大桥局06标联络通道冻结法施工设计方案

'苏州轨道交通四号线工程Ⅳ-TS-06标盾构区间联络通道及泵房工程（十全街站~竹辉路站区间）冻结法施工设计方案中国铁建大桥工程局集团有限公司苏州轨道交通Ⅳ-TS-10标项目经理部（总包单位）建基建设集团有限公司（专业分包单位）二零一五年二月I 苏州轨道交通IV-TS-06标十全街站~竹辉路站区间联络通道及泵房工程冻结法施工设计方案目录1设计依据12工程概况22.1工程简况22.2工程地质32.3水文地质42.4土层物理力学性质52.5联络通道地面情况73施工方案设计103.1方案设计的基本原则103.2方案设计的主要技术要点104冻结帷幕设计124.1冻结帷幕力学模型124.2各截面的弯矩及轴力134.3强度校验、安全系数校验145冻结孔布置156制冷设计156.1通道冻结参数确定156.2冻结需冷量166.3冻结制冷设备选型166.4管路选择176.5用电负荷176.6其他17I 苏州轨道交通IV-TS-06标十全街站~竹辉路站区间联络通道及泵房工程冻结法施工设计方案1设计依据(1)《苏州轨道交通工程建设旁通道施工管理办法》（2014）；(2)《苏州轨道交通工程建设旁通道施工技术指南》（2014年修订版）；(31)《苏州轨道交通工程建设旁通道施工控制流程图》（2014年）；(4)《苏州轨道4号线(主线)（十全街站～竹辉路站）区间岩土工程详细勘察报告》；(5)《苏州轨道4号线十全街站～竹辉路站区间隧道设计图》；(6)《苏州轨道4号线十全街站～竹辉路站区间联络通道及泵房设计图》；(7)《钢结构设计规范》(GB50017-2003)；(8)《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)；(9)《地基基础设计规范》(GB50007-2002)；(10)《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)；(11)《旁通道冻结法技术规程》（DG/TJ08-902-2006，J10851-2006）；(12)《地下工程防水技术规范》（GB50108-2008）；(13)《锚杆喷射混凝土支护技术规程》（GB50086-2001）；(14)《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)；(15)《钢筋混凝土用钢第1部分：热轧光圆钢筋》（GB1499.1-2008）；(16)《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》（GB1499.2-2007）；(17)《碳素结构钢》（GB/T700-2006）；(18)《钢筋机械连接技术规程》（JGJ107-2010）；(19)《钢筋焊接及验收规程》（JGJ18-2012）。5 苏州轨道交通IV-TS-06标十全街站~竹辉路站区间联络通道及泵房工程冻结法施工设计方案2工程概况2.1工程简况为了满足区间紧急疏散的要求，十全街站～竹辉路站区间在里程右DK13+703.999（左DK13+703.999）设置联络通道，联络通道与废水泵房合建。联络通道及泵房开挖前采用洞内水平冻结法加固，然后采取矿山法施工。联络通道线间距15.50m，联络通道处隧道中心标高-13.844m，隧道中心埋深17.65m左右。联络通道为直墙拱形断面，复合式衬砌结构，其暗埋段净宽设计为2.50m，净高2.75m，泵房集水池有效容积为15立方米。联络通道初期支护采用250mm厚C25网喷射混凝土，二次衬砌为厚度为400mm的C35、P10模筑防水钢筋混凝土。初期支护与二衬之间设EVA防水层，带泵房联络通道在通道结构层底部埋设二根DN200mm不锈钢管连接左右线隧道与泵房。联络通道结构图如下图3-1及图3-2所示。图3-1联络通道及泵房立面结构图5 苏州轨道交通IV-TS-06标十全街站~竹辉路站区间联络通道及泵房工程冻结法施工设计方案图3-2联络通道及泵房平面结构图2.2工程地质据十全街站～竹辉路站区间地质勘察资料，工程所在场区位于苏州市区，地貌类型单一，属长江三角洲冲湖积平原。场区内地势平坦、水系发育，系典型的江南水网化平原。本区间无重大不良地质作用，联络通道与废水泵房处的土层自上而下依次为：①2杂填土层、③1黏土层、③2粉质粘土层、④1粉质粘土层、④2粉土层、⑤1粉质粘土层、⑥2粉质粘土层、⑦2粉土层。根据勘察报告的地震效应分析显示，工程所在场区按抗震设防烈度7度时，可不考虑地震时地基土的液化和软土震陷的影响。本区间联络通道所处地层为④1粉质粘土层和④2粉土层。联络通道地质剖面图如图3-3所示。5 苏州轨道交通IV-TS-06标十全街站~竹辉路站区间联络通道及泵房工程冻结法施工设计方案图3-3联络通道兼泵房地质剖面图2.3水文地质苏州市属于亚热带季风气候，雨量较大，轻度潮湿，据近年来搜集的资料，1999年以前苏州历史最高洪水位为2.49m（1954.7.28），最低河水位为0.01m（1934.8.27），常年平均水位为1.00m。据勘察结果，工程沿线地下水分为松散浅层孔隙潜水和松散岩类孔隙（微）承压水。勘察期间实测潜水水位标高为1.33～1.40m，近3～5年来最高潜水位标高为2.63m，潜水位年变化幅度为1.0m左右。微承压水主要赋存于④2粉土层中，承压水主要赋存于⑦2粉土层中。近3～5年微承压水水位标高为0.90m左右、地下水年变化幅度约为1.0m，承压水水位标高一般在-1.57～-1.43m之间。工程沿线场区地下水环境类型为Ⅱ5 苏州轨道交通IV-TS-06标十全街站~竹辉路站区间联络通道及泵房工程冻结法施工设计方案类。根据沿线场区及附近未发现环境污染源。根据水质分析报告判定：工程沿线场区浅部地下水和地基土对混凝土具有微腐蚀性、在干湿交替条件下对钢筋具有弱腐蚀性、在长期浸水条件下有微腐蚀性。地下水不良作用主要表现为掘进工作面的流砂、涌水、坍塌等现象。2.4土层物理力学性质土层物理力学性质见表3-15 苏州轨道交通IV-TS-06标十全街站~竹辉路站区间联络通道及泵房工程冻结法施工设计方案层号及土层名称含水量ω（%）重度(kN/m³)孔隙比e压缩性基床系数K（MPa/m）固结系数10-3cm²/s静止侧压力系数K0直剪（直快）直剪（固结）渗透系数α1-2(MPa-1)Es1-2（MPa）C(Kpa)Ф(度)C(Kpa)Ф(度)垂直KV(cm/s)水平KH(cm/s)垂直水平垂直水平③1粘土24.820.00.7090.2357.4430.034.03.4343.1250.4751.312.160.915.33.4E-074.0E-07③2粉质粘土29.319.40.8230.3345.7518.020.03.2633.2770.5125.311.430.014.14.5E-065.2E-06③3粉土28.119.30.7840.16811.2524.026.011.0110.630.418.727.68.730.81.74E-03④1粉质粘土31.418.90.8970.3745.3713.015.02.8014.3630.5718.110.420.514.08.6E-061.2E-05④2粉土夹粉砂27.219.50.7450.14513.0631.033.013.3611.560.389.029.48.631.41.74E-03⑤1粉质粘土31.818.80.9090.4474.6813.015.02.0002.4610.5718.39.821.213.68.6E-068.3E-06⑦1粉质粘土29.618.80.8730.4524.2814.016.01.4882.11019.49.821.512.68.5E-071.6E-06⑦2粉土夹粉质粘土28.919.10.8300.2498.456.0758.97814.917.113.424.85.0E-04表3-1土层物理力学性质5 苏州轨道交通IV-TS-06标十全街站~竹辉路站区间联络通道及泵房工程冻结法施工设计方案2.5联络通道地面情况十全街站～竹辉路站区间联络通道周边建筑物较多，人民路东西两侧分布有1~4层建筑物、国家重点保护文物宋代石刻、文庙（右DK13+568~731）及院内的百年古树、市保护文物可园（左DK13+634~683）、世界文化遗产及国家重点保护文物沧浪亭（左DK13+689）等建筑物。人民路两侧管线较多，十全街~竹辉路区间隧道左右线上方有平行于隧道的Φ500雨水管线、Φ600的给水管线、Φ400的污水管线，埋深约1~3m。联络通道所处面情况见图3-4、图3-5，联络通道处管线图见图3-6，联络通道与周边建筑物距离见3-7。图3-4联络通道西侧文庙（红线范围联络通道）8 苏州轨道交通IV-TS-06标十全街站~竹辉路站区间联络通道及泵房工程冻结法施工设计方案图3-5联络通道东侧沧浪亭（红线范围联络通道）图3-6联络通道处管线图8 苏州轨道交通IV-TS-06标十全街站~竹辉路站区间联络通道及泵房工程冻结法施工设计方案图3-7联络通道与周边建筑物距离17 苏州轨道交通IV-TS-06标十全街站~竹辉路站区间联络通道及泵房工程冻结法施工设计方案3施工方案设计3.1方案设计的基本原则采用冻结法加固土体安全可靠，适应该区工程地质和水文地质条件。本施工方案设计的基本原则是：⑴水平孔冻结帷幕技术性能必须满足联络通道施工的安全和质量要求，加固土体应遍达待加固区域；⑵水平孔冻结方案应符合现场实际条件，具有可操作性；⑶施工方案应在满足工程要求工期的前提下具备优化潜力；⑷施工方案中考虑关联公共设施的位置及其安全保障，满足城市环境保护及节能要求；⑸减小冻胀与融沉的危害，采取自然解冻融沉注浆措施控制联络通道和管片变形在允许范围内。3.2方案设计的主要技术要点为控制冻结孔钻进、地层冻胀和融沉等对隧道及地面的影响，根据国内外最新研究成果和施工经验，提出以下冻结设计技术要点：⑴在隧道内钻冻结孔，根据联络通道的结构采用近水平成孔或斜孔，每个钻孔都设孔口管，并安装孔口密封装置，以防钻进时大量泥水涌出。每一个钻孔完成后及时计算该孔流出物的方量，同时结合地表沉降监测数据的变化，及时注浆。⑵17 苏州轨道交通IV-TS-06标十全街站~竹辉路站区间联络通道及泵房工程冻结法施工设计方案冻土帷幕的厚度及强度应满足联络通道开挖的要求，尤其保证喇叭口处冻结帷幕的厚度，同时确保冻结帷幕与隧道管片的完全胶结。做好冻结和开挖的配合工作，并根据开挖后冻结帷幕变形情况及时调整开挖构筑工艺。⑶为减小冻胀对隧道的影响，在左、右线隧道管片靠近喇叭口侧敷设冷管和保温层。减小冻结孔与对侧隧道管片的距离，并采用小开孔距、较低盐水温度、较大盐水流量等措施，以加快冻结速度，并在适当部位布设泄压孔，以减小土层冻胀对隧道的影响。⑷联络通道开挖时在隧道内设预应力支架，以防打开预留钢管片时隧道变形和破坏。施工完联络通道安期支护层后再打开对侧隧道联络通道的预留钢管片。在联络通道衬砌中预埋压浆管，采用注浆方式以补偿土层融沉。注浆应配合冻土帷幕融化过程进行。⑸为了进一步提高联络通道掘砌施工的安全性，特采取以下措施：选用可靠的冻结施工机械；准备足够的备用设备；加强停冻时的冻土帷幕监测；尽快施工衬砌，必要时用堆土法密闭开挖工作面。⑹通过测温孔和泄压孔，监测冻土帷幕的形成过程和形成状况。特别监测冻土帷幕与对面隧道管片的胶结情况。⑺在联络通道底板、两侧、顶部及泵房混凝土中预埋注浆孔，必要时在隧道管片上钻注浆孔，以便注浆防止冻土融沉引起的地面沉降及隧道、联络通道的沉降变形。进行冻结地层温度监测、地层沉降变形的监测、隧道变形的监测，以指导联络通道的施工。⑻为减小冻融的不利影响，采用自然解冻融沉注浆方案，控制地面的不均匀沉降。⑼17 苏州轨道交通IV-TS-06标十全街站~竹辉路站区间联络通道及泵房工程冻结法施工设计方案由于冻胀力和冻土融沉的作用，影响周围土层的力系平衡，使隧道产生水平位移和沉降，故在整个施工过程中，加强隧道变形的监测，确保隧道安全。在冻土帷幕关键部位，多布置测温孔，监测冻土帷幕的形成过程和形成状况。⑽加强地表沉降监测频率，及时掌握地表沉降变化情况，进而指导施工。4冻结帷幕设计4.1冻结帷幕力学模型根据现场施工条件，为了联络通道开挖时的安全，我们采用在两条隧道分别钻孔的方案，即在另一条隧道底部打两排孔，将联络通道封闭，这样开挖时就挖不到冻结管，确保了冻土的强度和安全，挖土时，减少了冻土的挖掘量。为安全考虑，满足冻结开挖工期要求，对于与泵房合建的联络通道在通道下部布置一排冻结孔。由于采用了联络通道和泵房分开挖掘构筑的方式，而中间又布置了一排冻结孔，可将联络通道中间（最危险断面）处视为封闭两端固定框架，计算简图如下图4-1。根据地质资料，隧道中心埋深17.65m，联络通道垂直土压力（P）和侧向上、下荷载（Ps、Px），按下式计算：[注：由于冻胀，土体向上膨胀，上部土体产生被动土压力，上、下垂直土压力应相等。]P=γ·H=γ·(Ho+Hx)+20=398.7(kPa)Pcs=ξ·Ps=ξ·γ·(Ho-Hs)=186.8(kPa)Pcx=ξ·Px=ξ·γ·(Ho-Hs+h)=246.2(kPa)式中：γ——土的容重，约为18kN/m3（地面超载20kN/m2）；H——计算点的土的埋深；17 苏州轨道交通IV-TS-06标十全街站~竹辉路站区间联络通道及泵房工程冻结法施工设计方案Ho——联络通道中心点的土的埋深；Hx、Hs——联络通道下部、上部冻结管到联络通道`中心线的距离；ξ——侧压力系数，取0.56；h——开挖净高+冻土厚度；图4-1联络通道冻结帷幕受力简图设冻土帷幕厚度为1.8m，通道开挖轮廓高为5.33m，宽3.80m，计算该结构内部的弯矩和轴力，进而求得截面内的压应力、拉应力和剪应力。4.2各截面的弯矩及轴力联络通道`中部冻土结构的弯矩及轴力、列于表4-1并示于图4-2中。17 苏州轨道交通IV-TS-06标十全街站~竹辉路站区间联络通道及泵房工程冻结法施工设计方案表4-1联络通道`中部冻土结构的弯矩及轴力截面12345弯矩M(KN.m)317-46436-469398轴力N(KN)283682682682315图4-2联络通道中部冻土结构的弯矩及轴力图4.3强度校验、安全系数校验17 苏州轨道交通IV-TS-06标十全街站~竹辉路站区间联络通道及泵房工程冻结法施工设计方案表4-2联络通道中部冻土结构各截面安全系数截面12345应力类型压压拉剪压压拉剪压应力值MPa1.351.510.650.560.481.580.680.561.35安全系数k2.62.53.32.86.82.43.42.82.7表4-2中的安全系数K是由冻土强度与其相应的冻土结构相关位置的应力比值。由于联络通道断面的土层以粉土、粉质粘土层为主，冻土强度以冻土平均温度为-10℃时的粉质粘土为准，σ压=3.6Mpa,σ拉=2.1Mpa,τ剪=1.6Mpa。取压应力、剪应力安全系数不小于2.0，拉应力系数不小于3.0，从表6-2数据可见，各截面的压应力安全系数K=2.5以上，拉应力安全系数K=3.3,剪应力安全系数K=2.8，安全，冻结壁厚度选取1.8m厚能满足全断面开挖要求。5冻结孔布置根据区间联络通道兼泵房的结构，冻结孔按上仰、近水平、下俯三种角度布置在通道的四周，其中1#联络通道及泵房冻结孔数为78个（实际设计冻结孔数73个，根据苏州轨道公司要求多打5个孔，实际施工冻结孔数为78个）。其中冻结孔数冻结站一侧隧道内59个，对侧隧道内19个，共计78个(包括4个穿孔)。设计测温孔9个（其中冻结站一侧3个，对侧隧道6个，测温孔深度2～6米），卸压孔4个（深度1.5～2米），每侧隧道各布置2个，具体位置视现场情况而定。联络通道兼泵房冻结孔具体布置情况详见《冻结法设计图》。17 苏州轨道交通IV-TS-06标十全街站~竹辉路站区间联络通道及泵房工程冻结法施工设计方案6制冷设计6.1通道冻结参数确定（1）设计盐水温度为-28℃～-30℃。（2）冻结孔单孔流量不小于5～7m³/h。（3）冻结孔终孔间距Lmax≤1050mm(含泵房冻结孔终孔间距Lmax≤1150mm)，冻土发展速度取26mm/d，冻结帷幕交圈时间为20～22天，达到设计厚度时间为40天。（4）积极冻结达到开挖时间为40天(按苏州轨道交通公司要求，多冻5天，积极冻结45天。具体积极冻结时间根据测温情况而定)。（5）预计联络通道及泵房维护冻结时间为30天。不含泵房联络通道维护冻结时间为20天。6.2冻结需冷量由下式计算：Q=1.3*π*d*H*K式中:H—冻结总长度（含冻排管长度）；d—冻结管直径；0.089mK—冻结管散热系数；350Kcal/h·m2将上述参数代入公式得：联络通道兼泵房Q=1.3*π*d*H*K=69856Kcal/h6.3冻结制冷设备选型（1）根据需冷量设计，联络通道选用YSLGF300Ⅱ型螺杆机组2台套（其中一台套螺杆机组备用）能满足冻结能量要求，YSLGF300Ⅱ17 苏州轨道交通IV-TS-06标十全街站~竹辉路站区间联络通道及泵房工程冻结法施工设计方案型螺杆机组设计单台机组工况制冷量为87500Kcal/h，单台电机功率110KW。（2）每个冷冻机组配盐水循环泵（选用IS150-125～200型）2台，其中备用一台，单台流量200m3/h，电机功率30KW。（3）2、冻结站冷却水循环泵选用IS125-125～200C型2台，其中备用一台，单台流量120m3/h，电机功率30KW。6.4管路选择1、冻结管选用Φ89×8mm，20#低碳无缝钢管，丝扣加焊接连接,单根长度1～2m。2、测温孔管选用Φ32×3.5mm，20#低碳无缝钢管。3、供液管选用Φ42×4mm塑料管。4、盐水干管和集配液圈选用Φ159×6mm无缝钢管。5、冷却水管选用Φ127×4.5mm供水钢管。6.5用电负荷联络通道设计用电负荷约为250kw/h；6.6其他1、冷冻机油选用N46冷冻机油。2、制冷剂选用氟立昂R-22。3、冷媒剂选用氯化钙溶液。17'