市政竖井冻结加固开挖方案(详).doc

在已建成建筑物附近建造地下停车库立井冰冻地基加固工程冻结施工组织设计编制： 审核： 审定： 北京深林开物市政工程公司2008.1222一. 工程概况1.1 工程简介拟建市中心地下停车库一座。停车库进口采用垂直立井用来吊运车辆，立井初步设计直径为20m，深18m左右的圆形结构。立井附近有已建成建筑物。(如下示意图)此立井采垂直冰冻地基加固，明挖顺做法施工。1.2 地质描述详见“地质勘察资料”，此方案适用于杂填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土、粘土、质粘土和、粉质粘土。二. 方案设计及计算2.1 设计依据及原则2.1.1 设计依据（1）业主提供的工程地质资料、工作井结构图及管线布置图等相关资料；（2）井巷工程设计规范及其他相关国家安全文明施工规范。2.1.2 设计原则（1）垂直冻结帷幕技术性能必须满足立井施工的安全和质量要求；（2）垂直冻结方案应符合现场实际条件的施工可行性和良好的可操作性；（3）施工方案应在满足工程要求工期的条件下具备优化能力；（4）施工方案及措施必须满足城市环保及节能要求；（5）减少冻胀与融沉的危害。2.2 立井施工技术要点根据以往立井工程施工的经验，提出以下技术要点。（1）为保证施工的安全、可靠，开挖之前应开始冻结孔的施工及积极冻结。通过检测确认冻结帷幕达到设计强度、厚度后，进行立井的施工。（2）必要时利用J200型金刚石钻头在立井附近开孔，进行融沉注浆。（3）采用间歇式冻结方式控制冻胀融沉。（4）开挖时，为减慢立井底板以下冻土墙融化速度，防止拔管后底部冻土墙融化过快，可将冻结深度适当延深35m，以保证冻土墙的封水性能。（5）钻孔施工前在立井周边进行预注浆以改良土壤提高土体强度和封水性，同时可有效地减少融沉对周边建筑物的影响。2.3 施工方法与施工主要工序2.3.1 施工方法根据工程地质条件及其它施工条件，确定采用“地面钻孔垂直冻结加固”的施工方案，即：在地面利用垂直冻结加固地层，使立井外围土体冻结，形成圆柱加板块、强度高、封闭性好的冻结帷幕。2.3.2 施工工序首先加固开挖立井周围，通过测温孔观测计算，确定冻结帷幕交圈、冻土完全胶结，并达到设计强度后，再将井口内冻结管拔出，最后开挖推进。冻结站安装与钻孔施工同时进行，钻孔施工结束即可转入冻结器安装和冻结阶段。垂直地层加固和盾构进洞的主要施工工艺及顺序见图1施工准备冻结孔施工冻结站安装冻结器系统安装检测系统安装井口内冻结管拔除探 孔 积极冻结运转 开挖初期支护永久性结构施工图1 施工工艺流程图2.4 荷载计算为了确保施工过程万无一失，应对该工程冻土帷幕进行强度验算。对冻土帷幕采用有限元分析软件ANSYS进行应力场分布情况的三维有限元数值分析，并根据计算结果进行强度验算。2.4.1 计算依据根据工程实际情况，对于平均温度为10的冻土，冻土强度指标取抗拉强度1.8MPa，抗剪强度1.6MPa。2.4.2工程地质条件 根据地质勘查报告确定施工范围所处具体地层，然后对方案进行优化。2.4.3 ANSYS软件三维数值分析2.4.3.1 计算模型（1）假设在工程影响范围内，取计算范围内土层为单一土层为灰色粘土；冻土帷幕为10的等温体；未冻土和冻土均为弹塑性材料。（2）模型材料参数模型材料的力学见下表1：表1 模型材料参数土层名称天然重度(kN/m3)压缩模量（MPa）粘聚力（kPa）内摩擦角（度）灰色粘土17.32.71414-10冻土27.31505025混凝土2535000465050（3）荷载计算区域内分布土体自重荷载；（4）模型计算区域取立井中线上方至地面、下方21m，从立井中点往左右方向各取30m，整个计算区域为21m。坐标原点位于立井中心，z轴与立井轴线平行，平面与z轴垂直。整体模型的顶面（地面）为自由面，后左右三个垂直面上水平位移约束，底面上水平和垂直位移均约束。整体模型见图2，网格划分见图3，冻土帷幕外表形状见图4，网格划分见图5。图 2 冻结加固冻土帷幕计算模型图 3 计算模型网格划分图 4 冻土帷幕模型图 5冻土帷幕模型网格划分图2.4.3.2 立井冻结工程计算结果（1）计算结果圆柱加固体和板块加固体剪应力、主应力云图见图6图13。板块加固体冻土帷幕主应力和剪应力最大、最小值见表2，拉应力为正，压应力为负。表 2 单元最大、最小主应力、剪应力表名称s1s2s3txytyztxz最大值(MPa)0.790.410.160.090.140.16最小值(MPa)-0.11-0.12-0.27-0.08-0.13-0.16从表中可以看出，最大最小主应力值都很小，最大主应力值不超过1MPa。剪应力值沿洞口对称分布，在各个方向上最大最小值基本相等，说明计算符合实际情况。（2）强度验算根据以上计算结果，冻土帷幕的最大拉、压应力和剪应力及强度验算见表3。冻土强度指标取值见表3中说明。表 3 ANSYS计算结果强度验算部位应力名称计算值指标安全系数隧道进洞洞体加固最大拉应力0.791.82.78最大压应力0.273.516.7最大剪应力0.161.59.38根据以上计算和强度验算结果，冻土帷幕的设计温度和厚度均满足强度要求。图 6 冻土帷幕剪应力分布图 7 冻土帷幕剪应力tyz分布图 8 冻土帷幕剪应力txz分布图 9 板块加固体冻土帷幕主应力分布图 10 板块加固体冻土帷幕主应力分布图 11 板块加固体剪应力分布图 12 板块加固体剪应力tyz分布图 13 板块加固体剪应力txz分布2.4.4 结论按照冻土帷幕平均温度10，冻土强度指标取单轴抗压强度3.5MPa，抗弯强度1.8MPa，抗剪强度1.6MPa。板块加固体厚度暂取2.0m，圆柱加固体厚度暂取1.2m。进行了ANSYS三维数值分析，根据分析结果可得出如下结论：计算出来的主应力最大最小值都很小，最大值为0.79MPa。板块加固体各个方向上的剪应力呈对称分布，最大最小值基本相等，最大剪应力为0.16MPa。计算得出拉应力安全系数为2.78，压应力安全系数为16.7，剪应力安全系数为9.38，可见其安全储备得以保证。三、冻结施工3.1冻结孔施工3.1.1 冻结孔的布置根据冻结帷幕设计，冻结孔按近垂直角度，呈两排布置。圆柱体冻结孔沿井口25m、23m圆形布置，开孔间距为1.0m（弧长），冻结孔数150个，冻结孔深度为24m。板块冻结孔沿开洞口16m、10m、4m圆形布置，开孔间距为1.5m（弧长），冻结孔数61个，冻结孔长度为21m（进入土体2.2m）；井口口中心布设1个冻结孔，冻结孔长度为21m， 冻结孔的布置详见附图3冻结孔施工平面图，圆柱体垂直冻结孔示意图4 图3 冻结孔平面布置图 3.1.2 测温孔布置共布置31个测温孔，（其中8个布置在立井内部）（详见图3），深度为321米，目的主要是测量冻结帷幕范围不同部位的温度发展状况，以便综合采用相应控制措施，确保施工的安全。测温孔管材选用323mm20#低碳钢无缝钢管。 3.1.3 钻孔施工 冻结孔施工工序为：定位开孔及孔口管安装孔口密封装置安装钻孔测量（封闭孔底部）打压试验。3.1.3.1 定位开孔及孔口管安装根据设计在混凝土地面上定好各孔位置。首先确定孔位，再用开孔器（配金刚石钻头取芯）按设计角度开孔，开孔直径150，安装孔口管，孔口管的安装方法为：首先将孔口处凿平，安好四个膨胀螺丝，而后在孔口管的鱼鳞扣上缠好麻丝、涂抹密封物后将孔口管砸进去。3.1.3.2 冻结孔施工按设计要求调整好钻机方位角和俯仰角位置，并固定好。首先采用无泥浆钻进，当钻进不进尺时，调整施工工艺进行泥浆钻进，打钻过程中观察出水、出砂情况以便调整钻进参数。钻机选用MD-50型岩心钻机，钻机扭矩2000NM，推力17KN。3.1.3.3测斜 利用经纬仪结合灯光对每个成孔进行测斜，偏斜率控制在1%以内，不宜内偏，最大终孔间距不大于200mm。 3.1.3.4密封试验将成孔管内注水进行冻结管密封试验，试验压力控制在0.8MPa， 45分钟内压力无变化为合格。3.2 冻结施工3.2.1制冷设计3.2.1.1 冻结参数确定（1）积极冻结期盐水温度为-28-30。（2）维护冻结期温度为-25-28；（3）外围冻结孔终孔间距Lmax1000mm，冻结帷幕交圈时间为20天，达到设计厚度时间为30天。（4）积极冻结时间为30天，维护冻结时间为5天。（5）冻结孔布置211个，冻结管总长度为4431m。（6）测温孔布置31个，深度为321m，测温孔一般定在终孔间距较大的位置。3.2.1.2. 需冷量和冷冻机选型冻结需冷量计算：Q=1.2dHK式中:H冻结总长度；d冻结管直径；K冻结管散热系数；将上述参数代入公式得：Q=1.2dHK =3.2208Kcal/h选用W-YSLGF300型螺杆机组两台套，设计工况制冷量为8.75104 Kcal/h，电机功率145 KW2=290 KW。3.2.1.3. 冻结系统辅助设备（1） 盐水循环泵选用IS125-100200型2台，流量400m3/h，电机功率30KW 2=60 KW 。（2） 冷却水循环选用IS125-100200C型1台，流量400m3/h，电机功率302=60 KW。冷却塔选用NBL-50型四台，补充新鲜水30m3/h。3.2.1.4. 管路选择（1）冻结管选用1086mm,20#低碳钢无缝钢管,丝扣连接,另加手工电弧焊焊接。（2）测温孔管选用323mm,无缝钢管。（3）供液管选用1.5钢管，采用焊接连接。（4）盐水干管和集配液圈选用1596mm无缝钢管。（5）冷却水管选用1334.5mm无缝钢管。3.2.1.5. 用电负荷 总用电负荷约400kw/h。3.2.1.6. 其它（1） 冷冻机油选用N46冷冻机油。（2） 制冷剂选用氟立昂R-22。（3） 冷媒剂选用氯化钙溶液。（4） 冷冻站布置在地面上，平面布置见图21图21 冷冻站平面布置图主要冻结施工参数一览表面序号参 数 名 称单位参数备 注1冻结孔深度m212冻结帷幕设计厚度m353冻结帷幕平均温度-104积极冻结时间天30从开冻至可以开挖5冻结孔（总）数个2116冻结孔（总）长度m44317冻结孔开孔间距m1和1.58冻结孔偏斜率%19设计最低盐水温度-30冻结7天盐水温度达到-20以下10单孔盐水流量m3/h1611冻结管规格mm108820#低碳钢无缝钢管12测温孔总数个31323mm13冻结总制冷量Kcal/h17.5万工况条件14冷冻机W-YSLGF300型台215钻机XY-2型台216最大用电量kw40017用水量m3/h30新鲜水补充四、拔管和盾构进洞的安全保证措施4.1 拔管通过探孔分析，冻土帷幕胶结良好后，即可拔管。（1）拔管顺序：拔井口内的三圈孔，先拔第三圈的同时第二圈、第一圈孔继续冷冻。 第三圈孔拔完后开始拔第二圈孔，拔第二圈孔时要间隔拔除，未拔除的相临孔继续冷冻。拔第一圈孔时要间隔拔除，未拔除的相临孔继续冷冻。（2）拔管方法：利用两个20吨千斤顶架设在地面上，竖直向外顶推冻结管，具体操作如图26。（3）拔管时间：1天。图26 拔管示意图五. 跟踪注浆控制融沉根据以往经验，融沉注浆总量一般为冻土体积的15%左右，经计算该区域注浆体积约为200米3，采取以下方法进行跟踪注浆控制融沉：（1） 利用已经打设的注浆孔进行跟踪注浆，减少融沉；（2） 局部强制解冻所谓强制解冻，即违反自然解冻的法则，利用冷冻所打设的冻结管和冷冻循环的盐水来作为传递热量的媒体,对冻土体进行加热，使冻土在短时间内融化。首先，在盐水箱里安装加热器11组，每组3个，每个加热器功率均为5KW，使盐水升温7080（见下图）。再通过盐水泵打入冻结管进行循环，利用土体里的冻结管来传递热量使冻土迅速升温融化，并在解冻的同时及时对冻土进行补充注浆。当盾构顺利进洞后，对上部8个冻结孔（3#、4#.9#、10#）和下部8个冻结孔（18#、19#.24#、25#）分别采取强制解冻措施来控制融沉量，并在解冻的同时利用孔口管旁通阀和管片预留的注浆孔及时对解冻土体进行跟踪注浆，控制上部管线以及隧道自身下沉。解冻原则是先上部后下部，对相邻的两个冻结孔不能同时解冻，采取跳跃式解冻法。（3） 注浆压力一般为0.20.5MPa。注浆材料选用单浆液，水灰比为0.6。即配比为1：1.7水混合物。其中混合物包括：水泥、粉煤灰、膨润土。膨润土占混合物的5%，水泥和粉煤灰的配比为2：3。具体配比举例说明：浆液水水泥粉煤灰膨润土1000公斤380公斤236公斤354公斤30公斤六. 监测6.1垂直孔施工监测内容（1）钻孔长度； （2）铺设冻结管长度； （3）冻结管偏斜； （4）冻结器密封性能； （5）供液管铺设长度。6.2 冻结监测内容 （1）冻结器去回路盐水温度； （2）冷却循环水进出水温度； （3）冷冻机吸排气温度； （4）盐水泵工作压力； （5）冷冻机吸排气压力； （6）制冷系统冷凝压力 ；（7）制冷系统汽化压力；（8）冻结帷幕温度场的监测。七. 工程质量保证措施和要求7.1 冻结工程质量的主要措施（1）建立健全质量保证体系、质量管理机构、组织机构和监督机构，为保证质量提供组织保证。（2）认真分析该工程地质资料，精心编制施工技术设计和施工组织设计。（3）控制钻孔和冻结器施工质量，确保冻结质量符合要求。（4）严控冷冻站安装质量，提高制冷效率，确保盐水降温符合要求。7.2 冻结孔施工方面的具体要求及措施（1）认真按图纸要求施工钻场基础，确保钻场基础平整、稳固。（2）钻进时，应按深度及地层情况的需要，及时增减钻铤，要求作到均匀、匀速钻进，严禁忽快忽慢，压力忽大忽小。（3）冻结管应进行地面配组，丈量全长，做好记录，下管时应清除管内异物，保持清洁。（4）冻结孔平均偏斜率不得大于1，冻结孔终孔间距不大于设计值，否则应予以补孔，冻结深度应满足设计要求，下管长度应不小于设计冻结孔深度。（5）冻结孔施工过程中使用灯光经纬仪进行终孔和成孔测斜，并及时绘制冻结孔偏斜平面图。7.3 加强检测措施（1）对测温孔温度加强检测。（2）对冷冻设备的数据加强检测。（3）对地面深层沉降点加强检测。八. 应急预备方案（1）在开挖期间，现场要备有足够抢险物资，即各种规格的砂袋、棉被、速凝水泥、注浆泵、堵漏剂、泡沫条、海绵等物资，对渗水点及时封堵。（2）加强开挖后后的保温措施，防止冻结壁融化。（3）在施工现场配备一定量的液氮，万一冻结壁局部融化时，可及时使用液氮进行冻结，保持冻结温度（4）成立应急预案领导小组，对抢险工作进行总体协调指挥，以做到万无一失。十. 其他说明（1）由于地层已经加固过，强度较高，打钻时间的估算需待钻进一个试孔后有比较精确的确定，开孔时间可能增长。（2）墙壁及洞圈内部用保温板保温，管路保温用棉胎或150mm厚保温管。（3）若有人员下井作业，必须安排专人进行监护。十一. 主要冻结加固材料清单冻结施工主要设备及材料用量表：编 号项 目单位数量备 注一主要设备1W-YSLGF300台22IS125-100-200水泵台2盐水泵3IS125-100-200C台2清水泵5测斜仪台16测温仪台17NBL-50冷却塔台48MD-50钻机台29电焊机台3二主要材料11088无缝钢管M476420#低碳钢21596无缝钢管M2003483无缝钢管M50004高压胶管M160耐压0.8Mpa5冷冻机油KG600N466氟里昂R22KG12007氯化钙T308单向阀只240开启压力1.0Mpa10108阀门只26011159阀门只1212219阀门只4013保温材料M220014合金钻头只150110十二. 施工安全措施“百年大计、质量第一”、“工程建设、安全第一”，安全生产始终是项目管理的头等大事。（1）制定和实施安全生产责任制，建立健全各项规章制度，并严格执行。（2）建立安全生产保证体系，管理有力，保障运行。（3）组织工程项目施工的安全教育和技术培训，特殊工种作业人员必须持证上岗，并进行开工前技术考核。（4）建立安全检查制度，实行安全生产奖惩制，消除事故隐患，引导职工齐抓共管，提高其安全生产的积极性。（5）编制和呈报安全计划、安全技术方案和安全措施，做到组织、制度、措施之落实。（6）加强防火安全，动火前要办好动火证，监护人要在现场进行监护。十四. 质量保证体系在施工过程中，必须严格按照有关设计图纸和设计文件施工，严格执行国家和行业规范、规程、质量标准及有关规定，按照ISO质量保证体系要求进行施工质量控制。采用最新的冻结施工设备、技术，组织安全、文明施工。以达到施工安全、优质、快速、高效，争创全优工程。为了实现这一目标，根据ISO质量保证体系要求，建立行之有效的施工现场质量保证