一种冻结法施工井筒式地下停车库方法与流程

本发明涉及井筒式地下停车库施工技术领域，具体是一种冻结法施工井筒式地下停车库方法。

背景技术：

目前，国内已经建成并运行的井筒式地下车库1处，在建的井筒式地下车库3～4处，拟建井筒式地下车库的城市有哈尔滨、北京、天津、广州等多个城市。已建或在建的井筒式地下车库，采用沉井法或地下连续墙法施工，尚无冻结法施工先例，采用冻结法施工具有一定的应用推广价值。

人工地层冻结法既适用于松散不稳定的冲积层和裂隙发育的含水岩层，也适用于淤泥、松软泥岩以及饱和含水和水头特别高的地层，它的主要功能为封水与增加地层的承载力。

冻结法是在施工地下构筑物之前，用人工冻结的方法，对构筑物周围含水地层进行冻结，形成具有临时承载和隔水作用并满足工程施工安全需要的冻结壁，然后在冻结壁的保护下进行构筑物掘砌作业的一种施工方法。它具有技术可靠、工艺成熟、施工可控的特点，现在已广泛应用于地铁、深基坑、矿井建设等工程中。

冻结法施工工艺。井筒开挖前，从地面沿其外围一定距离的同心圆周上按等间距向下施工冻结孔，孔底深入不透水层，然后向每个冻结孔中沉放冻结管，冻结管采用无缝钢管制作，其下端封闭；在地面安装制冷站，采用氟利昂制冷剂，将冷媒剂氯化钙溶液冷却到-22℃～-30℃，而后采用循环泵和插至冻结管内部的聚乙烯供液管将盐水送入冻结管。经低温盐水长时间连续地吸取管外地层的热量，使周围地层冻结。盐水吸取地层的热量后温度上升，经盐水回路管回到制冷设备，与制冷剂接触而重新冷却。原为液态的制冷剂，在减压的条件下蒸发时摄取盐水的热量后，经压缩和冷凝又使其液化，不断制冷循环。在每一冻结管周围形成的冻土圆柱体，这些圆柱体互相交接成密实而闭合的冻土帷幕墙，能承受水、土压力并阻隔地下水，在它的保护下开挖地层和修筑衬砌。

人工冻土制冷冻结盐水循环系统见图1。盐水循环系统流程：制冷设备中的液体制冷剂在蒸发器1中汽化，摄取盐水箱2中盐水溶液的热量，被冷却后的低温盐水通过3进行盐水循环，盐水泵3排出的盐水进入配液圈4，配液圈4为冻结管5供液，低温盐水长时间连续地吸取5外围地层的热量，使井筒周围地层冻结，循环回来的盐水经集液圈6再进入制冷设备中的1进行冷却，如此不断循环。

采用冻结法施工时，应根据地层性质、地层埋藏深度、井筒特征、掘砌施工进度、冻土墙需要的强度等，确定冻土墙的厚度、冻结孔布置方式，合理选择冻结设备，实施冻土墙预测预报调控机制。同时研究地层冻结时的冻胀与解冻时的融沉特性，制定测定方法和对策。

普通沉井法特点：1)适用于表土层较浅的构筑物，下沉深度有限制。表土层深度在30m以内而且水压不大的条件下较理想。2)在沉井底部必须有稳定的岩层，否则无法封闭刃脚。3)沉井所穿过的土层不含大砾石，卵石施工中井壁若遇到大砾石容易卡住井壁而减缓下沉或停止下沉。4)沉井施工过程中井筒会因多种原因而产生较大倾斜，井壁受力不均匀易产生裂缝现象，若用于提升会影响使用。

地下连续墙法特点：1)在一些特殊的地质条件下(如很软的淤泥质土，含漂石的冲积层和超硬岩石等)，施工难度很大。2)如果施工方法不当或施工地质条件特殊，可能因相邻墙段不能封闭而导致漏水。3)地下连续墙如果用作临时的挡土结构，比其它方法所用的费用要高些。

技术实现要素：

本专利提供了一种冻结法施工井筒式地下车库的方法，利用冻结法和现代化的矿山建井技术(掘砌方法、壁后注浆方法)，在地下建一座圆形井筒，将目前国内外应用广泛的电梯式智能化塔式立体车库系统安装在井筒内运行。

本发明是以如下技术方案实现的：一种冻结法施工井筒式地下停车库方法，依次利用冻结法施工、掘砌施工以及充填注浆与融沉注浆，在地下建一座圆形井筒，将目前国内外应用的电梯式智能化塔式立体车库系统安装在井筒内运行，井筒施工具体如下：

1)冻结法施工：在施工井筒之前，用人工冻结的方法，对井筒周围含水地层进行冻结，形成具有临时承载和隔水作用并满足工程施工安全需要的冻结壁，然后在冻结壁的保护下进行井筒掘砌作业；所述冻结壁由内圈冻结孔、外圈冻结孔相互配合、相互补充形成；

2)掘砌作业：井筒顶部先施工帽梁；而后依次进行井筒外壁掘砌施工、井筒底板浇筑砼、井筒内壁施工；

3)充填注浆与融沉注浆：停止井筒冻结后进行衬砌后充填注浆和地层融沉补偿注浆。

优选的，所述冻结壁厚度3～4m，内圈冻结孔作为加强冻结孔，深度穿过井筒开挖深度3～5m；外圈冻结孔落底于不透水的粘土层或封水性好的基岩中，若冲积层较深，外圈冻结孔深度为井筒开挖深度的2倍且落底于不透水的粘土层，若地层上部为表土，下部为基岩时，外圈冻结孔深度深入不透水基岩10m以上且超过井筒开挖深度7m以上。

优选的，内圈冻结孔布置圈至掘砌荒径控制在1.0m左右，冻结孔开孔间距在1.2～1.3m；外圈冻结孔开孔间距在1.4～1.5m。

优选的，帽梁施工：冻结满足开挖条件后，帽梁开挖采用岛式法进行，先开挖周边对称2个区域内土方，并清出灌注桩，而后进行钢筋绑扎、立模浇注混凝土，帽梁地坪上预留“┐”型钢筋，将帽梁与井筒外壁浇筑为一体；

井筒外壁掘砌施工：井筒外壁掘砌采用分层分区开挖、分区浇筑砼的施工方式；

井筒底板浇筑砼：井筒外壁掘砌到底后，进行底板铺底钢筋砼；

井筒内壁施工：井筒内壁采用金属装配式模板自下而上一次套壁施工。

优选的，衬砌后充填注浆：停止冻结后3～7天内进行衬砌后充填注浆，利用预埋注浆管，注浆时衬砌混凝土强度到设计强度的60％以上，采用0.8：1～1：1单液水泥浆，注入水泥浆前应先注清水，检查各注浆孔之间衬砌后间隙是否畅通，注浆按由下而上的顺序进行，当上一层注浆孔连续返浆后即可停止下一层注浆，直至注到井筒顶部结束；

地层融沉补偿注浆：采用自然解冻的方式进行融沉注浆，充填注浆结束，当一天内井筒上部地面沉降大于0.5mm，或井筒上部地面累计沉降大于3mm时，应进行融沉补偿注浆；当井筒上部地面隆起3mm应暂停注浆。

优选的，在井筒四个方向上均布测温孔，在测温孔内部纵向每10m左右布置一个传感器；井筒内至少设计1个水文孔。

优选的，在冻结法施工过程中，实施冻结孔监测、冻结系统监测以及周边环境影响监测，

冻结孔监测包括冻结孔开孔位置监测、成孔偏斜监测、冻结孔耐压试验监测、冻结孔长度及供液管下放长度监测；

冻结系统监测包括去回路盐水温度监测、冻结器盐水温度监测、冻结器盐水流量检测、测温孔温度监测、盐水箱液面监测；

周边环境影响监测包括地表冻胀融沉变形监测、深层土体垂直位移监测。

与现有沉井法、地下连续墙法相比，本发明的优点是：

1、施工深度不受限制，适应面广，既适用于松散不稳定的冲积层和裂隙发育的含水岩层，也适用于淤泥、流砂、松软泥岩以及饱和含水和水头特别高的地层。

2、安全可靠性好，可有效的隔绝地下水，井筒井壁施工质量高。

3、钻孔施工泥浆使用少，废浆处理相对地下连续墙法容易处理。

4、施工可控性较好，冻结壁厚度和强度可以有效控制。

5、施工工期有保障。

6、冻结壁强度高。冻结壁强度远大于融土强度，起到结构支撑墙作用。

7、污染性小。对地层无污染，属“绿色”施工方法。

附图说明

图1是人工冻土制冷冻结盐水循环系统图；

图2是钻孔平面布置示意图；

图3是钻孔剖面布置示意图；

图4是井筒开挖设备平面位置图；

图5是基坑开挖顺序图；

图6是层分区初衬掘砌工艺流程图；

1、蒸发器，2、盐水箱，3、盐水泵，4、配液圈，5、冻结管，6、集液圈，7、井筒内壁，8、井筒外壁，9、内圈冻结孔，10、外圈冻结孔，11、测温孔，12、水文孔，13、井筒底板。

具体实施方法

一种冻结法施工井筒式地下车库的方法，利用冻结法和现代化的矿山建井技术(掘砌方法、壁后注浆方法)，在地下建一座圆形井筒，将目前国内外应用广泛的电梯式智能化塔式立体车库系统安装在井筒内运行。

以车库井壁设计钢筋混凝土结构(外壁500mm，内壁600mm)，结构直径17～20m，深50～80m，每层高1.8m，井筒底部采用钢筋混凝土封闭为例，其施工过程具体如下。

一、冻结法施工

冻结孔布置见图2、图3。设计布置两圈冻结孔共同运转的综合施工方案。两圈冻结孔相互配合、相互补充，形成高强度、高密实度的冻结壁组。外圈冻结孔10作为主冻结孔，能够防止井筒开挖时底鼓、突水、涌砂等现象发生；内圈冻结孔9作为辅助冻结孔，确保开挖段冲积层冻结壁厚度与强度，提高冻结壁的稳定性，防止片帮。该方案可以保证在预定的时间内形成的冻结壁厚度、强度符合设计要求，确保井筒安全连续施工。

1、冻结深度的确定

内圈冻结孔作为加强冻结孔，深度穿过井筒开挖深度3～5m。

外圈冻结孔落底于不透水的粘土层(或封水性好的基岩)中。通过整体稳定性、井底底部土体抗隆起稳定性、抗承压水稳定性、抗渗流或抗管涌稳定性、抗倾覆稳定性等验算，最终确定外圈冻结管深度。若冲积层较深，外圈冻结深度一般为井筒开挖深度的2倍且落底于不透水的粘土层；若地层上部为表土，下部为基岩时，外圈冻结深度一般深入不透水基岩10m以上且超过井筒开挖深度7m以上。

2、冻结壁设计基本参数

1)冻结期盐水最低温度取-28～-30℃；

2)冻结壁平均温度取t＝-10℃；

3)砂性土层的冻土持久强度：在缺少冻土持久强度试验资料的情况下，其强度(k1)按瞬时极限抗压强度(σc)除以安全系数(m0)求得。瞬时极限抗压强度参考《简明建井工程手册》，冻结壁平均温度-10℃时，砂层：13.8mpa；砂土：12.5mpa；粘土：5.4mpa。安全系数，砂性土层m0取2.0～2.2，粘性土层取2.3～2.5。

4)按照第四系控制地层的计算地压值。

3、冻结壁厚度设计

根据厚壁筒理论(壁厚/内半径≥0.1)，把砂性土层冻结壁看作无限长的弹性厚壁筒。采用无限长厚壁筒弹性理论拉麦公式计算冻结壁厚度。需要的冻结壁厚度一般为3.0～4.0m。

4、安全掘进段高校核

为了施工安全起见，将井筒下部控制层位作为粘土土层看待，按维亚洛夫—扎列茨基的有限长塑性厚壁筒公式计算冻结壁的稳定性。安全掘进段高位于3.68～4.56m范围，所以掘进段高控制在3.0m以内是安全的。

5、钻孔布置设计

钻孔布置设计充分考虑控制地层所需冻结壁厚度、外侧冻结壁发展状况及钻孔径向偏值等因素。

根据冻土发展速度并结合井筒具备开挖条件的冻结时间，内圈孔布置圈至掘砌荒径宜控制在1.0m左右。冻结孔开孔间距在1.2～1.3m；外圈冻结孔开孔间距在1.4～1.5m。

为了准确掌握冻结壁温度场发展变化情况，加强信息化施工，在井筒四个方向上均布测温孔11，在测温孔内部纵向每10m左右布置一个传感器。

为了准确报导第四系地层冻结壁交圈情况，至少设计1个水文孔12。

6、井筒开挖条件

1)水文孔水位有规律上升，且水位上升稳定，或水位溢出管口且溢水量符合冻胀水释放规律；

2)根据测温资料分析，井筒浅部不片帮，且不同深度、不同土层的冻结壁厚度和强度应符合设计规定，同时应满足连续掘砌施工要求。

7、施工监测

1)冻结孔监测

为确保冻结孔施工质量，打钻期间应做好冻结孔施工检测，包括冻结孔开孔位置监测、成孔偏斜监测、冻结孔耐压试验监测、冻结孔长度及供液管下放长度监测。

2)冻结系统监测

为确保制冷冻结期间冻结效果，应做好一下检测：去回路盐水温度监测、冻结器盐水温度监测、冻结器盐水流量检测、测温孔温度监测、盐水箱液面监测等。

3)周边环境影响监测

为保护周边环境和地面以下管线，在冻结加固施工过程和结束后的融沉注浆过程中，应做好如下监测：地表冻胀融沉变形监测、深层土体垂直位移监测。

监测频率及计划：施工前5天进场布设监测点，施工前3天测量各监测点的原始值，施工前1天提交各项监测的原始数据。钻孔期间每天1次；冻结加固期间每3天1次；开挖期间每天2次；融沉注浆期间可根据监测数据变化情况适当调整，跟踪监测待地层稳定后结束监测。冻结孔施工时正式开始监测，融沉注浆结束后各项沉降值稳定时停止监测。

二、钻孔灌注桩施工方案

为固定井筒外壁模板，在冻结孔施工前先行施工钻孔灌注桩。钻孔灌注桩内边缘位于掘砌荒径处，桩径400mm，桩长根据表土深度确定，每块模板使用2个灌注桩固定，钻孔灌注桩，采用迥转式钻机正循环成孔，优质泥浆护壁，优质泥浆换浆法清孔，钻机或灌浆塔安放钢筋笼，灌浆塔、导管水下灌注混凝土成桩的施工方法。

三、掘砌施工

1、施工顺序

为防止井筒外壁下沉，井筒顶部先施工帽梁；而后依次进行井筒外壁掘砌施工、井筒底板浇筑砼、井筒内壁施工。

2、帽梁施工

冻结满足开挖条件后，帽梁土方采用2台反铲挖掘机对称开挖。

工程量3m，帽梁上口+1.0m(相对标高)位置，下口标高-2.0m(相对标高)，帽梁宽度0.8m。各区开挖的先后按照本段高外壁分段的施工顺序确定。开挖采用岛式法进行，先开挖周边6.18m×4m×3m(长×宽×高)对称2个区域内土方，并清出灌注桩，而后进行钢筋绑扎、立模浇注混凝土。帽梁地坪上预留“┐”型钢筋，将帽梁与井筒外壁浇筑为一体。每块模板采用弧长7.18m、高度3m的整体金属模板。每个区域施工时，金属模板的固定采用φ25mm等强的锚杆与灌注桩拉杆式连接固定方式。商品混凝土通过混凝土输送泵入模，采用振动棒分层振捣。

3、井筒外壁8掘砌施工

1)施工方案

井筒外壁掘砌采用分层分区开挖、分区浇筑砼的施工方式。对称分区进行土体开挖及浇筑砼，共分12个区域，每个区域分层开挖段高3m。每个区域施工时，金属模板的固定采用φ25mm等强的锚杆与灌注桩拉杆式连接固定方式。每个区均匀设6个固定点。而后浇筑混凝土。

2)井筒开挖

井筒开挖过程中，采用基坑降水措施，降水后的坑内自由水位线低至基坑开挖面2m，保持每层基坑内开挖环境相对干燥。

提升选用2台起重量为100t履带吊配10m³集料斗作为土方垂直出运机械。基坑开挖时，控制履带边缘距基坑开挖边缘不小于5m。另外，在基坑周围距基坑边缘10m处布置1台qtz40塔吊作为钢筋、模板等辅助材料、小型机具下放。井筒开挖设备平面位置见图4。

选用2台r170lc-5(斗容量0.65m3)挖掘机，作为2台10m3集料斗装土及基坑中部向抓土区域转运。1台r80-7(斗容量0.28m3)挖掘机作为刷帮、找平。

基坑帽梁施工完毕混凝土达到70％设计强度时，开始挖掘中心岛内土方并进行第二分层施工，如此循环直至基坑底板，基坑自上而下按阶梯形开挖。基坑开挖顺序见图5。

层分区初衬掘砌工艺流程如图6。

井筒开挖严格按照设计分层分区进行，每个分层施工厚度3m，每层平面上分区进行开挖，土方开挖采用挖掘机对称开挖。井筒开挖采用岛式法，放坡开挖，以使得中部区域土方起临时压载作用，保证井筒支护结构受力安全。

首先挖掘井筒中部土方，待井筒中部土方掘至该段高上平面时，挖掘工作转入该段高范围内分区对称开挖。一个掘砌区段土层基本挖完后进行刷帮。冻土部分采用人工配合风镐挖掘冻土，并修整至设计开挖线，采用挖掘机装土到提升料斗吊运出坑，并找平底部工作面。

3)扎筋、立模

用边线、水准仪操平找正后，进行刃脚就位、钢筋绑扎、立模。首先将各种钢筋用塔吊依次下放到基坑内需用地点，施工人员按设计和规范要求严格绑扎钢筋。竖筋采用直螺纹连接，环筋采用搭接连接。

每区均配备一套模板，模板下设整体刃脚，刃脚设30°斜坡面，设置刃脚有利于模板立模、浇筑砼、钢筋搭接、模板接茬的处理。模板及刃脚立模采用分区进行，待砼终凝后，进行拆模；而后移至其它区域，重复进行立模浇筑砼。往复循环，直至施工结束。

立模前先找平立模工作面，控制好施工段高，先对施工刃脚找平。利用塔吊、履带吊吊装模板与刃脚，利用边线测量，控制模板尺寸并固定。模板及刃脚采用φ25mm等强的锚杆与灌注桩拉杆式连接固定方式，每段高设上、中、下三层拉杆，每个区均匀设6个固定点。

4)浇筑砼

基坑12个开挖区域均布设一趟溜灰管，溜灰管采用φ159×6mm无缝钢管，每趟溜灰管每2m安装一个防离析装置。溜灰管吊挂固定在基坑外壁砼上。

砼由商砼站提供，混凝土利用溜槽下放，经φ159×6mm溜灰管、缓冲装置，通过8吋钢丝弹簧胶软管入模。浇筑前，钢丝弹簧胶软管必须与模板接茬窗口上的弯管对接。

模板自带操作脚手架和翻转挤压式受灰合茬窗口，保证合茬严密平整，砼入模要对称、均匀、分层浇注分层振捣。入模砼采用插入式电动震动棒震捣密实，以保证衬砌施工质量。

4、井筒内壁7施工方案

1)施工方案

井筒外壁掘砌到底后，进行井筒底板13铺底钢筋砼，而后进行内壁施工。内壁采用1.2m金属装配式模板，井圈背板方式，井圈采用[20槽钢加工，钢模规格1200mm×1000mm。商品混凝土经溜灰管入模。随混凝土浇筑同时，自下而上整个工作面搭设脚手架作为作业平台。

2)内壁砌壁

井筒底板混凝土与内壁混凝土设置止水钢板，确保基坑防水性能，保证井筒密闭性。

井筒底板铺底完成后，先行铺设δ3mm厚pvc防水板，自下而上绑扎外层钢筋，竖筋均采用直螺纹连接，环筋采用钢筋搭接连接；钢筋绑扎应先绑扎竖筋再绑扎环筋；之后扎内层钢筋。钢筋绑扎应横平竖直、均匀分布。扎筋一定高度组装金属装配式模板，校正，浇注砼，继续向上扎筋，在第一模上组装第二模模板校正，浇注砼，依次类推。利用脚手架加固装配式模板。采用溜灰管下料，分层浇注、分层震捣，每次浇注高度300mm左右，入模砼采用插入式电动震动棒震捣密实。

内壁施工的特点：自下而上连续砌筑砼，实现无施工缝，有利于提高内壁的隔水性能。为保证内壁砼质量，套砌内壁时，必须严格控制砼配合比、坍落度与入模温度。如果出现意外停工时，应按施工规范要求处理好施工缝；及时进行洒水养护，防止温度应力造成井壁裂纹现象。

四、充填注浆与融沉注浆

1)衬砌后充填注浆；

停止冻结后3～7天内进行衬砌后充填注浆。利用预埋注浆管，注浆时衬砌混凝土强度宜达到设计强度的60％以上。采用0.8：1～1：1单液水泥浆。注入水泥浆前应先注清水，检查各注浆孔之间衬砌后间隙是否畅通。注浆宜按由下而上的顺序进行，当上一层注浆孔连续返浆后即可停止下一层注浆，直至注到井筒顶部结束。

2)地层融沉补偿注浆

融沉注浆管应在井筒结构施工时预埋。注浆管预埋深度应穿透初期支护层，布孔密度为2～4m²/个。

充填注浆结束后，根据地层监测情况进行冻结壁融沉补偿注浆。融沉补偿注浆通过预埋的注浆管、地面垂直注浆孔和冻结管进行。本施工方法采用自然解冻的方式进行融沉注浆。

控制地面沉降变形是注浆的目的。因此，化冻过程中，要加强地面变形监测、冻土温度监测、冻结壁后水土压力监测。另外，注浆施工过程中，浆液的压力可以通过在相邻注浆孔安装压力表来反映。以上综合监测数据是注浆参数调整的依据。

充填注浆结束，当一天内井筒上部地面沉降大于0.5mm，或井筒上部地面累计沉降大于3mm时，应进行融沉补偿注浆；当井筒上部地面隆起3mm应暂停注浆。具体要根据地面变形监测情况做适当调整。

融沉注浆的结束是以地面沉降变形稳定为依据。若冻结壁已全部融化，且不注浆的情况下实测地层沉降，持续一个月每半月不大于0.5mm，可停止融沉补偿注浆。