冻结法在隧道工程中的应用与研究

　　摘要：结合实际工程，笔者分析了隧道旁通道及泵站工程的基本概况及地质条件，探讨了冻结孔布置及制冷设计以及冻结孔施工，可供相关技术人员参考。
　　关键词：冻结法、隧道、通道、泵站
　　
　　
　　1工程概况及地质条件
　　1.1工程概况
　　上海市轨道交通杨浦线（M8线）工程是上海市重点工程，西藏南路站～周家渡站（过江）区间隧道旁通道及泵站工程是其工程的一个重要组成部分。该工程位于黄浦江下部，距江底约12米。该旁通道及泵站采取合并建造模式，它既具有保证上、下行线隧道间联络和必要时乘客安全疏散的功能，又在地铁运营中起到集、排水作用。旁通道所在位置为：下行线里程XK23+427.45，上行线里程SK23+423。
　　1.2工程地质及水文地质条件
　　根据上海市隧道公司提供的工程地质勘察报告，距旁通道位置较近的地勘孔是Q23G6地质钻孔，根据该孔的资料并参考附近的地勘孔的地质情况，对本工程地质及水文地质条件描述（见表1）。
　　
　　表1各地层特征表
　　                        　　
　　旁通道施工范围内土层主要为第⑤1-2灰色粘土、⑥1暗绿色粘土、⑦1-1草黄色粘质粉土。该土层具有中压缩性、低强度、灵敏度高、透水性强等特点，其中，⑦1-1粘质粉土层又为承压含水层，旁通道所处位置乘压水压力约为0.27MPa，对隧道有突涌的破坏作用，同时在承压动水头压力下会发生流砂、崩塌现象，影响开挖面稳定，在盾构掘进至689环（钢管片684、685环）时，螺旋机有涌水情况发生。
　　综上所述，在该地层内进行旁通道开挖构筑，须对土体进行稳妥、可靠的加固处理。根据我公司以往越江隧道连接通道施工的成功经验，用冻结法加固土体具有强度高，封水性好，安全可靠的优点，极适于本工程。
　　采用“隧道内水平冻结加固土体、隧道内矿山法开挖构筑”的全隧道内施工方案。，即：在隧道内利用水平孔和部分傾斜孔冻结加固地层，使旁通道及集水井外围土体冻结，形成强度高，封闭性好的冻土帷幕。在冻土中采用矿山法进行旁通道及泵站的开挖构筑施工，地层冻结和开挖构筑施工均在区间隧道内进行。
　　2冻结孔布置及制冷设计
　　2.1冻结孔的布置
　　根据冻结帷幕设计及旁通道的结构，采用两侧隧道打孔方式，冻结孔按上仰、近水平、下俯三种角度布置，以形成一个全封闭冻结加固区域。开孔间距为0.5m～1.0m，冻结孔数80个。冻结孔的布置详见附图7冻结孔施工平面图及附图8冻结管布置剖面图，并根据钻机情况、管片配筋情况和旁通道拟开管片的实际位置，对钻孔孔位作少量调整。
　　2.2测温孔与卸压孔布置
　　共布置8个测温孔，两端各布置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。
　　测温孔管材选用Φ32×3.5mm20#低碳钢无缝钢管。
　　卸压孔布置6个，上行线布置4个，下行线布置2个。
　　2.3制冷设计
　　2.3.1冻结参数确定
　　（1） 积极冻结期盐水温度为-28℃～-30℃。
　　（2） 维护冻结期温度为-25℃~-28℃；
　　（3） 冻结孔终孔间距Lmax≤1200mm，冻结帷幕交圈时间为25天（见附图9冻结帷幕形成示意图），达到设计厚度时间为45天。
　　（4） 积极冻结时间为45天，维护冻结时间为30天。
　　（5）冻结孔布置80个，其中上行线布孔56个，下行线布孔24个其位置与上行线相对应，为避开对侧冻结孔其方位角均向一侧偏0.2°，冻结管总长度为570m。布孔位置见附图7。
　　（6）测温孔布置8个，上行线和下行线隧道各布置测温孔4个，深度为1~3m，测温孔一般定在终孔间距较大的位置。
　　（7）卸压孔布置6个，开挖一侧布置4个，对侧布置2个，深度1~2m。
　　2.3.2需冷量和冷冻机选型
　　冻结需冷量计算：Q=1.2•π•d•H•K
　　式中:H—冻结总长度；
　　d—冻结管直径；
　　K—冻结管散热系数；
　　将上述参数代入公式得：
　　Q=1.2•π•d•H•K=43155Kcal/h
　　选用W-YSLGF300Ⅱ型螺杆机组一台套，设计工况制冷量为8.75×104Kcal/h，电机功率100KW。另外备用W-YSLGF300Ⅱ型螺杆机组一台。
　　2.3.3冻结系统辅助设备
　　（1）盐水循环泵选用IS125-100～200型1台，流量200m3/h，电机功率30KW。
　　（2）冷却水循环选用IS125-100～200C型1台，流量200m3/h，电机功率30KW。冷却塔选用NBL-50型二台，补充新鲜水15m3/h。
　　2.3.4管路选择
　　（1）冻结管选用Φ89×8mm,20#低碳钢无缝钢管,丝扣连接,另加手工电弧焊焊接。单根长度1m~1.5m。
　　（2）测温孔管选用Φ32×3.5mm,无缝钢管。
　　（3）供液管选用1.5″钢管，采用焊接连接。
　　（4）盐水干管和集配液圈选用Φ159×6mm无缝钢管。
　　（5）冷却水管选用Φ133×4.5mm无缝钢管。
　　2.3.5用电负荷
　　总用电负荷约200kw/h。
　　2.3.6其它
　　（1） 冷冻机油选用N46冷冻机油。
　　（2） 制冷剂选用氟立昂R-22。
　　（3） 冷媒剂选用氯化钙溶液。
　　3冻结孔施工
　　3.1冻结孔定位与管片开孔
　　根据总包方提供的施工基准点，按冻结孔施工图进行冻结孔孔位放线，提请注意的是：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。详见开孔措施，其中包括4个穿孔。
　　（1）在正式开孔前，利用隧道管片上的补浆孔钻Ф38mm小孔径探孔，检查地层稳定性。
　　（2）开孔选用J-200型金刚石钻机，配φ130mm金刚石取芯钻头进行钻孔，深度约300mm，以不钻穿管片控制。用钢楔楔断岩心、取出后，打入加工好的孔口管，并固定，每个孔口管要至少有4个固定点固定在管片上。
　　3.2冻结孔施工顺序
　　根据旁通道施工的孔位，采用由上向下的顺序进行施工：即先施工穿透孔，根据穿透孔的偏差，进一步调整有关的钻进参数，再按由上向下的顺序施工，这样可防止因下层冻结孔的施工引起上部地层扰动，减小钻孔施工时的事故发生率。
　　3.3钻孔偏斜和终孔控制
　　钻孔的偏斜应控制在1%以内，在确保冻土帷幕厚度的情况下，相邻终孔间距不得大于1.2m，否则应补孔。
　　冻结孔钻进深度应不小于设计深度，不大于设计深度0.3m（钻头碰到隧道管片者除外）。
　　3.4冻结孔钻进与冻结管设置
　　（1）钻孔设备使用MD-50钻机一台，配用BW250型泥浆泵，钻具利用φ89×8㎜冻结管作钻杆；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）正常情况下，钻进时安装简易钻头，如果钻进困难遇到砂层，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0.8Mpa，稳定30分钟压力无变化者为试压合格。
　　（5）在冻结管内下供液管,然后焊接冻结管端盖和去、回路羊角。
　　
　　参考文献：
　　[1]沈华军.冻结法在云南九溪隧洞施工中的应用[J].西部探矿工程,2009(2)
　　[2]刘瑞锋,张庆贺,胡向东,谭丽华.水平地层冻结法在上海地铁修复工程中的应用[J].安徽建筑工业学院学报,2008(3).