CN111236947A - 一种采用垂直冻结的地铁竖井施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用垂直冻结的地铁竖井施工方法，包括以下步骤：(1)冻结孔施工；(2)冻结制冷系统安装；(3)积极冻结与维护冻结；(4)冻结监测；(5)开挖条件判定；(6)冻结管处理；(7)解冻后融沉注浆处理。本申请的采用垂直冻结的地铁竖井施工方法在地铁联络通道工程中与竖井倒挂井壁法结合使用尚属罕见，该工程的顺利实施为地铁工程地下水处理提供了一套完备的设计和施工方法，保护了地下水资源；同时竖井冻结系统结构简单，施工简便，保证了施工的快捷性。
Description
技术领域
本发明涉及铁路施工技术领域，特别涉及一种采用垂直冻结的地铁竖井施工方法。
背景技术
北京地铁某暗挖车站为地下三层三跨岛式站台车站，有效站台宽度15m，直墙拱顶结构，覆土11.86～12.56m，底板埋深34.81m。
车站采用暗挖PBA工法(4导洞)施工，共设置3座施工竖井。竖井采用倒挂井壁法施工，井深37.881m，初期支护350mm厚，由喷射混凝土、钢筋网、格栅钢架及注浆锚管组成支护体系。
竖井开挖深度范围内主要包含三层地下水，前两层上层滞水(一)、潜水(二)层因水量小且竖向分布范围薄，采用深孔注浆进行止水，潜水(三)层位从竖井底部9米处开始，该处主要为卵石层，且为承压水。根据北京市对加强地下水保护的相关规定，取消传统直接降水法采用垂直冻结管形成侧壁及底部止水帷幕达到止水效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种采用垂直冻结的地铁竖井施工方法，其克服了现有技术的上述缺陷。
本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的：
一种采用垂直冻结的地铁竖井施工方法，包括以下步骤：
(1)冻结孔施工：采用地质钻机进行钻孔，对每个成孔进行孔位侧斜与纠偏，将冻结管下入地层后进行试压；
(2)冻结制冷系统安装：将冻结站布置于地面冻结平台上，对冻结设备进行选型，并进行管路连接、保温，再溶解氯化钙和机组充氟加油；
(3)积极冻结与维护冻结：设备安装完毕后进行调试，检查确认电路系统、冷却水循环系统、盐水循环系统运行参数正常后开冷冻机，冷冻机先空转1～3h，再逐步调节能量、压力、温度和电机负荷状态参数，使机组在有关设备规程和运行要求的技术参数条件下运行；
(4)冻结监测：在竖井内外分别设置测温孔，井内设置井位观察孔，施工过程中采用实施监测系统对土体温度进行监测；通过支路盐水去回路温差及流量监测冻结期工作状态；采用钢弦式传感器固定在冻结壁内的测温管上监测冻胀压力；
(5)开挖条件判定：积极冻结时间达到设计值40天，且盐水温度达到设计最低盐水温度-28℃；根据测温孔测温数据，冻土壁平均温度和厚度达到设计要求值，并写出分析报告；打探孔检查，探孔位置选在冻结孔间距较大处或冻结有异常处；
(6)冻结管处理：采用风镐掘进，在掘进施工中根据揭露土体的加固效果及施工监测信息，及时调整开挖方式；开挖的同时将土方搁置在预制土斗内，随挖随吊走，开挖过程中注意保护冻结管，每恢复一个冻结管方可进行下个冻结管的割除恢复作业；
(7)解冻后融沉注浆处理：采用自然解冻，在停冻后，应立即割除墙壁上不用的孔口管和冻结管；停冻、解冻及冻结孔封孔后进行衬砌后充填注浆；充填注浆结束，若地层沉降大于0.5mm/d或累计沉降大于3.0mm时，进行融沉补偿注浆，地层隆起达到3mm时暂停注浆。
优选地，上述技术方案中，所述步骤(1)中试压的压力为冻结工作面盐水压力的2倍，且不低于0.8MPa，试压30min压力下降不应超过0.05MPa，再延续15min压力保持不变即为合格。
优选地，上述技术方案中，所述步骤(2)中，管路的连接、保温具体为：盐水和冷却水管路用法兰连接，并用管架架设在咬合桩侧壁上，且回路盐水干管上要做“∩”字形弯起，其中盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温，保温层的外面用塑料薄膜包扎；冻结孔每3-7个一串联，串联尽量应间隔进行，总分组控制在15组以内，应以每组冻结孔总长度相近为宜。
优选地，上述技术方案中，所述步骤(2)中溶解氯化钙和机组充氟加油具体为：先在盐水箱内注入约1/4的清水，然后开泵循环并逐步加入固体氯化钙，直至盐水浓度达到设计要求；进行制冷系统的检漏和氮气冲洗，在确保系统无渗漏后，再充氟加油。
优选地，上述技术方案中，所述步骤(3)中，在积极冻结7天盐水温度降至-18℃～-20℃；积极冻结15天盐水温度降至-24℃以下；开挖时冻土和管片交接范围内平均温度低于-5℃，盐水温度降至-28℃以下，去、回路盐水温差不大于2℃。
优选地，上述技术方案中，所述步骤(7)中融沉补偿注浆采用水泥-水玻璃双液浆为主，单液水泥浆为辅，以少量、多次、均匀为原则，注浆压力不大于0.5Mpa，注浆范围为整个冻结区域；冻结壁全部融化，且实测地层沉降持续一个月每半个月不大于0.5mm，地面变形基本保持稳定，即可停止融沉补偿注浆。
一种竖井冻结系统，用于垂直冻结的地铁竖井施工方法中，包括竖井，所述竖井的外围环绕设置有有效冻结层，所述有效冻结层内设置有井外冻结管，所述井外冻结管间隔设置，所述竖井内设置有井内冻结管，所述井内冻结管环绕所述竖井间隔设置，所述竖井的底部设置有竖井底板，所述竖井底板的下面设置有缓冲层，所述竖井的顶端设置有锁口圈梁，所述锁口圈梁的下表面与地面平齐。
优选地，上述技术方案中，所述竖井内外分别设置有测温孔和井位观察孔。
优选地，上述技术方案中，所述竖井内还设置有水位观测孔。
优选地，上述技术方案中，所述有效冻结层的宽度为2400mm、高度为1400mm；所述有效冻结层距离地面的距离为28880mm。
本申请是利用人工制冷的方式，通过盐水循环将低温冷媒送入地层进行冻结，随着单个冻结壁扩散并交圈最终形成整体性、高强度性帷幕，达到止水及承压效果。在封闭的冻结土墙的保护下，进行竖井开挖和做初期支护的一种特殊止水方法。
本发明上述技术方案，具有如下有益效果：
(1)通过科学布置冻结孔和冻结孔施工，冻结站安装及严格控制积极冻结和维护冻结，形成止水帷幕为竖井的无水安全作业提供条件，该工程的成功经验为在非降水工程政策下提供更多地下水解决方案。
(2)冻结法与竖井倒挂井壁法结合使用尚属罕见，该工程的顺利实施为地铁工程地下水处理提供了一套完备的设计和施工方法。该工法有效保护了地下水资源，推广应用前景广泛。
(3)竖井冻结系统结构简单，施工简便，保证了施工的快捷性，同时保护了地下水资源。
附图说明
图1为本发明的竖井冻结系统的剖面图。
图2为本发明的竖井冻结系统的平面图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，以便于进一步理解本发明。
实施例1
一种采用垂直冻结的地铁竖井施工方法，包括以下步骤：
(1)冻结孔施工
施工设备及配置：竖井外采用地质钻机进行成孔，竖井内待开挖至冻结范围顶采用MGL120履带式锚固钻机，反循环成孔。泥浆泵选择BW-200型泥浆泵一台，本泵可适用于不大于50～60m深度钻进。
冻结孔施工工艺：
(11)冻结孔主要工序：定位于调平；钻孔；侧斜与纠偏，下管并试压。
(12)冻结孔施工要求：每个成孔进行孔位测斜，偏斜率控制在150mm之内，测量冻结孔冻
(13)冻结管下入地层后必须进行试压。试验压力应为冻结工作面盐水压力的2倍，且不宜低于0.8MPa。经试压30min压力下降不应超过0.05MPa，再延续15min压力保持不变为合格。
(2)冻结制冷系统安装
冻结站布置：冻结站内设备主要包括配电柜、冷冻机组、盐水箱、盐水泵、清水箱、冷却系统及清水泵等。根据现场施工总体规划将冻结站布置于地面冻结专用平台。优选地，冻结站设备堆放平台长度20m，宽度6m，占地总面积为120m2。
冻结设备选型：根据实际工况，选择冷冻机两台(一用一备)。主运转采用JYSLG16F-M型冷冻机组，当盐水温度为-28℃，冷却水温度25℃时(较低)，机组的额定制冷量约为86000kcal/h，冷冻机组电机额定功率为125kw，备用机选择TBSJ050.1型冷冻机组。
管路连接、保温：盐水和冷却水管路用法兰连接，并用管架架设在咬合桩侧壁上。盐水管路要离地面安装，避免浸水和高低起伏。回路盐水干管上要做“∩”字形弯起。盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温，保温层厚度为50mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎。集配液圈与冻结管的连接用高压胶管。冻结孔每3～7个一串联，串联尽量应间隔进行，总分组控制在15组以内，应以每组冻结孔总长度相近为宜。冷冻机组的蒸发器及低温管路保温用软质泡沫塑料。盐水箱、盐水干管和冷冻板表面用聚苯乙烯泡沫板保温。
溶解氯化钙和机组充氟加油：先在盐水箱内注入约1/4的清水，然后开泵循环并逐步加入固体氯化钙，直至盐水浓度达到设计要求。溶解氯化钙时要除去杂质。盐水箱内的盐水不能灌得太满，以免高于盐水箱口的冻结管盐水回流时溢出盐水箱。机组充氟和冷冻机加油按照设备使用说明书的要求进行。首先进行制冷系统的检漏和氮气冲洗，在确保系统无渗漏后，再充氟加油。
(3)积极冻结与维护冻结
设备安装完毕后进行调试和试运转。检查确认电路系统、冷却水循环系统、盐水循环系统运行参数正常后才开冷冻机。冷冻机先空转1～3h，观察运转是否异常。在试运转时，要逐步调节能量、压力、温度和电机负荷等各状态参数，使机组在有关设备规程和运行要求的技术参数条件下运行。
积极冻结7天盐水温度降至-18℃～-20℃；积极冻结15天盐水温度降至-24℃以下；开挖时冻土和管片交接范围内平均温度低于-5℃，盐水温度降至-28℃以下，去、回路盐水温差不大于2℃。如盐水温度或盐水流量达不到设计要求，应根据冻结效果决定是否延长积极冻结时间。
开始冻结后，要巡回检查冻结器是否有断裂漏盐水的情况发生，一旦发现盐水漏失，立即关闭阀门，并根据盐水漏失情况采取补救措施。
在冻结过程中，每天监测去、回路干管盐水温度、测温孔温度、盐水箱液位变化、冷却水温度，观察冻结器头部结霜是否有异常融化。在冻结运转初期，检测各冻结器的盐水流量，如发现检测流量小于设计要求，则应用控制阀门进行调节，或者加大盐水泵泵量，使其满足设计要求。
每天必须巡视冻结情况，每天检测测温孔温度，并根据测温数据，分析冻结壁的扩展速度和厚度，预计冻结壁达到设计厚度时间。
(4)冻结监测
冻结的止水效果将直接影响竖井的开挖，存在一定的冻结风险。本工程在竖井内外分别设置4处测温孔，井内设置3处井位观察孔。
竖井冻结施工过程中采用实施监测系统对土体温度进行监测；通过支路盐水去回路温差及流量监测冻结期工作状态；采用钢弦式传感器固定在冻结壁内的测温管上监测冻胀压力。
(5)开挖条件判定
(51)积极冻结时间达到设计值40天，并要求盐水温度达到设计最低盐水温度-28℃。
(52)根据测温孔测温数据，冻土壁平均温度和厚度达到设计要求值，并写出分析报告。
(53)打探孔检查，探孔位置选在冻结孔间距较大处或冻结有异常处。
(6)竖井开挖过程中冻结管处理
由于冻土强度高，韧性好，普通手镐无法施工，需采用风镐掘进。在掘进施工中根据揭露土体的加固效果及施工监测信息，及时调整开挖方式。
开挖的同时将土方搁置在预制土斗内，随挖随吊走，开挖过程中注意保护冻结管，每恢复一个冻结管方可进行下个冻结管的割除恢复作业。
(7)解冻后融沉注浆处理
本工程采用自然解冻，在停冻后,应立即割除墙壁上不用的孔口管和冻结管。割除孔口管或冻结管深度要求进入墙壁不得小于60mm。
停冻、解冻及冻结孔封孔后进行衬砌后充填注浆，充填注浆采用1：0.8～1水泥浆。注浆压力在通道部位不得大于静水压力。注浆由下至上的顺序进行，当上一层注浆孔连续返浆后即可停止下一层注浆。
充填注浆结束，若地层沉降大于0.5mm/d或累计沉降大于3.0mm时，应进行融沉补偿注浆，地层隆起达到3mm时应暂停注浆。融沉补偿注浆采用水泥-水玻璃双液浆为主，单液水泥浆为辅，以少量、多次、均匀为原则，注浆压力不大于0.5Mpa，注浆范围为整个冻结区域。
冻结壁全部融化，且实测地层沉降持续一个月每半个月不大于0.5mm，地面变形基本保持稳定，即可停止融沉补偿注浆。
一种竖井冻结系统，用于垂直冻结的地铁竖井施工方法中，包括竖井1，竖井1的外围环绕设置有有效冻结层2，有效冻结层2内设置有井外冻结管3，井外冻结管3间隔设置，竖井1内设置有井内冻结管4，井内冻结管4环绕竖井1间隔设置，竖井1的底部设置有竖井底板5，竖井底板5的下面设置有缓冲层6，竖井1的顶端设置有锁口圈梁7，锁口圈梁7的下表面与地面平齐。
竖井1内外分别设置有测温孔8和井位观察孔。竖井1内还设置有水位观测孔9。优选地，有效冻结层的宽度为2400mm、高度为1400mm，有效冻结层距离地面的距离为28880mm。当然，本发明并不以此为限，本领域技术人员可以根据需要选择合适的尺寸。
本申请的施工方法在地铁联络通道工程中与竖井倒挂井壁法结合使用尚属罕见。该工程的顺利实施为地铁工程地下水处理提供了一套完备的设计和施工方法。该工法有效保护了地下水资源，推广应用前景广泛。
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用于限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种不同的选择和修改，因此本发明的保护范围由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (10)
1.一种采用垂直冻结的地铁竖井施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)冻结孔施工：采用地质钻机进行钻孔，对每个成孔进行孔位侧斜与纠偏，将冻结管下入地层后进行试压；
(2)冻结制冷系统安装：将冻结站布置于地面冻结平台上，对冻结设备进行选型，并进行管路连接、保温，再溶解氯化钙和机组充氟加油；
(3)积极冻结与维护冻结：设备安装完毕后进行调试，检查确认电路系统、冷却水循环系统、盐水循环系统运行参数正常后开冷冻机，冷冻机先空转1～3h，再逐步调节能量、压力、温度和电机负荷状态参数，使机组在有关设备规程和运行要求的技术参数条件下运行；
(4)冻结监测：在竖井内外分别设置测温孔，井内设置井位观察孔，施工过程中采用实施监测系统对土体温度进行监测；通过支路盐水去回路温差及流量监测冻结期工作状态；采用钢弦式传感器固定在冻结壁内的测温管上监测冻胀压力；
(5)开挖条件判定：积极冻结时间达到设计值40天，且盐水温度达到设计最低盐水温度-28℃；根据测温孔测温数据，冻土壁平均温度和厚度达到设计要求值，并写出分析报告；打探孔检查，探孔位置选在冻结孔间距较大处或冻结有异常处；
(6)冻结管处理：采用风镐掘进，在掘进施工中根据揭露土体的加固效果及施工监测信息，及时调整开挖方式；开挖的同时将土方搁置在预制土斗内，随挖随吊走，开挖过程中注意保护冻结管，每恢复一个冻结管方可进行下个冻结管的割除恢复作业；
(7)解冻后融沉注浆处理：采用自然解冻，在停冻后，应立即割除墙壁上不用的孔口管和冻结管；停冻、解冻及冻结孔封孔后进行衬砌后充填注浆；充填注浆结束，若地层沉降大于0.5mm/d或累计沉降大于3.0mm时，进行融沉补偿注浆，地层隆起达到3mm时暂停注浆。
2.根据权利要求1所述的一种采用垂直冻结的地铁竖井施工方法，其特征在于，所述步骤(1)中试压的压力为冻结工作面盐水压力的2倍，且不低于0.8MPa，试压30min压力下降不应超过0.05MPa，再延续15min压力保持不变即为合格。
3.根据权利要求1所述的一种采用垂直冻结的地铁竖井施工方法，其特征在于，所述步骤(2)中，管路的连接、保温具体为：盐水和冷却水管路用法兰连接，并用管架架设在咬合桩侧壁上，且回路盐水干管上要做“∩”字形弯起，其中盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温，保温层的外面用塑料薄膜包扎；冻结孔每3-7个一串联，串联尽量应间隔进行，总分组控制在15组以内，应以每组冻结孔总长度相近为宜。
4.根据权利要求1所述的一种采用垂直冻结的地铁竖井施工方法，其特征在于，所述步骤(2)中溶解氯化钙和机组充氟加油具体为：先在盐水箱内注入约1/4的清水，然后开泵循环并逐步加入固体氯化钙，直至盐水浓度达到设计要求；进行制冷系统的检漏和氮气冲洗，在确保系统无渗漏后，再充氟加油。
5.根据权利要求1所述的一种采用垂直冻结的地铁竖井施工方法，其特征在于，所述步骤(3)中，在积极冻结7天盐水温度降至-18℃～-20℃；积极冻结15天盐水温度降至-24℃以下；开挖时冻土和管片交接范围内平均温度低于-5℃，盐水温度降至-28℃以下，去、回路盐水温差不大于2℃。
6.根据权利要求1所述的一种采用垂直冻结的地铁竖井施工方法，其特征在于，所述步骤(7)中融沉补偿注浆采用水泥-水玻璃双液浆为主，单液水泥浆为辅，以少量、多次、均匀为原则，注浆压力不大于0.5Mpa，注浆范围为整个冻结区域；冻结壁全部融化，且实测地层沉降持续一个月每半个月不大于0.5mm，地面变形基本保持稳定，即可停止融沉补偿注浆。
7.一种竖井冻结系统，用于垂直冻结的地铁竖井施工方法中，其特征在于，包括竖井(1)，所述竖井(1)的外围环绕设置有有效冻结层(2)，所述有效冻结层(2)内设置有井外冻结管(3)，所述井外冻结管(3)间隔设置，所述竖井(1)内设置有井内冻结管(4)，所述井内冻结管(4)环绕所述竖井(1)间隔设置，所述竖井(1)的底部设置有竖井底板(5)，所述竖井底板(5)的下面设置有缓冲层(6)，所述竖井(1)的顶端设置有锁口圈梁(7)，所述锁口圈梁的下表面与地面平齐。
8.根据权利要求7所述的一种竖井冻结系统，其特征在于，所述竖井(1)内外分别设置有测温孔(8)和井位观察孔。
9.根据权利要求7所述的一种竖井冻结系统，其特征在于，所述竖井内还设置有水位观测孔(9)。
10.根据权利要求7所述的一种竖井冻结系统，其特征在于，所述有效冻结层的宽度为2400mm、高度为1400mm，所述有效冻结层距离地面的距离为28880mm。
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| CN112431189A (zh) * | 2020-11-30 | 2021-03-02 | 中铁二十局集团第一工程有限公司 | 地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法 |
| CN112962624A (zh) * | 2021-03-19 | 2021-06-15 | 中煤第五建设有限公司 | 一种用于超深超大复杂基坑施工的双帷幕冻结槽壁方法 |
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