软土层水平冻结法连接通道的施工方法.pdf

一种软土层水平冻结法连接通道的施工方法，具体为：确定积极冻结期和维护冻结期的盐水温度、冻土墙平均温度和冻土强度；设计布置冻结孔，同时冻结孔布置应根据管片配筋图微调，冻结孔偏斜控制孔径向外的偏角在0.5°～1.0°范围；计算冻结冷量，根据冷量需要每台机组的制冷量达8.6×104kcal/h；先开挖隧道喇叭口导洞，再开挖中间段，然后开挖对侧隧道喇叭口导洞，中间段结构层施工完毕后，再刷扩两端喇叭口，开挖步距为0.3m或0.5m；实施全过程对水平冻结孔施工、冻结系统、冻结壁、圆隧道结构变化和支护结构等各个阶段和系统进行监测，并将监测数据及时反馈，以指导施工。本发明适用于各类软土层施工，弥补了原施工工艺的不足和缺陷。

1、  一种软土层水平冻结法连接通道的施工方法，其特征在于具体如下：
(1)确定冻结主要技术指标，即根据实际工况，确定积极冻结期和维护冻结期的盐水温度、冻土墙平均温度和冻土强度；
(2)冻结孔布置和施工，即根据连接通道平面尺寸和结构受力特征设计布置冻结孔，同时冻结孔布置应根据管片配筋图微调，冻结孔偏斜控制孔径向外的偏角在0.5～1.0℃范围；
(3)冻结站设计、积极冻结和维护冻结施工，即计算冻结冷量，根据冷量需要选择冷冻机组，当盐水温度在-30℃，冷却水温度28℃时，每台机组的制冷量达8.6×10⁴kcal/h；
(4)连接通道开挖与构筑施工，即先开挖隧道喇叭口导洞，再开挖中间段，然后开挖对侧隧道喇叭口导洞，中间段结构层施工完毕后，再刷扩两端喇叭口，开挖步距为0.3m或0.5m；
(5)施工监测监控，即实施全过程对水平冻结孔施工、冻结系统、冻结壁、圆隧道结构变化和支护结构等各个阶段和系统进行监测，并将监测数据及时反馈，以指导施工。

2、  根据权利要求1所述的软土层水平冻结法连接通道的施工方法，其特征是，步骤(1)确定冻结主要技术是指在砂性土中采取以下技术指标：；
①冻结盐水温度：积极期：-28～-32℃，维护期：-22～-28℃，
②冻土墙平均温度：-8℃～-10℃，
③冻土强度：δ_压＝3.4Mpa～4.5Mpa；δ_拉弯＝1.8Mpa～2.3Mpa；δ_剪＝1.5Mpa
④按弹性理论或有限元软件设计冻结壁，冻结壁厚度取1.8～2.2m，最后校核强度安全系数。

3、  根据权利要求1所述的软土层水平冻结法连接通道的施工方法，其特征是，步骤(2)冻结孔打孔利用冻结管作钻杆，选择低碳钢无缝钢管作为冻结管，发现偏斜要及时纠偏，钻进结束后进行打压试漏，合格者在冻结管内下供液管，连接通道中布置多个测温孔。

4、  根据权利要求1所述的软土层水平冻结法连接通道的施工方法，其特征是，步骤(3)在冻结过程中，定时监测盐水温度、盐水流量和冻土帷幕扩展情况，监测频率每天1～3次，每6小时一次。

5、  根据权利要求1或者3所述的软土层水平冻结法连接通道的施工方法，其特征是，步骤(4)开挖支护方式采用两次支护：第一次支护采用钢支架加木板，再挂网喷射混凝土，冻土开挖后就要及时对冻结帷幕进行临时支护，支架间距为0.3～0.5m，与开挖步距相一致；第二次支护采用现浇钢筋混凝土。

6、  根据权利要求3所述的软土层水平冻结法连接通道的施工方法，其特征是，连接通道正式开挖后进入维护冻结期，提高盐水温度至低于等于-22℃。

软土层水平冻结法连接通道的施工方法
技术领域
本发明涉及的是一种连接通道的施工方法，特别是一种软土层水平冻结连接通道的施工方法，用于建筑工程技术领域。
背景技术
十九世纪六十年代，冻结法首先应用于英国南威尔士的建筑基础工程。1883年，德国工程师波茨舒(P.H.Potsch)在阿尔巴里的煤矿采用冻结法成功施工了103m深的井筒，并获得了冻结技术专利，引起全世界的关注。世界各国都广泛地应用冻结技术，促进了冻结技术的发展。冻结法在我国起步较晚，但发展速度却很快。我国自1955年开滦矿区首先应用冻结法凿井以来，冻结法已发展成为我国工程领域通过不稳定冲积层和裂隙含水层的主要施工方法。冻结法施工是利用人工制冷技术，使地层中的水结成冰，把天然土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下结构的联系，以便在冻结帷幕的保护下进行开挖施工的一种特殊施工方法。
经对现有技术的公开文献检索发现，张志荣、李海撰写的《冻结排桩法在润扬大桥南锚碇基础中的应用》，收录于《施工技术》2003年8月第32卷第8期第6～8页，该文介绍：南锚碇冻结排桩围护体系的作用，是以含水地层冻结形成的冻结帷幕为基坑的封水结构，以排桩及内支撑系统为抵抗水土压力的承力结构，形成新的围护技术，较好地解决了基坑围护结构的嵌岩及封水问题。冻结帷幕作为封水结构布置在排桩外侧，采用单排冻结孔冻结，与排桩插花布置，冻结孔数量144个，孔深40m，冻结帷幕入岩11m。为保护冻结帷幕不会因地下水绕流冲刷融化，沿基坑1周共设置74个注浆孔，冻结前，对37～45m深的基岩裂缝进行地面注浆封堵。为降低冻胀力对排桩结构不利影响，在冻结帷幕外侧土体内设置288个φ25cm卸压孔，孔内注满优质泥浆，防止孔壁坍塌。冻结孔施工按照设计孔位精确放样，并严格控制钻孔偏斜率，成孔后采用灯光或陀螺仪进行测斜并绘制钻孔偏斜平面图；冻结管采用φ127mm×6mm低碳无缝钢管，内供液管采用φ50mm×5mm聚乙烯塑料管；冻结管下放到位后，进行压力试验，初压力1.0～1.5MPa，观察30min，压降≯0.05MPa，再延长15min压力不降为合格；积极冻结期间，冻结壁发展半径、速度及交圈情况是根据埋设在地层内不同位置、不同深度的温度传感器测得的温度场进行初步判定，通过在坑内进行降水，根据坑内外水位变化情况，最终判定冻结帷幕是否交圈；维护冻结期间，通过对冻结帷幕温度的监控确定盐水温度、流量等参数，以达到补充冷量损失、控制冻结帷幕厚度、保证基坑开挖及回填阶段达到有效封水的效果。
上述冻结施工方法目前广泛应用于各类通过不稳定冲积层和裂隙含水层施工，但存在下列不足：(1)冻结帷幕仅作为基坑封水结构，冻土在基坑开挖过程中未暴露，没有介绍到冻土暴露时采用的支护方式。(2)基坑冻结帷幕采用垂直冻结，而连接通道采用水平冻结，冻结孔水平施工对钻进工艺及参数要求更高。(3)对控制冻土融沉的技术措施没有叙述。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种软土层水平冻结连接通道施工方法，使其可以施工各类隧道间连接通道，可以根据实际工况确定冻结技术指标，布置冻结孔，设计冻结站，进行连接通道的开挖和构筑施工，提高工程安全性。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的具体施工方法如下：
(1)确定冻结主要技术指标
根据实际工况，确定积极冻结期和维护冻结期的盐水温度、冻土墙平均温度和冻土强度。
确定冻结主要技术指标是指在砂性土中采取以下技术指标：
①冻结盐水温度：积极期：-28～-32℃
                维护期：-22～-28℃；
②冻土墙平均温度：-8℃～-10℃；
③冻土强度：δ_压＝3.4Mpa～4.5Mpa；δ_拉弯＝1.8Mpa～2.3Mpa；δ_剪＝1.5Mpa～1.9Mpa。
④按弹性理论或有限元软件设计冻结壁，冻结壁厚度取1.6～2.2m，最后校核强度安全系数。
(2)冻结孔布置和施工
根据连接通道平面尺寸和结构受力特征设计布置冻结孔，同时为确保管片主要受力体系不被破坏，冻结孔布置应根据管片配筋图微调，以避开主筋。
冻结孔偏斜控制终孔向外的偏角在0.5～1.0°范围以及终孔间距不大于1.5米。
一般选择φ108mm×8mm、φ95mm×8mm或φ89mm×8mm的20#低碳钢无缝钢管作为冻结管，选择钻进能力较大的MKD-5S型全液压钻机作为冻结孔施工设备。
冻结孔打孔利用冻结管作钻杆，钻进过程中严格监测冻结孔偏斜情况，发现偏斜要及时纠偏，钻进结束后进行打压试漏，合格者在冻结管内下供液管，连接通道中布置多个测温孔和泄压孔，以监测冻结帷幕范围不同部位的温度发展状况和适时进行泄压。
(3)冻结站设计、积极冻结和维护冻结施工
计算冻结冷量，根据冷量需要选择W-YSLGF300II冷冻机组或与其性能相当的其他机组，当盐水温度在-30℃，冷却水温度28℃时，每台机组的制冷量可达8.6×10⁴kcal/h；盐水系统选用CaCl₂盐水溶液为冷媒剂；冷却水循环系统通过冷却塔对回水进行冷却循环。
冷冻站安装完毕后进行调试和试运转，使机组在工艺规程和设备要求的技术参数条件下运行。
冻结系统运转正常后进入积极冻结期，在积极冻结过程中，定时监测盐水温度、盐水流量和冻土帷幕扩展情况，监测频率每天1～2次，必要时每6小时一次。
连接通道正式开挖后进入维护冻结期，适当提高盐水温度至-22～-28℃，确保冻土帷幕的稳定性，盐水温度不得高于-22℃。
(4)连接通道开挖与构筑施工
根据测温孔实测数据，用公式计算出在该冻结时间下的冻土发展半径，从而算出冻结帷幕厚度，再根据此厚度用公式法或作图法得出冻结帷幕平均温度，若各个层面、各个部位的冻结帷幕的厚度和平均温度均达到设计要求，即基本满足开挖条件。
开挖前必须安装安全门并确保安全门密闭效果。正式开挖前必须进行探孔检查，探孔打在冻结帷幕薄弱处，若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，即可打开钢管片进行正式开挖，开挖采用矿山法进行暗挖施工。
开挖顺序：先开挖隧道喇叭口导洞，再开挖中间段，然后开挖对侧隧道喇叭口导洞，中间段结构层施工完毕后，再刷扩两端喇叭口，开挖步距为0.3m或0.5m，如果两端喇叭口处断面较大，为减轻开挖对隧道变形的影响，开挖步距控制为0.3m。
开挖支护方式采用两次支护。第一次支护(临时支护)采用钢支架加木背板，再挂网喷射混凝土，冻土开挖后就要及时对冻结帷幕进行临时支护，支架间距为0.3～0.5m，与开挖步距相一致；第二次支护(永久支护)采用现浇钢筋混凝土。
(5)施工监测监控
为确保软土层水平冻结法连接通道安全、优质地完成，即实施全过程对水平冻结孔施工、冻结系统、冻结壁、圆隧道结构变化和支护结构等各个阶段和系统进行监测，并将监测数据及时反馈，以指导施工。
本发明具有实质性特点和显著进步，针对性强，适用于各类软土层连接通道的冻结施工，对冻结管水平钻进、冻结站设计、积极冻结和维护冻结、连接通道开挖和构筑的施工工艺进行了完整系统的叙述，工法提出的十条操作要点对实际施工具有指导性作用，弥补了原施工工艺的不足和缺陷。
具体实施方式
结合本发明的内容提供以下施工例：
以某越江隧道工程水平冻结连接通道施工为例，两条越江隧道之间设有两条连接通道，均位于江底，相距约400m。连接通道(一)净距25.665m，隧道间高差3.565m；连接通道(二)净距约17.175m，隧道间高差0.345m。
(1)冻结主要技术指标确定；
①冻结盐水温度：  积极期：-30℃～-32℃
                  维护期：-24℃～-26℃；
②冻土墙平均温度：-8℃～-10℃；
③冻土强度：δ_压＝3.4Mpa～4.5Mpa；δ_拉弯＝1.8Mpa～2.3Mpa；δ_剪＝1.5Mpa
④冻结壁厚度：冻结帷幕厚度1.8m(喇叭口冻结帷幕厚度2.0m)。
(2)冻结孔设计
①冻结孔主要技术要求
冻结孔开孔间距：根据平面尺寸和受力特征及根据管片配筋图来避开主筋为原则设计，内排冻结孔取0.75～0.8m，外排冻结孔取0.9～1.0m。
冻结孔偏斜控制：冻结孔原则上不允许内偏，为减少冻土挖掘量，应控制终孔径向外的偏角在0.5～1.0°范围
终孔间距最大控制：内排冻结孔控制1.1～1.2m，外排冻结孔控制1.3～1.4m。
②冻结孔布置
冻结孔数：  通道(一)：东线隧道浅孔27个，深孔25个；
                      西线隧道浅孔27个，深孔25个。
            通道(二)：东线隧道浅孔27个；
                      西线隧道浅孔27个，深孔25个。
^*注：由于连接通道(一)距离较长，为保证冻结孔施工质量，采用双向打深孔。
③冻结管规格选择
根据施工工艺确定，选φ108×8mm，20#低碳钢无缝钢管。
④冻结孔施工设备选择
鉴于该通道段地质条件和施工特点，选择水平钻进能力较大的MKD-5S型全液压钻机。
⑤测温孔与卸压孔布置设计
每个通道布置8个测温孔，两侧各布置4个，目的主要是测量冻结帷幕范围不同部位的温度发展状况，以便综合采用相应控制措施，确保施工的安全；卸压孔布置4个，两侧各布置2个。
(3)冻结孔施工
①测量放点用经纬仪测出所有冻结孔的中轴线在隧道管片上的前后点，并用红漆标记。采用水准仪来测量水平高差及仰俯角，经纬仪来测量方位角及实际孔位。
②利用冻结管作钻杆，冻结管采用丝扣连接，接缝要补焊，确保其同心度、联接强度和密封性能。
③钻进过程中严格监测冻结孔偏斜情况，发现偏斜要及时纠偏。钻进完毕后，进行冻结管长度的复测，然后再用水平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0.65MPa，稳定30min压力下降小于0.05MPa者为试压合格。
④在冻结管内下供液管，然后焊接冻结管端盖和去、回路羊角。
(4)冻结站设计
①制冷设备选择
根据现场冷量需要情况，连接通道(一)选择2台W-YSLGF300II冷冻机组，当盐水温度在-30℃，冷却水温度28℃时，其制冷量可达17.2×10⁴kcal/h。连接通道(二)选择一台W-YSLGF300II冷冻机组，当盐水温度在-30℃，冷却水温度28℃时，其制冷量可达8.6×10⁴kcal/h。
②盐水系统设计
选用CaCl₂盐水溶液为冷媒剂，溶液重度控制在1260kg/m³左右，溶液的凝固点为-38.6℃。首次化75％CaCl₂量：连接通道(一)25t；连接通道(二)20t。
为确保盐水循环系统工作正常，配备2台盐水泵，盐水泵型号：IS200-125-315A、电机功率30kW、总流量400m³/h。
③冷却水循环系统
根据安装制冷机和制冷量要求，连接通道(一)冻结冷却水循环量约200m³/h，连接通道(二)冻结冷却水循环量约100m³/h，冷却水进水温度设计为+27～+30℃，回水温度设计为+31～+34℃。为节约用水，安装2台50m³的冷却塔，对回水进行冷却，保证循环水利用率80％，根据计算新鲜水补充量连接通道(一)30m³/h，连接通道(二)15m³/h。
④其它
冷冻机油：选用N46冷冻机油，通道(一)用量2000kg，通道(二)用量1000kg。
制冷剂：选用氟立昂R-22制冷剂，通道(一)用量1000kg，通道(二)用量500kg。
(5)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80m²，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。
②管路连接、保温与测试仪表
管路用法兰连接，在盐水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，每根冻结管的进出口各装阀门1个，以便控制流量。
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聚苯乙烯泡沫塑料板保温
(6)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。
(7)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，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。冻结系统运转正常后进入积极冻结，在积极冻结过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻土帷幕扩展情况。
②试挖与维护冻结
在积极冻结过程中，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，当冻土帷幕交圈并达到设计厚度后再进行探孔试挖，确认冻土帷幕内土层基本无压力后进行正式开挖。正式开挖后，根据冻土帷幕的稳定性，进入维护冻结，适当提高盐水温度，但盐水温度不高于-22℃。
(8)开挖与构筑施工
①预应力支架及安全应急门安装
开挖施工之前，在圆隧道东线和西线连接通道开口两侧各架四榀预应力支架，每榀钢支架间距不大于1.5m，并在连接通道两端沿隧道方向对称布置，以减轻通道开挖构筑施工对隧道产生不利的影响。
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。安全应急门安装牢固可靠，门扇启闭方便。
②通道开挖
正式开挖前进行探孔检查，探孔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，随后打开钢管片正式开挖，根据采用矿山法进行暗挖施工。根据工程结构特点，连接通道开挖掘进采取分区分层方式进行。
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(除喇叭口处侧墙和拱顶外)采用全断面一次开挖，开挖步距为0.3m～0.5m。两端喇叭口处断面较大，为减轻开挖对隧道变形的影响，开挖步距控制为0.3m。
③临时支护
连接通道开挖后，地层中原有的应力平衡受到破坏，引起通道周围地层中的应力重分布，这种重新分布的应力使冻土帷幕产生蠕变从而引起冻结管变形，为控制变形地发展，冻土开挖后及时对冻结壁进行支护，临时支护既起到维护地层稳定、确保施工安全的作用，又作为永久支护的一部分。
④永久支护
永久支护为结构设计中的钢筋混凝土结构，为减少混凝土施工接缝，合理确定混凝土浇筑顺序。由于结构特殊性，通道顶板内的混凝土浇筑较为困难，为提高混凝土施工质量，采取无振捣混凝土的施工方式。
⑤充填注浆
注浆顺序为先底部后两旁最后是拱顶，注浆是否结束以邻近的注浆孔连续返浆为标准，注浆结束后，将管口封堵。壁后注浆应结合融沉跟踪注浆进行。
(9)监测监控
对冻结孔施工、冻结系统、冻结壁、圆隧道和支护结构进行连续必要的监测，监测资料及时反馈，指导施工。监测内容如下
①水平孔施工监测内容
钻孔深度；冻结管偏斜；冻结器密封性能。
②冻结系统监测内容
冻结器去、回路盐水温度；冷却循环水进、出水温度；冷冻机吸排气温度；冷冻机吸排气压力；制冷系统冷凝压力；制冷系统汽化压力；盐水流量。
③冻结壁监测内容
冻结壁温度场；冻结壁断面内水文卸压孔压力变化及温度变化；开挖后冻结壁暴露时间内冻结壁表面位移；开挖后冻结壁表面温度。
④圆隧道结构变化的监测
隧道的沉降位移监测；隧道的水平及垂直方向的收敛变形监测。