冷冻法在轨道交通中施工技术与措施

摘要：在我国城市交通压力的逐渐增大之下，我国的施工技术也在不断得到提升，基于此，本文论述了冷冻法其在轨道交通施工之中的相关技术分析。

关键词：冷冻法；轨道交通；施工技术；措施

中图分类号：U213文献标识码： A

引言

随着城市交通压力日益加大，以及施工技术的不断进步，以地铁为代表的城市地下轨道交通的建设在我国逐渐兴起。到目前为止，地铁已经成了一座城市的现代化标志。而诸如此类的地下轨道交通设施的建设不同于普通的地上轨道交通，它不仅对施工条件要求高，对施工质量和施工技术的要求也很高。因此，在做好施工规划的基础上，做好相关的施工质量控制也非常重要。

一、工法特点及原理

1.1、冻结法施工原理

冷冻法加固土体基本原理：在隧道上方布置垂直冻结孔，并在冻结孔中循环低温盐水，使冻结孔附近的含水地层温度达到℃以下而结冰，形成强度高、封闭性好的冻结壁。

1.2、盾构水中进洞施工原理

盾构水中进洞利用到达井内外水土压力平衡可控制渗透的机理，主动将盾构到达井用水土回填，防止或控制在盾构到达过程中地下水土从开放的洞圈中大量涌出。在水土压力平衡情况下，将盾构安全推入到达井的施工工艺。盾构水中进洞及冷冻法工艺的特点冻结加固体强度高，可以做到洞门不漏水，提高了洞门凿除的安全系数。单排垂直冻结管冻结壁厚度一般为，双排垂直冻结管冻结壁厚度一般为，环形液氮冻结管冻结壁厚度为。选用冻结法加固土体具有冻结壁均匀性好，与洞门槽壁结合严密，强度高、封水性好。安全可靠的优点，极适于本工程地质条件的土体加固。不受地表场地及深度限制，且不污染环境，对周边环境影响较小，适合城市地下建设，特别是繁华市区内工程建设。盾构水中进洞工艺其特点主要是保证盾构到达洞门避免出现水土流失，保证周边建筑物及路面不受水土流失造成大面积沉降，冷冻法施工配合水中进洞充分保证了盾构到达的安全，冷冻保证了洞门凿除后，端头水土不流失。水中进洞则保证了盾构到达工作井后隧道周围水土不流失，保证了地表沉降在控制范围内。液氮冷冻则在盾构到达工作井后，水土清理过程中出现的漏沙漏水等险情的情况下，迅速冻结洞门渗漏水及泥土，保证施工安全。

二、工程概况

黄河路站～紫荆山站区间右线从紫荆山站始发途径金水路、郑三路、纬一路、纬二路、纬三路、纬四路、纬五路至黄河路站接收，左线从黄河路站始发至紫荆山站接收，具体见图2-1；线路右线全长1141.021m（YDK17+599.400～YDK18+741.973）（短链1.552m），线路左线全长1143.018m（ZDK17+599.400～ZDK741.973）（长链0.445m）；黄河路站～紫荆山站区间共设3条平曲线，曲线半径分别为1200m、450m、450m，线路纵坡设计为V字形节能坡，最大坡度为26.574‰，隧道顶最小埋深约为16m，最大埋深约为30m，区间在右DK18+194.065（左DK18+192.489）里程设置一个联络通道并兼泵房，该区间采用盾构法进行施工。

图2-1黄河路站～紫荆山站区间地理位置图

本工程为郑州市轨道交通2号线一期工程黄河路站～紫荆山站区间端头井盾构进出洞冻结加固工程。本次工程施工范围为黄河路站南端头井2个（1个右线进洞接收，1个左线出洞始发）盾构进出洞地基加固以及紫荆山站北端头井2个（1个进洞接收（左线），1个出洞始发（右线））盾构进出洞地基加固工程，共4个洞门加固。

三、轨道交通施工方案

3.1、钻孔施工冻结孔

施工工序为：定位开孔及孔口管安装孔口密封装置安装钻孔测量打压试验。钻孔设备：采用DZJ500-1000型冻注钻机和TBW850/50型泥浆泵，6型陀螺定向测斜仪为测斜设备。

钻机钻头为Ф190mm钻头、Ф108钻杆。技术要求：1）孔位偏差：钻孔孔位与设计孔位偏差不大于25mm；钻孔偏斜率：钻孔孔深最深为38.6m，偏斜率不大于3‰；设备安装：钻机安装要稳固，水平，钻杆、孔位要在同一条铅垂线。

3.2、定位开孔及孔口管安装

根据设计在槽壁上定好各孔位置。首先确定孔位，再用开孔器（配金刚石钻头取芯）按设计角度开孔，开孔直径150mm，当开到深度1000mm时停止150mm孔的取芯钻进，安装孔口管，孔口管的安装方法为：首先将孔口处凿平，安好四个膨胀螺丝，而后在孔口管的鱼鳞扣上缠好麻丝、涂抹密封物后将孔口管砸进去，用膨胀螺丝上紧，上紧后，装上DN150闸阀，再将闸阀打开，用开孔器从闸阀内开孔，开孔直径为112mm，一直将砼墙开穿，这时，如地层内的水砂流量大，就及时关好闸门。

3.3、孔口密封装置安装

用螺丝将孔口装置装在闸阀上，注意加好密封垫片，详见如下示意下图。

图1孔口密封装置

3.4、工程监测工程

监测贯穿整个施工过程，其主要监测内容为:地表沉降监测，隧道变形监视，通道收敛变形监测，冻土压力监测。

冻结孔施工监测内容为:冻结管钻进深度;冻结管偏斜率;冻结耐压度;供液管铺设长度。

冻结系统监测内容为:冻结孔去回路温度;冷却循环水进出水温度;盐水泵工作压力;冷冻机吸排气温度;制冷系统冷凝压力;冷冻机吸排气压力;制冷系统汽化压力。

周围环境和隧道土体进行变行监测内容为:地表沉降监测;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;地面建筑物沉降监测。

3.5、冻结设计施工

3.5.1、冻结加固方案

根据现场实际情况为保证左右线盾构安全进、出洞，始发井与接收井洞门采取水平冻结方式施工。

3.5.2、冻结壁厚度的确定

设计要求：设计冻结壁平均温度为-10℃，冻土抗压强度σ压不小于3.6MPa，抗拉强度σ拉不小于2MPa，抗弯强度τ剪不小于1.6MPa。冻结加固体在盾构进出洞破壁时，起到抵御水土压力、防止土层塌落和泥水涌入工作井的作用。

黄河路站盾构进、出洞水平冻结设计冻结壁有效厚度为内圈3.5m，外圈垂直厚度为2.0m，外圈水平厚度为12m；

紫荆山站盾构进、出洞水平冻结设计冻结壁有效厚度为内圈5m，外圈垂直厚度为2.0m，外圈水平厚度为12m；

图2紫荆山站北端头冷冻加固示意图

3.5.3、冻结加固主要技术要求

冻结孔开孔位置误差不大于100mm，在施工空间受限时可适当调整孔位或调整钻孔角度，但要保证不超过最大孔间距，外圈孔不进入盾构开挖面。冻结孔最大偏斜值满足设计要求。冻结孔钻进深度不小于设计值，不大于设计0.5m。不能循环盐水的管头长度不得大于150mm。冻结管耐压不低于0.8MPa，并且不低于冻结工作面盐水压力的1.5倍。施工冻结孔时的土体流失量不得大于冻结孔体积，否则应及时进行注浆控制地层沉降。设计积极冻结时间为40天。要求冻结孔单孔流量不小于5m3/h；积极冻结7天盐水温度降至-20℃以下；冻结15天盐水温度降至-24℃以下，去、回路盐水温差不大于2℃；破洞门时盐水温度降至-28℃以下。如盐水温度和盐水流量达不到设计要求，应延长积极冻结时间。积极冻结时，在冻结区附近200m范围内不得采取降水措施。在冻结区内土层中不得有集中水流。洞门分层凿除时间过长时要在凿除面上敷设保温层，保温层采用阻燃(或难燃)的软质塑料泡沫软板，厚度40mm，导热系数不大于0.04W/Mk。

3.6、测斜利用经纬仪结合

灯光对每个成孔进行测斜，偏斜率控制在1%以内，不宜内偏，最大终孔间距不大于150mm。（六）密封试验将成孔管内内注水进行冻结管密封试验，试验压力控制在0.8MPa，前30分钟内掉压在0.05MPa以内，后15分钟压力无变化为合格。

3.7、冻结施工主要安全保证措施

钻孔作业之前，对地层加固范围内管线进行统一勘查，标出出管线位置，确保地下管线安全；冻结施工由经过培训和规程教育、考试合格的人员担任，工作时持证上岗；工作人员熟悉冷冻加固操作流程，了解设备机械性能；冻胀泄压孔的启动在每个泄压孔的端部均安装一个量程为1.6Mpa的压力表，冻结期间根据压力表显示的读数，定时释放冻胀压力，当压力表显示的读数达到0.25Mpa时打开泄压孔阀门释放压力，直至压力表读数与原始地压相等；采用强制解冻和利用管片二次注浆孔跟踪注浆的方式控制融沉；积极冻结时间为30天，通过测温孔检查土体冻结温度，地层冻结温度达到设定值后，方进行盾构出洞作业；盾构掘进时，根据盾构机刀盘里程，及时拔除隧道范围内冻结管；冻结管拔除作业过程中，汽车吊由专业人员指挥，作业前需对吊具进行检查，确保冻结管拔除作业安全；施工期间，道路临时围蔽，按照交警部门规定设置警示灯、警示带及警示牌并设置专职交通协管员。

四、地铁盾构出洞冷冻法加固施工常见事故及处理

4.1、盾构始发地层沉降、塌陷

监测始发口上方的地层沉降和地连墙位移。根据经验，地表融沉的水平影响距离约15m。并定期巡查地面和构筑物是否有变形、开裂情况发生。如发现地层沉降超过规定值，立即利用冻结孔上方的卸压孔进行注浆控制和补偿变形。施工地面准备水泥-水玻璃等注浆材料和注浆设备，如发现地面严重塌陷，立即撤离附近设备和人员，并用砂土充填塌陷区。

4.2、冻结管盐水漏失

一旦发生冻结管盐水漏失，立即查明漏盐水的冻结管并关闭该冻结管盐水供应。在始发口打探孔取样化验土的含盐量及冻结强度，证明冻土墙强度达到设计要求后再盾构始发。如土层含盐难以冻结或冻土强度不能满足设计要求，漏盐水的冻结管改用液氮冻结。方法是用压缩空气吹出冻结管中盐水，然后在供液管中通入液氮并控制其流量，使放空氮气温度控制在－60～－80℃之间。(3)盾构机头被冻结。盾构推进前，在机头刀盘内充盐水进行预防。在盾构通过冻土墙时避免推进停顿。一旦盾构机头被冻结，可在机头内用锅炉加热化冻。

五、结语

在做好施工规划的基础上，做好相关的施工质量控制也非常重要。此外，还应当升级质量控制的现代化设备。俗话说：磨刀不误砍柴工。只有采用技术含量高的质量控制设备，才能达到较高的质量控制效果。综上所述，冷冻法施工在地铁工程方面的应用，安全可靠性比较高，冷冻法所形成的冻土帷幕封水效果良好。随着施工技术和冷冻法技术的不断发展和完善，冷冻法在地铁工程方面的应用会越来越广泛。

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