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大统路地道敞开段改暗埋段冻结法围护施工组织设计

大统路地道敞开段改暗埋段冻结法围护

2.1工程特点与冻结方案设计要点 2

2.2冻结围护及坑底注浆加固设计 3

2.3主要冻结施工设计参数 5

GB 50405-2017标准下载3.3冻结制冷系统安装 8

3.4积极冻结与维护冻结 10

3.5停冻时间、封孔与融沉注浆 10

4.3注浆孔范围与注浆孔布置 12

4.4工艺流程与注浆顺序 12

4.5注浆工艺参数与注浆设备 12

4.6注浆安全质量控制 13

5施工进度及资源配置计划 14

5.1施工进度计划 14

5.2水、电供应计划 14

5.3劳动力配备计划 14

5.4设备和材料供应计划 14

6.2供电系统施工及电气技术要求 20

6.3现场安全用电管理 20

8主要工期、安全质量技术措施 23

8.1工期保证措施 23

8.2质量技术保证措施 23

8.3安全与质量保证体系 24

9.2工程风险源与安全防范措施 28

9.3应急组织机构 29

9.4应急设备与材料 30

9.5应急响应程序 31

原大统路地道下穿国铁与轻轨3、4号共线立交，现为了将3、4号线共线运营改为两线独立运营，拟对紧靠轻轨立交桥的部分大统路地道敞开段进行改建，由原来的U字形敞开结构改为箱形暗埋隧道。

拟改建的敞开段地道与地铁3号线轻轨立交桥斜交约60°。地道净宽约23m，净深约5.2m，地道结构侧墙与底板厚度均为0.9m。改建范围为K0+360.7m至K0+384.0m，总长度约25m，参见图1.1。由于地道改建时需凿除原结构底板，而地道底板以下地层为含水砂层，地下水位较高，因此，需要对改建地道周围进行适当的围护，以避免凿除原地道底板凿除后发生坑底泛砂、管涌和坑壁地层严重变形甚至坍塌，从而引起附近国铁和轻轨立交沉降的安全事故。

本方案拟采用冻结法进行大统路地道改建段暗埋隧道基坑的围护施工。

图1.1改建地道平面位置示意图

2.1工程特点与冻结方案设计要点

经分析，该工程施工有以下特点：

（1）所处地层为砂质粉土，地层条件复杂

从地表填土以下至约垂深16m均为砂质粉土，其稳定性差，施工时很容易发生基坑严重变形甚至涌砂，对基坑围护的强度与封水性要求高，施工的难度与风险较大。

（2）紧邻国铁与轻轨立交，对环境影响控制要求高

施工区紧邻国铁与轻轨立交桥，该立交桥基础浅，施工时一旦扰动周围地层，或引起周围地下水位变化，可能造成立交桥沉降超出允许范围，从而威胁国铁和轻轨运营安全。

（3）施工区周围地下管线复杂

在施工区附近有较多地下管线，其中地道东侧φ3500合流污水管距离地道边线约4.1~5.3m，该污水管不能搬迁，给地道改建施工到来了较大风险。此外，国铁与轻轨立交的盲沟排水系统的排水管与污水井在施工区内，也给基坑围护施工增加了难度。

针对以上工程特点，拟采用冻结法进行基坑围护和采用振冲注浆法进行坑底加固的总体施工方案，其设计要点是：

（1）采用冻土墙进行基坑围护，冻土墙插入深16m以下隔水的⑤1粘土层，以杜绝坑底泛砂与管涌。

（2）对原地道底板以下地层进行振冲注浆加固，以提高地基承载力与稳定性，防止挡土围护结构滑移倾覆，并对防止坑内施工灌注桩时发生钻孔坍塌和地基的永久承载力也有作用。同时，为了防止两侧冻土挡墙发生水平滑移，要求分段凿除原结构底板并及时施工新结构混凝土垫层。

（3）根据基坑开挖宽度较大，而开挖深度较浅的特点，地道两侧冻土墙采取重力式挡土墙设计，免去基坑内支撑。

（4）原盲沟排水管路需改建为沿敞开段地道侧墙敷设。设计冻土墙将排水施工区包围其中，以便在地道改建过程中利用冻土墙围护进行排水管路施工。

（5）预计冻土墙向外的水平冻胀位移为20mm，如果冻土墙直接与合流污水管接触，有可能因地层冻胀损伤合流污水管，因此，设计中要求冻土墙距离合流污水管不小于0.5m，并且在合流污水管上设置水平位移侧点，一旦合流污水管水平位移超限（10mm），通过在冻土墙与合流污水管之间钻孔泄压的方法，使合流污水管的水平位移控制在允许范围之内。

2.2冻结围护及坑底注浆加固设计

2.2.1冻结围护设计

大统路地道暗埋隧道改建冻结围护的坑底注浆加固设计见图2.1~图2.3。

1、冻结围护范围与冻土墙深度

冻结围护范围为沿新建暗挖段结构和排水施工区外边界。围护区成顶角约59°的平行四边形状，沿地道中心线净长度约23.4m，垂直于地道中心线的净宽度约29.7m。

围护冻土墙总深度（从地面算起）为20m，插入深部⑤1粘土层约4m。按基坑开挖深度6.1m计算，插入比为3.27。

2、冻结孔布置与冻土墙厚度

通道两端：采用单排冻结孔冻结，孔间距0.8m，按积极冻结时间40d计算，冻土圆柱扩展半径约1m，冻土墙厚度约为1.8m。

图2.1暗埋段隧道改建围护与坑底加固平面图

通道两侧：采用内排深孔、外排浅孔的双排孔冻结，其中内排垂直冻结孔深度20m，孔间距0.8m；外排倾斜冻结孔向外倾斜顶角为6.9°~7.7°，垂深12m，孔间距1.2m，按积极冻结40d预计，深度12m以下冻土墙厚度约为1.8m，深度12m以上冻土墙下厚上薄，下部最大厚度为4m，顶部最小厚度为2.7m。冻结管采用φ108×5~8mm低碳钢无缝钢管。

3、冻土墙平均温度与冻土强度指标

在地道东侧墙冻土墙外边界与合流污水管之间布置泄压孔。泄压孔深度初步确定为10m，以接近合流污水管底深度为宜，泄压孔间距初步确定为1.2m。泄压孔钻进及排土泄压在实测冻胀位移达到警戒值时进行。

5、测温孔及水文孔设计

在基坑四周每边冻土墙中部的内、外边界上各布置1个测温孔，合计布置8个测温孔，深度与邻近的冻土墙一致，为16~20m。

在基坑中部中心线上布置2个水文孔，水文孔间距5~8m，水文孔深度10m。

测温管和水文管规格与冻结管相同。在水文管上均匀布置10×200mm的导水孔。在水文管管口安装1.5”截至阀和水压表，用于地层内水压变化与冻土墙交圈后放水泄压。

2.2.2坑底注浆加固设计

采取振冲注浆法注浆，注浆材料为水泥—水玻璃双液浆。

2、注浆加固范围与注浆孔布置

基坑坑底地层注浆加固厚度为4.0m，加固深度范围为6.5~10.5m。平面加固范围为整个冻结围护区，面积约680m2。注浆孔布置间距为0.8m。

3、浆液注入量与加固土体强度指标

设计注入水泥—水玻璃浆液体积为需加固土体体积的15%~20%，要求加固后土体承载力Ps值不低于0.8MPa。

2.3主要冻结施工设计参数

（3）冻结孔采用串并联方式，深冻结孔每4个一组串联，浅冻结孔没4个一组串联。单孔盐水流量不小于6m3/h。

（4）冻结管和供液管规格：冻结管采用φ108×5~8mm低碳钢无缝钢管，内衬管对焊连接；供液管采用φ48×3.25mm焊接钢管。

（7）冻结需冷量：冻结管散热系数取250kcal/h•m2，降温区冻结管的散热系数取二分之一，冷量损耗取20%。计算冻结需冷量为

Q =1.2×0.108×3.1416×(20.0×69+12×39+16×73)×250

=30.69×104kcal/h。

主要冻结施工设计参数见表2.1。

表2.1主要冻结施工参数一览表

侧墙垂直冻结孔个数/深度

侧墙倾斜冻结孔个数/深度

暗埋段两端，深度从地板算起

布置在孔间距较大处冻土墙边界上，基坑四边各布置2个

侧墙冻结孔排距(孔口/孔底)

冰冻法加固的施工流程如下：

3.2.1冻结孔质量要求

根据施工基准点，按冻结孔施工图布置冻结孔。孔位偏差不应大于50mm。冻结孔钻进深度应确保冻结管能下到设计深度。

深冻结孔允许最大偏斜值为0.2m；深冻结孔允许最大间距为1m，浅冻结孔（斜孔）允许最大间距为1.5m；浅冻结孔与深冻结孔排距在开孔处不小于0.7m，在浅孔孔底处不小于2.0m。

冻结管和测温管耐压不低于1.0MPa。

冻结管、测温管和供液管规格见2.4节。

3.2.2打钻设备选型

冻结孔施工采用钻进法或夯管法施工，在地道内施工冻结孔时，为了避免孔内冒地下水，优先采用夯管法施工

冻结孔夯进采用D190夯管锤，选配6m3/min的空压机，电机功率为37kw。

3.2.3冻结孔钻进与冻结器安装

（1）开孔前必须摸清需保留的地下管线位置，避免被钻进损坏。

（2）采用水钻取芯开孔，φ160mm金刚石取芯钻头。

（3）按冻结孔设计位置固定钻机，正常钻进时用φ160mm三翼钻头，遇障碍物时改用牙轮钻头或用取钻头。

（4）为了保证钻孔精度，开孔段钻进是关键。钻进前5m钻孔时，要反复校核钻杆垂直度，调整钻机位置，并采用减压钻进。

（5）钻孔时采用优质泥浆作洗井液，防止钻孔坍塌。

（6）夯冻结管时，要先固定好滑槽，安放夯锤后使它能沿滑槽上下运动且保证夯锤不会脱离滑槽；管子夯进过程中接管时要用水平尺反复校准，以确保冻结管的垂直性。

（7）在下放冻结管前要根据设计孔深配好管子并编上号，按编号顺序焊管，以保证冻结孔达到设计深度。

（8）冻结管采用内称管对焊连接，以提高冻结管接头的强度。要求冻结管同心轴线重合，焊接时，焊缝要饱满，保证冻结管有足够强度，以免拔管时冻结管断裂。

（9）冻结管安装完毕后,用木塞等封堵管口，以免异物掉进冻结管。

（10）在冻结管内下入供液管，供液管底端连接0.3m高的支架。然后安装去、回路羊角和冻结管端盖。

（11）测温孔施工方法和要求与冻结孔相同。

（1）下好冻结管后，采用灯光测斜法测斜，并复测冻结孔深度。

（2）完成测斜后进行打压试漏。冻结管试漏压力控制在1.0～1.2MPa之间，稳定15分钟不降者为试漏合格。

3.3冻结制冷系统安装

3.3.1冻结制冷设备选型与管路设计

（4）设盐水箱一个，容积3.4m3。

（5）盐水干管和集配液管均选用ф219×7mm钢管，集、配液管与羊角连接选用耐压不小于1MPa的2"夹布胶管。

（6）在去、回路盐水管路上安装压力表、温度传感器和控制阀门。在盐水管出口安装流量计。盐水箱安装液面传感器。

（7）在配液圈与冻结器之间安装阀门，以便控制冻结器盐水流量。

（8）冻结器连接采用串并联方式，。

（9）冻结站冷却水新鲜用量为20m3/h。

（10）选用N46冷冻机油；选用R22制冷剂。

（11)冷冻循环盐水为氯化钙溶液，比重为1.260～1.265。

3.3.2冻结站布置与设备安装

站内设备主要包括配电柜、冷冻机组、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及清水池等。冻结站布置主要设备布置见附图。设备安装按设备使用说明书的要求进行。

3.3.3管路连接、保温与测试仪表安装

集配液圈与冻结管的连接用耐高压胶管，深冻结孔每4个一组串联，浅冻结孔没4个一组串联。每组冻结器均安装盐水控制阀门。

盐水干管和冷却水管路铺在地面管架上，法兰连接。

温度计、压力表和流量计安装要按有关规范进行。

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。

冷冻机组的蒸发器及低温管路用软质泡沫塑料保温材料保温，盐水箱和盐水干管用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料保温。

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。盐水箱内盐水不能太满，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。

3.4积极冻结与维护冻结

（1）在冻结运转期间根据冷却水温度和盐水温度，调节冷冻机的运行参数，以提高冷冻机的制冷效率。

（2）开冻后巡回检查冻结器结霜，如发现结霜不均匀或有融化的情况，采取调节控制阀门和放空气等措施解决冻结器盐水流量不均匀的问题。

（4）根据测温孔温度和水文孔水位监测结果，分析冻结壁的形成状况，包括冻结壁的交圈情况、平均温度和扩展厚度等。

（5）根据冻结壁温度监测并结合有限元数值模拟，预测冻结壁的发展趋势。如冻结壁发展速度不能满足设计要求，采取延长积极冻结时间和增加冻结供冷等补救措施。

（6）控制冻土壁均匀、对称发展。每天检测周围地层沉降，一旦发现有明显沉降，通过调整冻结冷量或打泄压孔释放冻胀变形。

（7）实测冻土壁厚度和平均温度达到设计要求，水文孔水位稳定上升，即可进行地道地板凿除施工。

（9）在积极冻结时，要停止冻结区内的排水管路过水，并尽量避免地层疏水，以免因流动水影响冻结壁形成。

（10）实测冻土墙厚度达到设计要求后转入围护冻结并进行基坑开挖，开挖前必须通过水文孔检查确认冻土围护结构内外地下水已隔绝。

（11）一旦实测合流污水管水平位移达到警戒值，在合流污水管与冻土墙之间钻进泄压孔。泄压孔用直径φ190mm的三叶钻头钻进，通过在钻孔内循环清水排土，释放水平冻胀力，并使冻土扩展与冻胀得到抑制。

3.5停冻时间、封孔与融沉注浆

完成暗埋地道结构施工后即可停止冻结。停冻后用水泥砂浆充填冻结孔。

在地层解冻过程中进行融沉注浆。融沉注浆技术要点如下：

（1）注浆过程应遵循多点、少量、多次、均匀的循序渐进原则。并应根据实测地层沉降情况调整融沉注浆参数。

（2）采用振冲法注浆，注浆工艺参照第4章内容。

（3）注浆材料以水泥－水玻璃双液浆为主，单液水泥浆为辅。水泥－水玻璃双液浆配比为：水泥和水玻璃的溶液体积比为：1：1，其中水泥浆水灰比为：0.8：1。水玻璃溶液采用B35～B40水玻璃加1～2倍体积的水稀释。水泥采用PO.42.5普通硅酸盐水泥。浆液凝胶时间为45～150s。浆液中可掺加少量粉煤灰和膨润土以提高可注性、降低收缩率。

（4）最大注浆压力<=0.2MPa；注浆速度20~40l/min；自下而上分段注浆，注浆段高0.2~0.33m，段内注浆量50~70l。总注浆量为冻土体积的15~20%。

（5）当一天地面沉降大于1.0mm，或累计地面沉降大于3.0mm时，应进行跟踪注浆；当地面或隧道隆起达到3.0mm时应暂停注浆。如一个月内每15天实测累计地面沉降不大于1.0mm可结束跟踪注浆。

注浆采用振动钻机将注浆管直接植入地层中，达到设计深度后自下而上分段提升注浆。

水泥浆：P.O.32.5（或P.O.42.5）普通硅酸盐水泥；水泥浆水灰比0.8:1～1：1。

水玻璃溶液：采用35~45波美度中性水玻璃，模数2.8~3.2，水溶液配比1:1.5～2.0。

水泥浆与水玻璃溶液混合比例为1：1。混合浆液初凝时间60～90s。

4.3注浆孔范围与注浆孔布置

按设计要求，注浆加固范围为整个基坑冻结围护区，注浆孔孔间距为0.8m，满堂布置。

4.4工艺流程与注浆顺序

测量放线定孔位→开孔与安装孔口管及阀门→振动钻机将钻杆振至设计深度→注浆→提升一段钻杆(330mm)→注浆……直至钻杆提到地道地板下注浆完毕。

从靠近轻轨立交一端开始注浆，第一遍隔孔注浆，第二遍注剩余注浆孔。在轻轨立交附近地层注浆时要严格控制注浆量，防止注浆堵塞附近地道盲沟系统。

4.5注浆工艺参数与注浆设备

注浆压力：控制在0.15MPa以下，可视地层受浆情况和地层沉降做适当调整。

注浆速度：注浆速度一般控制在20~40l/min左右，如地面有明显隆起，可能影响到周围管线和建构筑物安全，应降低注浆速度，或采取间隙注浆。

注浆量：初步估算每方土体注入浆液量0.15~0.2m3，每330mm段长注浆量0.05～0.07m3。

每m3混合浆液的水泥用量为439kg，水玻璃用量约为235kg。可用粉煤灰等量替代水泥，粉煤灰掺量为20～40%。

（2）主要注浆施工设备

开孔钻机 2台

4.6注浆安全质量控制

（1）以地面沉降量控制注浆量、注浆次数和是否加密注浆孔。当注浆引起邻近轻轨立交基础抬升达到2mm时停止注浆。

（2）严格按注浆工艺和注浆参数操作施工，注浆量严格控制在设计范围之内。注浆过程中密切注意对周围环境的影响，根据现场情况及时调整注浆参数，以便达到最佳注浆效果。

（3）准备棉丝、木楔等，以备注浆孔口冒浆封堵之用。

（4）钻注施工中如发现孔口涌水或严重返浆，应安装孔口止水装置。

（5）浆液凝固时间要满足设计要求，并严格控制注浆量，防止注浆扩散范围过大，堵塞附近地道盲沟系统。

（6）停止注浆时及时清洗注浆泵及管路系统，防止设备损坏与管路堵塞。

（7）设专人看管注浆压力表，防止注浆压力过大引起管路爆裂伤人。

（8）认真记录注浆情况，原始记录应作到全面、正确、及时。

5施工进度及资源配置计划

施工准备工期 7天

冻结孔施工及冻结系统安装 25天

冻结站安装 15天

盐水管路安装 5天

振冲注浆 25天（与冻结孔施工与盐水管路平行）

积极冻结 40天

维护冻结 按地道改建工期

封孔与冻结系统拆除 5天

合计（从钻孔到具备开挖条件） 70天

DL／T 5562-2019标准下载施工进度计划见表5.1。

水电用量见表6.1。钻孔和冻结期间装机容量最大分别为168kw和628kw，最大负荷分别为80kw和500kw。钻孔期间用水约2m3/h。冻结制冷期间新鲜冷却水补给量约为20m3/h。

冻结加固施工劳动力配备计划见表5.3。

打钻和安装工序平行作业，期间进驻施工现场施工人员最多约67人，其中施工管理人员7人，打钻36人，冻结安装与运转7人，注浆工10人，焊工4人，电工1人，勤杂2人。

5.4设备和材料供应计划

打钻和冻结施工设备分别按各自计划工期提前到达现场。通用材料和设备易损配件准备齐全建筑给水排水设计标准 GB 50015-2019，施工专用材料提前2天准备到位。需要特殊加工的专用设备器件按照设计要求提前加工以满足施工工期和质量的要求。设备及材料消耗见表5.4和表5.5。

表5.2水电用量供应表