軟土層水平凍結法連接通道的施工方法

2023-07-04 22:49:16 2

專利名稱：軟土層水平凍結法連接通道的施工方法
技術領域：
本發明涉及的是一種連接通道的施工方法，特別是一種軟土層水平凍結連接通道的施工方法，用於建築工程技術領域。
背景技術：
十九世紀六十年代，凍結法首先應用於英國南威爾斯的建築基礎工程。1883年，德國工程師波茨舒(P.H.Potsch)在阿爾巴裡的煤礦採用凍結法成功施工了103m深的井筒，並獲得了凍結技術專利，引起全世界的關注。世界各國都廣泛地應用凍結技術，促進了凍結技術的發展。凍結法在我國起步較晚，但發展速度卻很快。我國自1955年開灤礦區首先應用凍結法鑿井以來，凍結法已發展成為我國工程領域通過不穩定衝積層和裂隙含水層的主要施工方法。凍結法施工是利用人工製冷技術，使地層中的水結成冰，把天然土變成凍土，增加其強度和穩定性，隔絕地下水與地下結構的聯繫，以便在凍結帷幕的保護下進行開挖施工的一種特殊施工方法。
經對現有技術的公開文獻檢索發現，張志榮、李海撰寫的《凍結排樁法在潤揚大橋南錨碇基礎中的應用》，收錄於《施工技術》2003年8月第32卷第8期第6～8頁，該文介紹南錨碇凍結排樁圍護體系的作用，是以含水地層凍結形成的凍結帷幕為基坑的封水結構，以排樁及內支撐系統為抵抗水土壓力的承力結構，形成新的圍護技術，較好地解決了基坑圍護結構的嵌巖及封水問題。凍結帷幕作為封水結構布置在排樁外側，採用單排凍結孔凍結，與排樁插花布置，凍結孔數量144個，孔深40m，凍結帷幕入巖11m。為保護凍結帷幕不會因地下水繞流衝刷融化，沿基坑1周共設置74個注漿孔，凍結前，對37～45m深的基巖裂縫進行地面注漿封堵。為降低凍脹力對排樁結構不利影響，在凍結帷幕外側土體內設置288個φ25cm卸壓孔，孔內注滿優質泥漿，防止孔壁坍塌。凍結孔施工按照設計孔位精確放樣，並嚴格控制鑽孔偏斜率，成孔後採用燈光或陀螺儀進行測斜並繪製鑽孔偏斜平面圖；凍結管採用φ127mm×6mm低碳無縫鋼管，內供液管採用φ50mm×5mm聚乙烯塑料管；凍結管下放到位後，進行壓力試驗，初壓力1.0～1.5MPa，觀察30min，壓降≯0.05MPa，再延長15min壓力不降為合格；積極凍結期間，凍結壁發展半徑、速度及交圈情況是根據埋設在地層內不同位置、不同深度的溫度傳感器測得的溫度場進行初步判定，通過在坑內進行降水，根據坑內外水位變化情況，最終判定凍結帷幕是否交圈；維護凍結期間，通過對凍結帷幕溫度的監控確定鹽水溫度、流量等參數，以達到補充冷量損失、控制凍結帷幕厚度、保證基坑開挖及回填階段達到有效封水的效果。
上述凍結施工方法目前廣泛應用於各類通過不穩定衝積層和裂隙含水層施工，但存在下列不足(1)凍結帷幕僅作為基坑封水結構，凍土在基坑開挖過程中未暴露，沒有介紹到凍土暴露時採用的支護方式。(2)基坑凍結帷幕採用垂直凍結，而連接通道採用水平凍結，凍結孔水平施工對鑽進工藝及參數要求更高。(3)對控制凍土融沉的技術措施沒有敘述。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提供一種軟土層水平凍結連接通道施工方法，使其可以施工各類隧道間連接通道，可以根據實際工況確定凍結技術指標，布置凍結孔，設計凍結站，進行連接通道的開挖和構築施工，提高工程安全性。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明的具體施工方法如下(1)確定凍結主要技術指標根據實際工況，確定積極凍結期和維護凍結期的鹽水溫度、凍土牆平均溫度和凍土強度。
確定凍結主要技術指標是指在砂性土中採取以下技術指標①凍結鹽水溫度積極期-28～-32℃維護期-22～-28℃；②凍土牆平均溫度-8℃～-10℃；③凍土強度δ壓＝3.4Mpa～4.5Mpa；δ拉彎＝1.8Mpa～2.3Mpa；δ剪＝1.5Mpa～1.9Mpa。
④按彈性理論或有限元軟體設計凍結壁，凍結壁厚度取1.6～2.2m，最後校核強度安全係數。
(2)凍結孔布置和施工根據連接通道平面尺寸和結構受力特徵設計布置凍結孔，同時為確保管片主要受力體系不被破壞，凍結孔布置應根據管片配筋圖微調，以避開主筋。
凍結孔偏斜控制終孔向外的偏角在0.5～1.0°範圍以及終孔間距不大於1.5米。
一般選擇φ108mm×8mm、φ95mm×8mm或φ89mm×8mm的20#低碳鋼無縫鋼管作為凍結管，選擇鑽進能力較大的MKD-5S型全液壓鑽機作為凍結孔施工設備。
凍結孔打孔利用凍結管作鑽杆，鑽進過程中嚴格監測凍結孔偏斜情況，發現偏斜要及時糾偏，鑽進結束後進行打壓試漏，合格者在凍結管內下供液管，連接通道中布置多個測溫孔和洩壓孔，以監測凍結帷幕範圍不同部位的溫度發展狀況和適時進行洩壓。
(3)凍結站設計、積極凍結和維護凍結施工計算凍結冷量，根據冷量需要選擇W-YSLGF300II冷凍機組或與其性能相當的其他機組，當鹽水溫度在-30℃，冷卻水溫度28℃時，每臺機組的製冷量可達8.6×104kcal/h；鹽水系統選用CaCl2鹽水溶液為冷媒劑；冷卻水循環系統通過冷卻塔對回水進行冷卻循環。
冷凍站安裝完畢後進行調試和試運轉，使機組在工藝規程和設備要求的技術參數條件下運行。
凍結系統運轉正常後進入積極凍結期，在積極凍結過程中，定時監測鹽水溫度、鹽水流量和凍土帷幕擴展情況，監測頻率每天1～2次，必要時每6小時一次。
連接通道正式開挖後進入維護凍結期，適當提高鹽水溫度至-22～-28℃，確保凍土帷幕的穩定性，鹽水溫度不得高於-22℃。
(4)連接通道開挖與構築施工根據測溫孔實測數據，用公式計算出在該凍結時間下的凍土發展半徑，從而算出凍結帷幕厚度，再根據此厚度用公式法或作圖法得出凍結帷幕平均溫度，若各個層面、各個部位的凍結帷幕的厚度和平均溫度均達到設計要求，即基本滿足開挖條件。
開挖前必須安裝安全門並確保安全門密閉效果。正式開挖前必須進行探孔檢查，探孔打在凍結帷幕薄弱處，若探孔處無湧砂突水現象，地層穩定凍結帷幕正常，測溫效果良好，即可打開鋼管片進行正式開挖，開挖採用礦山法進行暗挖施工。
開挖順序先開挖隧道喇叭口導洞，再開挖中間段，然後開挖對側隧道喇叭口導洞，中間段結構層施工完畢後，再刷擴兩端喇叭口，開挖步距為0.3m或0.5m，如果兩端喇叭口處斷面較大，為減輕開挖對隧道變形的影響，開挖步距控制為0.3m。
開挖支護方式採用兩次支護。第一次支護(臨時支護)採用鋼支架加木背板，再掛網噴射混凝土，凍土開挖後就要及時對凍結帷幕進行臨時支護，支架間距為0.3～0.5m，與開挖步距相一致；第二次支護(永久支護)採用現澆鋼筋混凝土。
(5)施工監測監控為確保軟土層水平凍結法連接通道安全、優質地完成，即實施全過程對水平凍結孔施工、凍結系統、凍結壁、圓隧道結構變化和支護結構等各個階段和系統進行監測，並將監測數據及時反饋，以指導施工。
本發明具有實質性特點和顯著進步，針對性強，適用於各類軟土層連接通道的凍結施工，對凍結管水平鑽進、凍結站設計、積極凍結和維護凍結、連接通道開挖和構築的施工工藝進行了完整系統的敘述，工法提出的十條操作要點對實際施工具有指導性作用，彌補了原施工工藝的不足和缺陷。
具體實施例方式
結合本發明的內容提供以下施工例以某越江隧道工程水平凍結連接通道施工為例，兩條越江隧道之間設有兩條連接通道，均位於江底，相距約400m。連接通道(一)淨距25.665m，隧道間高差3.565m；連接通道(二)淨距約17.175m，隧道間高差0.345m。
(1)凍結主要技術指標確定；①凍結鹽水溫度 積極期-30℃～-32℃維護期-24℃～-26℃；②凍土牆平均溫度-8℃～-10℃；③凍土強度δ壓＝3.4Mpa～4.5Mpa；δ拉彎＝1.8Mpa～2.3Mpa；δ剪＝1.5Mpa④凍結壁厚度凍結帷幕厚度1.8m(喇叭口凍結帷幕厚度2.0m)。
(2)凍結孔設計①凍結孔主要技術要求凍結孔開孔間距根據平面尺寸和受力特徵及根據管片配筋圖來避開主筋為原則設計，內排凍結孔取0.75～0.8m，外排凍結孔取0.9～1.0m。
凍結孔偏斜控制凍結孔原則上不允許內偏，為減少凍土挖掘量，應控制終孔徑向外的偏角在0.5～1.0°範圍終孔間距最大控制內排凍結孔控制1.1～1.2m，外排凍結孔控制1.3～1.4m。
②凍結孔布置凍結孔數 通道(一)東線隧道淺孔27個，深孔25個；西線隧道淺孔27個，深孔25個。
通道(二)東線隧道淺孔27個；西線隧道淺孔27個，深孔25個。
*注由於連接通道(一)距離較長，為保證凍結孔施工質量，採用雙向打深孔。
③凍結管規格選擇根據施工工藝確定，選φ108×8mm，20#低碳鋼無縫鋼管。
④凍結孔施工設備選擇鑑於該通道段地質條件和施工特點，選擇水平鑽進能力較大的MKD-5S型全液壓鑽機。
⑤測溫孔與卸壓孔布置設計每個通道布置8個測溫孔，兩側各布置4個，目的主要是測量凍結帷幕範圍不同部位的溫度發展狀況，以便綜合採用相應控制措施，確保施工的安全；卸壓孔布置4個，兩側各布置2個。
(3)凍結孔施工①測量放點用經緯儀測出所有凍結孔的中軸線在隧道管片上的前後點，並用紅漆標記。採用水準儀來測量水平高差及仰俯角，經緯儀來測量方位角及實際孔位。
②利用凍結管作鑽杆，凍結管採用絲扣連接，接縫要補焊，確保其同心度、聯接強度和密封性能。
③鑽進過程中嚴格監測凍結孔偏斜情況，發現偏斜要及時糾偏。鑽進完畢後，進行凍結管長度的複測，然後再用水平測斜儀進行測斜並繪製鑽孔偏斜圖。凍結管長度和偏斜合格後再進行打壓試漏，壓力控制在0.65MPa，穩定30min壓力下降小於0.05MPa者為試壓合格。
④在凍結管內下供液管，然後焊接凍結管端蓋和去、迴路羊角。
(4)凍結站設計①製冷設備選擇根據現場冷量需要情況，連接通道(一)選擇2臺W-YSLGF300II冷凍機組，當鹽水溫度在-30℃，冷卻水溫度28℃時，其製冷量可達17.2×104kcal/h。連接通道(二)選擇一臺W-YSLGF300II冷凍機組，當鹽水溫度在-30℃，冷卻水溫度28℃時，其製冷量可達8.6×104kcal/h。
②鹽水系統設計選用CaCl2鹽水溶液為冷媒劑，溶液重度控制在1260kg/m3左右，溶液的凝固點為-38.6℃。首次化75％CaCl2量連接通道(一)25t；連接通道(二)20t。
為確保鹽水循環系統工作正常，配備2臺鹽水泵，鹽水泵型號IS200-125-315A、電機功率30kW、總流量400m3/h。
③冷卻水循環系統根據安裝制冷機和製冷量要求，連接通道(一)凍結冷卻水循環量約200m3/h，連接通道(二)凍結冷卻水循環量約100m3/h，冷卻水進水溫度設計為+27～+30℃，回水溫度設計為+31～+34℃。為節約用水，安裝2臺50m3的冷卻塔，對回水進行冷卻，保證循環水利用率80％，根據計算新鮮水補充量連接通道(一)30m3/h，連接通道(二)15m3/h。
④其它冷凍機油選用N46冷凍機油，通道(一)用量2000kg，通道(二)用量1000kg。
製冷劑選用氟立昂R-22製冷劑，通道(一)用量1000kg，通道(二)用量500kg。
(5)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，佔地面積約80m2，站內設備主要包括冷凍機、鹽水箱、鹽水泵、清水泵、冷卻塔及配電控制櫃等。
②管路連接、保溫與測試儀表管路用法蘭連接，在鹽水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，每根凍結管的進出口各裝閥門1個，以便控制流量。
冷凍機組的蒸發器及低溫管路用棉絮保溫，鹽水箱和鹽水幹管用聚苯乙烯泡沫塑料板保溫(6)溶解氯化鈣和機組充氟加油鹽水(氯化鈣溶液)比重為1.26，先在鹽水箱內充滿清水，溶解氯化鈣，再送入鹽水幹管內，直至鹽水系統充滿為止，溶解氯化鈣時要除去雜質。
機組充氟和冷凍機加油按照設備使用說明書的要求進行。首先進行製冷系統的檢漏和氮氣衝洗，在確保系統無滲漏後，再充氟加油。
(7)積極凍結與維護凍結①凍結系統試運轉與積極凍結設備安裝完畢後進行調試和試運轉。在試運轉時，隨時調節壓力、溫度等各狀態參數，使機組在有關工藝規程和設備要求的技術參數條件下運行。凍結系統運轉正常後進入積極凍結，在積極凍結過程中，定時檢測鹽水溫度、鹽水流量和凍土帷幕擴展情況。
②試挖與維護凍結在積極凍結過程中，根據實測溫度數據判斷凍土帷幕是否交圈和達到設計厚度，當凍土帷幕交圈並達到設計厚度後再進行探孔試挖，確認凍土帷幕內土層基本無壓力後進行正式開挖。正式開挖後，根據凍土帷幕的穩定性，進入維護凍結，適當提高鹽水溫度，但鹽水溫度不高於-22℃。
(8)開挖與構築施工①預應力支架及安全應急門安裝開挖施工之前，在圓隧道東線和西線連接通道開口兩側各架四榀預應力支架，每榀鋼支架間距不大於1.5m，並在連接通道兩端沿隧道方向對稱布置，以減輕通道開挖構築施工對隧道產生不利的影響。
安全應急門是考慮開挖構築期間，帷幕發生大量砂、水湧出，或位移變形超值，其它措施搶救無效的情況下，為確保隧道安全而使用的。安全應急門安裝牢固可靠，門扇啟閉方便。
②通道開挖正式開挖前進行探孔檢查，探孔打在凍結帷幕薄弱處，探孔處無湧砂突水現象，地層穩定凍結帷幕正常，測溫效果良好，隨後打開鋼管片正式開挖，根據採用礦山法進行暗挖施工。根據工程結構特點，連接通道開挖掘進採取分區分層方式進行。
由於土體採用凍結法加固，凍土強度較高，凍結帷幕承載能力大，因而開挖時(除喇叭口處側牆和拱頂外)採用全斷面一次開挖，開挖步距為0.3m～0.5m。兩端喇叭口處斷面較大，為減輕開挖對隧道變形的影響，開挖步距控制為0.3m。
③臨時支護連接通道開挖後，地層中原有的應力平衡受到破壞，引起通道周圍地層中的應力重分布，這種重新分布的應力使凍土帷幕產生蠕變從而引起凍結管變形，為控制變形的發展，凍土開挖後及時對凍結壁進行支護，臨時支護既起到維護地層穩定、確保施工安全的作用，又作為永久支護的一部分。
④永久支護永久支護為結構設計中的鋼筋混凝土結構，為減少混凝土施工接縫，合理確定混凝土澆築順序。由於結構特殊性，通道頂板內的混凝土澆築較為困難，為提高混凝土施工質量，採取無振搗混凝土的施工方式。
⑤充填注漿注漿順序為先底部後兩旁最後是拱頂，注漿是否結束以鄰近的注漿孔連續返漿為標準，注漿結束後，將管口封堵。壁後注漿應結合融沉跟蹤注漿進行。
(9)監測監控對凍結孔施工、凍結系統、凍結壁、圓隧道和支護結構進行連續必要的監測，監測資料及時反饋，指導施工。監測內容如下①水平孔施工監測內容鑽孔深度；凍結管偏斜；凍結器密封性能。
②凍結系統監測內容凍結器去、迴路鹽水溫度；冷卻循環水進、出水溫度；冷凍機吸排氣溫度；冷凍機吸排氣壓力；製冷系統冷凝壓力；製冷系統汽化壓力；鹽水流量。
③凍結壁監測內容凍結壁溫度場；凍結壁斷面內水文卸壓孔壓力變化及溫度變化；開挖後凍結壁暴露時間內凍結壁表面位移；開挖後凍結壁表面溫度。
④圓隧道結構變化的監測隧道的沉降位移監測；隧道的水平及垂直方向的收斂變形監測。
權利要求
1.一種軟土層水平凍結法連接通道的施工方法，其特徵在於具體如下(1)確定凍結主要技術指標，即根據實際工況，確定積極凍結期和維護凍結期的鹽水溫度、凍土牆平均溫度和凍土強度；(2)凍結孔布置和施工，即根據連接通道平面尺寸和結構受力特徵設計布置凍結孔，同時凍結孔布置應根據管片配筋圖微調，凍結孔偏斜控制孔徑向外的偏角在0.5～1.0℃範圍；(3)凍結站設計、積極凍結和維護凍結施工，即計算凍結冷量，根據冷量需要選擇冷凍機組，當鹽水溫度在-30℃，冷卻水溫度28℃時，每臺機組的製冷量達8.6×104kcal/h；(4)連接通道開挖與構築施工，即先開挖隧道喇叭口導洞，再開挖中間段，然後開挖對側隧道喇叭口導洞，中間段結構層施工完畢後，再刷擴兩端喇叭口，開挖步距為0.3m或0.5m；(5)施工監測監控，即實施全過程對水平凍結孔施工、凍結系統、凍結壁、圓隧道結構變化和支護結構等各個階段和系統進行監測，並將監測數據及時反饋，以指導施工。
2.根據權利要求1所述的軟土層水平凍結法連接通道的施工方法，其特徵是，步驟(1)確定凍結主要技術是指在砂性土中採取以下技術指標；①凍結鹽水溫度積極期-28～-32℃，維護期-22～-28℃，②凍土牆平均溫度-8℃～-10℃，③凍土強度δ壓＝3.4Mpa～4.5Mpa；δ拉彎＝1.8Mpa～2.3Mpa；δ剪＝1.5Mpa④按彈性理論或有限元軟體設計凍結壁，凍結壁厚度取1.8～2.2m，最後校核強度安全係數。
3.根據權利要求1所述的軟土層水平凍結法連接通道的施工方法，其特徵是，步驟(2)凍結孔打孔利用凍結管作鑽杆，選擇低碳鋼無縫鋼管作為凍結管，發現偏斜要及時糾偏，鑽進結束後進行打壓試漏，合格者在凍結管內下供液管，連接通道中布置多個測溫孔。
4.根據權利要求1所述的軟土層水平凍結法連接通道的施工方法，其特徵是，步驟(3)在凍結過程中，定時監測鹽水溫度、鹽水流量和凍土帷幕擴展情況，監測頻率每天1～3次，每6小時一次。
5.根據權利要求1或者3所述的軟土層水平凍結法連接通道的施工方法，其特徵是，步驟(4)開挖支護方式採用兩次支護第一次支護採用鋼支架加木板，再掛網噴射混凝土，凍土開挖後就要及時對凍結帷幕進行臨時支護，支架間距為0.3～0.5m，與開挖步距相一致；第二次支護採用現澆鋼筋混凝土。
6.根據權利要求3所述的軟土層水平凍結法連接通道的施工方法，其特徵是，連接通道正式開挖後進入維護凍結期，提高鹽水溫度至低於等於-22℃。
全文摘要
一種軟土層水平凍結法連接通道的施工方法，具體為確定積極凍結期和維護凍結期的鹽水溫度、凍土牆平均溫度和凍土強度；設計布置凍結孔，同時凍結孔布置應根據管片配筋圖微調，凍結孔偏斜控制孔徑向外的偏角在0.5°～1.0°範圍；計算凍結冷量，根據冷量需要每臺機組的製冷量達8.6×10
文檔編號E02D3/115GK1614152SQ200410067138
公開日2005年5月11日 申請日期2004年10月14日 優先權日2004年10月14日
發明者楊國祥, 丁光瑩, 朱俊, 翁家傑, 章仁財, 段如同, 嶽豐田, 秦一雄 申請人:上海隧道工程股份有限公司