冷凍法在地鐵工程施工方面的應(yīng)用

        冷凍法施工的核心是在地層中鉆孔后埋入加鹽水或液氮的鋼管，通過利用人工制冷手段使結(jié)構(gòu)周圍不穩(wěn)定的含水圍巖凍結(jié)成封閉的、具有足夠強(qiáng)度和剛度的凍結(jié)壁，然后進(jìn)行施工作業(yè)的一種施工法，凍結(jié)壁能保證地層穩(wěn)定，同時(shí)還能起隔水作用，保證地下工程施工的順利進(jìn)行。冷凍法施工一般分為垂直冷凍和水平凍，根據(jù)相關(guān)資料規(guī)定：只要地層天然水含量大于10%，且地下水流動(dòng)或滲透速度小于10m/ d的情況，都可以采用凍結(jié)法施工。
        冷凍法施工在地鐵工程方面應(yīng)用的概述
        冷凍法施工的早期發(fā)展多見于煤炭行業(yè)，主要用在煤礦的井筒建設(shè)中，在地鐵工程施工的應(yīng)用較晚。我國(guó)的地鐵工程逐年增多，地鐵工程大多為淺埋或超淺埋并需要穿越砂層、淤泥層、卵石和砂礫層、含水粘土層等不良地層的隧道，對(duì)在這些飽水地層中的施工，冷凍法有較好的適用性。隨著我國(guó)地鐵工程的迅速發(fā)展，地下工程施工中冷凍法的應(yīng)用將越來(lái)越多?，F(xiàn)簡(jiǎn)要介紹冷凍法在地鐵工程中的應(yīng)用概況。
        ⑴在地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道的應(yīng)用。地鐵工程中隧道按規(guī)范要求在上、下行線間設(shè)有一條或幾條聯(lián)絡(luò)通道，便于區(qū)間隧道內(nèi)發(fā)生意外事故時(shí)，乘客能通過聯(lián)絡(luò)通道安全疏散。一般在隧道線路最低點(diǎn)處設(shè)有一條聯(lián)絡(luò)通道，在建造通道處應(yīng)預(yù)先對(duì)土體進(jìn)行地基加固，經(jīng)加固后的土體要有很好的勻質(zhì)性、自立性，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)都要達(dá)到設(shè)計(jì)要求。冷凍法加固土體具有強(qiáng)度高、封水性好、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用在聯(lián)絡(luò)通道土體加固施工中。地鐵工程在隧道內(nèi)采用冷凍法加固土體，使聯(lián)絡(luò)通道外圍土體形成強(qiáng)度高、封閉性好的凍土帷幕，然后在凍土帷幕中開挖和構(gòu)筑施工，凍土帷幕與隧道管片結(jié)合嚴(yán)密，尤其適合于流砂地層的加固和封水。
        ⑵在施工中的技術(shù)管理。由于冷凍法施工專業(yè)性很強(qiáng)，必須根據(jù)土建設(shè)計(jì)對(duì)加固土體作凍結(jié)帷幕的專業(yè)設(shè)計(jì)，所以我們要選擇專業(yè)施工隊(duì)伍進(jìn)行施工作業(yè)；開挖之前，業(yè)施工單位提出土體凍結(jié)狀況開挖條件分析報(bào)告和開挖申請(qǐng)，由公司技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)組織各有關(guān)部門進(jìn)行逐項(xiàng)審查通過后方能開挖；聯(lián)絡(luò)通道的實(shí)際位置必須由設(shè)計(jì)里程確定，里程誤差控制在允許范圍之內(nèi)，而且通道的中心軸線一般垂直于二條平行隧道的軸線；為防止鉆孔時(shí)漏泥冒砂，按設(shè)計(jì)確定的位置進(jìn)行凍結(jié)孔的施工，必要時(shí)采取孔口密封裝置控制回流量等措施；在積極凍結(jié)期間，凍結(jié)帷幕厚度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，有效凍土平均溫度要達(dá)到- 10℃以下；做好地面變形和隧道變形監(jiān)測(cè)，確保變形穩(wěn)定。
        冷凍前的工作
        ⑴設(shè)計(jì)凍結(jié)參數(shù)。凍結(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)包括鹽水溫度、凍結(jié)孔流量、凍結(jié)孔個(gè)數(shù)和終孔間距范圍及凍結(jié)壁設(shè)計(jì)等。
        ⑵建立冷凍站，設(shè)計(jì)凍結(jié)線路循環(huán)長(zhǎng)度。建立冷凍站應(yīng)考慮的是制冷設(shè)備的選擇，包括制冷壓縮機(jī)、冷凝器與蒸發(fā)器、鹽水循環(huán)系統(tǒng)；冷凍站的位置的選擇，以供冷、供電、供水、排水方便為原則，同時(shí)還應(yīng)兼顧考慮施工場(chǎng)地布置和進(jìn)出材料、器材方便。冷凍站與開挖地點(diǎn)的距離越遠(yuǎn)，費(fèi)用也越高，管路通常根據(jù)冷凍的規(guī)模，選擇不同的管徑的優(yōu)質(zhì)無(wú)縫鋼管，管的外面要以散熱系數(shù)小的材料作為隔熱層，防止冷凍能量的損失。
        ⑶進(jìn)行鉆孔的施工。鉆孔按其作用一般分為冷凍孔、監(jiān)測(cè)孔、水文和卸壓孔。凍結(jié)孔大多分布在凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)中心線上，其孔徑、間距和設(shè)計(jì)傾角依據(jù)地層土質(zhì)、水文條件及工程要求而定，其作用是用來(lái)安裝凍結(jié)管、布設(shè)制冷設(shè)備；觀測(cè)孔用于監(jiān)測(cè)和控制冷凍效果；水文孔是用來(lái)監(jiān)測(cè)凍結(jié)帷幕是否交圈；卸壓孔是來(lái)消除凍結(jié)過程的凍脹水壓力。鉆孔施工步驟主要有清理場(chǎng)地；預(yù)先打若干小探孔，若發(fā)現(xiàn)砂層，立即進(jìn)行雙液注漿，以提高孔口附近土體穩(wěn)定性；安裝鉆機(jī)設(shè)備，固定導(dǎo)向基座在孔位附近并調(diào)試；測(cè)放鉆孔位，用地質(zhì)羅盤對(duì)導(dǎo)向軌進(jìn)行方向和角度復(fù)核，然后進(jìn)行開孔，控制孔位偏差在1 ％以內(nèi)；為防止開孔后發(fā)生涌沙涌水現(xiàn)象，采用特殊孔口防護(hù)和兩次鉆進(jìn)的方法進(jìn)行開孔直至設(shè)計(jì)深度，凍結(jié)孔鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)位置時(shí)需要立即清洗，及時(shí)放置封口裝置，凍結(jié)管之間采用套管絲扣連接，接頭螺紋緊固后再用手工電弧焊焊接。
        ⑷安裝凍結(jié)系統(tǒng)。在凍結(jié)孔埋設(shè)凍結(jié)管，在凍結(jié)管內(nèi)插入供液管，將凍結(jié)管端蓋焊接密封并安裝好循環(huán)液的去回路閘閥；在安裝系統(tǒng)時(shí)盡量縮短冷凍管長(zhǎng)度，以免使凍結(jié)能量損失過多，根據(jù)不同的凍結(jié)部位，將全部?jī)鼋Y(jié)管每3～5根進(jìn)行串連，然后并聯(lián)到主回路上，以利于節(jié)省費(fèi)用和縮短凍結(jié)工期。凍結(jié)系統(tǒng)安裝完成后，檢查凍結(jié)管的密封情況，凍結(jié)管安裝完畢后要用堵漏材料密封凍結(jié)管與基坑混凝土墻之間的空隙，并安裝保溫層和隔熱板。
        ⑸對(duì)孔管進(jìn)行檢測(cè)?？坠艿脑试S偏差為凍結(jié)允許偏斜率在沖積層不得超過0.3%，但最終成孔距不得大3m；風(fēng)化帶及含水基巖中不得超過0. 5%，最終成孔間距不大于5m。目前國(guó)內(nèi)多采用激光測(cè)斜的方法對(duì)鉆孔偏斜進(jìn)行測(cè)量。一般可以采用如下的方法對(duì)鉆孔的偏斜加以預(yù)防和控制：鉆機(jī)需抄平后固定，盡量減少震動(dòng)造成孔位偏移；風(fēng)化巖、碎裂巖等巖層中鉆進(jìn)時(shí)要使用較高性能的泥漿并合理控制泵壓、泵量，以防止巖粉碎碴沖出孔外；加強(qiáng)沖洗管和鉆機(jī)的鉆壓、鉆速的控制，以保持快速鉆進(jìn)為宜；合理確定開口角度，使鉆孔終止位置不致偏離軸線太大。
        凍結(jié)的過程
        凍結(jié)過程是土中自由水結(jié)冰，固體顆粒膠結(jié)成整體的物理變化過程，一般按其作用的時(shí)間不同分為三個(gè)階段。
        ⑴積極凍結(jié)階段。積極凍結(jié)是指滿足設(shè)計(jì)要求、具備開挖條件之前的凍結(jié)過程，即在施工地層中開展冷凍作業(yè)，并將地層中的凍結(jié)壁擴(kuò)展到設(shè)計(jì)厚度的工作階段。這個(gè)過程中應(yīng)注意每天溶液溫度變化和氣溫變化，同時(shí)對(duì)泄壓孔進(jìn)行觀察。凍結(jié)開始后，在凍結(jié)管周圍產(chǎn)生降溫形成以凍結(jié)管為中心的凍結(jié)圓柱，外側(cè)土體開始逐步形成凍結(jié)交圈，直至與相鄰的凍結(jié)孔圓柱連接形成封閉的凍結(jié)壁，并對(duì)開挖土體產(chǎn)生附加壓力。在這一階段土體的存在方式要發(fā)生一系列的變化，通常表現(xiàn)為由融存態(tài)向塑性狀態(tài)過渡，再由塑性發(fā)展為堅(jiān)硬的凍結(jié)狀態(tài)。在凍結(jié)過程中要經(jīng)常排出管路中的空氣，保證管路始終充滿鹽水而產(chǎn)生良好的凍結(jié)效果。
        ⑵維護(hù)凍結(jié)階段。維護(hù)凍結(jié)是進(jìn)行地下工程的正常施工階段，當(dāng)達(dá)到所需要的凍結(jié)壁厚度及溫度時(shí)再進(jìn)行探孔檢測(cè)，確認(rèn)凍土帷幕內(nèi)土層基本無(wú)壓力后再進(jìn)行正式開挖，此時(shí)可根據(jù)凍土帷幕的穩(wěn)定性，適當(dāng)提高鹽水溫度進(jìn)入維護(hù)凍結(jié)，通過測(cè)溫孔內(nèi)埋設(shè)的電子溫度感應(yīng)器測(cè)得凍結(jié)壁的溫度，推算凍土帷幕厚度達(dá)到或超過設(shè)計(jì)要求時(shí)才可以開挖。
        ⑶解除凍結(jié)階段。地下結(jié)構(gòu)工程施工完畢，停止制冷使地溫恢復(fù)原狀的階段。停凍后在3 ～4 天內(nèi)不會(huì)迅速解凍，加之凍結(jié)管泵房施工的干擾，一般情況下在泵房開挖及拱架、網(wǎng)片架設(shè)完成后，即可停止凍結(jié)并取出探入泵房結(jié)構(gòu)的部分凍結(jié)管，然后噴射初襯混凝土，待泵房結(jié)構(gòu)施工完成、二襯混凝土強(qiáng)度達(dá)到90％后即可全部停止凍結(jié)了。同時(shí)我們應(yīng)及時(shí)進(jìn)行融沉注漿。由于冷凍法施工土體受凍會(huì)膨脹，在融化中會(huì)沉降，注漿要及時(shí)，一般注漿分兩次進(jìn)行，第一次板后注漿是在凍土融化前進(jìn)行，主要用于填充空隙以控制土體沉降；第二次在壁后注漿是在在二襯混凝土強(qiáng)度達(dá)到85％以后進(jìn)行，主要填充初襯和二襯之間不易筑滿砼的拱部空隙。
        綜上所述，冷凍法施工在地鐵工程方面的應(yīng)用，安全可靠性比較高，冷凍法所形成的凍土帷幕封水效果良好，尤其適用于一些不具備成洞條件的流砂地層等特殊地段的加固。隨著施工技術(shù)和冷凍法技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，冷凍法在地鐵工程方面的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。