地铁隧道内独立泵房冷冻法施工技术

王宁

摘要：本文详细介绍了在地铁隧道建设中应用独立泵房冷冻法施工技术的具体方法和工艺。通过分析冷冻法施工的特点，详述了独立泵房的冷冻管布置、冷冻系统组成、冷冻过程控制及解冻与围护结构施工的详细步骤。同时，本文还探讨了施工的关键要点，包括施工准备、冷冻管施工、冷冻系统运行和围护结构施工等方面。通过这些技术细节的展开，旨在为地铁隧道施工提供一个科学、高效的技术参考。

关键词：地铁隧道；独立泵房；冷冻法施工；冷冻管布置

引言：随着城市地下空间开发的加速，地铁隧道建设面临着越来越复杂的地质和环境条件。在此背景下，冷冻法施工技术由于其优越的安全性和适应性被广泛应用于难度较高的地铁隧道建设中。特别是独立泵房冷冻法，通过独立的泵房设置，优化了冷冻管布置和冷冻系统运行，提高了施工效率和安全性。

一、冷冻法施工特点

冷冻法施工技术是一种特殊的地下工程施工方法,它通过人工冷冻将周围土体冻结成冰壁,形成一个临时的防水和支护结构,为后续的掘进和围护结构施工创造条件。该方法具有以下几个主要特点:土体冻结形成冰壁,既具有良好的防水效果,又能够提供足够的抗压强度,满足施工时的支护要求。冷冻法施工对周边环境的影响较小,无噪音、无振动,能够很好地保护地面建筑物。施工过程可视化程度高,冰墙的形成状况和位置等可以通过温度监测实时掌握。适用范围广,不仅适用于饱和土层,对于大块石、混凝土构件等也有良好的冻结效果。施工周期较长,从冷冻到解冻整个过程需要几个月时间,对施工计划有较高要求。

二、独立泵房冷冻法施工工艺

(一)冷冻管布置

独立泵房冷冻法施工中,冷冻管是冻结地层的关键设备。冷冻管的布置需要结合工程实际情况,合理设计冷冻管的间距、长度和角度等参数。通常情况下,冷冻管按一定间距环绕在预定的冻结区域,形成封闭的冷冻环,并将冷冻管下端延伸至设计的最大冻结深度。在冷冻管的布置上,需要充分考虑将要冻结的土层情况、地下障碍物的分布、施工场地条件等因素,以确保冻结体的完整性。

(二)冷冻系统组成

独立泵房冷冻法施工的冷冻系统是整个工艺的核心部分,它由多个子系统组成。主要包括:制冷机组、盐水循环系统、冷冻管路系统、监控系统以及辅助设施等。

制冷机组是整个系统的动力源,它利用压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器构成制冷循环,不断地将制冷剂液化和汽化,产生所需的制冷量。盐水循环系统则将低温的盐水溶液通过管路输送至冷冻管,吸收周围土体的热量。监控系统安装有大量的温度传感器,实时监测冻结过程中地层温度的变化情况。各个子系统有机地结合在一起,共同完成土体的冷冻过程。

(三)冷冻过程控制

独立泵房冷冻法施工的关键在于合理控制冷冻过程。整个过程大致可分为三个阶段:初冻阶段、持冻阶段和预解冻阶段。

初冻阶段是指刚开始循环盐水至地层,地层温度由原始温度逐渐降低至冻结点附近的过程。这个阶段通常持续1-2个月,需要严格控制盐水温度和流量,防止地层温度骤降造成不均匀冻结。持冻阶段是维持所需冻结体的稳定状态,确保围岩冻结牢固。根据施工需求,持冻时间可长可短,并且要持续监测冻结体的范围和厚度变化。预解冻阶段在拆除冷冻管路前适当提高盐水温度,使冻结体在控制的条件下逐渐解冻,避免突然解冻带来的不利影响。

三、地铁隧道内独立泵房冷冻法施工要点

(一) 施工准备

对施工地段开展详细的工程勘察,全面掌握地质情况、地下水位、构造缺陷、地下管线等信息,并在此基础上编制冷冻施工设计方案。设计方案需要科学确定冻结范围、冷冻管布置形式、冷冻参数、解冻方式等关键环节,并制定切实可行的施工组织设计。施工场地需要进行平整,并修建好临时道路、临时排水设施等,为后续设备进场做好准备。同时,需要在施工场地内修建好独立泵房、盐水储罐、临时生活设施等临时建筑,为施工人员提供良好的生产生活条件。冷冻法施工所需的主要设备材料包括:制冷机组、盐水循环泵、冷冻管、盐水储罐、温度传感器、监控设备等。这些设备材料需要根据工程规模择优选型,并提前准备就绪,确保质量可靠、数量足够。

(二)水文地质

根据地质情况要充分考虑以下几点水文地质情况：①地表水②地下水 ③承压水

(三)冷冻管施工

根据设计要求,采用液压钻机或潜孔钻机在预定位置精确定位钻冷冻管孔。钻孔要直线垂直,孔壁光滑平整,避免间隙过大影响后期冷冻效果。钻遇硬岩层时要采取适当的钻进方式,防止钻斜。冷冻管由若干根管节组装而成,管节间通过焊接或专用接头衔接。管材要求强度高、无缝隙且耐腐蚀。组装过程中,要检查每个接头的密封性,确保盐水在循环时不会渗漏。组装完的冷冻管需要通过人工或机械的方式缓慢、平稳地下放到钻孔中。下放过程中管身不能剧烈振动、扭曲变形,以免损坏管身和钻孔壁。下放到位后，孔口要临时用木盘等加以封闭。

(四)冷冻系统运行

制冷系统是整个冷冻过程的动力源,要先对各个部件进行检查,确认各项参数正常后方可逐步启动。制冷剂需按规范要求先抽真空再充装,防止泄漏和污染。同时启动盐水循环系统,调节流量,分段对管路进行置换抽气排污。进入初冻阶段后,需要测量并记录各测点的初始温度,作为日后监测依据。初冻阶段温度控制极为关键,必须严格控制盐水温度下降的速率和梯度,防止因温度骤降导致局部先行冻结。

(五)应急抢险管理为施工的重难点

重难点描述：从技术理论到施工生产的 应急抢险管理风险均较高。

应对措施：组建强有力的施工队伍和应急管理队伍，建立外部应急管理网络， 完善应急管理流程，准备充足的应急措施及组建强大的技术服务团队确保工程顺利开展。

（六）冷冻机组持续工作为冻结施工的重点

重点描述：冷冻机组供冷是保障冻土强度和厚度持续维持的根本，停电后的应急电源切换，冷冻设备损坏后备用设备及时开启，冷却水备用供给方式等内容 是制冷系统正常运转的重要组成部分。

应对措施：制冷机组及配套设备均有备用，临时用电采用双回路供电且有备 用发电机，可以采用罐车运输水作为备用水源。

（七）监测为冻结施工的重点

重点描述：冻土交圈压力观测孔取源位置不易施工。

应对措施：采用数值模拟分析钻孔对稳定性造成的影响，施工过程 加强变形监测，通过加密冻结帷幕外侧测温孔探点分析冻土温度场， 做好测温孔与测温线的密封工作，减少隧道内潮湿环境对监测数据的影响，将测温线布置在免受侵害的位置，如避免不了，应在测温线外面安装钢管进行保护。

(八)围护结构施工

掘进支护是围护结构施工的第一步,需要根据隧道或结构物的具体形式,合理设计掘进的顺序、分段长度和推进步距。一般先进行拱部开挖,然后是边墙、仰拱等其他部位。每阶段掘进后都需立即进行临时支护,保证安全。临时支护措施主要包括钢拱架、钢筋混凝土拱架、喷射混凝土等,能够在解冻后的一段时间内起支护作用。

结语

未来，随着技术的进一步发展和创新，冷冻法施工技术的应用范围有望扩大，其效率和安全性也将得到进一步提升。建议相关研究和实践继续探索如何将新的技术整合进冷冻法施工中，以及如何进一步降低成本和提高施工速度。

参考文献

[1] 宋欢庆.高承压水粉细砂地层中地铁隧道联络通道冷冻法施工技术[J].石油化工建设, 2021(005):043.

[2] 李戈.高承压水粉细砂地层中地铁隧道联络通道冷冻法施工技术[D].长安大学,2012.DOI:10.7666/d.D308147.