垂直冷冻施工技术.doc

3-2-8垂直冷冻施工技术

1前言
1.1冻结法概述
1.1.1冻结法
冻结法是利用人工制冷技术，在地下开挖体周围需加固的含水软弱地层中钻孔铺管，安装冷冻器，然后利用制冷压缩机提供冷气，通过低温盐水在冻结器中循环，带走地层热量，使地层中的水结冰，将天然岩土变成冻土，形成完整、密闭、高强度的临时加固体，从而达到加固地层、隔绝地下水与地下工程联系的目的。然后，在冻结体的保护下进行地下工程的开挖施工，待衬砌支护完成后，冻结地层逐步解冻，最终恢复到原始状态。
1.1.2地层冻结技术的特点
同其它土体加固方法相比，冻结法具有以下优点：
1、冻结加固使土体中的大部分水分结冰，提高了土的强度，而且强度均匀。
2、整体支护性能好，冻结帷幕形成后，冻结帷幕内不会存在任何缝隙，是一个完整的支护体；封水效果好，可保证开挖工作面在无水条件下作业。
3、能适应不同的地质条件，冻结深度不受限制，而注浆、地下连续墙等方法对地质条件的适应能力差，而且其加固深度有一定的限制。
4、适应各种结构形状地下工程的施工。冻结加固体的形状、大小，可以根据需要灵活设计。
5、环保型工法。由于冻结法是一种临时措施，所冻地层最终要恢复到原始状况，因而能够保护城市地层地质结构和地下水不受污染。
6、施工方便，简单，经济上合理。国外的工程实例表明，冻结工程成本与其它施工（如注浆和旋喷）处于相同的数量级，而且随着加固深度的加大，冻结工法的经济性越来越来明显。
基于以上优点，冻结法在城市地下工程越来越受到重视，已经被广泛应用于地基基础工程、城市地铁、隧道工程、水利工程等市政工程中。
1.2冻结法的适用条件
根据相关资料及《建井工程手册》规定，冻结法主要适用于含水量超过10%，地下水速度不大于10m/d的软弱围岩隧道预加固工程中，遇有流砂、淤泥、卵石、砂砾等含水不稳定冲击层或裂隙中含水的岩层时都可采用。
目前冻结法在城市隧道工程中主要应用于：
1.盾构法隧道施工中，盾构进出洞土体加固。盾构进出洞时，承受着工作井附近土体产生的巨大地压和水压，可能导致涌水和土体坍塌。目前常用旋喷技术和注浆法加固土体，效果不够理想，常遇到注浆不均匀和盾构刀盘切削浆液结石体等困难，而冻结技术能有效地解决这些问题。
2.盾构法隧道施工中，地下或海底对接时土体加固。近年来，世界上许多国家的盾构隧道采用对头掘进，以缩短工期，除采用立井对接方式外，还采用不开凿立井而在地下或海底直接对接。
3.城市地铁泵房、旁通道和急转弯部分根据地铁设计要求，间距1km左右需在并排隧道间设立泵站。地下工程经常遇到旁通道和急转弯部分，因其施工距离短、形状不规整，采用盾构施工困难，且经济上不合理，各国常采用冻结法对周围土层加固，然后用矿山法掘进。
4.建筑基坑加固。基坑冻结加固具有加固体均匀，强度高，阻水性好，加固深度大等优点，因而，采用冻结技术加固基坑越来越受到重视。
5.地下工程涌水、坍塌事故的抢险修复。
6.地下隧道交叉处施工。
1.3冻结法的发展历史
人工地层冻结技术起源于天然冻结现象，在土木工程中的应用是随19世纪制冷机械设备的发展开始的。
冻结法的第一次应用是1862年在南威尔士(South Wales)的一个矿山竖井施工中，使用人工地层冻结技术加固基坑。该竖井穿越了含水地层，采用由SiebeGorman有限公司提供的乙醚制冷设备冷却盐水，盐水在埋设于地层中的冻结管路系统里循环。早期冻结法主要应用于采矿行业。1880年，德国的F.H.Poetch首先提出冻结法原理，并应用于煤矿开凿立井，1883年，F.H.Poetell在Schneidlingen开发煤矿，采用冻结法施工深103m的立井，并以此获得德国人工地层冻结法凿井专利。此后，该技术广泛应用于各国地下工程建设中。1885年在比利时，1888年，在美国Michigan，1892年在法国，1896年在奥地利，1900年在荷兰相继应用了冻结法。在这些工程中，开始仅冻结岩石顶部以上的表层饱和含水层，以使竖井达到下部的矿床。
冻结法初期应用得最多的领域是矿山工程，随着技术的成熟，逐步引入至城市隧道工程中。1886年瑞典一个长24m的人行隧道采用冻结法施工。1906年法国把冻结法应用于横穿河底地铁工程中。前苏联在70年代前，采用冻结法构筑了70个地铁斜井隧道。同矿山垂直孔冻结法相比，水平冻结或斜孔冻结的难度更大。瑞士苏黎士Milachounck公路隧道一段断面达146m2，宽度达15m，用每冻结段长度达35m共10段构筑了总长度达350m的隧道。80年代中期维也纳一段双轨地下隧道，水平冻结长度64m，采用相向钻35m水平冻结孔的方法安全建成。德国杜塞尔道夫一个115m的隧道单向钻冻结孔的方法进行了水平冻结。日本1962年首次在大阪市应用冻结法安全建成一个过河隧道，至今大约有340多项冻结工程，主要用于隧道、地铁、污水道工程等困难和特殊条件下的各类工程，其中最大的一项工程是80年代建设的东京地铁10号线和11号线冻结工程，在日本桥川河下施工，其冻结改良土体达37000m3，水平冻结长度47m，共计水平冻结管总长度达13750m。大阪交通局在该市地铁5号线工程中，也采用了冻结法确保盾构顺利出洞；日本东京湾隧道施工期间，川崎、木更津人工岛及浮岛八个盾构出洞工程都成功使用了冻结法，该隧道已于1998顺利通车。
我国于1955年开始应用冻结法凿井技术，迄今，应用冻结法共建造立井450多个，累计冻结长度70km之多，冻结法凿井所通过的第四纪地层最厚为383.1m(山东全桥煤矿副井)；穿过最厚表土层374.5m，最大冻结深度435m(河南永夏矿区陈四楼矿副井)；最大成井净直径8m；冻结深度超过300m的立井有50多个，其规模仅次于原苏联。1998年在北京地铁国贸站隧道进行的45m水平冻结加固的成功标志我国水平地层冻结施工进入城市地下工程的一个新阶段；1998年上海地铁2号线5个区间联络通道中有4个采用冻结法施工；2000年广州地铁1号线纪越区间过清泉街断层采用水平冻结，隧道长距离64m冻结取得成功，之后南京、深圳等地铁旁通道也相继使用了地层冻结法。地层冻结技术已全面进入我国城市地下工程领域。
2冻结设计
2.1确定冻结类型和冻结方法
按制冷原理，冻结法采用的冻结方式一般可分为直接冻结方式（直接冻结法）和间接冻结方式（间接冻结法）两类。
直接冻结方式一般靠低温液化气直接制冷，主要采用液氮冻结技术。液氮在常压下沸点为-195.8℃,气化潜热197.6KJ/kg，其理化性质稳定，是一种良好的制冷工质，和传统盐水——氨循环制冷相比，液氮冻结具有系统简单、低温、快速、高强等特点。目前使用的液氮温度通常在-196℃，经工厂加工后用储罐车将其运送到工地，并输入预先埋设在地层中的冻结管内，液氮在气化过程中大量吸收热量，使冻结管周围的地层冻结，经气化后的氮气逸入大气层后可自由扩散，浓度迅速降低。这类冻结方式由于直接冻结速度快，往往用于局部土体冻结或工程抢险中；同时由于其所需费用相对较高，目前仅用于处理规格较小的危急工程。
间接冻结方式又称盐水常规冻结法。采用这类冻结方式地面需建冷冻站，其内设有压缩调节制冷装置和输送泵，用氨、氟利昂等制冷剂通过制冷压缩机循环压缩制冷，使低温制冷剂与作为冷媒剂的盐水溶液进行热交换，将盐水冷却到-30℃～-20℃，输送到埋设在土层中的冻结管中然后回到冷冻站，经重新冷却后再输入冻结管，形成循环流动。冷却盐水在循环不息的流动过程中产生热交换，带走冻结管周围土体的热量，直至土体冻结，达到加固和稳定土体、封闭地下水的目的使冻结管周围的土层逐渐冻结，现形成冻土圆柱体，然后连成冻土帷幕，并达到设计规定的厚度和强度。盐水冻结法的费用一般较直接冻结法便宜，常用于冻土量大、施工期较长的工程。由于成本低，形成冻结帷幕均匀易于控制，已被工程界广泛采用。
2.2冻结参数的设计
冻结参数的设计包括冻结帷幕平均温度和厚度、冻结孔布置、积极冻结期时间、盐水温度等。
2.2.1基本冻结参数
盐水温度：积极期：-28ºC～-25ºC；维护期：-22ºC～-20ºC；
冻结帷幕平均温度：-8ºC；
冻结孔偏斜要求在0.15％以内，最大孔间距中部1.6m，边部1.1m；
冻结管选用Φ127×4.5mm无缝钢管。
2.2.2冻结帷幕厚度
对于城市地下工程冻结方案设计而言，可采用如下步骤和方法来确定冻结帷幕的计算厚度。
①垂直冷冻中，冻结帷幕厚度主要受地面荷载和埋深的影响，地压是确定冻结帷幕厚度的主要考虑因素。通过计算求得冻结帷幕处最大地压。
②根据地下工程埋深不同，结合现有施工经验和工程类比，初选一个合适的冻结帷幕平均温度值。通常埋深小于200m时，平均温度选-7～-8℃；当深度大于200m时，且深部有厚层粘土层时，通常选用较低的平均温度，常用-10℃的平均温度。根据选定的平均温度和试验资料或有关经验公式，求得砂土层及一些粘土层的计算强度值。
③冻结帷幕厚度的初步计算。一般而言，水平冻结工程冻结帷幕厚度取值更多依赖于类似工程经验，但也可根据选定的控制砂层深度、地压大小、该处的荒径大小和土层的强度指标，用拉麦公式求出冻结帷幕的初选厚度作为参考：
（2-1）
式中：——冻结帷幕计算厚度，cm；
——筒掘进荒半径，cm
——计算层位的地压，Pa
——系数，
——冻土的允许抗压强度，一般取用瞬时单轴抗压强度的1/2.5～1/5；砂土取小值时，粘土取大值
（2-2）
—冻土瞬时极限抗压强度；
—安全系数
当冲积层较厚，地压值较大时，按多姆克公式计算。
（2-3）
式中：——系数，用第三强度理论时＝0.29，＝2.3；用第四强度理论时＝0.56，＝1.33
④平均温度核算。
冻结帷幕的平均温度是确定冻结帷幕强度和稳定性的基本参数之一。从工程应用出发，一般取最大地压水平的冻结孔间距处的主、界面冻结帷幕平均温度的平均值作为冻结帷幕设计核算的依据，可参考煤矿系统相应的经验公式（如式2-4）。冻结帷幕平均温度能否达到按②中选用的平均温度值。
（2-4）
式中：——冻结帷幕有效厚度中的平均温度；
——盐水温度，℃；
——冻结孔间距，m；
——冻结帷幕厚度，m；
——经验系数，=0.25～0.3；
——计算水平的井帮温度，℃,根据要求或经验给出。
上述计算是针对砂层进行的。用上述方法得到的冻结帷幕厚度和实际施工可能有一定偏差，可在施工中进一步调整。
2.2.3冻结孔布置
冻结孔的间距和偏斜率是影响冻结孔布置圈直径的主要因素。开孔间距直接影响冻结孔的数量，终孔间距直接影响冻结帷幕的形成时间及其平均温度。
冻结孔布置圈直径
（2-5）
式中：——冻结孔布置圈直径，m；
——立井开挖直径，m；
——冻结帷幕厚度，m
——钻孔偏斜率，一般取0.3%~0.5%；
——最大地压层位的冻结的水平长度，m
冻结孔数量：
（2-6）
式中：——冻结孔计算个数；
——冻结孔布置圈直径，m；
——冻结孔开孔间距，m；立井冻结工程中，冻结孔开孔间距一般为1～1.3m。
确定冻结孔数量后，进一步核算冻结孔开孔间距
（2-7）
2.2.4积极冻结期时间
积极冻结期是指冷冻站投入正式运转后，在最大地压水平的冻结管最大间距处，冻结帷幕扩展到设计厚度和强度的时间。积极冻结期时间主要与冻结孔的间距、盐水温度、土层性质、冻结管直径、地表温度等有关。
根据已有的冻土扩展速度推算冻结时间参考经验公式如式（2-8）。
（2-8）
（2-9）
式中：——积极冻结期的推算天数，d
——要求冻结圈的扩展半径，mm；
——在估算冻结时间内的冻土的平均扩展速度，mm/d；
——最大地压处的冻结孔的最大间距，m；
——冻结帷幕的厚度，m。
2.2.5冷冻系统
①制冷设备
我国冻结施工所采用的制冷压缩机主要有活塞式和螺杆式两种，其中，螺杆式是回转式压缩机的一种，它只有旋转运动部件，没有往复运动部件，动平衡性好，性能稳定，制冷量大，可持续时间长。
冻结法一般采用串联双级压缩制冷。串联双级压缩制冷较单级压缩制冷具有以下优点：采用二次压缩和中站冷却，降低了压缩机的压缩比和排气温度，从而降低由于余隙容积、气缸壁与压气之间的热交换、泄漏所造成的容积损失，从而提高了压缩机的容积效率，消耗于压缩机的功减少。当冷却水温度过高，造成冷凝压力与蒸发压力之比≥8时，压缩机供给效率减小，制冷能力降低，采用单级压缩制冷是不经济的；当冷却水温度超过25℃时，单级压缩制冷的排气温度高达130℃以上，压缩机不能正常运转，盐水温度难以下降，影响冻结。而采用串联双级压缩制冷可以改善压缩机运转条件，提高制冷效果。当受到冷冻设备限制或冻结初期及维护冻结期要求的盐水温度较高时，可考虑单级压缩机制冷，但冷却水不应超过25℃。
②盐水系统
传统冷却剂采用盐水，一般是比重为1.24～1.28的氯化钙水溶液，也可采用氯化钠、氯化镁或氯化锂溶液，盐水的结晶点必须比用于地层冻结的极限温度至少低5℃。
溶液体积根据冻结管、盐水干管、集配液圈、蒸发器的盐水箱容积确定。
（2-10）
式中：——氯化钙溶液总体积，m3；
——冻结管总容积，m3；
——盐水干管、集配液圈总容积，m3；
——盐水箱总容积，m3。
固体氯化钙的需有量配制
（2-11）
式中：——固体氯化钙的需用量，kg；
——单方溶液中固体氯化钙的含量，kg/m3；
——氯化钙溶液总体积，m3；
——固体氯化钙纯度；一般无水氯化钙取96%，晶体氯化钙取70%。
③冷却水系统
冷却水的温度和量与冷冻站的正常运转、压缩机的制冷效率、盐水温度有直接关系。如果冷却水温度高或水量不足，导致压缩机的排出温度、压力过高，使操作维护困难，制冷效率低，同时，盐水温度达不到设计要求，势必延长冻结时间，冻土强度低，降低施工安全性。
冷却水的需用量
（2-12）
（2-13）
（2-14）
式中：——冷冻站总需用水量，m3/h
——冷凝器需水量，m3/h
——冷冻机的冷却水套需水量，m3/h
——冷凝器总热负荷，近似计算时可取冷冻站制冷能力的1.25倍
——冷凝器进、出口水的温差，一般取3~5℃
——冷冻机台数
——单台冷冻机的冷却水套需水量
3垂直冷冻施工
冻结法施工技术的主要工序：钻孔→冻结器铺设→冷冻系统安装→冻结制冷→隧道开挖和衬砌。
3.1冻结孔成孔
应根据施工设计规定的孔位、孔径和孔深钻孔。冻结孔一般布置在以竖井井筒中心为圆心的圆周上，其直径由井筒直径、冻结深度和冻结帷幕设计厚度等确定。钻孔直径应比冻结管外径大10mm。钻孔深度应比冻结管深度深0.5m以上。
钻孔垂直度应满足以下要求：
（1）在冲击层中偏斜率不超过0.3%，且在最终成孔后冻结管管底间距不超过3m；
（2）在分化带及含水基岩中偏斜率不超过0.5%，且冻结管管底间距不大于5m；
（3）钻孔过程中应经常测斜，偏斜值超过规定时，应及时纠正；冻结管管底最大间距超过规定时，应进行补孔，成孔后应对不同水平面绘制偏斜平面图。
3.1.1钻机
浅埋隧道冻结孔要求钻机尺寸小、占用空间小，并且钻机操作要方便，重量要轻，移动要灵活，扭矩和推力要尽量大。冻结施工钻孔可采用改进后的坑道钻机，也可采用XQ-100型地质钻机，斜孔可采用斜孔地质钻机成孔。
3.1.2钻头和钻具
冻结孔钻进一般采取跟管钻进，一边钻孔一边铺设冻结管，即采用将冻结管兼做钻杆的工艺方法，钻孔完毕后，钻杆留在钻孔内作为冻结管，这样可防止发生钻孔塌孔。
跟管钻进要求钻头和钻杆连接部位密封，确保在钻进过程中钻杆内的泥浆通畅，达到泥浆护壁的目的。待钻孔完成后，对钻杆进行加压试漏，测试合格后作为冻结管使用。
用作冻结管的钻管需注意以下方面：
（1）用作冻结管的无缝钢管，壁厚应不小于4mm，管子外径宜为127mm～159mm；
（2）冻结管使用前应做耐压实验，如复用旧管，应全部通过检查予以鉴定；如采用新管，可按比例抽查，实验压力7MPa，无渗漏现象为合格；
（3）冻结管使用前应除绣；
（4）冻结管管端可采用加厚的锥形丝扣管箍或焊接管箍连接；
（5）冻结管底部应设有密封挡板，并焊有由钢板卷成的底锥，制成后应进行耐压实验，实验压力也为7MPa；
（6）冻结管送入冻结孔就位后，使用前应先进行检漏试验。实验压力取为全冻结管盐水与清水柱压力差及盐水泵工作压力之和的2倍，30min后如压力下降不超过0.05MPa，再延续15min压力可保持不变者为合格。
3.1.3钻进
每孔开钻前对钻机进行稳平找正，使起吊天轮与回转通孔及孔位点三点一线，并对钻机不带负荷试运转三分钟，对油路及浆液循环系统，进行详细检查是否畅通。
泥浆系统是导向孔钻进过程中的又一关键环节，泥浆作为冷却钻头、悬浮钻屑的流动体，以膨润土及外加剂为原料按一定比例搅拌而成，不同地层对泥浆粘度有不同要求，采用马氏漏斗粘度进行测定，膨润土泥浆适宜环境PH值控制在8.5～10；粘土层中粘土有一定自稳能力，膨润土泥浆粘度在30秒左右，粉细砂层中采用进口易钻膨润土外加少量聚合物，马氏漏斗粘度控制在40秒左右。施工中如发现漏浆，粘度应适当加大。泥浆泵量和泵压均应根据钻孔穿越的地层情况和钻孔的偏斜情况适时进行调整，以达到控制钻孔偏斜、泥浆护壁、防止塌孔的目的。
开钻时为确保钻孔垂直度，探明地下是否有管线及障碍物，前5m应轻压慢转，然后调整地层所需要的钻压及转速。
钻孔一径一次到底，钻孔深度不能小于设计深度，也不能大于0.5m，钻孔到底后如不漏浆停钻冲孔3分钟，减少孔底沉渣、保证冻结管下放深度。
钻孔完成后即时将冻结孔内灌满清水试压验收，初试压力1.0MPa，前5分钟降压值不大于0.05MPa，再持续25分钟不降压为合格。
3.1.4测斜
钻孔过程中应经常测斜，偏斜值超过规定时，应及时纠正；冻结管管底最大间距超过规定时，应进行补孔，成孔后应对不同水平面绘制偏斜平面图。
开孔测斜：在完成井口管钻进后进行的测斜，用于防止因井口管偏斜导致下部钻孔大量偏斜、井口管深度一般为10m～15m，偏斜率应控制在0.05%以内；
段距测斜：在钻进过程中要经常进行的测斜，一般每钻进10m～20m测斜一次；
定点测斜：在容易发生侧移的钻孔区段上进行的测斜，用于监测地层或钻孔直径发生改变时钻孔的垂直度；
终孔测斜：钻孔达到一定深度后，在插入冻结管以前，对整个钻孔进行一次测斜，一般每10m～20m测一点；
目前可供采用的测斜设备有带有定点器经纬仪的灯光测斜仪和陀螺测斜仪。
3.1.5钻孔偏斜控制
钻孔偏斜的原因很多，大致分两类：
⑴客观原因，即地层软硬不均，倾角不同，地层中存在裂隙、空洞或薄弱带。
⑵主观原因，即操作技术不正确、导向管安装不正、钻孔角度设定不准确、钻压太大、泥浆质量不好等。
钻孔偏斜控制主要包括防偏和纠偏两个方面。水平冻结钻孔通过安设在孔口的导向装置和在钻孔过程中调整钻机位置、角度和钻孔工艺来控制钻孔偏斜。
3.2冻结器的铺设
冻结孔成孔后就可及时安装冻结管，冻结管可采用Φ127×4.5mm无缝钢管，地面制冷供液管道按单排冻结孔串联，然后再采用并联方式，主供液管可采用聚乙烯塑料软管，也可采用Φ159×5mm无缝钢管，回液管亦采用同样方式反向设置。制冷供液管道的安装时须确保供液管道的密封性和隔热性。
3.3冷冻系统安装
3.3.1冷冻站位置的选择
在浅埋隧道冻结施工中，冷冻站设在地下或是地面均可。冷冻站设在地下，由于靠近工作面，冷量损耗低，管路和保温工程量小，便于集中管理，而且噪音对地面环境影响小，但供电线路损耗大。相反，冷冻站设在地面，如果冻结施工现场出现问题，则不便于及时采取解决的措施。
3.3.2冷冻系统的安装和调试
冷冻系统安装包括冷冻机组、盐水与清水系统、供电与控制线路的安装等，通过冷冻系统的整体调试，使冷冻系统的各种设备达到正常运转所要求的指标。冷冻系统安装过程需注意以下方面：
（1）冷冻站房屋宜用防火材料建造，室内应通风良好，并有防火防毒安全设施及避雷装置；
（2）冷却水取水井必须设在冻结井地下水流的上方，与冻结井的距离应大于抽水影响半径，冻结过程中影响冻结的所有水井均应停止使用；
（3）盐水管路安装完毕后应试通水；
（4）地表环形冷冻沟槽（供冻结管出露用）净高以1.8～2.0m为宜，底部应在地下水位以上，并有排水设施沟槽顶部有保暖和防水设施；
（5）低温系统应隔热防潮，正常情况下，冷量损失不得超过冷冻站工作制冷能力的20%；
3.4冻结制冷
冻结帷幕厚度是依据设计冻结帷幕的平均温度来判定的，进而可指导隧道是否达到开挖条件，而冻结帷幕的平均温度可以相邻单圈冻结孔的单圈冻结帷幕的温度场交圈处的温度来反应。
根据工程具体情况布置相应数量的测温孔，在冻结管内分不同的高度，按地层岩石的分界面分别设置测温点，测温可采用SY-2型测温仪和PN结半导体温度传感器来量测。
冻结施工期间对整个冻结帷幕的温度发展进行监测，用以修正冻结制冷的各种施工参数。
形成冻土帷幕的时期称为积极冻结期，这一时期开始时系统正式启用，冷却盐水开始循环流动。应注意使盐水温度尽可能低，并昼夜不停的送入冻结管，以便在最短时间内形成厚度和强度达到规定要求的冻土帷幕。在冻结期内应加强观测，满足下列要求后可进行井筒试挖：
（1）水文观测孔内的水位已经有规律上升并且有水冒出来；
（2）测温孔内的温度已经明显下降，并且已满足设计要求；
（3）按冻结速度及平均温度推算，地层冻结帷幕厚度和强度已经满足设计要求；
维护冻结期冻土帷幕形成后，在维护冻结期内仍需对系统供给冷量，使冻结帷幕厚度和强度在竖井施工期间始终满足设计要求。
3.5隧道开挖和支护
冻结帷幕是否形成、能否开挖要根据测温孔的温度资料，去回路盐水温度状况等来综合判定。对于冻结工程而言，冻结帷幕的平均温度达到设计温度，同时去回路盐水温差变化较为稳定时，即可以开挖。同时开挖过程中，还须加强测温孔的温度监测和去回路盐水的温度监测，并以此来安排隧道掘进的循环进尺和掘进速度以及维护冻结期的时间。
3.5.1隧道开挖
冻结达到开挖条件后，即可以开始隧道内掘进施工，隧道开挖依然采用短台阶法施工，台阶长度控制在5～7m，开挖循环进尺1.0m，初期支护在开挖出碴完成后立即进行，开挖暴露时间控制在12小时内。岩石部分仍采用微差控制爆破开挖，与正常区间隧道开挖相比，只是调整了装药量和炮孔深度。
3.5.2初期支护的结构形式
目前，在浅埋隧道施工中往往采用复合式支护结构。初期支护结构形式：钢拱架+钢筋网+喷射混凝土。厚度在200～300mm，混凝土标号为C20。钢筋格栅与冻结体之间填充密实，不留空隙。
在冻结段施工期间，喷混凝土宜采用湿喷混凝土施工，混凝土是在地面拌合，拌合后的混凝土成品温度平均为40℃，而冻结法施工段的掌子面平均温度为0～4℃，气温较低，需要解决混凝土在较高温度下拌合，较低温度下使用的问题，同时还需避免由于冻结低温而产生的温度应力引起的混凝土开裂的问题。针对这些问题，现场需要对混凝土的配比选择进行对比试验，可采取如下措施：
（1） 增加水泥用量，以提高混凝土的强度保证率；
（2） 掺入防冻剂，以提高混凝土的强度保证率；
（3） 选用能适合较低温度环境的速凝剂。
混凝土的配比如下表所示：
表3-1 防冻混凝土配合比
水灰比
配合比
含砂率
塌落度
8604速凝剂(%)
FDN-KD防冻剂(%)
0.4
1:1.75:1.62
52
18
4.0
2.5

3.6施工监测
3.6.1冷冻系统监测
①去回路盐水温差监测
根据去回路的盐水温差，可判断冻结体的发展情况。
②去回路盐水流量监测
观察冻结系统盐水循环情况，应在去回路盐水干管、供液管处安装流量计。
3.6.2地层温度监测
冻结过程中应定时定人监测测温孔内不同位置的温度，根据测温结果，计算冻结峰面的发展位置，预测冻结体的扩展情况。
3.6.3变形监测
为了全面掌握水平冻结过程中隧道暗挖施工的地层变化情况，应在原有施工监测的基础上加密测点和观测次数，监测项目包括地面升降以及拱顶与拱脚变位。
在冻结施工区域应设置一定数量的沉降观测点，以显示冻结期间冻胀引起的地面隆起、隧道开挖时涨沉交替，停止冻结后的融沉。
此外，如果冻结工程周边有重要建筑物，也应在建筑物附近设置沉降观测点，并需在冻结施工前开始观测，以确保建筑物的安全。
3.7冻涨融沉的控制措施
土层冻涨主要是土层中的水结冰膨胀引起，影响冻胀因素除含水量多少外，还与冻土压力大小、冻结速度快慢、冻结温度高低、冻土中水量补给状况等因素相关。冻土的融沉是相对冻涨产生的，因为冻土融化后，土中水份因自重作用渐小，融土在压力及土颗粒自重作用下，压缩体积引起融沉。所采取的主要控制措施如下：
（1） 加强冻结帷幕温度、厚度监测，及时调节冻结盐水温度和冻结时间，并尽可能采用间隔制冷措施；
（2） 加快盐水降温速度，加大盐水流量，以利加快冻土发展进度，减少冻土的水份迁移，即减少冻涨；
（3） 在隧道开挖过程中，根据揭露地层情况在软土、粘土中预埋或预留注浆孔，在冻结壁融化时，视融沉发展情况及时跟踪压密注浆控制融沉；
（4） 在地面和开挖隧道断面内布设测点，跟踪监测地面及冻结帷幕井帮的位移情况，及时分析，及时处理，视情况可采取液氮冻结补强，卸压或注浆等措施控制位移，以减少冻涨和融沉对工程施工和周围环境的影响；
（5） 冻结停冻后及时回收供液管和冻结管，用比重1.6～1.7的水泥浆充填。
4劳动力组织
4.1主要管理人员
表4-1 主要管理人员表
职 务
人 数
备 注
项目负责人
1

项目总工程师
1

钻孔项目副经理
1

冻结项目副经理
1

专业技术工程师
2
可根据任务调整
4.2施工劳动人员配置
冻结施工时，工种及人数配置见表4-2。
表4-2 主要施工人员表
工 种
人 数
备 注
打钻工
40
可根据任务调整
电焊工
4
可根据任务调整
冻安工
20
可根据任务调整
机修工
2
可根据任务调整
电 工
2
可根据任务调整
辅助工
5
可根据任务调整
5机具设备配置
5.1钻孔机具设备及附属设备的选型与配置
表5-1 钻孔设备表
名 称
型号或规格
数 量
运行容量
钻 孔
钻 机
MK-5
1台
30kW
泥 浆 泵
－
1台
10
激光测距仪
－
1台
－
5.2制冷设备的选型与配置
表5-2 制冷设备表
名 称
型号或规格
数 量
运行容量
冻 结
冷 冻 机 组
YSLGF300
1台
218 kW
清 水 泵
IS125-100-250
2台
18.5 kW
盐 水 泵
200S42A
2台
22 kW
冷 却 塔
NDBL3-500
2 台
8
盐 水 箱
5m3
1台
－
6质量控制要点
6.1钻孔施工的质量控制要点
① 定位准确，按照测量组现场的放样进行施工。
② 保证精度，一般控制在0.3%以内。
③ 保证设计深度。
6.2冻结实施阶段的质量控制要点
① 保证在积极冻结期内在规定的时间内达到土体的冻结。
② 加强监测，判断冻结体的发展情况，并根据监测结构及时调整冻结参数。
7安全注意事项
7.1施工现场的安全措施
① 制度和实施安全生产责任制，建立健全各项规章制度，并严格执行。
② 建立安全生产保证体系，管理有力，保障运行。
③ 组织工程项目施工的安全教育和技术培训，特殊工种作业人员必须持证上岗，并进行开工前技术考核。
④ 建立安全检查制度，实行安全生产奖惩制，消除事故隐患，引导职工齐抓共管，提高其安全生产的积极性。
⑤ 编制和呈报安全计划、安全技术方案和安全措施，做到组织、制度、措施之落实。
⑥ 设备使用期间要加强维修和保养，保证设备完好率和使用率及安全运行。
⑦ 施工现场临时用电要有施工组织设计和方案，健全安全用电管理制度和安全技术档案。
⑧ 加大安全投入、安全警示牌醒目，安全设备完备，满足安全生产需要。
7.2施工机械的安全措施
① 钻机、泵及冷冻设备管路必须试运转，确认机械性能和各种阀门管路完好后，方准施工。
② 时检查各种机具以及机电设备的安全可靠性，发现隐患及时处理。
③ 检修必须在配电处，检修处设置检修停用警示标志。
7.3施工用电的安全技术措施
① 施工现场必须采用“三相五线制”TN-S系统布线，两级漏电保护，三级配电措施。做好过电流保护、PE保护和漏电保护。
② 全部用电设备必须执行“一机一闸一漏一箱”制。
③ 电工必须持证上岗，禁止无证操作。
④ 发现用电事故隐患，须及时向上级领导汇报，按“三定”（定人、定时间、定整改措施）原则，由用电专业人员整改落实。
⑤ 统一布设线路，杜绝私拉乱接现象。
⑥ 工作中经常巡查工地，检查电源线路、照明、电器开关及设备运行情况，发现隐患立即排除。
⑦ 电工进行操作时，必须切断电源，严禁带电作业，并设置警示标志。
⑧ 操作高压电气设备主回路时，必须带绝缘手套，穿电工绝缘靴，并站在绝缘板上。
8工程实例
8.1工程简介
上海市地铁2号线陆家嘴站至河南中路站区间隧道联络通道（以下简称旁通道）位于两站区间隧道中部，作为地铁运营中隧道的集排水泵站和上下行隧道间的安全联络通道。其结构由两个与隧道相交的喇叭口、通道和泵站组成。从提供的地质柱状图、土工试验结果和地基土的物理力学性能指标可以看出，旁通道附近主要为黏性土，在该地层内进行联络通道开挖构筑时天然土体本身难以自稳，必须先对开挖影响范围内的土体进行冻结加固处理。
8.2施工情况
该工程根据实际情况选择的是“隧道内水平冻结加固土体，隧道内开挖构筑”的施工方案。
8.2.1积极冻结
设备安装完毕后进行调试和试运转。在试运转时，随时调节压力、温度等个状态参数，使机组在有关工艺规程和设计要求的技术参数条件下运行。在冻结过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻土帷幕扩展情况，必要时调整冻结系统运行参数。冻结系统运转正常后进入积极冻结期，要求10d降温至-24℃以下。
8.2.2试挖与维护冻结
在积极冻结期，根据实测温度数据判断冻土帷幕是否交圈和到达设计厚度，测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度后在进行探孔试挖，确认冻土帷幕内土层基本无压力后在进行正式开挖。正式开挖后，根据冻土帷幕的稳定性，进行维护冻结期，但盐水温度不得高与-18℃。
掘进采用短段掘砌技术，开挖步距控制在0.3～0.5m；两端喇叭口处断面较大，由于冻土强度高，韧性好，采用风镐开挖，风镐尖部做了特殊处理。在掘进施工中根据揭露冻土的冻结效果和监测信息，及时调整了开挖步距和支护强度，确保了施工安全。在开挖过程中，还及时对暴露的冻土墙进行了保温。
隧道全断面采用两次支护方式，初期支护（临时支护）采用预应力钢支架木背板，第二次支护（永久支护）采用现浇钢筋混凝土。永久支护与木背板临时支护之间铺设油毡或其他防水卷材，并进行壁间注浆。联络通道开挖后，为控制地层位移的发展，以及防止冻土帷幕内侧局部融冰和片帮，及时进行了支护。
临时支护采用18号工字钢加工的直腿拱形支架和矩形支架.钢拱架为封闭形式,每道支架中部加一根横撑.拱形支架的间排距相对应,为0.3～0.5m;相邻支架间有纵向拉杆,以增加整个支护体系的整体性和稳定性.
永久支护为钢筋混凝土结构.为了减少混凝土施工接缝,联络通道开挖和临时支架完成后,一次连续进行浇注.上部结构施工完成以后,开挖集水井. 集水井开挖到设计的深度时,首先对集水井底板进行封底浇注,然后一次完成集水井的钢筋混凝土浇注施工.
在开挖和临时支护过程中，布设通道收敛变形测点，及时掌握冻结壁的位移和发展速度，通过调整开挖步距和支护强度来控制冻结壁位移量，确保施工安全和进度。
8.3工程经验
本工程在施工中取得了一系列的数据，主要数据如表8-1和表8-2：
表8-1 冻结技术指标参数表
项目
指标参数
冻结孔交圈时间
22～25mm/d
冻土平均扩展速度
28～30mm/d
积极冻结期
35d
维护冻结期
30d
掘进时间
30d
表8-2 冻结工艺参数表
项目
指标参数
积极冻结期盐水温度
－24℃
维护冻结期盐水温度
－18℃～－20℃
盐水循环总量
100m3/h
冷却水循环总量
198 m3/h
新鲜水补充量
20 m3/h