一种用于地铁冻结工程的施工工艺的制作方法

1.本发明涉及土木工程技术领域，尤其涉及一种用于地铁冻结工程的施工工艺。


背景技术：

2.地铁作为城市交通的重要组成部分，解决了市内极大的通勤需求，它凭借自身的核心枢纽功能，极大地提高资源利用率。地铁的重要性引出安全性的需求，作为联通地铁两隧道的临时通道，联络通道应运而生，其安全疏散人群、隧道排水和防火的重要特点，决定了其施工工法必然成为研究的重点，传统的联络通道加固工法有明挖法、暗挖法、先明挖后暗挖法、顶管法等工法，而冻结法是利用人工制冷技术，使底层中的水冻结，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行联络通道的开挖施工技术。冻结法相比传统工法具有能有效阻挡地下水渗流、施工环境友好、复杂地层冻结易开挖等特点，其应用越来越广泛。其中，冻结制冷的方法中应用范围最广的是盐水制冷，盐水制冷的适用任何土层、费用经济等优点常用于隧道等周期长的工程。
3.在实际联络通道的开挖过程中，受设计线路的制约，常因地质结构不良、地层不稳定等情况会给实际开挖带来较大的困难，会引起土体塌方、地表下陷和破坏已成型的隧道的现象出现。首先，对于地质构造为圆砾地层和粉砂质泥岩层的联络通道，具有广层深厚、颗粒较粗分布极不均匀、透水性强，其顶端粉砂质泥岩的稳定性和可注性差，加固难度更大，且因此埋深深度需加大，对钻孔的精度要求较高，以防冻结加固效果不明显，造成变形等现象出现。现有技术常需要钻设65个以上的钻孔，使用较多数量的冻结管、增大冻结制冷量进行冻结加固，冻结法因本身需要的冻结成本比较高，而冻结管数量的增多、制冷量增大势必会造成消耗成本升高、且冻结管数量的增多势必会增大打孔角度的偏差，最终影响冻结壁的形成，造成冻结壁的冻结承载力不足，存在冻结壁稳定性降低、严重变形的危险现象。其次，在联络通道喇叭口处(左右边隧道连线中部垂直面)也常常需要增设冷冻管以及延长喇叭口的施工时间，防止喇叭口处的冻结厚度达不到设计要求。因此，为了保证最大化减小圆砾地层和粉砂质泥岩层冻结法的负面影响，降低经济成本消耗，本发明对冻结管的数量、位置角度和冻结效果等进行充分研究，能正确认识冻结工程性质的变化，合理选取设计参数、采取有效的工程措施保证工程的安全、预测灾害现象，为以后同类工程的冻结加固施工提供参考，具有重要的理论、经济和社会价值。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种用于地铁冻结工程的施工工艺，具有降低冻结工程的成本消耗、提高喇叭开口处的帷幕形成和提高冻结加固性的作用。
5.本发明采用的技术手段如下：一种用于地铁冻结工程的施工工艺，包括以下步骤：
6.s1：冻结管安装：施工准备工作后，设置钻机开孔的偏斜度和开孔角度，使用钻机在左线和右线的联络通道外侧钻设若干个冻结孔、测温孔和泄压孔，并且设有冻结管、测温管和泄压管，按照从上至下的顺序进行钻孔并复测；
7.s2、冻结站安装：根据联络通道工况，设置冻结站和冻结系统，对盐水管道进行试压、充氟试运行冻结系统；
8.s3、积极冻结；对左线和右线联络通道采用逐级制冷的方式进行积极冻结，制冷量为1.50
×
105～2.0
×
105kcal/h，当盐水冻结温度达到设计温度以下方可进行开挖；
9.s4、维护冻结：选择孔位间偏斜角度较大的冻结孔作为冻结帷幕交圈的监测依据，适当调整测温孔布置位置，每天监测测温孔数据，当连续几天监测全部测温孔揭示周边地层温度趋于稳定时则可以判断帷幕交圈，帷幕交圈时及时通过泄压管泄压。
10.s5、注浆控制融沉：通过联络通道上的注浆孔进行注浆加固，采用从上至下的顺序进行注浆，至联络通道隆起1.8mm时应停止注浆。
11.进一步的，冻结孔和附近的测温孔距离为0.6～0.8m。
12.进一步的，左线联络通道外侧周围设置的冻结孔数量为38个，右线联络通道外侧周围设置的冻结孔数量为21个。
13.进一步的，以左线隧道或右线隧道的中轴线和联络通道的中轴线相交点为圆心，且设为钻机开孔的偏斜定位点，左线d1～3、d4～7、d8～11、d12～13、d14～15、d16～17、d18～19、d20～21、d22～23、d24～25、d26～33、d34～38的偏斜度依次为：68
°
、54
°
、42
°
、29.2
°
、15.1
°
、2.5
°
、-7.5
°
、-17.2
°
、-30.5
°
、-40
°
、-65.3
°
、-79.8
°
；开孔角度依次为28.9
°
、12.6
°
、7
°
、5.1
°
、3.5
°
、0
°
、-4.6
°
、-8
°
、-12.5
°
、-17.8
°
、-26.5
°
、-40.8
°
；
14.右线d39、d40～41、d42～43、d44～45、d46～47、d48～53、d54～59的偏斜度依次为：70.5
°
、58.2
°
、48.4
°
、33
°
、-38.2
°
、-65.7
°
、-78.1；开孔角度为：45.2
°
、45.2
°
、45.2
°
、-21
°
、-27.6
°
、-44.3
°
。
15.进一步的，左线联络通道的测温孔数量为3个，c1～c3的偏斜度均为25
°
，开孔角度均为4.2
°
；右线联络通道的测温孔数量为6个，c4、c5、c6～c9的偏斜度依次为-45
°
、55
°
、25
°
，开孔角度依次为-18
°
、45
°
、12
°
。
16.进一步的，试验盐水管路系统的压力大于盐水泵工作压力的1.5倍，充氟试漏的压力为1.6～1.7mpa。
17.进一步的，采用逐级冻结的方式进行冻结，首次冻结系统的制冷量为1.50
18.×
105～2.0
×
105kcal/h，其次采用冷量为2.2
×
105kcal/h进行冻结。
19.进一步的，联络通道冻结时间设计为41～43d、单孔冻结流量大于等于7～9m3/h、盐水温度降至-28℃以下可进行开挖，开挖时盐水去、回路温差小于等于2℃。
20.进一步的，采用水泥-水玻璃双液浆从上至下的顺序进行注浆，至联络通道隆起1.8mm时应停止注浆，连续半个月单日沉降量均小于0.4mm，可结束融沉注浆。
21.采用本发明所提供的一种用于地铁冻结工程的施工工艺，具有以下有益效果：通过设置冻结管的偏斜度和开孔角度，使冻结管的设置呈现放射状的方式，适用于圆砾层和粉砂质泥岩层的施工，在同工种的工程中，减少了冻结孔数量的钻设，防止因钻孔方位偏差造成后期冻结交圈厚度不够的现象出现，本发明从钻孔等方面做好施工控制工作，确保联络通道周围的冻结孔冻结良好，也保障喇叭口处的冻结厚度，使冻结帷幕符合设计要求，保障施工质量和施工安全。同时解决了主要的问题就是降低冻结法中的经济成本消耗，为以后同类工程的冻结加固施工提供参考，具有重要的理论、经济和社会价值。
附图说明
22.图1为左线隧道、右线隧道沿联络通道方向的冻结孔布置图；
23.图2为左线隧道冻结孔的开孔位置示意图；
24.图3为右线隧道冻结孔的开孔位置示意图；
25.图4为在x＝-6.5m剖面，-1℃、-10℃下冻结10d、20d、30d、40d的等温线交圈变化图；
26.图5为冻结40d后的冻土帷幕厚度示意图；
27.图6为冻结系统图。
具体实施方式
28.以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
29.实施例
30.以南宁轨道交通5号线新秀公园站～广西大学站区间的一号联络通道为研究对象，该联络通道总长为433.818m，设计该联络通道冻土帷幕的最小厚度为2.2m，冻结壁平均温度设计值为不高于-10℃。
31.一种用于地铁冻结工程的施工工艺，包括以下步骤：
32.s1：冻结管安装：施工调研联络通道工程的地质和水位情况及其安装施工系统和作业平台搭建准备工作后，设置钻机开孔的偏斜度和开孔角度，使用钻机在左线和右线的联络通道外侧钻设若干个冻结孔、测温孔和泄压孔，并且设有冻结管、测温管和泄压管，按照从上至下的顺序进行钻孔并复测提高精确度，从上至下的顺序进行钻孔能防止下部冻结孔施工引起的上层扰动，降低钻孔施工的事故发生率。
33.图1～3：冻结孔和附近的测温孔距离为0.6～0.8m，左线联络通道外侧周围设置的冻结孔数量为38个，右线联络通道外侧周围设置的冻结孔数量为21个；测温孔总数量为9个，分为记为c1～c9，以便正确判断冻结帷幕是否交圈和测定冻结帷幕厚度。泄压孔总数量为4个，记为x1～x4，其孔内装有压力表，可以直观的检测冻结帷幕内的压力变化情况，通过及时判断冻结帷幕的形成，并可直接释放冻胀压力，减小土层冻胀对隧道的影响。
34.以左线隧道或右线隧道的中轴线和联络通道的中轴线相交点为圆心，且设为钻机开孔的偏斜定位点，左线d1～3、d4～7、d8～11、d12～13、d14～15、d16～17、d18～19、d20～21、d22～23、d24～25、d26～33、d34～38的偏斜度依次为：68
°
、54
°
、42
°
、29.2
°
、15.1
°
、2.5
°
、-7.5
°
、-17.2
°
、-30.5
°
、-40
°
、-65.3
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、-79.8
°
；开孔角度依次为28.9
°
、12.6
°
、7
°
、5.1
°
、3.5
°
、0
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、-4.6
°
、-8
°
、-12.5
°
、-17.8
°
、-26.5
°
、-40.8
°
；
35.右线d39、d40～41、d42～43、d44～45、d46～47、d48～53、d54～59的偏斜度依次为：70.5
°
、58.2
°
、48.4
°
、33
°
、-38.2
°
、-65.7
°
、-78.1；开孔角度为：45.2
°
、45.2
°
、45.2
°
、-21
°
、-27.6
°
、-44.3
°
。
36.左线联络通道的测温孔数量为3个，c1～c3的偏斜度均为25
°
，开孔角度均为4.2
°
；右线联络通道的测温孔数量为6个，c4、c5、c6～c9的偏斜度依次为-45
°
、55
°
、25
°
，开孔角度依次为-18
°
、45
°
、12
°
。
37.通过研究优化设计冻结孔的偏斜度和开孔角度，严格按照冻结孔的偏斜度和开孔
角度进行钻孔，冻结孔的误差控制在100mm以内，避免了钻孔误差，同时减少冻结管数量、改善了冻结管的排布间距等方式，降低成本消耗，减少了人工偏差，节省了劳动力，保证冻结效果，
38.s2、冻结站安装：根据联络通道工况，设置冻结站和冻结系统如图6所示，对盐水管道进行试压、充氟试运行冻结系统；试验盐水管路系统的压力大于盐水泵工作压力的1.5倍，充氟试漏的压力为1.6～1.7mpa。
39.s3、积极冻结；对左线和右线联络通道采用逐级制冷的方式进行积极冻结，首次冻结系统的制冷量为1.50
×
105～2.0
×
105kcal/h，其次采用冷量为2.2
×
105kcal/h进行冻结。当盐水冻结温度达到设计温度-28℃以下方可进行开挖，开挖时盐水去、回路温差小于等于2℃。联络通道冻结时间设计为41～43d、单孔冻结流量大于等于7～9m3/h。如果盐水温度和盐水制冷流量未达到设计要求，在延长积极冻结时间。
40.s4、维护冻结：选择孔位间偏斜角度较大的冻结孔作为冻结帷幕交圈的监测依据，适当调整测温孔布置位置，每天监测测温孔数据，当连续几天监测全部测温孔揭示周边地层温度趋于稳定时则可以判断帷幕交圈，帷幕交圈时及时通过泄压管泄压。
41.s5、注浆控制融沉：通过联络通道上的注浆孔进行注浆加固，采用水泥-水玻璃双液浆从上至下的顺序进行注浆，先对底部进行注浆，然后是侧墙、喇叭口、通道和泵站，少量多次进行注浆防止变形，至联络通道隆起1.8mm时应停止注浆，直至连续半个月单日沉降量均小于0.4mm，可结束融沉注浆，当一天内联络通道沉降大于0.4mm或累计沉降量大于1.0mm时，应采用单液水泥浆注浆补偿。
42.其施工工艺的试验结果如下：
43.通过现有技术adina有限元软件模拟温度场的发展规律对冻结工程进行数值模拟研究，建立足尺三维模型进行数值分析，在模型上选取与实测同位置点作为观察路径点研究模型上的等温线图特点，分析冻结工程冻结壁形成规律。选取x轴剖面(x＝-6.5m)为左右边隧道连线中部垂直面，位于喇叭口开口处，理论上冻结效果相对较差，所以研究最不利情况的等温线交圈，分析冻结帷幕形成情况。当x＝6.5m，冻结10d、20d、30d、40d的等温线(t＝-1℃、t＝-10℃)交圈情况如附图4所示，整体来看，在冻结40d后，x＝6.5m剖面上-1℃和-10℃均形成了光滑且厚度均匀的冻结壁，整个冻土帷幕完整光滑且封闭，达到预期设计目标，可进行安全开挖。表明了通过改进冻结孔的偏斜度和开孔角度，减少了冻结管的使用，降低经济成本的同时还能得到完整良好的冻结帷幕，满足了开挖条件。
44.且在图5中冻结40d后，其厚度小于2.2m，整个冻结帷幕的整体轮廓厚度设计值满足开挖厚度(至少2.2m。)，且最终冻结40天形成了较为光滑封闭的曲线，表明冻结效果良好，温度场发展良好，冻结管周围土体温度均降至-10℃以下，形成稳定的冻结壁。表明了本发明通过调整钻孔偏斜度、开孔角度和逐级制冷的冻结工艺，使得整体帷幕的冻结效果良好，对后续开挖并无影响。
45.综上所述，采用本发明所提供的一种用于地铁冻结工程的施工工艺，通过设置冻结管的偏斜度和开孔角度，优化设计，使冻结管的设置呈现放射状的方式，适用于圆砾层和粉砂质泥岩层的施工，在同工种的工程中，减少了冻结孔数量的钻设，防止因钻孔方位偏差造成后期冻结交圈厚度不够的现象出现，本发明从钻孔等方面做好施工控制工作，确保联络通道周围的冻结孔冻结良好，也保障喇叭口处的冻结厚度，使冻结帷幕符合设计要求，保
障施工质量和施工安全。
46.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

技术特征：
水玻璃双液浆从上至下的顺序进行注浆，至联络通道隆起1.8mm时应停止注浆，连续半个月单日沉降量均小于0.4mm，可结束融沉注浆。

技术总结
本发明公开了一种用于地铁冻结工程的施工工艺，包括以下步骤：S1：冻结管安装；S2、冻结站安装：设置冻结站和冻结系统；S3、积极冻结：当盐水冻结温度达到设计温度以下方可进行开挖；S4、维护冻结；S5、注浆控制融沉。通过设置冻结管的偏斜度和开孔角度，优化设计，使冻结管的设置呈现放射状的方式，适用于圆砾层和粉砂质泥岩层的施工，在同工种的工程中，减少了冻结孔数量的钻设，防止因钻孔方位偏差造成后期冻结交圈厚度不够的现象出现，本发明从钻孔等方面做好施工控制工作，确保联络通道周围的冻结孔冻结良好，也保障喇叭口处的冻结厚度，使冻结帷幕符合设计要求，保障施工质量和施工安全。全。全。


技术研发人员：闫艳军 候文涛 胡俊
受保护的技术使用者：鹤壁市工程质量监督站
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/6