1、工文区间联络通道冷冻法冷冻施工技术焦倓然（中铁五局城通分公司）摘 要： 冷冻法作为一种比较成熟的施工工艺，在实际工程中得应用范围十分广泛。沈阳地铁 2 号线 3 标工文区间联络通道，作为公司首次采用冷冻法施工的工程，由于施工经验缺乏，导致设备选用和设备进场均出现不合理现象。本文结合实际施工过程，对冷冻法施工技术要点加以总结，为今后类似工程提供相应经验。关键词： 联络通道 冷冻法1 工程概况沈阳地铁 2 号线 3 标工业展览馆站文体路站盾构区间（工文区间）联络通道采用冷冻法施工，自2011 年 8 月 5 日开始二号联络通道积极冻结施工，至 2011 年 10 月 1 日开挖进入维护冻结施工阶段
2、。二号联络通道设计积极冻结时间为 40 天，实际积极冻结时间为 57 天；于 2011 年 8 月 7 日开始一号联络通道冷冻施工，至 2011 年 9 月 21 日正式开挖进入维护冻结施工阶段。一号联络通道设计积极冻结时间为 45 天，实际积极冻结时间为 45 天。由于是首次采用冷冻法施做区间联络通道，所以施工经验基本为零，在设备选用及设备进场时被未能较好地考虑两个联络通道之间距离较远的实际情况。造成了二号联络通道先冻结后达到开挖条件的情况。期间的经验、教训，特此作总结，为以后冷冻法施工的钻孔工作提供一点经验。2 冷冻原理及机具简介冷冻法施工的冷冻原理主要是利用冷冻机通过制冷剂（氟利昂）不断
3、将冷媒剂（氯化钙盐水）的温度降低，然后通过在冷冻干管、集（配）液圈、冷冻管中循环冷媒剂的形式降低土体温度，进而达到形成稳定、隔水、承压的冻结壁的目的。工文区间联络通道冷冻法冷冻施工所使用的冷冻设备包括：三台武汉新世界制冷有限公司生产的冷冻机（包括其配套的冷冻机控制柜） 、高压变电器、高压补偿柜、高压控制柜、盐水泵（两台，两个联络通道） 、盐水箱、冷却水池、两个冷却塔（水） 、100m 3/h 横流箱、清水泵（两台，一台备用） 。两个联络通道各配有一套钻机，单液注浆泵一台。工文区间冷冻法施工所使用的冷冻机包括三个主要组成部分：LG 1611F 型螺杆式制冷压缩机，YF80 油分离机， WN 22
4、-19 型管壳式冷凝器。WN 22-19 型管壳式冷凝器由两个部分组成：YL9.0 油冷却机，满液式蒸发器。单台冷冻机额定功率为 110kw。它们的主要参数见表 1表 4。冷媒剂采用 R22型罐装氟利昂，单个质量为 22.7kg。冷冻盐水采用晶体氯化钙现场配置。表 1 LG 16IIF 型螺旋式制冷压缩机型号 LG 1611F 工作压力 2.0 MPa制冷剂 R22/R17 理论排量 574 m3/h转速 2960 r/min 质量 573 kg表 2 YF80 有分离机设计压力 2.0 MPa 最高工作压力 1.6 MPa容器类型 二 气压试验压力 2.3 MPa容积 0.73 m3 设计温
5、度 105 c介质 R22+冷冻机油表 3 WN22-19 型管壳式冷凝器（YL9.0 油冷却机）管程 壳程设计压力 1.0 MPa 2.0 MPa气压试验压力 1.15 MPa 2.3 MPa最高工作压力 1.0 MPa 1.6 MPa设计温度 50 c105 c介质 H2O R22换热面积 19 m2 表 4 WN22-19 型管壳式冷凝器（满液式蒸发器）管程 壳程设计压力 1.0 MPa 1.4 MPa气压试验压力 1.15 MPa 1.61 MPa最高工作压力 1.0 MPa 1.2 MPa设计温度 38 c38 c介质 H2O R22换热面积 35 m2 两台清水泵的额定功率分别为
6、30kw 与 15kw，其中小功率的一台作为应急备用泵。两台冷冻盐水泵的主要工作参数为：一号联络通道盐水泵：额定功率：30kw，扬程：15m，流量：380m 3/h。二号联络通道盐水泵：额定功率：22kw ，扬程：50m，流量：100m 3/h。3 冷冻站布置及冷冻盐水循环回路的建立 3.1 冷冻站的布置冷冻站应选在通风良好的地方设立，便于热量排出。可以选在地铁车站地面广场、车站地下二层平台或者同届工作面附近的隧道内。本工程的冷冻站设在工文区间左线隧道内，距离一号联络通道冻结工作面大概 20m 左右，距离二号联络通道冻结工作面大概 460m。冷冻站由清水区与盐水区组成。冷冻站布置如图 1。清
7、水 泵清 水 池 冷 却 塔 冷 却 塔 盐 水 泵冷 冻 机 组 冷 冻 机 组 盐 水 箱冷 冻 机 组高 压 变压 器 高 压 控制 柜 高 压 补偿 柜横 流 箱图 1 冷冻站布置图3.1.1 清水区组成清水区主要承担冷冻机的降温排热工作。本工程清水区包括清水池、一个横流箱、两个冷却塔、两台清水泵及两台大功率风扇组成。清水池是利用工文区间隧道纵坡加上搭建的挡水墙而组成。主要用于储存冷却水，使其自然冷却。并为冷冻机提供较低温度的冷却水，以保证其正常运转。当冷却水温度过高时，需要采取加强通风、降低冷冻机荷载等措施保证冷却水温度在 30以下，否则冷冻机的正常运行将面临威胁。横流箱是冷冻机热水
8、首先经过的冷却设备，其配备耐热阻流片以及风扇，能显著降低从冷冻机内携带热量流出的冷却水。横流箱布置在清水池内。如图 2。图 2 100m3/h 横流箱冷却塔是布置在清水池上，用以加强清水池中的冷却水冷却速度。如图 3。清水泵主要负责将冷却完毕的清水输送至冷冻机，用于传递热量与冷却冷冻机。一般配置两台，并联于清水回路中，一般情况下一台开启，一台关闭。当一台清水泵发生故障时，必须立即开启另一台为冷冻机降温。本工程的两台清水泵的额定功率分别为 30kw 与 15kw，其中小功率的一台作为应急备用泵。如图 4。图 3 冷却塔 图 4 清水泵大功率风扇主用于帮助通风，特别是当隧道内风向改变时，用于保证冷
9、却水的降温从而保证冷冻效果。清水区位置一般位于盐水区的下风向。冷却水回路与每一台冷冻机相连，通过清水池处的清水泵提供动力连接冷冻机形成回路，达到排热降温的目的。3.1.2 盐水区组成盐水区主要承担冷媒剂的降温工作，这是整个冻结工作中最重要的部分。只有保证冷媒剂不断降温或者持续低温，才能保证冻结壁的持续发展与冻结强度。盐水区主要包括：高压变电器、高压补偿柜、高压控制柜、三台武汉新世界制冷有限公司生产的冷冻机（包括其配套的冷冻机控制柜） 、盐水箱、盐水泵（两台，两个联络通道） 、冷却循环水干管、冷冻盐水干管， （冷却循环水干管与清水区相连，冷冻盐水干管与集配液圈、冷冻管相连） 。高压变压器、高压补
10、偿柜、高压控制柜：为了保证冷冻期间冷冻机的连续工作，冷冻站实行二级送电方式，直接从地面高压变电站引高压进冷冻站。高压变压器、高压补偿柜、高压控制柜这三个配套装置就是为了能直接利用高压电给冷冻机供电。如图 5 所示：图 5 高压变压器、高压补偿柜、高压控制柜冷冻机：冷冻机是冷冻站的核心，是能够将将冷媒剂持续降温或维持在低温的装置，为保证冷冻效果与冻结壁发展速度本工程配置三台冷冻机，采用 R22 型冷却剂进行排热工作。每台冷冻机包括冷却水进、出回路，冷冻盐水进、出回路。如图 6 所示：图 6 冷冻机盐水箱用于暂时存储经过冷冻机降温的冷媒剂，并提供观测冷冻盐水水位，检查冷冻盐水浓度的一个窗口。本工程
11、冷媒剂采用氯化钙溶液，氯化钙溶液婆美度控制在 2930 之间，即浓度为 27%左右。盐水泵负责为冷冻盐水回路的循环提供动力，位于盐水箱旁边。本工程配备两台冷冻盐水泵，主要工作参数为：一号联络通道盐水泵：额定功率：30kw ，扬程：15m，流量：380m3/h 。二号联络通道盐水泵：额定功率：22kw，扬程： 50m，流量：100m 3/h。如图 7。冷冻盐水干管是连接盐水泵与集配液圈的管道，负责输送与回收冷冻盐水。需要覆盖与包裹隔热材料，起到保温作用。并配备压力表与温度计便于观测盐水干管内的压力与去、回路温度。如图 8。图 7 盐水泵与盐水箱 图 8 盐水干管冷却循环水干管是连接清水泵与冷冻机
12、的管道，负责输送与回收冷却循环水。配备压力表与温度计便于观测冷却循环水干管内的压力与去、回路温度。如图 9。图 9 冷却循环水干管3.2 冷冻盐水循环回路的建立冷冻盐水循环回路是指冷冻盐水经冷冻机制冷处理，由冷冻去路干管输送至配液圈，然后将盐水分配至由几个冷冻孔串联组成的各个并联的分组去路或隧道对面的冷排管，使经过制冷的冷冻盐水通过冷冻管壁与土体进行热量交换，完成热量交换后，由冷冻管内的管道回到并联的分组回路，再回到集液圈，之后通过冷冻回路干管回到冷冻机进行制冷的回路。冷冻盐水循环回路主要包括：冷冻盐水去、回路干管，集、配液圈、去、回路分组、冷冻管、冷排管。冷冻盐水干管采用 128 钢管，使用
13、法兰盘加橡胶止水片进行连接，隧道内的盐水干管用管架敷设在隧道管片斜坡上，以免影响隧道通行。在盐水管路和冷却水循环管路上都要设置阀门和测温仪、压力表等测试组件。盐水管路经试漏、清洗后用保温板进行保温，保温板由厚度为 50mm 的聚苯乙烯材料制作，保温板绑扎好之后用塑料薄膜包扎。如图 8。冷冻盐水干管上每隔一段距离必须装一个高压橡胶阀门，在转弯或者与集、配液圈连接处也必须装上高压橡胶阀门。主要作用有：减震、防错台、转向。在每个联络通道的冷冻盐水回路干管的拐弯处设置一个排污口，主要作用是在融化氯化钙之前清洗冷冻盐水循环回路时能将回路内内的杂物，主要是铁锈，导出冷冻盐水循环回路。如图 10。图 10
14、盐水回路干管拐弯处的排污口集、配液圈使用 128 钢管制作，并弯成直径为 5.4m 的圆弧，主要是为了能够更好地悬挂在管片上。每个集、配液圈上预先开好与并联分组数量相符的阀门（一般每个液圈上比搭载的并联分组数多 23 的阀门以备用） ，每个联络通道配备两个配液圈，两个集液圈分别放置在联络通道两侧。如图 11。在每个集液圈上方预留一个排气口，防止一开始加冷冻盐水时与早期冷冻导致冷冻盐水体积变小时出现空气。如图 12。图 11 集配液圈 图 12 集液圈上方的排气口冷冻盐水去、回路分组是指将几个冷冻管连接成一个串联组，盐水的供给与回收均共用。集配液圈与冻结管之间，冻结管之间用高压胶管连接，连接胶管
15、上同样必须用保温板包裹覆盖保温。每组冻结管的进出口各装阀门一个，以便控制流量。如图 13。图 13 冷冻盐水去、回路分组冷冻管是直接与土体接触的冷冻设备，冷冻管必须保证不会发生渗漏现象，并能承受至少 0.8MPa的盐水压力，冷冻管由外管、供液管、去、回路羊角组成。冷冻站运行时，新制冷的盐水由去路羊角进入外管与供液管之间的空间，通过外管壁与土体完成热量交换后由冷冻管内部的供液管流出冷冻管，由回路羊角进入回路分组并返回集液圈。冷排管是设在右线隧道的冷冻装置。由于工文区间联络通道采用的是单侧打孔的冷冻管布置方法，所以右线隧道联络通道范围内位置冷排管进行降温冷冻。冷排管采用单回路，即：一进一出。冷排管
16、在拐角处用高压胶管或者钢管连接。如图 14。冷排管的冷冻盐水供给与回收由透孔来实现，并入左线隧道的集、配液圈内，从而融入整个冷冻盐水循环回路。如图 15。冷排管采用 75 槽钢与 3mm 薄钢板焊接而成，并将焊接好的冷排管完成 5.4m 直径的圆弧，冷排管必须紧贴管片以保证保温冷冻效果。冷排管、冷排管连接管都必须都保温板覆盖，左右线联络通道的范围内都必须用保温板覆盖保温。保温板可以采用粘贴法或者打孔固定法。图 16、17 分别为 1、2 号通道冻结孔串孔位置图。图 14 冷排管的连接 图 15 安装冷排管DD89D10D1312 15675D63补 补1号 通 道 冻 结 孔 串 孔 位 置
17、图图 16 一号联络通道冻结孔串孔位置图D14 D21D39D46D47 D49D27D28 D31补 1D162#联 络 通 道 冻 结 孔 串 孔 位 置 图图 17 二号联络通道冻结孔串孔位置图4 冷冻站的运转4.1 冷冻站运行前的准备工作在冷冻站需要进行一系列的准备工作，以保证冷冻站的持续的顺利运转。由于积极冷冻是一项连续的工作，不能允许冷冻期间出现冷冻机停机或者其他故障引起的冷冻中断的现象，因此冷冻机运转前的准备工作显得尤其重要。首先需要确保冷冻站用电，冷冻站实行二级送电方式，直接从地面高压变电站引高压进冷冻站，以保证冷冻站的用电连续性。并且提前将备用电源准备好，以备不时之需。虽然电
18、源是直接接在地面高压开辟站的，但是工文区间联络通道仍然发生了一次停电事故， （未装配备用电源） 。4.1.1 冷冻盐水循环回路的准备工作冷冻站正式开始工作前应对整个冷冻盐水循环回路进行清理、检查。主要工作包括：清除冷冻盐水干管内的杂物、铁锈；检查循环回路是否有渗漏的现象；检查盐水去、回分组是否准确；盐水去、回路分组主要考虑冷冻盐水的流量的平均分配，并且串联回路长度不宜超过 40m。另外，串联分组还应考虑方便开挖时的冷冻管改移或关闭。当以上检查全部完成后可以对冷媒剂循环系统用清水进行试运行，进一步清理循环回路内的杂物与垃圾，并将空气放出。试循环没有问题就可以配置氯化钙溶液了。融氯化钙可以在盐水箱
19、进行，也可以在联络通道处进行，可以采用搅拌桶溶解之后用小水泵抽入循环回路内。如图 18。氯化钙溶液的婆美度控制在 2930 之间，浓度控制在 27%左右。本工程第一次共加氯化钙 6t，之后陆续又添加了一些。可以采用婆美度测量计进行测量。如图 19。图 18 融化氯化钙溶液图 19 波美度测量计4.1.2 冷却循环水的准备工作必须确保冷却循环水量能满足冷冻机运转要求，并且能满足降温要求，对补充水量也应该满足要求。工文区间联络通道冷冻站的冷却循环水采用地面降水井供给的形式。4.1.3 冷冻机的准备工作冷冻机电源处理完毕、冷媒剂循环系统、冷却水循环系统均试运转能满足冷冻机起机要求后，应对冷冻机进维护保养，并且重点检查制冷剂是否充足。在冷冻机满液式蒸发器处有一可视的氟利昂含量观察窗口，并配有压力观察表。可以通过专用的充氟器对冷冻机进行充氟，在正式充制冷剂之前应进行试充，系统压力应控制在 0.20.3MPa，并用专用仪器检漏，合格后再能正式充制冷剂。如图 20。本工程使用的制冷剂是 R22 型罐装氟利昂，单个重 22.7kg。第一次对三台冷冻机共充 48 罐。如图 21。
