地铁盾构联络通道冷冻法.ppt

地铁盾构区间联络通道冻结法施工 联络通道冻结法施工 一 冻结法概论二 勘探要求三 冻结方案设计四 冻结孔施工五 冻结站安装六 积极冻结与维护冻结七 开挖与构筑施工八 融沉注浆九 监测监控十 应急预案十一 风险源及对策十二 事故案例 一 冻结法概论 人工地层冻结技术最早于1862年在英国应用 此后德国 比利时 美国 法国 奥地利 荷兰 前苏联 瑞典和日本等相继应用了冻结法 冻结法最初应用最多的领域是矿山工程 但在其他工程领域起步也较早 1886年瑞典在一个长24 的人行隧道施工中成功应用 此后作为一项成熟技术国外已广泛应用于地铁建设中 国内早在上世纪90年代开始在地铁建设中进行了该技术的应用和研究 同时利用国内外工程应用实例 证明了冻结技术在地铁建设中的可靠性和有效性 我国情况1955年 我国首次在开滦林西风井使用盐水冻结法凿井并获得成功 至今已经冻结近1100个井筒 上世纪80年代 东北海拉尔水泥厂的上料仓基坑 1988年 凤台淮河大桥主桥墩基础工程 1993年 上海地铁一号线1个泵站和3个隧道联络通道 1998年 北京地铁大北窑 现一号线国贸站 南侧隧道水平冻结施工 长45m 2000年以后 上海大量越江隧道 大连路 复兴路 翔殷路 军工路 上中路 长江隧道等 和地铁工程使用冻结法 2005年至今 上海 南京 广州 深圳 杭州 苏州 无锡 常州 宁波 武汉 天津 哈尔滨 沈阳等陆续将冻结法作为联络通道和盾构进出洞加固的重要施工方法 现在地铁施工联络通道采用冻结法施工的城市很多 其联络通道结构大同小异 有些地区在施工经验及专家意见下 对冻结孔布孔方式 数量和结构方面作了很好的优化 现冻结法施工的联络通道采用 隧道内水平冻结加固土体 隧道内矿山法开挖构筑 的全隧道内施工方案 即 在隧道内利用水平孔和部分倾斜孔冻结加固地层 使旁通道及泵房外围土体冻结 形成强度高 封闭性好的冻结帷幕 在冻土中采用矿山法进行旁通道及泵房的开挖构筑施工 地层冻结和开挖构筑施工均在区间隧道内进行 主要参考规范 旁通道冻结法技术规程冻结法施工 在构筑物 旁通道 掘砌之前 用人工制冷的方法 将构筑物周围含水松散不稳定的冲积层 岩层进行冻结 形成封闭的符合工程施工安全要求的起到临时保护作用的冻结壁 俗称冻土帷幕或冻土墙 然后在冻结壁的保护下进行构筑物掘砌工作的一种施工方法 冻结壁 用人工制冷的方法在构筑物周围土层 或岩层 所形成的具有一定厚度和强度的连续封闭的冻结岩土体 又称冻土帷幕或冻土墙 地层冻结原理简图 地层冻结原理简图 氨 氟利昂 盐水冻结系统制冷技术 制冷系统 冷媒剂循环 冷却水循环 制冷循环一般包括四个过程 压缩 冷凝 降压 蒸发 冷媒剂循环 在冻结管内循环 将地层热量带出冷却水循环 将制冷系统的热量释放于大气中 冻结施工工艺 联络通道冻结加固及暗挖构筑工艺 二 勘探要求 编写旁通道冻结法施工组织设计时 必须有该旁通道的检查孔地质报告 地层中的含水层自然和人为抽水后形成的地下水流速 当超过一定限度 5m d 时 将影响地层正常冻结 对冻结构筑物附近的水源井应进行调查 收集水源井的用途 数量 方位 距离 深度 抽水层位及深度 抽水时间 日抽水量以及抽水影响半径等资料 当在冻结构筑物附近600m范围内有大抽水量 600m h 的水源井时 或抽水量 200m h的连续抽水 或有地下古河道 必须实测构筑物穿过的含水层的地下水流向 流速并提供实测报告 三 冻结方案设计 3 1工程概况 东方马城站 金银湖站2 联络通道工程 号联络通道的开挖长度为8 905m 包括左右线两侧开口环的厚度 宽度为3 9m 高度为4 05m 在距左右线各1 61m的位置各安装一道防火门 防火门的高度为2 1m 宽度为1 6m 号联络通道下穿金银湖 侧穿银桥桥桩 号联络通道以已贯通的盾构隧道为作业面采用矿山法施工 采用冻结法加固 东金2 联络通道位置 3 2水文地质情况 东方马城站 金银湖站区间2 联络通道轨面深度约为20 6m 结构所处地层主要为10 2黏土 10 2a粉质黏土 11黏土 11b粉质黏土中 拟建场地地下水主要为孔隙承压水及基岩裂隙水 1 承压水主要赋存于8 1粉质粘土夹粉土 粉砂及12层砂层中 12层为中透水层 8 1层为弱透水层 层间水具弱承压性 孔隙承压水赋存环境相对比较封闭 主要接受侧向补给与排泄 地下水位季节性变化较不明显 水量较为丰富 承压水位埋深约9 00m 标高13 00m 施工前应复核承压水位 并在施工期间观测承压水位变化 2 基岩裂隙水主要赋存于下部基岩中 主要接受其上部含水层中地下水的下渗及侧向渗流补给 基岩裂隙水与承压水呈连通关系 地层冻结设计应包括以下内容 1冻结壁结构方案比较与选择 2冻结壁的承载力和变形验算 I类冻结壁除外 3冻结孔布置设计 4冻结壁形成验算 5冻结制冷系统设计 6对冻结壁的监测与保护要求 7可能对周围环境和建 构 筑物产生影响的分析 8对周围环境和建 构 筑物的影响监测与保护要求 前四项为设计人员确定 在设计图纸中给与明确 后四项由施工单位自行计算确定 并编制专项施工方案 经专家论证后报监理单位 建设单位审批 3 3冻结设计 冻结壁交圈时间可按下式估算 3 4冻结帷幕设计 根据联络通道埋深及地层特性 按照冻土帷幕设计有效厚度为2m 冻结帷幕平均温度为 10 相应的冻土强度的设计指标为 单轴抗压4Mpa 抗折1 8Mpa 抗剪1 5Mpa 进行三维数值分析 冻结孔采用在隧道两侧打孔的施工方案 按上仰 近水平 下俯三种角度布置 开孔间距为0 5m 1 0m 冻结孔数50个 右线50个 左线联络通道处沿冻结壁敷设5排冷冻排管 布置8个测温孔 左线6个 右线2个 深度2 5m 一般定在终孔间距较大的位置 卸压孔布置4个 左右线各2个 深度2 5m 详见冻结孔布置平面图 立面图 3 5冻结孔 测温孔 卸压孔的布置 3 6制冷设计 3 6 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 冻结孔单孔盐水流量不小于3m3 h 4 冻结帷幕设计平均温度为 10 胶结面为 5 5 冻结帷幕设计厚度为 2m 6 冻结孔终孔间距Lmax 1200mm 冻结帷幕交圈时间为25天 达到设计厚度时间为45天 7 积极冻结时间为45天 维护冻结时间为25天 3 6 2需冷量和冷冻机选型 冻结需冷量计算 Q 1 2 d H K式中 Q 冻结孔需冷量 H 联络通道冻结管总长度 d 冻结管直径 K 冻结管散热系数 根据计算 联络通道需冷量为4 02 104Kcal h 选用JYSLGF300III冷冻机机组 标况制冷量8 75 104Kcal h 2台 其中1台备用 3 6 3冻结系统辅助设备 盐水循环泵选用IS125 100 200型1台 流量200m3 h 电机功率30KW 冷却水循环选用IS125 100 200C型1台 流量200m3 h 电机功率30KW 冷却塔选用NBL 50型二台 补充新鲜水15m3 h 3 6 4管路选择 1 冻结管选用 89 8mm 20 低碳钢无缝钢管 丝扣连接 另加手工电弧焊焊接 单根长度1m 1 5m 2 测温孔管选用 32 3 5mm 无缝钢管 3 供液管选用 48mm钢管 采用焊接连接 4 盐水干管和集配液圈选用 159 6mm无缝钢管 5 冷却水管选用 133 4 5mm无缝钢管 3 6 5用电负荷 总用电负荷约200kw h 3 6 6其它 1 冷冻机油选用N46冷冻机油 2 制冷剂选用氟立昂F 22 3 冷媒剂选用氯化钙溶液 冻结孔布置原则 根据所处地层及深度来确定冻结帷幕厚度 以满足荷载的需要 冻结孔的布置要满足设计时间内达到设计冻结帷幕的要求 使土层内形成一个封闭的板块 冻结孔放位时应避开管片主筋 螺栓 止水条 避免对管片结构及防水的破坏 冻结孔剖面布置图 冻结孔立面布置图 四 冻结孔施工 4 1施工准备4 2冻结孔定位与管片开孔4 3冻结孔施工顺序4 4钻孔偏斜和终孔控制4 5冻结孔钻进与冻结管设置 4 1施工准备 1 用 48钢管在施工出入端头井内搭建脚手架 作为连接隧道与地铁车站底层平台的便桥 2 在隧道内敷设一条120mm2动力电缆 用于冻结钻孔施工及隧道内冻结系统安装供电 3 利用隧道内清水和排污管道 用于冻结孔打钻和冻结站运转的供水和排污 4 在联络通道施工工作面两端砌高约0 5m的泥浆挡墙 以免冻结孔钻进时泥浆四溢影响隧道内环境整洁 5 用厚4 6cm的木板在联络通道处铺设冻结施工场地 按不同位置的冻结孔钻进要求 用 48钢管搭建冻结孔施工脚手架 4 2冻结孔定位与管片开孔 按冻结孔施工图进行冻结孔孔位放线 孔位布置首先要依据管片配筋图和钢管片加强筋的位置 应避开管片接缝 螺栓 主筋 止水条和钢管片肋板 误差一般不应大于100mm 其中包括4个穿透孔 1 在正式开孔前 利用隧道管片上的补浆孔钻 38mm小孔径探孔 检查地层稳定性 2 开孔选用J 200型金刚石钻机 配 130mm金刚石取芯钻头进行钻孔 深度约300mm 以不钻穿管片控制 用钢楔楔断岩心 取出后 打入加工好的孔口管 并固定 每个孔口管要至少有4个固定点固定在管片上 4 3冻结孔施工顺序 根据联络通道施工的孔位 采用由上向下的顺序进行施工 即先施工穿透孔 根据穿透孔的偏差 进一步调整有关的钻进参数 再按由上向下的顺序施工 这样可防止因下层冻结孔的施工引起上部地层扰动 减小钻孔施工时的事故发生率 孔口密封装置示意图 孔口装置示意图 孔口管及密封装置照片 开孔实际操作图 4 4钻孔偏斜和终孔控制1 钻孔的偏斜应控制在1 以内 在确保冻土帷幕厚度的情况下 单排孔相邻终孔间距不得大于1 2m 集水井部位群孔相邻终孔间距不得大于1 6m 冻结孔成孔最大允许偏斜150mm 否则应补孔 2 冻结孔钻进深度应不小于设计深度 不参与制冷循环的长度不大于150mm 4 5冻结孔钻进与冻结管设置1 钻孔设备使用MD 50钻机一台 配用BW250型泥浆泵 钻具利用 89 8 冻结管作钻杆 冻结管之间采用套管丝扣连接 接头螺纹紧固后再用手工电弧焊焊接 确保其同心度和焊接强度 卸压管 测温管 冻结管套管丝扣连接 2 正常情况下 钻进时安装简易钻头 如果钻进困难遇到砂层 为防止钻进中返砂 在钻头部位安装一个特制单向阀门 3 冻结管到达设计深度后冲洗单向阀 并密封冻结管端部 4 钻进过程中严格监测孔斜情况 发现偏斜要及时纠偏 下好冻结管后 进行冻结管长度的复测 然后再用灯光测斜仪进行测斜并绘制钻孔偏斜图 冻结管长度和偏斜合格后再进行打压试漏 压力控制在0 8Mpa 前30分钟压力变化不大于0 05MPa 后15分钟压力不变者为试压合格 5 在冻结管内下供液管 然后焊接冻结管端盖和去 回路羊角 压力测试实际图 五 冻结站安装 5 1冻结站布置与设备安装将冻结站设置在地铁车站中板上 站内设备主要包括冷冻机 盐水箱 盐水泵清水泵 冷却塔及配电控制柜等 设备安装按设备使用说明书的要求进行 管路用法兰连接 隧道内的盐水管用管架敷设在隧道管片上 以免影响隧道通行 在盐水管路和冷却水循环管路上要设置阀门和测温仪 压力表等测试元件 盐水管路经试漏 清洗后用保温板或棉絮保温 保温厚度为50mm 保温层的外面用塑料薄膜包扎 集配液圈与冻结管的连接用高压胶管 每组冻结管的进出口各装阀门一个 以便控制流量 联络通道主排冻结孔每2 3个一串联 其他冻结孔3 4个一串联 冷冻站平面布置图 冷冻站实际图 冷冻机组的蒸发器及低温管路用棉絮保温 盐水箱和盐水干管用50mm厚的保温板或棉絮保温 联络通道两侧管片保温 由于混凝土和钢管片相对于土层要容易散热得多 为加强冻土墙与管片胶结 联络通道两侧管片内表面采取保温措施 以减少冷量损失 冻结孔施工侧即左线 首先将钢管片格栅内用素砼填充密实 然后采用PEF板保温板对冻结帷幕发展区域管片进行隔热保温 右线隧道冻结管的端部区域范围内布置冷冻板 同样将钢管片格栅内用素砼填充密实 然后采用PEF板保温板进行隔热保温 最后在PEF板保温板上喷射50mm厚聚氨酯进行隔热保温 PEF保温板安装图 5 2溶解氯化钙和机组充氟加油盐水 氯化钙溶液 比重为1 26 先在盐水箱内充满清水 溶解氯化钙 再送入盐水干管内 直至盐水系统充满为止 溶解氯化钙时要除去杂质 机组充氟和冷冻机加油按照设备使用说明书的要求进行 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 六 积极冻结与维护冻结 6 1冻结系统试运转与积极冻结 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备要求的技术参数条件下运行 在冻结过程中 定时检测盐水水位 盐水温度 测温孔温度和冻土帷幕扩展情况 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 积极冻结期盐水温度为 28 30 设计冻结时间40天 要求冻结孔单孔流量不小于3m3 h 积极冻结7天盐水温度降至 18 以下 积极冻结15天盐水温度降至 24 以下 去回路温差不大于2 开挖时盐水温度降至 28 以下 如盐水温度和盐水流量达不到设计要求 应延长积极冻结时间 6 2试挖与维护冻结在积极冻结过程中 要根据实测温度数据判断冻土帷幕是否交圈和达到设计厚度 同时要监测冻土帷幕与隧道的胶结情况 测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度且与隧道完全胶结后再进行探孔试挖 确认冻土帷幕内土层基本无压力后再进行正式开挖 试挖条件 1 测温孔可根据测温孔实测数据 推算出冻土发展速度及在该冻结时间内的冻土发展半径 从而算出冻结帷幕厚度 再根据成冰公式或用作图法得出冻结帷幕平均温度 若各个层位 部位冻结帷幕的厚度和平均温度达到设计要求后 即可打开管片进行开挖 2 卸压孔在积极冻结过程中 卸压孔有两个作用 一是起到释放冻胀压力的作用 另一方面根据显示的压力来判断冻结帷幕是否交圈 3 探孔在打开管片前应进行探孔检查 探孔应打在冻结帷幕薄弱处 探孔处无涌沙 突水现象 地层稳定 冻结帷幕正常 测温效果良好 即可打开管片试挖 4 盐水去 回路温差正式开挖后 根据冻土帷幕的稳定性 可适当提高盐水温度 进入维护冻结 但盐水温度控制在 25 28 之间 冻结时间贯穿旁通道及泵房开挖和主体结构施工始终 冷冻孔串联实际图 集配液圈冻结效果图 测温线布置 监测温度 七 开挖与构筑施工 7 1钢管片接缝焊接及预应力支架安装7 2安全应急门及应急盖板安装7 3开挖条件7 4开启钢管片7 5开挖方式及施工顺序7 6支护方式7 7开挖及支护质量要求 7 1钢管片接缝焊接及预应力支架安装 1钢管片接缝焊接将联络通道口部的钢管片之间 欲拉开的管片除外 接缝采用满焊的方式将每条拼装缝一一焊接好 以提高其整体稳定性 注意事项 焊接前应首先对拼装缝进行除锈除垢处理 避免虚焊 焊接时 划分区域 采取对称方式焊接 以防止应力集中 引起钢管片变形 焊接材料选E4303型结构钢焊条 用手工电弧焊焊接 2预应力支架安装 安装方法 在区间隧道左 右线旁通道开口两侧各架两榀 共四榀 并在旁通道两端沿隧道方向对称布置 每榀支架有8个支点 由6个50t螺旋式千斤顶提供预应力 施加预应力时每个千斤顶要同时慢慢平稳加压 每个千斤顶以压实支撑点为宜 预应力支架实际图 7 2安全应急门及应急盖板安装 安全应急门是考虑开挖构筑期间 帷幕发生大量砂 水涌出 或位移变形超值 其它措施抢救无效的情况下 为确保隧道安全而使用的 根据结构施工图要求 设计安全应急门 安全门经气压密封试验合格方可投入使用 试压标准 在不停空压机状态下 试验压力能始终保持设计耐压值0 2Mpa以上半小时 安全应急盖板是在泵站开挖前进行安装 是防止开挖过程中发生位移变形超值 或冒泥 涌水 其它措施抢救无效的情况下 为确保隧道安全而使用的 安全应急门实际图 安全应急门实际图 泵房安全应急盖板实际图 要确定打开管片进行开挖还需结合测温孔资料 卸压孔压力 探孔情况等方面综合考虑 需具备如下条件 方可开挖 7 3开挖条件 7 4开启钢管片 开启钢管片示意图 将两台千斤顶架在被开管片两侧 中间用一根型钢横梁同钢管片直接相连接 通过千斤顶顶推横梁向外顶推钢管片 操作时 要认真观察管片受力及位移情况 消除局部受阻因素 防止管片变形 5t葫芦作为辅助拉拔管片用 一端挂住欲拆管片 一端系在对面隧道管片上 水平方向稍加力向外 隧道内 拉拔管片 要配合千斤顶操作 2t葫芦悬吊在欲拆管片的上方 一端钩住欲拆管片 以防管片拉出时突然砸落在工作平台上 7 5开挖方式及施工顺序 1 通道开挖掘进采取分区方式进行 如带泵房的联络通道在通道结构施工完毕 二衬强度达到设计强度 再进行泵房的开挖 2 由于土体采用冻结法加固 冻土强度较高 冻结帷幕承载能力大 因而开挖时可以采用全断面一次开挖 开挖步距一般控制在0 5m 每安装2品钢筋格栅喷射一次砼 开挖断面超挖不大于30mm 开挖中心线偏差不大于20mm 开挖内部冻土情况 7 6支护方式 采用两次支护方式 第一次支护 临时支护 采用钢筋格栅和喷射混凝土 第二次支护 永久支护 采用现浇钢筋混凝土 施工人员进行喷射混凝土施工 钢筋绑扎和模板支撑 7 7开挖及支护质量要求 7 7 1人工开挖 1 通道净宽 中线两帮不小于设计尺寸 不大于设计尺寸100 2 通道净高 腰线上下不小于设计尺寸 不大于设计尺寸100 7 7 2钢筋格栅1 通道净宽 中线两帮不小于设计尺寸 不大于设计尺寸50 2 通道净高 腰线上下不小于设计尺寸 不大于设计尺寸50 3 支架架设不得掉斜 前倾后仰 支架构件要齐全 7 7 3钢筋1 钢筋搭接部分长度应符合设计要求 且不低于35d d为钢筋直径 2 受力钢筋之间绑扎接头应相互错开 从任一绑扎接头中心至搭接长度的1 3倍区段范围内 有绑扎接头的受力钢筋截面积占受力钢筋总面积的百分率不超过25 3 钢筋位置允许偏差 受力钢筋排距 5 钢筋弯曲点为 20 水平钢筋间距 20 受力钢筋保护层 3 7 7 4砼浇灌1 砼表面密实 蜂窝 麻面不超过0 5 深度不超过10 2 衬砌厚度不小于设计 墙面平整度允许误差20 3 砼厚度达到设计强度70 方可拆模 拆模后应洒水养护 养护时间不得少于7昼夜 人工进拱顶二衬钢筋网进行混凝土振捣 八 融沉注浆 融沉是因被加固土体融化而引起的土体下沉 所以 在联络通道结构完成以后冻土融化的过程中 采用地层注浆配合冻土帷幕融化过程控制融沉 减少对隧道不利影响 8 1注浆孔布设1 隧道底部利用管片压浆孔 必要时再补布设注浆孔 2 联络通道衬砌中预埋注浆管 通道部位按1 5m间距布设一个断面 两端头各布置1个注浆断面 3 预埋管结构 选用 40mm的焊接管 顶端接带螺纹的管箍 并用丝堵封闭 预埋注浆管的施工图 8 2融沉注浆工艺1 注浆材料 为增加压浆的可注性 开始时可注粉煤灰 水泥浆 二次补浆选用单液水泥浆或1 1水泥 水玻璃浆液 2 注浆压力及注浆量 为防止隧道管片及联络通道结构受到影响 拟选用小压力 多注次的方式 注浆压力一般为0 2 0 45MPa 根据以往经验 融沉注浆总量一般为冻土体积的15 左右 3 注浆方法 采用由下而上 少量多次均匀的注浆方法 具体做法是 先管片底部 再从集水井 然后由通道底板 侧墙 拱顶进行注浆 注浆前 将待注浆的注浆管和其相邻注浆管阀门全部打开 注浆过程中 当相邻孔连续出浆时关闭阀门 定量压浆后即可停止本孔注浆 关闭阀门 然后接着对邻孔注浆 遇到注浆管内窜浆固结而引起堵管时 需用加长冲击钻头通管 注浆结束后 用双液浆进行封孔 8 3防腐 钻孔补强1 冻结孔管补强 防腐 冻结站拆除 回收供液管 放出CaCl2盐水后 割去露出隧道管片的孔口管和冻结管 并在孔口管管口焊接10 厚的封口板封闭管口 然后作防腐处理 2 待通道混凝土结构达到设计强度后 拆除隧道内的预应力支架 并再次对称拧紧特殊衬砌环内的所有连接螺栓 九 监测监控 9 1监测内容1 水平孔施工监测内容 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 2 冻结系统监测内容 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 3 冻结帷幕监测内容 1 冻结帷幕温度场 2 开挖后冻结帷幕暴露时间内冻结帷幕表面位移 3 开挖后冻结帷幕表面温度 4 周围环境和隧道土体进行变行监测内容 1 隧道变形监测 2 隧道的沉降位移监测 3 隧道的水平及垂直方向的收敛变形监测 9 2监测频率钻孔期间1次 天 冻结加固期间1次 2天 开挖期间2次 天 结构制作期间2次 1天 跟踪注浆 开始30天内1次 2天 后期1次 5天 监测频率可根据监测资料变化情况适当调整监测计划 旁通道施工前5天进场布设监测点 旁通道施工前3天测量各监测点的原始值 旁通道施工前1天提交各项监测的原始资料 旁通道施工开始 按方案进行常规监测 9 3报警值1 隧道沉降变化报警值以 10mm作为累计报警值 3mm作为日变量报警值 2 隧道收敛累计报警值为 10mm 3mm作为日变量报警值 冻结施工监控量测表 十 应急预案 10 1防护门1 不是竖直 且不与地