冻结法在隧道工程中的应用与研究

所属栏目:交通运输论文 发布日期:2010-08-25 18:04 热度:

  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
                          表1.jpg  
  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).
  

文章标题:冻结法在隧道工程中的应用与研究

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