凍結法在隧道泵站中的施工應用

陳玲

（中鐵十八局集團有限公司，天津 300222）

凍結法在隧道泵站中的施工應用

陳玲

（中鐵十八局集團有限公司，天津 300222）

文章結合天津市軌道交通2號線工程，介紹了凍結法的施工工藝、凍結孔施工、冷凍站安裝、積極凍結與維護凍結，以期為類似工程積累經驗。

凍結法；隧道泵站；施工工藝

一、工程概況及地質條件

天津市軌道交通2號線工程沙柳路站～博山道站區(qū)間隧道聯(lián)絡通道距博山道站端頭井約564m，工程包含聯(lián)絡通道及泵站。區(qū)間聯(lián)絡通道里程為右線DK19+300.000（左線 DK19+298.600），左右線中心距為11米，隧道中心埋深16.378m，該處的地面環(huán)境為衛(wèi)國道南側輔道與雪蓮路交叉處，管線密集；根據地層及周邊環(huán)境情況，聯(lián)絡通道及泵站擬采用隧道內水平凍結加固地層，然后用礦山法施工。聯(lián)絡通道主體結構為直墻拱形鋼筋混凝土結構。

區(qū)間隧道聯(lián)絡通道主要穿越淤1粉質黏土層（硬塑～軟塑，干強度中等，含姜石）、2粉土層（密實），隧道穿越地層主要為微承壓水。

二、施工方法與施工主要工序

主要施工工藝及順序：施工準備——凍結孔施工、凍結站安裝——凍結器系統(tǒng)安裝、檢測系統(tǒng)安裝——凍結運轉——隧道支撐、探孔試挖、開鋼管片——開挖、臨時支護——結構層及防水層施工——壁后注漿——凍結管處理、冷凍站系統(tǒng)拆除——土層注漿充填。

三、凍結孔施工

1.凍結孔定位與管片開孔

根據總包方提供的施工基準點，按凍結孔施工圖由測量工進行凍結孔孔位放線，孔位布置首先要依據管片配筋圖和鋼管片加強筋的位置，在避開主筋的前提下可適當調整，一般不應大于100mm。（1）在正式開孔前，利用隧道管片上的補漿孔鉆632mm小孔徑探孔，檢查地層穩(wěn)定性。如有嚴重漏泥冒砂現(xiàn)象，則需進行水泥～水玻璃雙液壁后注漿。注漿后再進行鉆孔檢查，待地層較穩(wěn)定后，則開孔再進行鉆進；（2）開孔選用J-200型金剛石鉆機，配機30mm金剛石取芯鉆頭進行開孔，深度約200mm-250mm，預留100mm～15mm。用鋼楔楔斷巖芯，取出后，并安裝好孔口管及密封裝置。在安裝孔口管時，每個孔口管至少有4個固定點固定在管片上。

2.鉆孔偏斜和終孔控制

鉆孔的偏斜應控制在1%以內，為確保凍土帷幕厚度，終孔間距不得大于1．2 m，否則應補孔。凍結孔鉆進深度不小于設計深度，不大于設計深度0．3 m。

3.打鉆設備選型

鉆孔設備使用MD-50鉆機一臺，該鉆機在國內各類水平孔工程施工中得到很好應用。該鉆機是一種低轉速、大扭矩，能夠鉆進大直徑的全液壓鉆機，可用牙輪鉆頭、刮刀鉆頭、人造金剛石復合片鉆頭等鉆進，該鉆機主要技術參數(shù)如下：鉆孔深度100 m～300 m；鉆孔直徑60 mm～200mm；鉆孔傾角0?！?60。；回轉器扭矩900 N·m；給進能力50 kN；起拔能力50 kN；電動機功率37kw；配用BW250型變速注漿泵，鉆具利用ф89×8mm凍結管作鉆桿。

4.凍結管設置

(1)凍結管之間采用套管絲扣連接，接頭螺紋緊固后再用手工電弧焊焊接，確保其同心度和焊接強度。

(2)為防止鉆進中返砂，在鉆頭部位安裝一個特制單向閥門。

(3)凍結管到達設計深度后沖洗單向閥，并密封凍結管端部。

(4)鉆進過程中嚴格監(jiān)測孔斜情況，發(fā)現(xiàn)偏斜要及時糾偏，下好凍結管后，進行凍結管長度的復測，然后再用燈光測斜儀進行測斜并繪制鉆孔偏斜圖。凍結管長度和偏斜合格后再進行打壓試漏，壓力控制在0.8 MPa，穩(wěn)定15min壓力無變化者為試壓合格。

(5)凍結管安裝完畢后，首先截去露出隧道管片外的凍結管，然后再用堵漏材料如快干水泥等封堵凍結管與孔口管之間的間隙。這樣，既達到堵漏密封的目的，又對開孔后的隧道管片起到加固補強的作用。

(6)在凍結管內下供液管，然后焊接凍結管端蓋和去、回路羊角。

(7)測溫孔和卸壓孔施工方法同凍結孔。

四、冷凍站安裝

1.凍結站布置與設備安裝

將凍結站設置在隧道內占地面積約80平方米，安裝一個凍結站為凍結系統(tǒng)供冷，采用鹽水干管把制冷劑送到聯(lián)絡通道。站內設備主要包括冷凍機、鹽水箱、鹽水泵、清水泵、冷卻塔及配電控制柜等。設備安裝按設備使用說明書的要求進行。

2.管路連接、保溫與測試儀表

管路用法蘭連接，隧道內的鹽水管用管架敷設在隧道管片斜坡上，工作井靠近壁邊擺放，以免影響隧道通行。在鹽水管路和冷卻水循環(huán)管路上要設置伸縮接頭、閥門和測溫儀、壓力表、流量計等測試元件。鹽水管路經試漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保溫，保溫厚度為50mm，保溫層的外面用塑料薄膜包扎。集配液圈與凍結管的連接用高壓膠管，每根凍結管的進出口各裝閥門一個，以便控制流量。通道四周主凍結孔每兩個一串聯(lián)?？紤]兩側喇叭口凍結的效果以及管片的散熱，對左右行線隧道管片內側安裝冷凍板，以加強凍結。

冷凍機組的蒸發(fā)器及低溫管路用棉絮保溫，鹽水箱和鹽水干管用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保溫。

3.凍結系統(tǒng)試運轉與積極凍結

設備安裝完畢后進行調試和試運轉。在試運轉時，要隨時調節(jié)壓力、溫度等各狀態(tài)參數(shù)，使機組在有關工藝規(guī)程和設備要求的技術參數(shù)條件下運行。在凍結過程中，定時檢測鹽水溫度、鹽水流量和凍土帷幕擴展情況，必要時調整凍結系統(tǒng)運行參數(shù)。凍結系統(tǒng)運轉正常后進入積極凍結期。

4.凍結效果的監(jiān)測及完成的參數(shù)指標

（1）在設計的積極凍結期間內，開機凍結7天鹽水溫度降至－18℃以下；積極凍結15天鹽水溫度降至－24℃以下，去、回路鹽水溫差不大于1.5℃；開挖時鹽水溫度降至－28℃以下。積極凍結期運轉時間應保證超過40天。

（2）設計要求各凍結孔組的回路溫差不超過1.2℃，鹽水循環(huán)系統(tǒng)去回路溫差不超過1.5℃。

（3）鹽水系統(tǒng)循環(huán)總流量在積極凍結期間達到設計值。

（4）設計要求，聯(lián)絡通道凍土厚度大于1.8m，通道凍結壁有效凍土平均溫度要達到－10℃及以下。

（5）泄壓孔達到升壓條件進行放壓觀測試驗。

（6）開挖前先在鋼管片上開一探測觀察口，開始有水流出并漸止即可正式開挖。

（7）防險門安裝完畢，開關靈活可靠，視頻及電話安裝完畢，調試后正常使用。

五、積極凍結與維護凍結

1.凍結系統(tǒng)試運轉與積極凍結

設備安裝完畢后進行調試和試運轉。在試運轉時，要隨時調節(jié)壓力、溫度等各狀態(tài)參數(shù)，使機組在有關工藝規(guī)程和設備要求的技術參數(shù)條件下運行。在凍結過程中，定時檢測鹽水溫度和凍土帷幕擴展情況，必要時調整凍結系統(tǒng)運行參數(shù)。凍結系統(tǒng)運轉正常后進入積極凍結。

2.試挖與維護凍結

在積極凍結過程中，要根據實測溫度數(shù)據判斷凍土帷幕是否交圈和達到設計厚度，同時要監(jiān)測凍土帷幕與隧道的膠結情況，測溫判斷凍土帷幕交圈并達到設計厚度且與隧道完全膠結后再進行探孔試挖，確認凍土帷幕內土層基本無壓力后再進行正式開挖。試挖條件如下：

(1)測溫孔?？筛鶕y溫孔實測數(shù)據，推算出凍土發(fā)展速度及在該凍結時間內的凍土發(fā)展半徑，從而算出凍結帷幕厚度，再根據成冰公式或用做圖法得出凍結帷幕平均溫度，若各個層位、部位凍結帷幕的厚度和平均溫度達到設計要求后，即可打開管片進行開挖。

(2)卸壓孔。在積極凍結過程中，卸壓孔有兩個作用，一方面起到釋放凍脹壓力的作用，另一方面根據顯示的壓力來判斷凍結帷幕是否交圈。在凍結初期卸壓孔是沒有壓力的，隨著凍土的逐漸擴展，水分不斷遷移，交圈后凍土形成一個封閉的土體，凍脹壓力得不到釋放而逐漸增加，它的外在表現(xiàn)即為卸壓孔壓力的增長。

(3)探孔。在打開管片前應進行探孔檢查，探孔應打在凍結帷幕薄弱處，探孔處無涌砂、突水現(xiàn)象，地層穩(wěn)定，凍結帷幕正常，測溫效果良好，即可打開管片試挖。

(4)鹽水去、回路溫差。由于凍結帷幕交圈后需冷量較交圈前要小，因此凍結帷幕交圈前鹽水去、回路溫差要比交圈后大，不過此現(xiàn)象僅作為判斷凍結帷幕交圈的參考。要確定打開管片進行開挖，還需結合測溫孔資料、卸壓孔壓力、探孔情況等方面綜合考慮。正式開挖后，根據凍土帷幕的穩(wěn)定性，可適當提高鹽水溫度，進入維護凍結，但鹽水溫度不應高于-24℃。

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1673-0046（2010）12-0150-02