冻结法在隧道泵站中的施工应用

陈玲

（中铁十八局集团有限公司，天津 300222）

冻结法在隧道泵站中的施工应用

陈玲

（中铁十八局集团有限公司，天津 300222）

文章结合天津市轨道交通2号线工程，介绍了冻结法的施工工艺、冻结孔施工、冷冻站安装、积极冻结与维护冻结，以期为类似工程积累经验。

冻结法；隧道泵站；施工工艺

一、工程概况及地质条件

天津市轨道交通2号线工程沙柳路站～博山道站区间隧道联络通道距博山道站端头井约564m，工程包含联络通道及泵站。区间联络通道里程为右线DK19+300.000（左线 DK19+298.600），左右线中心距为11米，隧道中心埋深16.378m，该处的地面环境为卫国道南侧辅道与雪莲路交叉处，管线密集；根据地层及周边环境情况，联络通道及泵站拟采用隧道内水平冻结加固地层，然后用矿山法施工。联络通道主体结构为直墙拱形钢筋混凝土结构。

区间隧道联络通道主要穿越淤1粉质黏土层（硬塑～软塑，干强度中等，含姜石）、2粉土层（密实），隧道穿越地层主要为微承压水。

二、施工方法与施工主要工序

主要施工工艺及顺序：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——冻结运转——隧道支撑、探孔试挖、开钢管片——开挖、临时支护——结构层及防水层施工——壁后注浆——冻结管处理、冷冻站系统拆除——土层注浆充填。

三、冻结孔施工

1.冻结孔定位与管片开孔

根据总包方提供的施工基准点，按冻结孔施工图由测量工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，在避开主筋的前提下可适当调整，一般不应大于100mm。（1）在正式开孔前，利用隧道管片上的补浆孔钻632mm小孔径探孔，检查地层稳定性。如有严重漏泥冒砂现象，则需进行水泥～水玻璃双液壁后注浆。注浆后再进行钻孔检查，待地层较稳定后，则开孔再进行钻进；（2）开孔选用J-200型金刚石钻机，配机30mm金刚石取芯钻头进行开孔，深度约200mm-250mm，预留100mm～15mm。用钢楔楔断岩芯，取出后，并安装好孔口管及密封装置。在安装孔口管时，每个孔口管至少有4个固定点固定在管片上。

2.钻孔偏斜和终孔控制

钻孔的偏斜应控制在1%以内，为确保冻土帷幕厚度，终孔间距不得大于1．2 m，否则应补孔。冻结孔钻进深度不小于设计深度，不大于设计深度0．3 m。

3.打钻设备选型

钻孔设备使用MD-50钻机一台，该钻机在国内各类水平孔工程施工中得到很好应用。该钻机是一种低转速、大扭矩，能够钻进大直径的全液压钻机，可用牙轮钻头、刮刀钻头、人造金刚石复合片钻头等钻进，该钻机主要技术参数如下：钻孔深度100 m～300 m；钻孔直径60 mm～200mm；钻孔倾角0。～360。；回转器扭矩900 N·m；给进能力50 kN；起拔能力50 kN；电动机功率37kw；配用BW250型变速注浆泵，钻具利用ф89×8mm冻结管作钻杆。

4.冻结管设置

(1)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。

(2)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0.8 MPa，稳定15min压力无变化者为试压合格。

(5)冻结管安装完毕后，首先截去露出隧道管片外的冻结管，然后再用堵漏材料如快干水泥等封堵冻结管与孔口管之间的间隙。这样，既达到堵漏密封的目的，又对开孔后的隧道管片起到加固补强的作用。

(6)在冻结管内下供液管，然后焊接冻结管端盖和去、回路羊角。

(7)测温孔和卸压孔施工方法同冻结孔。

四、冷冻站安装

1.冻结站布置与设备安装

将冻结站设置在隧道内占地面积约80平方米，安装一个冻结站为冻结系统供冷，采用盐水干管把制冷剂送到联络通道。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。

2.管路连接、保温与测试仪表

管路用法兰连接，隧道内的盐水管用管架敷设在隧道管片斜坡上，工作井靠近壁边摆放，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伸缩接头、阀门和测温仪、压力表、流量计等测试元件。盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温，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，每根冻结管的进出口各装阀门一个，以便控制流量。通道四周主冻结孔每两个一串联。考虑两侧喇叭口冻结的效果以及管片的散热，对左右行线隧道管片内侧安装冷冻板，以加强冻结。

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厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保温。

3.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，定时检测盐水温度、盐水流量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期。

4.冻结效果的监测及完成的参数指标

（1）在设计的积极冻结期间内，开机冻结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、回路盐水温差不大于1.5℃；开挖时盐水温度降至－28℃以下。积极冻结期运转时间应保证超过40天。

（2）设计要求各冻结孔组的回路温差不超过1.2℃，盐水循环系统去回路温差不超过1.5℃。

（3）盐水系统循环总流量在积极冻结期间达到设计值。

（4）设计要求，联络通道冻土厚度大于1.8m，通道冻结壁有效冻土平均温度要达到－10℃及以下。

（5）泄压孔达到升压条件进行放压观测试验。

（6）开挖前先在钢管片上开一探测观察口，开始有水流出并渐止即可正式开挖。

（7）防险门安装完毕，开关灵活可靠，视频及电话安装完毕，调试后正常使用。

五、积极冻结与维护冻结

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。

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。试挖条件如下：

(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做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，一方面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。在冻结初期卸压孔是没有压力的，随着冻土的逐渐扩展，水分不断迁移，交圈后冻土形成一个封闭的土体，冻胀压力得不到释放而逐渐增加，它的外在表现即为卸压孔压力的增长。

(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，探孔处无涌砂、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。由于冻结帷幕交圈后需冷量较交圈前要小，因此冻结帷幕交圈前盐水去、回路温差要比交圈后大，不过此现象仅作为判断冻结帷幕交圈的参考。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。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，但盐水温度不应高于-24℃。

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1673-0046（2010）12-0150-02