冻结施工前,该地层已进行了高压旋喷加固,把地层的原始状况已破坏. ③现状铁路高架桥桩基托换的人工挖孔桩开挖时,由于强透水层没有很有效措 施堵水,施工时只有大量抽水,致使卵石层中原有的充填物被水带走,形成空洞, 使地层透水性增大,加上自北向南水力坡度大,从而形成地下暗河,地下水流速极 剧增大。 ④造成该冻结区段 8~12m 温度偏高的原因,首先说明在该区段地下热交换很大, 致使冻结管冷量散失严重。地下水流速太大是造成该地层降温缓慢的主要原因。1# 水文孔和 1#参考井水位相距 24m,而水位相差 2.01m,水力坡度达到 8%,从而使地 下水流速大大增加。估算地下水流速达到 40~60m/d,造成该区段地下热交换大,致 使冻结管冷量散失严重,冻结速度慢。
2.3பைடு நூலகம்1 冻结孔施工
冻结孔施工总长度为 4047m,施工总孔数 163 个,采用 13 台 XY-150 型钻机施 工。
1、孔深:为保证工程质量,每孔必须保证设计深度;
3
2、钻孔偏斜率:全孔偏斜应控制在 3‰之内;相邻两个钻孔终孔最大孔间距不 超过 850mm,如有超出则在两孔中间补一孔。目前国内采用的测斜有经纬仪灯光测斜 法和陀螺仪测斜法两种。本标段采用经纬仪灯光测斜法对冻结孔进行测斜。
2.3.2 盐水循环系统
1、盐水干管和集、配液圈选用φ168×5mm 无缝钢管,两去两回共 4 路,每 4 个冻结孔串联成一组,盐水流量为 8m3/h,盐水比重选用 1.26。
总循环量:Wbr=300 m3/h。 2、盐水泵选用 10sh-9 型水泵 2 台,1 台备用(每台泵功率为 75kw,流量 Q=360 —612 m3/h)。 3、固体氯化钙用量 采用公式:G=1.2×gbr×v/p
3 施工中出现的问题及原因分析
3.1 施工中出现的问题
冻结站正常运转 10d 后,对 12 个测温孔分别在 5m、10m、15m、20m、25m 处进行 测温,根据测温资料发现整个冻结段在 8~12m 深度段水平降温缓慢,其中 A、E 线 最不理想,远小于预期效果,每天降温仅为 0.1℃,有时甚至温度回升,冻土平均发 展速度仅有 7~8mm/d,远小于预期的 22 mm/d。
2
-20℃。 2、冻结孔终孔间距 冻结孔终孔间距是影响冻结壁的形成平均时间和平均温度的重要因素。间距过
大,将延长冻结时间和消弱冻结壁的强度。 本设计相邻两孔的终孔间距不大于 850mm。 3、冻结壁平均温度 主要与盐水温度、孔距、壁厚、冻结管直径及地下水温度等因素有关。本设计
冻结壁平均温度取-8℃。 4、冻土强度 冻土属于流变体,其强度主要取决于颗粒组成、含水率、冻结壁平均温度、冻
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