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1、-XXX站盾构出洞地层冻结加固施工方案XXXX有限公司2001年9月一、工程概况上海地铁明珠线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厚钢筋混凝土内衬支护，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。为了避免在安装盾构机时泥砂和地下水从出洞口涌入工作井内，拟对盾构出洞口附近的地层进行冻结加固。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打开盾构出洞口
2、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打开盾构出洞口和盾构出洞安装停止冻结，拔冻结管盾构推进。本工程的内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行加固处理。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验，对
3、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结构静力计算公式，冻土墙按周遍固定圆板考虑。冻土的强度取值，参考上海和日本类似土层的试验结果和设计取值，原则上考虑较大的安全储备。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，根据上海杨家渡220kV电缆顶
4、管出洞冻结施工经验，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。在上海杨家渡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行跟踪监测。4、冻结引起的地表隆起、沉降对附近建筑物的影响问题。根据上海一、二号地铁和煤矿冻结施工监测，冻土墙内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
5、20%，所以，冻土墙化冻后，地表基本能恢复到原位。在上海杨家渡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行。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，内摩擦角 =9.5, 粘结力C =13kPa，超载qn=20kPa。按洞口下缘埋深H=15
6、.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 冻土墙的结构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安全系数 k冻土墙厚度h(m)-91.50.2056.71.23.01.282、按我国建筑结构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
7、2)。表2 按建筑结构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)安全系数 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，安全系数为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)安全系数 k0.2056.71.500.2291.56.5
8、5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验，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，局部冻结范围为深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
9、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天后开始破盾构出洞口，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，按计划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天盐水温度达到-20。3、冻土墙平均温度不高于-9。打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天打开盾构出洞预留口。拔除冻结管5天。
10、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。在冻土墙内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
11、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以内。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1M
12、Pa。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、冻结管下入钻孔内前要先配管，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行打压试漏。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、在冻结管内下入供液管，供液管底端连接0.3m高的支
13、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相同。在下好的测温管内灌满比重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
14、，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
15、站布置与设备安装站内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行。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范进行。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内注入约1/4的清
16、水，然后开泵循环并逐步加入固体氯化钙，直至盐水浓度达到设计要求。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。3.4 积极冻结与维护冻结3.4.1 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计要求的技术参数条件下运行。在冻结过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻土墙扩展情况，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。要求一周内盐水温度降至-20以下。3.4.2 探孔与维护冻结实测冻土墙温度达到设计值后
17、，在紧挨隧道洞口的工作井井壁上用38mm金刚石取芯钻打若干探孔，判断冻土墙与井壁之间完全冻结后方可打开盾构洞口。打探孔时要准备木塞等工具，以防钻孔出水。盾构隧道机进洞安装完毕即可停止冻结。破盾构出洞口地连墙钢筋混凝土时，应停止紧靠地连墙的冻结管盐水供应，并密切注意破地连墙时是否破坏冻结管，如一旦发现冻结管漏盐水，及时关闭该冻结器。3.4.3 拔冻结管停冻后要拔除洞口前方的冻结管。拔管方法与步骤为：1、在盐水箱中安装总功率为80100kw电热管。在测温管中下6分焊管作供液管。供液管要确保下到测温管底部。2、用电热管加热盐水。3、以每35个孔一组，在冻结孔(或测温孔)中循环热盐水。4、为减小前期冻
18、土融化过多对附近管线的不利影响，确定待冻结管周围冻土融化在35cm时，及时用起管机起拔松动冻结管。为了防止拔断冻结管，起管机与冻结管之间设限力装置。5、用起重机或卷扬机快速拔出已松动的冻结管。6、拔管后用粘土或低标号水泥砂浆封孔。 由于短期加热强制式化冻的冻土融化范围有限，在拔管后的两天内，会自然回冻，然后冻土再慢慢融化，一般十至十五天，冻土失去承载力。最后由外及内逐渐融化整个冻土层，整个化冻时间大约相当于冻结的时间。四、施工进度及配套计划4.1 施工进度计划冻结孔施工工期为10天，在施工的冻结孔时进行冻结站安装，工期为13天。集、配液管路安装工期为3天。溶解氯化钙和试运转工期1天。积极冻结工
19、期为28天。拔管工期为5天。从开始钻进冻结孔到拔管结束总工期为47天。按2001年9月25日开始打冻结孔计算，200年11月10日具备盾构出洞条件。施工进度计划见附表二。4.2 劳动力配备计划打钻和冻结安装期间驻工地施工人员最多约30人，其中施工管理人员6人，打钻20人，冻结安装6人,其它工人2人。详见附表三。4.3 水、电供应计划水电用量见表4。冻结钻孔施工和冻结站安装期间用电约为91kw，用水约1m3/h。冷冻站开始调试和转入制冷运转后，用电量最大约为155kw。冻结制冷期间新鲜冷却水补给量约为15m3/h。4.4 设备与材料供应计划打钻和冻结施工设备分别按各自计划工期提前到达施工现场。通
20、用材料和设备易损配件准备齐全。施工专用材料提前2天准备到位。需特殊加工的专用设备器件提前加工以满足施工工期及质量的要求。设备及材料消耗见附表四和附表五。表4 水 电 用 量 供 应 表序号设备名称型号单位每台耗量设备台数合计备注一打钻、安装用电量Kw91钻机XY-1BKw11222泥浆泵BW-200/50Kw14.5229电焊机Kw20240二冻结用电量Kw155冷冻机YSLGF300Kw1031103 盐水泵200S42AKw37137清水泵IS125-100-250JKw11111冷却塔DBN3-50Kw224三冻结用水量m3/h8新水补给五、施工平面布置临时工程详见表5，其中冻结施工场地
21、约134 m2，布置在盾构出洞口左侧靠近围墙处。冻结站布置见附图三。表5 措施工程一览表序号名称规格尺寸单位数量备注1施工用地134其中：冷冻机房515mm275 冷却水池33mm29 管材堆放及加工场地105mm2502材料及配件库m2153现场办公用房m2304宿舍60 其中：打钻m245 冻结m215六、冻结施工质量的检验与控制方法按程序施工和对整个施工过程进行监测、预报和控制是现代地下工程施工质量管理的两个重要组成部分。本公司的地层冻结施工程序见附图三。通过对施工过程各工序环节进行实时监测、预报与控制，可使冻结施工更可靠和经济合理，并可为今后施工积累资料。此外，在现有的煤矿井巷工程施工
22、质量及验收规范的基础上，结合市政施工特点，根据上海地区软土冻结施工经验，详细制定了有关冻结施工质量要求与检验、控制方法。七、安全、工期、质量技术措施与保证体系7.1 工期保证措施7.1.1 优化施工组织设计，配用先进的管理软件，严格执行ISO9002标准，对整个项目全面统筹管理。以高素质的施工人员和优良设备为基础，以先进的技术手段为保障，以质量进度为目标的激励机制，确保工程进度达到既定目标。7.1.2 合理布孔，使冻结效果最佳，冻结速度最快。7.1.3 冻结工程中的临建施工、钻孔施工以及冷冻站的安装平行作业，缩短施工工期。7.1.4 采用先进的冷冻机组，既便于安装，且制冷速度快。7.1.5 通
23、过设计较大的制冷量和盐水流量加快冻结速度。并随时监测冻土墙扩展状况，分析冻土墙的扩展趋势，调整冻结运转参数，为确定盾构进洞安装时间提供依据。7.1.6 在盾构出洞口附近工作井内侧敷设保温层，以加快地连墙附近土层冻结。7.2 质量技术保证措施7.2.1 在打第一个冻结孔时，分析主要地层钻进过程的参数变化情况，检查地质、水文情况，如有异常，及时采取针对性措施。7.2.2 制订严格的冻结施工质量标准。控制冻结孔间距。如个别超标，应整体分析交圈情况，决定是否采用补孔措施。7.2.3 为了保证冻结工程质量，将使用国内最先进氟里昂螺杆盐水制冷机组和冻结工程监测系统。7.2.4 开孔前对照设计图纸复查孔位，
24、钻机基础要牢固，钻机机身安平正。在钻进的过程中要随时检查钻机的平正情况。7.2.5 不同的地质条件使用采用不同的钻进参数，严格控制钻进压力。7.2.6 钻进过程中严格监测孔斜，施工头几个孔时要增加测斜次数。测斜后要及时绘制钻孔偏斜透视图，发现超偏及时纠正。7.2.7 严格执行冻结管的焊接操作规程，不但要确保焊缝不漏，而且要保证接缝强度。冻结管安装后及时进行测压试漏，并复测孔深，绘制冻土墙形成预计图。7.2.8 按冻结孔的质量要求施工测温孔，必要时为了加快冻土墙形成，可将测温孔改作冻结孔。7.2.9 每个冻结器都要安装控制阀门，及时调整各个冻结器的流量。通过流量和温度测定，随时掌握冻结器的运行情
25、况。7.2.10 安装盐水干管时要确保设计坡度，以免管内聚积空气影响盐水的流动。盐水系统应设置放空阀。7.2.11 用温度检测系统监测冻结孔的温度变化，及时预计冻土墙的发展状况。7.2.12 在打开洞口前，要打探孔验证地连墙附近土层的冻结状况。打开洞口后，要严密监测暴露冻土墙壁面的温度变化和变形情况。7.2.12 及进向业主、总包方、监理单位通报冻结施工情况，认真快速处理业主、承包方、监理单位对冻结施工提出的建议与要求，根据冻土墙发展情况，必要时对掘砌施工提出建议。7.2.13 遵守各项规章制度，冻结施工中的各种设备应严格按照操作规程进行操作。7.3 安全与质量保证体系严格按照ISO9002质
26、量体系要求进行项目的施工与管理。在贯彻国家、行业、地区安全法规的基础上，制定本项目的安全管理制度，并以此为依据对项目的安全施工进行经常的、制度化和规范化的管理，项目部建立的施工安全组织系统及相应的责任系统，对员工进行安全教育，提高安全施工意识，确保安全施工。在对施工项目安全、质量全面控制的同时，建立了完整、可靠的安全与质量保证体系。项目部建立工程项目质量保证体系。对工程质量进行严格管理，对关键工序的施工制定严格的控制程序。附表一 主要冻结施工参数一览表序号参 数 名 称单 位数量备 注1冻结深度M192冻土墙设计厚度M1.35预计冻土墙厚度大于1.5m。3冻土墙平均温度-9取冻土抗弯强度和抗剪
27、强度均为1.5Mpa积极冻结时间天28从开冻至可以打开盾构出洞口5冻结孔个数个356冻结孔开孔间距mm800排内7冻结孔成孔控制间距m 1.28冻结孔与井壁间距m 0.35在出洞口附近9冻结孔允许偏斜510设计最低盐水温度-26-30冻结7天盐水温度达-20以下11维护冻结盐水温度-20一般不升高盐水温度12单孔盐水流量m3/h71013冻结管规格mm1085低碳钢无缝钢管14测温孔个4管材规格同冻结孔15测温孔深度M1916冻结孔总长度M1571包括冻结孔、测温孔17冻结需冷量Kcal/h76400工况条件18冷冻机: YSLGF300台119最大用电量kw15520用水量m3/h15新水补
28、充第 39 页-附表二施 工 进 度 计 划工序编号工 序 名 称工期(天)开工日期完工日期工 程 进 度 9.2210.910.3011.81施工准备9.229.24 2冻结站安装139.2510.073冻结孔施工109.2510.4 4集、配液圈安装与试运转410.510.08 5冻结运转2810.911.56隧道进洞安装1010.3011.87拔冻结管511.611.10附表三 劳动力配备计划表序号岗位工种人数说明序号岗位工种人数说明一管理人员6二、操作工人28项目经理1钻工16项目副经理1制冷综合工6技术负责人1电工1施工员1焊工3质量员1勤杂工2安全员1材料员1兼职附表四 设 备 供
29、 应 明 细 表序号设备 名称数量规格型号主要工作性能指数预计何时进场现在 何处备注一打钻1钻机1XY-1B11KW2泥浆泵1BW250/5014.5 KW3除砂泵1自制4测斜仪2经纬仪最大测深50米5电焊机2BS-4006泥浆测定仪17试压泵1最大压力为2.5MPa二冻结1冷冻机1YSLGF300标准制冷量:240 KW2冷却塔1DBNL-1003盐水泵14清水泵1IS125-100-250J5测温仪3自制6流量计27抽氟机1附表五 材料用量供应计划表序号名称型号规格单位数量备注1无缝钢管1085mmm700冻结管等2无缝钢管1215.5mmm25接箍3三翼钻头 160mm个24130mm个
30、25金刚石钻头160mm个56钻杆50mmm307无缝钢管1595mmm100盐水干管8无缝钢管1335mmm30水管9氟里昂R22kg30010冷冻机油N46kg20011氯化钙纯度70%t1212增压橡胶管1.5m6013焊管1.5m750供液管等14钢板4mmm21215重铬酸钠kg3016氢氧化钠kg2017截止阀150mm 个218100mm个1191.5个5020法兰150副1021100副522角钢5050mmm2023方木m3224保温材料 附图二 冻 结 施 工 程 序冻结器安装正常运转设备检修保养充R22、化Cacl2、试运转拆 除拔冻结管和充填盾构出洞安装探 孔盐水系统安装、保温集配液圈安装冻结站安装施工机房、基础施工准备检测