XXX站盾构出洞地层冻结加固施工方案XXXX2001年9月一、工程概况地铁明珠线XXX站区间隧道用盾构法施工。盾构出洞口直径6.7m。在盾构出洞洞口中心标高为-9.817m。盾构工作井采用0.8m厚混凝土地下连续墙及0.6m厚钢筋混凝土衬支护，其平面尺寸为长26.6m,宽14.8m。工作井附近自然地坪标高约为+2.60m。为了防止在安装盾构机时泥砂和地下水从出洞口涌入工作井，拟对盾构出洞口附近的地层进展冻结加固。即：在盾构出洞方向沿工作井地连墙外侧布置冻结孔，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，封闭性好的冻土墙，然后在冻土墙的保护下翻开盾构出洞口和安装盾构机。冻结法加固地层的主要施工顺序为：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检测系统冻结运转探孔检验翻开盾构出洞口和盾构出洞安装停顿冻结，拔冻结管盾构推进。本工程的容包括左线和右线隧道盾构出洞口的地层冻结加固施工。按地层资料，盾构出洞口位置主要为淤泥质粉质粘土，局部夹有薄层粉砂。土层的含水量大，达52.3%，稳定性差，暴露扰动时易产生液化流动，在隧道出洞时必需对附近地层进展加固处理。局部可能有粉砂层，要求地层加固体有好的隔水性能，尤其是加固体与连续墙之间不应存在间隙，这也是地层加固的难点所在。二、冻土墙设计2.1设计要点根据本工程特点与过去类似工程的施工经历，对盾构出洞冻结加固施工方案设计的主要问题作以下分析。1、关于冻土墙强度设计方法。冻土墙强度设计采用日本和我国的建筑构造静力计算公式，冻土墙按周遍固定圆板考虑。冻土的强度取值，参考和日本类似土层的试验结果和设计取值，原那么上考虑较大的平安储藏。2、盾构出洞口冻土墙与地连墙间的密封问题。由于地连墙混凝土的导热性好，冻土墙与地连墙之间不易冻结，所以要求冻结管尽量靠近地连墙，在地面打钻空间受地连墙导墙限制的情况下，靠近地连墙的冻结孔可以适当向地连墙倾斜钻进。同时，为确保地连墙附近的土层冻结，拟采取紧挨地连墙布置两排冻结孔的加强冻结措施。盾构出洞口周遍冻土墙与地连墙应搭接，根据家渡220kV电缆顶管出洞冻结施工经历，搭接宽度取1m即可。3、冻土墙对地连墙的作用力问题。根据平衡关系，冻土墙与地连墙的水平作用力不会大于土层的被动土压力。根据永冻土地区的大量现场量测与试验，冻土作用于建筑物的法向冻胀力一般不会大于0.2MPa。在家渡220kV电缆顶管出洞冻结工程中，没有发现冻结施工对工作井有明显不利作用。在该该工程中，考虑对冻结施工时的工作井衬砌变形进展跟踪监测。4、冻结引起的地表隆起、沉降对附近建筑物的影响问题。根据一、二号地铁和煤矿冻结施工监测，冻土墙的地表冻胀隆起一般不大于40mm,如地表不补充水份，地表隆起量还要小得多。地层融沉一般比冻胀隆起要小，个别情况可比冻胀隆起量大20%，所以，冻土墙化冻后，地表根本能恢复到原位。在家渡220kV电缆顶管出洞冻结工程中，冻土墙附近地面混凝土没有发现有变形、开裂情况，也说明冻胀和融沉对附近地面建筑的影响不会大。2.2 冻土墙形式采用在盾构出洞口周围土层中布置垂直冻结孔或小角度倾斜冻结孔冻结的方法，在洞口外侧形成一道与工作井地连墙紧贴的冻土墙，其作用是抵抗土层侧压力的作用，防止泥砂和地下水进入隧道出洞口，确保盾构出洞安装顺利进展。参见图1。2.3 荷载计算冻土墙外侧受土层侧压力作用。取上覆土层的平均容重为=18.5kN/m3，摩擦角 =9.5, 粘结力C =13kPa，超载qn=20kPa。按洞口下缘埋深H=15.767m计算得冻土墙所受最大主动土压力为:Ps=0.205 MPa。2.4 冻土墙厚度按受均布法向荷载的圆板计算冻土墙的承载能力。 1、按日本设计公式计算日本关于加固体厚度h的计算公式为 图1 冻土墙的构造形式计算得冻土墙厚度为1.28m。(计算参数及结果参见表1)。表1 按日本计算公式的参数取值与计算结果冻土平均温度 T ()冻土抗折强度 (Mpa)荷载 P (MPa)开挖直径 D (m)系数 B平安系数 k冻土墙厚度h(m)-91.50.2056.71.23.01.282、按我国建筑构造静力计算公式验算圆板中心所受的最大弯曲应力计算公式为计算得冻土墙厚度为1.30。(计算参数及结果参见表2)。表2 按建筑构造静力计算公式的参数取值与计算结果荷载 P(MPa)开挖直径 D(m)冻土泊松比计算最大弯曲应力Max (MPa)冻土抗折强度 (MPa)平安系数 k冻土墙厚h(m)0.2056.70.30.51. 531.303、冻土墙的抗剪验算沿工作井开洞口周边冻土墙承受的剪力最大，为取冻土墙厚度为1.5m，计算得剪应力为0.229MPa，平安系数为6.55,满足设计要求，(计算参数与计算结果见表3)。表3 剪切强度验算表荷载 P(MPa)开挖直径 D(m)冻土墙厚h(m)计算最大剪应力Max (MPa)冻土剪切强度 (MPa)平安系数 k0.2056.71.500.2291.56.55根据上述计算，最后设计冻土墙的最小厚度为1.5m。2.5 冻土墙深度与宽度根据地铁联络通道冻结施工经历，冻土墙与盾构出洞口四周的工作井地连墙搭接宽度有1m就足够了，所以，设计取冻土墙宽度为8.7m。考虑盾构出洞口下方水土压力较大，适当加大冻土墙与地连墙的搭接宽度，冻结深度取19m。另外，为了减小土层冻胀对地表管线及工作井的不利影响，采取局部冻结方式，局部冻结围为深5m19m。2.5 冻结孔布置与冻土墙形成预计冻结孔布置和冻土墙形成预计见附图一。隧道盾构出洞口布置冻结孔和35个。设计取冻结孔允许偏斜率为5。冻结孔开孔间距为800mm，冻结孔成孔最大控制间距为1200mm,工作井周边的冻结孔与工作井井壁的最大控制间距为350mm。冻土墙的扩展速度取25mm/d。设计冻结28天后开场破盾构出洞口，此时，估计冻土墙厚度可达2m，宽度达10m，均能满足上述设计计算要求。三、冻结施工工艺设计3.1 主要施工工艺参数1、盾构出洞口冻结施工建一个冻结站，按方案盾构出洞口的冻结时间为1个月。2、设计最低盐水温度为-26-30，并要求冻结7天盐水温度到达-20。3、冻土墙平均温度不高于-9。翻开隧道出洞口时冻土墙与工作井地连墙交界面附近温度低于-5。4、冻结孔单孔盐水流量为710 m3/h，总流量为98140 m3/h。5、冻结管外径为108mm。6、冻结28天翻开盾构出洞预留口。拔除冻结管5天。7、冻结需冷量：一个盾构出洞口的冻结管总长度为653m，冻结管散热系数取300kcalh-1m-2，冷量损耗取20%，得冻结总需冷量为：Q =0.1083.14166533001.15=76400 kcal/h7、每个洞口设测温孔4个,深度19m。在冻土墙侧扩展边缘布设地层位移观测孔个，在冻结过程中监测位移变化。冻结施工工序见附图二。3.2 冻结孔施工3.2.1冻结管、测温管和供液管规格冻结管选用的1085mm低碳无缝钢管，单根管材长度以46m为宜，采用管箍连接。管箍用1215.5mm低碳无缝钢管加工,管箍长度为180mm。供液管用484mm钢管，冻结器羊角均用1.5钢管加工。3.2.2 打钻设备选型选用XY-1B型钻机2台，每台电机功率为11 kw。土层用150mm的三翼刮刀钻头钻进，导墙钢筋混凝土翻边用160mm金刚石取芯钻头钻进。钻孔用经纬仪灯光测斜。选用BW-200/50泥浆泵2台，流量为200 l/min，每台电机功率为14.5kw。3.2.3 冻结孔质量要求根据施工基准点，按冻结孔施工图布置冻结孔。孔位偏差不应大于50mm。深5m以上冻结孔孔径不小于150mm，深5m以下冻结孔孔径不小于130mm。冻结孔钻进深度应确保冻结管能下到设计深度。钻孔的偏斜率控制在5以。成孔最大间距不大于1.2m。工作井井壁周边的冻结孔距井壁不大于0.35m。冻结管和测温管耐压不低于1MPa。3.2.4冻结孔钻进与冻结器安装1、按冻结孔设计位置固定钻机，可用160mm取芯钻开孔，正常钻进时用三叶钻头。2、为了保证钻孔精度，开孔段钻进是关键。钻进前5m钻孔时，要反复校核钻杆垂直度，调整钻机位置，并采用减压钻进。3、冻结管下入钻孔前要先配管，焊接时，焊缝要饱满，保证冻结管有足够强度，以免拔管时冻结管断裂。下好冻结管后，用测斜仪测斜，并复测冻结孔深度。冻结管长度和偏斜合格后进展打压试漏。冻结孔试漏压力控制在0.81.2MPa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,用木塞等堵住管口，以免异物掉进冻结管。5、在冻结管下入供液管，供液管底端连接0.3m高的支架。然后安装去、回路羊角和冻结管端盖。6、测温孔施工方法和要求与冻结孔一样。在下好的测温管灌满比重1.261.265的盐水。3.3 冻结制冷系统安装3.3.1 冻结制冷设备选型与管路设计1、选用YSLGF300型冷冻机组一套，当盐水温度为-26，冷却水温度26时，其最大制冷量为 86000kcal/h。冷冻机组电机总功率为103 kw。2、选用200S42A盐水循环泵一台，流量198m3/h，扬程43m，电机功率37kw。3、选用IS125-100-250J冷却水循环泵1台，流量100 m3/h，扬程20m，电机总功率11kw； DBNL3-50型冷却塔2台，电机功率4kw。4、设盐水箱一个，容积4m3。5、盐水干管和集配液管均选用1597mm无缝钢管，集、配液管与羊角连接选用1.5高压胶管。6、冷却水管用5焊管,在冷冻机进出水管上安装温度计。7、在去、回路盐水管路上安装压力表、温度传感器和控制阀门。在盐水管出口安装流量计。8、在配液圈与冻结器之间安装阀门，以便控制冻结器盐水流量。9、冻结器连接采用串并联方式，每组串联冻结器数为3个。10、冻结施工冷却水用量为15m3/h，最大总用电量约155kw。参见附图三。11、其它(1)冷冻机油：选用N46冷冻机油。(2)制冷剂：选用R22制冷剂。(3)冷媒剂：用氯化钙溶液作为冷冻循环盐水。盐水比重为1.2601.265。3.3.2冻结站布置与设备安装站设备主要包括配电柜、冷冻机组、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及清水池等。冻结站布置主要设备布置见附图三。设备安装按设备使用说明书的要求进展。3.3.3 管路连接、保温与测试仪表安装盐水和冷却水管路铺在地面管架上，法兰连接。温度计、压力表和流量计安装要按有关规进展。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。集配液圈与冻结管的连接用耐压1MPa的高压胶管。冷冻机组的蒸发器及低温管路用软质泡沫塑料保温材料保温，盐水箱和盐水干管用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料保温。3.3.4 溶解氯化钙和机组充氟加油先在盐水箱注入约1/4的清水，然后开泵循环并逐步参加固体氯化钙，直至盐水浓度到达设计要求。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展。首先进展制冷系统的检漏和