甘肃某铁路隧道工程竖井冻结加固施工方案(隧道开挖、附示意图).pdf

兰渝新建铁路胡麻岭隧道工程兰渝新建铁路胡麻岭隧道工程 7#竖井冻结加固施工试验段工程竖井冻结加固施工试验段工程 冻结加固施工方案冻结加固施工方案 中煤第三建设集团公司中煤第三建设集团公司 二一二年二月十八日二一二年二月十八日 目目 录录 1 工程概况.3 1.1 工程简介.3 1.2 地质及水文情况.3 1.3 工程特点及难点.5 1.4 施工方法.6 1.5 施工工艺流程.6 2 冻结加固设计.6 2.1 冻结帷幕设计.6 2.2 冻结孔的布置.9 2.3 测温孔布置.9 2.4 泄压孔布置.9 2.5 保温设计.10 3 制冷系统设计.11 3.1 氟（氨）循环系统.11 3.2 冷冻水循环系统.11 3.3 盐水循环系统.11 4 施工工艺.12 4.1 水平钻孔施工.12 4.2 垂直钻孔施工.12 4.3 冻结施工.13 4.4 开挖条件及过程控制.14 4.5 冻胀与融沉控制.14 4.6 施工监测.15 5 施工计划.16 5.1 工期计划.16 5.2 劳动力需求计划.16 5.3 设备配备计划.18 5.4 材料需求计划.18 6 临时用电方案.19 7 风险分析及应急措施.19 7.1 钻孔风险分析及处理措施.19 7.2 冻结期间的风险分析及处理措施.20 8 工程造价.23 9 冻结法简介.23 9.1 冻结法发展.23 9.2 冻结法的优越性.24 9.3 冻结法原理.25 9.4 冻结期.26 9.5 冻结制冷系统.26 9.6 冻结法的施工工序.27 9.7 工程实例.27 - 2 - 1 工程概况工程概况 1.1 工程简介 胡麻岭隧道工程位于甘肃省境内榆中县与定西市， 进口位于榆中县龙泉乡下郭家庄 村，出口位于定西县苦河左岸，主要穿行于黄土高原的黄土梁、峁区。地面高程一般为 21052430m。梁、峁顶部多为耕地，隧道顶部的黄土冲沟均有季节性流水。山间冲沟发 育，下切较深，沟深一般为 1520m，冲沟沟壁陡峭，垂直山脊多呈树杈状分布，交通较 为不便。 胡麻岭隧道起讫里程为 dk68+626dk82+234,全长 13608m，设计为一座双线隧道， 最大埋深 295m。隧道断面结构如图所示。隧道原按喷锚构筑法技术要求设计，隧道均采 用曲墙带仰拱复合式衬砌，初期支护采用喷锚支护 图 1-1 隧道断面结构形式 因现场实际施工所遇地质条件有较大变化， 采用超前注浆加固和矿山法施工难度较 大， 现拟采用冻结加固地层结合矿山法施工。 本方案主要针对本标段 7#竖井处主隧道进 行试验段（长度 50m）冻结法施工而编制。 1.2 地质及水文情况 - 3 - （一）地质特征 图 1-2 7#竖井处隧道所处的地层情况 本工程涉及地层主要为：第四系上更新统风积砂质黄土，第三系泥岩、砂岩。其特 征详述如下： 第四系砂质黄土（q3 al3）: 主要分布于隧道进出口河谷阶地及顶部沟谷两岸阶地上。 浅黄-褐黄色，厚 520m不等，土质不均，局部夹圆砾薄层，稍湿，稍密， 级普通 土，0 =150kpa。 第三系砂岩夹泥岩（n ms+ss）:砂岩：棕红色，成分以石英、长石为主，粉细粒结构， 泥质胶结，局部夹有砾岩薄层，成岩作用差；泥岩：棕红色为主，泥质结构，泥质胶结， 节理裂隙发育，成岩作用差，属极软岩，具膨胀性。砂岩夹泥岩，属软质岩，岩层产状 近似水平。风化层厚 1215m，强风化， 级硬土，0=300kpa，弱风化， 级软 石，0=400kpa。 （二）水文地质特征 - 4 - 1、地下水分布特征及类型 地下水的分布、埋深与含水层（体）的富水性受控于地形地貌、地层岩性、地质构 造和气候条件。隧道通过地区属黄土高原区，地表覆盖有厚度较大的第四系砂质黄土， 基岩仅在冲沟陡坎处出露。下伏基岩为第三系砂岩夹泥岩、砂岩夹砾岩和白垩系的泥岩 夹砂岩，支沟内有冲、洪积物堆积。根据隧道区地形地貌、地层岩性及地质构造等条件， 隧道区地下水类型可分为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，基岩裂隙水主要为节理裂隙 水。 （1）第四系松散堆积层内孔隙潜水 第四系松散堆积层内孔隙潜水属季节性或间歇性的暂时性潜水， 分布于第四系地层 的孔隙中，与大气降水关系密切，区内降水量小，多集中在 7、8、9 三个月，分布极不 均匀，造成了大气降水补给地下水过程的间歇性，其相对于雨期较为滞后。浅层地下水 主要沿基岩垂向裂隙渗入补给深层基岩裂隙水或沿基岩面径流， 如此浅层地下水在其介 质中的赋存时间相应较短，不会形成稳定的地下潜水含水体，故为季节性或间歇性的暂 时性潜水；季节性潜水接受大气降水的直接补给，在补给过程中，由于地面坡度大，降 雨量少且大气降水多以面流形式沿地面顺斜坡汇聚于冲沟内形成地表径流， 地表砂质黄 土亦阻碍对地下水的补给，一般含水量甚微。 （2）基岩裂隙水 节理裂隙水：分布较普遍，由于各种岩层风化带厚度不一，节理裂隙发育程度等因 素，变幅较大，地下水储存和补给条件差，水量较贫乏。 2、地下水补给径流排泄条件 隧道区地下水的补给、径流、排泄受控于地形地貌、地层岩性、地质构造和气候条 件。 隧道区地下水以潜水为主，受地形、地貌及岩性控制，地下水运移条件十分复杂。 地下水在运动过程中主要受裂隙通道控制，无统一的地下水面。地下水以接受大气降水 的入渗为主要补给来源。地下水主要以补给地表沟水和泉水形式进行天然排泄。泉水流 量均小于 1 m 3/d ， 且在冬季时均有冻结现象。 1.3 工程特点及难点 (1) 施工地点在山区，所处的地层有断裂带，地下较丰富，地下水流动不明确，可 - 5 - (2) 冻结加固的断面较大， 冻结对掌子面的稳定性要求较高， 但随着山势高度变化， 影响冻结难度较大。 (3) 工作井结构相对与冻结工艺要求要小，必须对冻结孔进行调整布置，但影响局 部冻结帷幕。 1.4 施工方法 根据本工程的特点及类似工程的施工经验，经对比研究，决定采用“水平冻结加固 土体、矿山法开挖构筑”的施工方案。即：在现场施工竖井内钻一定长度的水平冻结孔， 冻结加固开挖轮廓外一定范围内的土体，为了确保开挖掌子面土体的稳定，采取结合在 地面钻垂直冻结孔冻结掌子面的方式，形成强度高，封闭性好的冻结帷幕。然后在冻土 帷幕的临时支护下采用矿山法进行隧道的开挖构筑施工。 1.5 施工工艺流程 2 冻结加固设计冻结加固设计 2.1 冻结帷幕设计 2.1.1 基本参数基本参数 (1) 冻结帷幕强度指标:冻土帷幕平均温度为-8，冻土抗折强度和抗剪强度分别取 - 6 - 1.6mpa 和 1.8mpa， 单轴抗压强度为 3.5mpa(根据经验取值， 具体强度指标需经取土试验 后确定)。 (2) 冻结帷幕弹性模量 120mpa，泊松比 0.3。 2.1.2 冻结帷幕加固尺寸冻结帷幕加固尺寸 (1) 开挖隧道四周冻结帷幕厚度取 2.5m,冻结帷幕图详见附件 1。 (2) 稳定掌子面土层的稳定，在隧道开挖的最前端布置个冻结板块，厚度 4m，宽度 20.3m，断面采用局部冻结方式加固，沿隧道开挖断面四周沿伸各 3m。冻结帷幕图详见 附件 1。 2.1.3 温度场模拟温度场模拟 图 2-1 冻结 30 天温度场云图分布 图 2-2 冻结 50 天温度场云图分布 - 7 - 2.1.4 隧道开挖应力与位移分布隧道开挖应力与位移分布 图 2-3 隧道开挖 z 方向位移分布 图 2-4 隧道开挖 y 方向位移分布 图 2-5 隧道开挖总位移分布 - 8 - 图 2-6 隧道开挖最大剪应力分布 2.1.5 结论结论 通过数值从冻结温度场和开挖情况下应力场的模拟， 冻结 50 天， 冻结厚度达 2.5m， 平均温度达-10 度。开挖条件下最大位移在拱顶部位，变形量达 81mm。 2.2 冻结孔的布置 (1) 根据冻结帷幕厚度进行布置冻结孔，开挖断面周边的冻结孔按孔间距 1.0m 布 置。布置中心线距开挖面 1.3m，共布置 52 个冻结孔，选用冻结管规格为1088 低碳 钢无缝钢管。 (2) 垂直冻结板块按 2 排布置，排间距 2m，第一排 14 个孔，第二排 13 个孔，各孔 间距为 1.5m。因现场地面标高不一，各孔的长度不一致，根据图纸资料将每个孔的长度 约估计为 38m，实际需依相应的地面和隧道标高进行调整各个孔的长度。 (3) 冻结孔的布置详见附图 2。 2.3 测温孔布置 在冻结范围内沿冻结方向布置若干测温孔， 主要目的是测量冻结帷幕范围不同部位 的土体温度发展状况，确保冻结加固效果。 测温管长度与冻结长度一致，选用1088mm 钢管，在管内每隔 5m 安装一个热 电偶，并按一定的频率进行测量，以便及时地掌握冻结帷幕的发展情况。 2.4 泄压孔布置 在冻结帷幕封闭区域内布置 4 个卸压孔。在泄压孔上安装压力表，可以很直观的监 - 9 - 测冻结帷幕内的压力变化情况，通过每日观测，及时判断冻结帷幕的形成，并可直接释 放冻胀力。 泄压管长度与冻结长度一致，选用1088mm 钢管，管前端开口，进入土体段钻 孔呈梅花状,以确保冻结帷幕内的压力有效传递。 当冻结帷幕内的土体压力大于同标高原始水土压力 0.15mpa 时， 即可打开泄压阀泄压。 2.5 保温设计 冻结低温区必须进行可靠的保温，减少冷量损失，提高技术经济效益。 2.5.1 冻结系统的保温 冻结系统需要保温的低温部分主要包括冷冻机组低温部位（蒸发器及相关管路）、 盐水循环管路、盐水箱及盐水泵等。 保温材料选用聚乙烯保温材料，厚度 5cm，外面铺设一道塑料防潮层。 2.5.2 冻结体与竖井接合面的保温 冻结体与竖井接合面处冷量损失较大，直接影响冻结土体的加固强度。采用在竖井 面布置冻结排管和外铺保温层方式，如下图所示。 图 2-7 冻结帷幕与竖井接合面的加强保温图 - 10 - 3 制冷系统设计制冷系统设计 3.1 氟（氨）循环系统 水平冻结站选用w-yslgf600型螺杆冷冻机3台。 每台机组制冷量1710 4 kcal/h， 电机功率 220kw，其中一台为备用机组。 垂直冻结站选用 w-yslgf300型螺杆冷冻机 2 台。每台机组制冷量 8.610 4 kcal/h，电机功率 110kw，其中一台为备用机组。 图 3-1 螺杆冷冻机图 3.2 冷冻水循环系统 参参 数数 项目名称项目名称 水平冻结水平冻结 垂直冻结垂直冻结 进水温度 30 30 回水温度 35 35 流量 m3/h 210 140 新鲜水补充量 m3/h 4 3 水管规格 mm dn150 钢管 dn100 钢管 离心水泵 2 台 is150-125-315 2 台 is150-125-315 冷却塔 3 台 kst-120 2 台 kst-120 3.3 盐水循环系统 参数参数 项目名称项目名称 水平冻结水平冻结 垂直冻结垂直冻结 出水温度 -30 -30 回水温度 -25 -25 - 11 - 流量 m3/h 250 160 水管规格mm dn150 无缝钢管 dn125 无缝钢管 离心水泵 2 台 is150-125-315 2 台 is150-125-250 4 施工工艺施工工艺 4.1 水平钻孔施工 4.1.1 钻孔工程量钻孔工程量 钻孔工程量按 50m 冻结长度计：3162m（包括冻结孔、测温孔、泄压孔）。 4.1.2 冻结钻孔施工设备冻结钻孔施工设备 根据工程量及工期要求，本工程选择水平孔钻机 4 台，钻机型号为 hw3，设计水 平钻进深度 200 米。 该钻机是一种多级转速、大扭矩能够钻进大直径的改装型钻机，可用牙轮钻头、潜 孔钻进、人造金刚石复合片等钻进工艺，完全可满足本工程水平孔钻进的工期及质量需 要。 4.1.3 钻具及附属设备选择钻具及附属设备选择 （1）钻头：自制内翼板筒式全断面钻进钻头。 （2）钻杆：采用1088mm 冻结管作为钻杆。 （3）专用接头：1088mm 钢管内焊单向阀和 封水丝堵座。 （4）泥浆泵：配套 2 台泥浆泵 bw250。 （5）搅拌机：配用 2 台自制立式旋流搅拌机。 （6）lcx-9 水平测斜仪 4.1.4 水平钻孔（管）施工步骤水平钻孔（管）施工步骤 清理场地安装钢支架钻机组装、调试测放钻孔位砼壁开孔、埋设孔口管、 孔口闸阀以及密封装置组装钻具连接调测钻具方位角和仰（俯）角二次钻开砼 壁残留层将钻头对准孔位，调整好孔口密封开泵、冲洗液循环 开始钻进焊接 冻结管接口再钻进直至设计深度终孔注水清洗安装封水丝堵冻结管试漏 进行测斜切割露在孔外多余的冻结管移机至下一管位。 4.2 垂直钻孔施工 - 12 - 4.2.1 钻孔工程量钻孔工程量 根据地面标高暂定钻孔长度为 38m，则钻孔量为 1140 米（包括冻结孔、测温孔）。 4.2.2 钻孔施工设备钻孔施工设备 选用 1 台 xy-2 型垂直钻机，配套 2 台 bw250 泥浆泵，采用泥浆循环钻进。 4.2.3 钻具及附属设备选择钻具及附属设备选择 （1）钻头：自制 3 翼刮刀钻头，如遇到障碍物或难以钻进时，改用牙轮钻头钻进。 （2）钻杆：采用656mm 钻杆。 （3）泥浆泵：配套 2 台泥浆泵 bw250。 4.2.4 垂直钻孔施工步骤垂直钻孔施工步骤 定位开孔 钻机就位 造孔 洗孔 测斜 下放冻结管 打压试漏 纠偏 供水 泥浆循环 泥浆沉淀 泥浆池 泥浆检测 拔出 单孔完成 钻孔准备 4.3 冻结施工 - 13 - 4.3.1 冻结站安装冻结站安装 冻结站布置地面上，远离隧道开挖面的正上方 20 米远的地方。地面要求进行混凝 土硬化和平整处理，大约需要 300m 2。根据选配机组数量及配套设备，合理布置冻结设 备，如图附 3 所示。 4.3.2 冻结运转冻结运转 (1) 冻结盐水温度-25-30 (2) 冻结孔每孔流量不小于 3m 3 (3) 积极冻结 50 天，维护冻结暂定 50 天（与开挖过程同步） ，中间不得停止冻结， 如中间因其因素停止冻结，需根据测温孔温度分析，相应地延长冻结时间。 (4) 盐水去回路温度差，在前期因需热交换较大，在 5-7，后期在 2左右。 (5) 盐水比重控制在 1.26，相应的结晶温度在-38。 4.4 开挖条件及过程控制 1） 开挖条件 a 通过测温孔所测温度进行计算分析冻结效果，必须达到设计的厚度和强度（平 均温度不高于-10 度）。 b 通过泄压孔压力进一步间接判断冻结帷幕的交圈情况， 确保冻结帷幕充分交圈。 c 在开挖面打若干探孔，探测开挖面的稳定情况，不得有压力水土涌出。 d 开挖工作准备就绪，并做好应急物资的准备工作。 e 现场通过专家的进一步验收。 2） 过程控制 a 必须保证冻结机组的正常运转，并做好要备用机组的检修保养工作。 b 确保水、电的不间断供应，并考虑一定的应急。 c 开挖过程中，必须对测温孔的温度进行定期测量，跟踪土体温度影响变化趋势。 d 必须保证各个盐水管路通畅。 e 对开挖面土体进行温度实测，以跟踪温度变化，以指导施工。 f 对开挖断面进行变形监测，以尽快地掌握断面变形情况，早发现问题，早处理。 g 开挖面土体暴露不得超过 24 小时， 否则必须采用保温措施， 防止冻结帷幕融化。 4.5 冻胀与融沉控制 - 14 - 4.5.14.5.1 冻胀控制 冻胀控制 土层冻胀主要是土层中水结冰膨胀引起，影响冻胀的因素除含水量的多少外，还与 冻土压力大小、冻结速度快慢、冻结温度高低、冻土中水量补给状况等因素有关。 控制措施： a. 加强冻结壁温度、厚度监测，及时调节冻结盐水温度和冻结时间，并尽可能采 用间隔制冷冻结措施。 b. 在开挖断面内外，视地层情况施工泄压孔（槽），减少冻胀压力。控制冻胀影 响范围和方向。 c. 加快冷冻降温速度，加大盐水流量，以利加快冻土发展进度，减少冻土的水分 迁移，即减少冻胀。 d. 加强内衬结构强度，防止冻胀对结构产生破坏影响。 4.5.24.5.2 融沉控制 融沉控制 冻土的融沉是相对冻胀产生的，因为冻土融化后，土中水份因自重作用渐小，融土 在围岩压力及土颗粒自重作用下，压缩体积引起融沉。人工地层冻结施工中,影响地层 或地表的沉降的原因很多,除冻土融沉本身影响因素外,如开挖施工中支护方式,冻结壁 变形大小,衬砌和土层的接触是否密实,是影响沉降的关键。 防治措施： a. 在隧道开挖过程中，根据揭露地层情况在软土、粘土中预埋或预留注浆孔，在 冻结壁融化时，视融沉发展情况，及时跟踪压密注浆控制融沉。 b. 合理的对冻结壁分区、分期进行解冻，控制其整体融沉机理现象。 4.6 施工监测 1） 冻结系统监测 序号 监测项目 测量方法 频率 1 盐水温度、压力、流量 热电偶，压力表、流量计 1 次/天 2 冷却水温度、压力、流量 热电偶，压力表、流量计 1 次/天 3 冷冻机吸、排气温度、压力热电偶，压力表 1 次/2h - 15 - 4 冷冻机蒸发温度、压力 热电偶，压力表 1 次/2h 5 冷冻机冷凝温度、压力 热电偶，压力表 1 次/2h 2） 冻结土体监测 序号 监测项目 测量方法 频率 1 冻结帷幕温度场 热电偶，压力表、流量计 1 次/天 2 冻胀力 热电偶，压力表、流量计 1 次/天 3 开挖面土体温度 热电偶，压力表 1 次/2h 4 开挖面变形 热电偶，压力表 1 次/2h 5 施工计划施工计划 5.1 工期计划 5.2 劳动力需求计划 5.2.1 劳动组织体系劳动组织体系 为加强公司对钻孔、冻结等各专业队伍的统一管理和贯彻 iso9001-2000 质量体系 管理要求，本工程现场成立工程管理项目部，具体组织系统如下图。 5.2.2 劳动组织人员配置劳动组织人员配置 （1）项目部主要管理人员（见下表） - 16 - 现场管理组织系统 总公司项目负责人 项目经理 （2）施工劳动人员配置 打钻和冻结安装期间驻工地施工人员最多约为 68 人，打钻 35 人，冻结施工 20 人， 管理人员 13 人。冻结运转期间驻工地施工人员约为 25 人。 工 种 人 数 工 种 人 数 生产副经理 总工程师 办公室 经营管理部 工程技术部 钻孔施工队 冷 冻 站 综 合 班 冻 结 作 业 班 供 电 作 业 班 检 修 班 水 平 钻 孔 队 垂 直 钻 孔 队 - 17 - 打钻工 46=24 辅助工 4 电焊工 8 技术人员 3 冻安工 15 管理人员 6 机修工 2 后勤人员 4 电 工 2 合计 68 5.3 设备配备计划 设备配备计划表 编 号 项 目 型号 单位 数量 备 注 1 水平钻机 hw-3 台 1 2 垂直钻机 xy-2 台 1 3 泥浆泵 bw-250 台 5 4 冷冻机组 w-yslgf600 台 2 5 冷冻机组 w-yslgf300 台 2 6 离心泵 is250-150-315 台 8 7 测斜仪 / 台 1 8 测温仪 / 台 1 9 冷却塔 kst-120 台 5 10 电焊机 400a 台 4 5.4 材料需求计划 主要材料需求计划表 编 号 项 目 规格 单位 数量 备 注 1 无缝钢管 898 m 3162/1140 20#低碳钢 2 无缝钢管 1273.5 m 300 20#低碳钢 3 无缝钢管 1595 m 500 20#低碳钢 4 聚乙烯管 504 m 500 5 高压胶管 603 m 600 耐压 0.8mpa 6 冷冻机油 46# kg 1000 7 氟里昂 r22 kg 600 8 氯化钙 80% t 40 10 单向阀 89 只 60 开启压力 1.0mpa - 18 - 11 阀门 dn50 只 130 12 阀门 dn150 只 20 13 阀门 dn200 只 20 14 保温材料 厚 5cm m 2 800 聚乙烯 15 合金钻头 140 只 80 16 合金钻头 130 只 80 6 临时用电方案临时用电方案 施工区域用电设备均为 380v 低压系统，电缆从变配电间引至施工场地。系统基本 布局为：变配电间低压干线施工场地总配电箱（600a）分配电箱用电设备控制 电箱。 最大用电负荷期在冻结前期，现场实际配用另需考虑冻结期开挖用电量。主要用电 负荷如下表所示。 线路号 设备名称 台数 功率 kw 线路号 设备名称 台数 功率 kw 冷冻机 2 220/台 冷冻机 1 110/台 清水泵 4 30/台 盐水泵 3 30/台 冻结期 （最大用电期） 合计 760 合计 760 钻机 2 52/台 钻机 1 30/台 泥浆泵 3 11/台 电焊机 2 22/台 钻孔期 合计 202 合计 202 7 风险分析及应急措施风险分析及应急措施 7.1 钻孔风险分析及处理措施 钻孔期间主要的风险有哪下几个方面： 钻孔期间主要的风险有哪下几个方面： （1） 钻孔时孔口处易出现涌水涌砂现象，使水土流失过多，造成对土层的扰动， 使钻孔质量下降。 （2） 冻结管接缝不太密实， 在冻结过程中可能使盐水进入地层影响冻结效果， 使 土体难以发生冻结，冻结帷幕难以形成，出现工程事故。 （3） 冻结孔可能出现偏移，引发冻结帷幕出现薄弱环节。 - 19 - （4） 打冻结孔时，水土流失过多，可能导致钻孔过程中地表沉降过大。 采取的主要技术措施有： 采取的主要技术措施有： (1) 冻结孔施工前， 在布孔范围内打若干小孔(38mm)探孔， 以判断地层是否稳定， 是否易喷水、涌砂，以便做好各方面的准备工作。 (2) 冻结孔开孔分二次进行， 以此来控制泥浆涌出。 第一次开孔用金刚石取芯钻头， 取芯钻进入管片 300mm，取芯后，安装孔口管及密封装置。第二次开孔在密封装置的保 护下进行，穿透整个管片后，及时地密封孔口。 (3) 钻孔过程中，严格控制水土流失，最好控制在不大于所有冻结管占用体积量， 如流失过多，可在成孔后及时利用密封盒上的注浆管向土体充填压浆。水泥浆采用单液 水泥浆。 (4) 钻孔前，对冻结孔的长度、角度及时检查，并做好记录，钻机找平找正，调整 好角度后，及时固定牢固。在钻孔过程中，严格控制冻结管的焊接质量，经检查合格后 方可继续钻进。钻进结束后，及时对冻结孔进行测斜、打压检漏试验、复测其深度。及 时画出各孔的偏斜图。检漏压力控制在 0.8mpa，稳定 15 分钟为合格。终孔间距超出设 计要求的，需打补孔。 (5) 在冻结孔施工期间，现场配备 125mm、109mm 等规格的木楔、2m 3的砂袋和 2t 水泥(含 0.5t 速凝水泥)等抢险物资。 7.2 冻结期间的风险分析及处理措施 主要的风险有哪下几个方面： 主要的风险有哪下几个方面： (3) 因供电、供水中断、冷冻机组或其他辅助设备的机械故障引发的停车，而中断 冷冻施工，使冻结帷幕温度回升或融化，强度降低。 (4) 各冻结管串联支路的供冷不平衡而引起的冻结帷幕发展速度不均衡，导致冻结 帷幕易出现薄弱环节。 (5) 土层与竖井接触面处容易散热，会严重影响附近土层的冻结速度，使冻结帷幕 与管片接合处胶结不好，易出现薄弱点。 (6) 因冻结盐水浓度过小而结晶发生堵管，造成盐水循环中断，甚至发生盐水管胀 裂事故。 (7) 冻结过程中， 因发生断管事故而造成盐水泄漏入加固土体内， 使土体不易冻结， 强度降低，易出现薄弱环节，甚至造成冻结失败。在开挖阶段则会发生透水、涌泥、涌 - 20 - 砂事故。 (8) 冻结施工中， 土体的冻胀是不可避免的， 在冻胀过程中必然产生一定的冻胀力， 会对隧道及周围环境产生影响，造成管片变形等。 采取的主要技术措施有： 采取的主要技术措施有： (1) 本工程在开挖施工期宜采用备用电源-发电机组。 (2) 冻结站安装 1 个冷却水蓄水箱，总蓄水达 8m 3。在供水中断的情况下，可利用蓄 水箱清水保证冷却用水需求。同时及时恢复供水。 (3) 冻结站安装有备用冷冻机组。一旦发生机械故障，立即开启备机组，同时修复 故障机组，及时恢复冻结。平时加强设备的管理与维修，冷冻机运转前安排有熟悉机器 性能的设备员对机组进行全面细致的检修，确保其安全性。现场备有各种冻结机组的易 损件，配备富经验的制冷机修工人在现场值班，以便及时发现、解决问题。根据需冷量 计算分析，在积极冻结期，需一台机组冻结，当发生停冻后，可通过适当延长冻结时间 的方法，以满足冻结帷幕的设计要求；在维护冻结期(开挖阶段)，一台机组运转则满足 冷量需求，因机械故障的停车对冻结帷幕的影响并不大。 (4) 在每个冻结串联支路上的盐水出、入口安装阀门。在冻结过程中，监测各个支 路的盐水温差情况，一般各支路的温度差别控制在 2范围内。根据测量温差情况，通 过阀门相应地调节各支路的盐水流量，直到各支路的温差满足控制要求。 (5) 加强土体与竖井接触区域内的保温。安装布置冷冻排管；在此基础上再铺设保 温层保温。并布置测温点，有针对性测量冻结情况。 (6) 加强冻结过程中对盐水浓度的检测， 要求其比重控制不小于 1.26(29.8be o)， 其 结晶温度在-38.6。一旦浓度偏小，及时补充 cacl2。 (7) 加强冻结过程中对盐水箱液面的测量，一旦发现盐水泄漏，及时汇报，并及时 对现场所有盐水管路进行检查， 首先判断是因冻结管断裂或焊接质量有问题出现的盐水 泄漏(此盐水漏入冻结土体内)， 还是从冻结胶管或是盐水干管及阀门中泄漏的 (此盐水 未漏入冻结土体内)。若盐水漏入冻结土体外，直接根据情况及时修复，再恢复冻结； 若盐水漏入冻结土体内，则要用排除法进一步确定是哪些组出现了问题，最后确定到具 体的冻结管，采用下套管的方法，再恢复冻结。 (8) 在冻结帷幕内，布置泄压孔，冻结过程中，加强对卸压孔内压力的观测，当压 力上升 0.15mpa 时，需及时打开泄压孔，释放因土体冻胀引起的冻胀力，减少对工程的 危害。 - 21 - 单位工程名称： 综合单价合价 60202001001钻机造孔米197197160202001001钻机造孔米1971971 1水平钻孔米3264528.501725023 2垂直钻孔米1140208.38237553 3打钻场区照明月2.174329.399395 60202002001冻结器下放米161560860202002001冻结器下放米1615608 6冻结管安装米3678352.141295177 7测温管安装米522352.14183818 9泄压管安装米204204.1341643 10供液管安装米440421.5694970 60202003001站外供冷管路安装米21697060202003001站外供冷管路安装米216970 11集配液圈制作米180496.5789382 12集配液圈安装米180134.9124284 13冻结器头部安装个79469.5737096 14盐水干管安装米300220.6966207 60202004001冻结制冷项724516760202004001冻结制冷项7245167 15首次充氟吨641320.96247926 16溶化氯化钙吨302550.4076512 17冻结制冷人工材料消耗月3.34400628.241338098 18冷冻机械设备运行台班9006024.475422023 19冷冻站材料摊销站137133.4037133 20冻结场区照明月4.55216.5323474 21融沉注浆项1100000.00100000 分部分项工程量清单计价表分部分项工程量清单计价表 兰渝新建铁路胡麻岭隧道工程7#竖井冻结加固施工试验段工程 编码及序号项目名称计量单位工程数量 金额（元） 备注 9 冻结法简介冻结法简介 9.1 冻结法发展 人工冻结法始于 19 世纪，是利用人工制冷技术降低地层温度，使地层中的水冻结， 把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻 结壁的保护下进行地下工程施工的特殊施工技术。 其实质是利用人工制冷临时改变岩土 性质以固结地层。 人工冻结的应用和研究是以天然冻结条件下冻土的物理力学性质研究为基础， 随着 人工冻结凿井逐步发展起来的。近年来，随着对冻土力学性质方面研究的深入，越来越 多的人工制冷技术被用于地层加固和稳定土体。一般来讲人工地层冻结有两种方法，一 是使用冷媒间接制冷法，二是制冷剂直接冻结法。如使液氮或干冰等在土体内部发生相 变，吸收地层热量使土体降温至冻结。英国工程师南威尔士 1862 年在建筑基础施工中 首次使用了人工冻结技术加固地层。1883 年德国工程师 p.h.poetsch 提出人工地层冻结 (artificially ground freezing method)原理，成功应用于阿尔里德九号井凿井工程，并申请 获得冻结凿井技术专利。随着人工制冷技术的发展以及冻土热力学、力学研究的不断深 入，冻结施工技术工艺日益完善，冻结法先后在德国、比利时、英国、波兰、前苏联、 法国、 加拿大、 南非、 中国等国家得到了普遍应用。 冻结法凿井最大冻结深度已达960m(英 国)，冻结圆型基坑的最大直径达 69m(前苏联)。 人工地层冻结法加固地层广泛用于不稳定地层井筒建设工程的同时， 在其它岩土工 程领域特别是城市地下工程中得到迅速推广。在国外，冻结法施工技术己成为一种可行 的和极具竞争力的软土及不稳定含水地层加固、隔水的有效施工方法。它己被广泛应用 于基坑、隧道、井筒、地下硐室施工的临时支护，其施工规模小至地铁泵站、大到城市 中整个街段的高层建筑基础、地铁车站及大型地下瓦斯仓库施工等。 人工冻结在城市地下工程中的应用始于 1886 年瑞典斯德哥尔摩 24m 长的人行隧道 建设工程。在此后的一个多世纪里，人工冻结法在许多国家的隧道、地铁和建筑基础等 领域中得到不断应用和发展，例如 1906 年横断法国塞纳河底地铁工程，1942 年巴西 26 层大厦不均匀下沉的调整，1968 年英国的上水道管渠隧道工程，1973 年美国的湖底取 水竖井安装工程。20 世纪 90 年代以来，国际上对人工冻结法的应用更为广泛。1991 年 西班牙巴伦西亚地铁建设中，冻结法以其灵活、方便、有效的特点而获得好评；美国威 斯康森州米尔沃基市在建设输洪大直径隧道起始段 50m 深竖井时， 采用冻结法支护、 止 水，很好地控制了土体的位移；德国 dusseldorf 市中心火车站附近地铁隧道工程通过提 升土层含水量而提高冻土强度， 使冻结法施工获得成功。 hass等阐述了将柏林的 “u5” 地铁线从东部延长至拟建于西部的车站工程的冻结施工计划与设计工作。 整个工程设计 冻结土体长度 490m，体积达 84200m，是截止目前世界上应用人工冻结法所施工的最 - 23 - 大的隧道工程7。日本名古屋市在建造地下输电隧道时，需垂直连接两个不同直径的隧 道，于是在连接处应用了人工冻结法，施工历时 323 天。 我国自 1955 年首次在开滦林西风井使用冻结法凿井以来己有 60 多年的历史， 已用 冻结法建造了 440 多个井筒，总长度超过 67km，最大冻结深度已达 650m，目前冻结深 度更深的赵楼矿井和郭屯矿井正在施工中。 人工地层冻结法加固地层在广泛用于我国不稳定地层井筒建设工程的同时， 和西方 国家在 70 年代末一样，正在向其它岩土工程领域迅速推广，如解决上海地铁 1 号线淤 泥质粘土中建造旁通道、集水泵站难题等。二十世纪七十年代初首次在北京地铁建设工 程中使用了人工冻结技术，1998 年在北京地铁国贸站南隧道进行的 45m 水平冻结加固 施工的成功标志我国地层冻结施工进入城市地下工程的一个新阶段， 1998 年上海地铁 2 号线 5 个区间联络通道中有 4 个采用冻结法施工， 2000 年广州地铁 1 号线纪越区间过清 泉街断层采用水平冻结，隧道长 64m，施工取得成功，之后南京、深圳等地地铁旁通道 也相继使用了地层冻结工法。而现今随着我国岩土工程的发展，深基础和其它地下市政 工程的不断涌现，冻结法围护结构以其独特的优越性而越来越受到重视，地层冻结技术 已经全面进入我国城市地下工程领域 9.2 冻结法的优越性 采用冻结法围护结构在复杂和特殊地层施工中具有很大的优越性： （1）适应性强。它适应于各种复杂地质及水文地质条件下的任何含水地层的土层 加固，并且基本不受结构形式、平面尺寸和深度的影响； （2）支护结构灵活、易控制。可根据不同地质条件、环境及场地条件灵活布置冻 结孔、调节冷媒温度，从而获得高质量的冻土帷幕，特殊情况下还可以采用液氮进行快 速抢险，与普通盐水人工冻结法相比，液氮人工冻结法具有深低温、冻结速度快、冻结 强度高、无污染等优点； （3）隔水性好。由于地层中水在低温下结冰，冻结壁防渗性能是其它施工方法所 无法相比的； （4）环境影响小。它充分利用土体自身的特点，材料是土体本身，对地下水资源 及周围环境无污染，冻结壁解冻后，冻结管可以视情况回收，地下土层恢复原状，对地 下工程较为有利。 （5）环境污染小。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。作为一种“绿色”施工方法，符合当今环 境岩土工程发展趋势。 - 24 - 9.3 冻结法原理 冻结法是在岩土工程开挖之前， 用人工制冷的方法将开挖工程周围的岩土层冻结成 封闭的冻结圈（壁），以临时加固地层，抵抗地压，隔绝地下水，然后在冻结壁的保护 下进行正常施工的一种特殊施工法。 (1) 首先要打一定数量的冻结孔，孔内安装冻结管或冻结器。 (2) 冷冻站制出的低温盐水（大约-30c）经输送干管到各孔内冻结器，再由回路干 管返回到冷冻站的盐水箱。 (3) 低温盐水在冻结管中沿环形空间流动时， 吸收其周围岩层的热量， 使周围岩层冻 结，逐渐扩展形成冻结壁。 (4) 随着盐水循环的进行，冻结壁厚度逐渐增大，直到达到设计厚度和强度为止。 - 25 - 9.4 冻结期 冻结法施工整个冻结过程分为两个阶段，分别为积极冻结期和消极冻结期（维护冻 结期）。 (1) 积极冻结期： 该阶段用设备的最大制冷能力工作， 使地层尽快达到冻结厚度和冻 结强度。该阶段要注重冻结壁形成的观测工作，及时预报冻结壁形成情况。 (2) 消极冻结期：当冻结壁达到设计要求，进入岩土工程开挖施工阶段，即维护冻结 期；此时适当减少供冷，控制冻结壁的发展即可。 9.5 冻结制冷系统 冻结制