冻结技术在清除地下障碍物施工中的应用

2015-08-01马西峰MAXifeng南京地铁建设有限责任公司江苏南京210008

建筑机械化 2015年2期

马西峰/MA Xi-feng（南京地铁建设有限责任公司，江苏南京 210008）

冻结技术在清除地下障碍物施工中的应用

马西峰/MA Xi-feng
（南京地铁建设有限责任公司，江苏南京 210008）

[摘要]针对在已建成的人民路地道内破除底板下的钢筋混凝土灌注桩，施工时易涌水涌砂，甚至造成人民路地道的破坏这一情况，在借鉴国内外先进冻结技术的同时，因地制宜，有针对性地采取专项施工技术，化解了一道道施工难题，取得了理想的效果，为类似工程施工提供借鉴。

[关键词]冻结技术；破除；地下障碍物

1 工程概况

南京市某盾构隧道外径6.2m、内径5.5m。盾构隧道左、右线在里程DK11+817～DK11+843范围内下穿人民路地道，此区域上方为地下直径线，在人民路地道施工过程中该区域共设置了2根临时格构桩。

格构桩直径均为1m，格构桩为钢筋混凝土灌注桩，配置8根Ø20mm主筋，桩顶标高为-12.212m，桩尖标高为-27.212m，桩长15m；钢筋笼长度为12m。原施工单位提供的资料显示：盾构区间左、右线各有1根桩在区间隧道内，为确保盾构顺利穿越人民路地道，必须在盾构机穿越前将2根桩破除（图1）。

钢筋混凝土灌注桩范围内土层为粉质粘土、粉土、粉砂等，主要为⑦4粉砂层、厚度达10m，且有微承压水。施工时极易发生涌水涌砂。

2 施工方案选择

图1　格构桩与人民路地道、盾构隧道关系图

破除人民路底板下的格构桩，需在人民路底板上开孔，然后进行格构桩的破除或拔起。因人民路地道位于地表下12m，如果用常规的方法在人民路地道底板上开孔取桩，待地道底板开通后将会有大量流砂涌入地道，不但无法破桩，而且危及到地道结构安全。为确保施工安全，经多方专家论证，决定首先采用冻结技术将钻孔灌注桩周围的土体进行冻结加固，使钻孔灌注桩周围的土体形成封闭的冻土帷幕，冻土帷幕起到抵抗桩四周的水土压力和封水的作用。在冻土帷幕的保护下从人民路地道内人工用风镐将桩凿除。

3 施工难点及采取的相应措施

1）人民路地道底板在地面下12m处。施工冻结管时极易发生涌水涌砂；施工冻结管时，需安装孔口密封装置，以确保钻孔施工时无水、砂流出。

2）积极冻结时，因人民路地道结构层渗水，地下水通过结构层渗出，土层内有流动水存在，对冻结效果影响很大；在积极冻结前处理好地道结构层的渗水点，冻结时加大供冷量进行强制冻结。

3）破桩时开挖深度在人民路底板以下17m（自然地面以下27m），开挖深度大。在开挖时如果冻结壁局部有薄弱点就会发生涌水涌砂；开挖前在桩顶部安装安全防护门。如果出现险情及时关闭安全防护门，再继续进行冻结直至达到设计冻结效果后再开挖。

4 冻结孔、测温孔布置

冻结管选用Ø108×8mm低碳钢无缝钢管；测温孔选Ø108×8m低碳无缝钢管。冻结管材质量必须符合设计要求。

冻结孔布置圈径：Ø1.2m/Ø2.6m/4.2m；每根桩布置冻结孔29个；开孔间距0.8m/1m；测温孔1个（图2、图3）。

5 冻结孔施工

5.1 孔口管的安装

将人民地道路面下的1.3m厚衬砌混凝土全部凿除，露出人民路地道底板结构层。按照设计冻结孔位置定位开孔及安装孔口管：首先用开孔器（配金刚石钻头取芯）按设计角度开孔，开孔直径146mm，开孔深度为300mm时停止钻进，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或棉丝等密封物，将孔口管砸进去，用膨胀螺丝固定，装上DN150球阀，再将球阀打开，用开孔器从球阀内开孔，开孔直径为130mm，一直将底板开穿，这时，如地层内的水砂流量大，就及时关好闸门，安装压紧装置。

图2　冻结孔、测温孔布置图

图3　冻结孔、测温孔布置纵剖面图

5.2 钻孔

1）钻孔设备选择根据施工地质条件和对钻孔精度要求，地道内垂直钻孔均选择MD-60 A型锚固钻机。钻孔采用泥浆循环护壁，每台钻机配1台BW-250型泥浆泵。

2）冻结孔钻进按设计要求调整好钻机位置，并固定好，将钻头装入孔口装置内，在孔口装置上接上1.5寸阀门，并将盘根轻压在盘根盒内，首先采用干式钻进，当钻进扭矩大不进尺时，从钻机上进行注水钻进，同时打开小阀门，观察出水、出砂情况，利用阀门的开关控制出浆量，钻机选用MD-60A型锚杆钻机，钻机扭矩3 000Nm，推力25kN。

冻结管连接接头采用丝扣连接加焊接形式，加强冷冻管连接质量的控制，每个接头连接完成后逐个检查，要求丝扣拧紧，焊缝饱满。

6 积极冻结

在冻结过程中，每天检测去、回路干管盐水温度、冻结器回路盐水温度、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。

6.1 冻结达到的主要技术指标

1）冻结加固区有效厚度达到1m，平均温度达到-10℃。

2）设计最低盐水温度为-28～-30℃，并要求冻结7天达到-18℃，15天达到-24℃。

3）冻结孔单孔盐水流量为5～8m3/h。

6.2 冻结需冷量计算

采用Q=πdHKm

式中 H—冻结总长度（m）;

d—冻结管直径；

K—冻结管散热系数；k=250kcal/h・m2;

m—冷量损失系数，取1.15;

得冻结需冷量为：39.1万kcal/h。

6.3 冻结制冷设备选型

冷冻机组选用YSKF2-20型3台，运行2台，备用1台，单机标准工况制冷量为47.1万大卡/h。

6.4 测温

在测温管内从上至下每隔2m安装一根用康铜线制作的感温片，每个测温孔内共安装10个感温片，康铜线的另1端固定在测温管的上口，用测温仪分别同康铜线的端头连接进行测温。积极冻结期间每24h测温1次；开挖期间每12h测温1次，并做好记录。

7 格构桩破除

通过测温计算，当冻结帷幕厚度达到设计厚度1m;冻结壁平均温度为-10℃时，冻结帷幕的强度足可地下水土压力和封水要求，在冻结帷幕的支护下即可进行人工破除灌注桩。

7.1 安全防护门安装

破除前安装安全防护门，首先沿安全防护门框四周每隔500mm植一根直径25的钢筋，一端锚入混凝土结构层200mm；另一段与安全防护门框焊牢，门框四周用双快水泥封牢。安全防护门框安装要平整、牢固，门扇开启灵活。发生险情时由当班班长命令将井下人员撤出后，由班长负责关闭安全防护门，然后进行注浆堵漏，开挖直径以桩中心向外直径为1.2m。破除过程中所遇主筋需全部割除（图4、图5、图6）。