上海市工程建设规范
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旁通道冻结法技术规范
Technical code for crosspassage Freezing method
DG/TJ08-902-2006 J10851-2006
主编单位：上海申通轨道交通研究咨询有限公司 批准部门：上海市建设和交通委员会 施行日期：2006 年 10 月 1 日
2006 年上海
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1.总则
1.0.1 为了贯彻执行工程建设的方针，政策，推广应用在设计，施工 中的各项行之有效的科研成果和经验， 保证地铁建设工程冻结法施工 质量，促进技术进步，做到经济合理，安全可靠，特指定本规程。 1.0.2 本规程适用于上海地铁建设中圆隧道旁通道应用盐水制冷系统 的冻结法技术的工程勘察，地层冻结设计，冻结壁形成及其检测，冻 结孔施工与冻结管质量， 冷冻站制冷系统， 掘砌及监控德望能够方面。 在设计及施工时，应严格执行本规程的规定。 1.0.3 在旁通道地层冻结设计和掘砌施工中，应因地制宜，因时制宜， 合理设计，精心施工，严格监控， 。在地层冻结设计时，应综合考虑 工程特征，周边环境和工程地质条件及水位地质条件，选择合理的冻 结壁结构和冻结工艺。 在旁通道掘砌施工中应做到地层冻结与掘砌的 协调配合，确保施工安全。 1.0.4 采用冻结法施工的盾构进出洞加固，建筑基坑维护，隧道地基 土加固和其他隧道旁通道施工等工程， 可根据工程的特性和工程地质 及水文地质条件，参考应用本规程。 1.0.5 采用冻结法施工的旁通道工程，除应符合本规程的规定外，还 应符合国家和本市现行的有关标准，规范和规程。
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2.0.1 冻结法
术语
ground freezing method
在施工地下构筑物之前，用人工制冷的方法，将构筑物周围含 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 工工法。 2.0.2 盐水制冷系统 brine refrigeration system 以氯化钙等盐溶液为冷媒剂的间接制冷系统。采用盐水制冷系 统的冻结法施工技术简称盐水冻结。 2.0.3 表土层 soil layer 覆盖于基岩露头之上的第三纪，第四纪地层。冻结法一般用于 含水表土层的加固。 2.0.4 冻土圆柱 frozen soil column 冻结器与周围含水地层发生热交换并使周围含水地层冻结所 形成的近似圆柱的冻土柱。 2.0.5 冻结壁 frozen soil wall 用制冷技术在构筑物周围地层所形成的具有一定厚度和强度 的连续冻结岩土体，又称冻土帷幕或冻土墙。冻结壁由两两相交的冻 土圆柱组成，相邻冻土圆柱的交界面称冻结壁界面。 2.0.6 冻结壁厚度 frozen soil wall thickness 冻结壁壁面上任一点与另一壁面之间的最短距离。 冻结壁厚度
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设计值在一般指在拟建构筑物开挖面外侧冻结壁所要达到的最小厚 度。 2.0.7 冻结壁平均温度 average temperature of frozen soil wall
冻结壁任一截面温度分布的平均值。 冻结壁平均温度设计值一 般指拟建构筑物开挖面外围冻结壁界面处所要达到的平均温度。 2.0.8 冻结壁交圈时间 frozen soil wall closing time 从地层冻结开始至构筑物周围主要冻结器布置圈上所有相邻 的冻结器多形成的冻土圆柱按设计要求完全相交所需要的时间。 2.0.9 冻结壁形成期 formable period of frozen soil wall 从地层冻结开始至冻结壁形成达到设计要求所需的时间， 也称 积极冻结期。 2.0.10 冻结壁维护期 maintainable period of frozen soil wall
冻结壁形成达到设计要求后， 为了保证构筑物掘砌过程中的安 全， 继续向冻结器输送冷量， 以维持冻结壁满足设计要求的一段期间。 也称维护冻结期。 2.0.11 人工冻土 artificial frozen ground 用人工制冷技术使含水地层降温冻结所形成的冻土。 2.0.12 冻结站 refrigeration plant
在拟建构筑物附近集中安设制冷设备和设施的场所。冻结站 主要有制冷剂（氟利昂等）循环系统，冷媒（盐水等）循环系统，冷 却水循环系统及供电系统。
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2.0.13 冻结孔 freeze hole 按设计要求布置在构筑物周围用于安装冻结器的钻孔， 有垂 直孔，水平孔，倾斜孔之分。冻结孔有时也泛指冻结器。冻结孔一般 沿围绕构筑物的环线布置，该环线称冻结孔布置圈。 2.0.14 冻结器 freezing apparatus 安设在冻结孔内，用以循环冷媒剂并与地层进行热交换的装 置。冻结器由冻结管和置于冻结管内的供液管等组成，冻结管要求导 热性好，不渗漏，一般采用无缝钢管。 2.0.15 泄压孔 pressure release hole 用来观测和释放土层水压力的孔（管） 。可以通过观测冻结 壁围护结构内泄压孔水压变化来判断冻结壁是否交圈， 通过泄压孔泄 水，排泥来缓减土层冻胀对周围环境的影响。 2.0.16 温度观测孔 temperature measurement hole 布置在冻结壁及冻结降温区内，用于安装温度传感器监测不 同时期地层温度分布情况的钻孔。测温数据用来计算冻结壁扩展速 度，冻结壁厚度和冻结壁平均温度等冻结壁形成特性参数。 2.0.17 冻结孔间距 a space between two adjacent freeze holes 相邻两冻结孔之间的距离。冻结孔不同深度处的冻结孔间距 一般也是不同的。相邻冻结孔孔口之间的距离称冻结孔开孔间距。实 际施工完成的冻结孔间距称冻结孔成孔间距。 2.0.18 测斜 deviational measurement
检查冻结孔，温度检测孔，水位观测孔在不同深度上的偏斜
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值和偏斜方位的工作。测斜应在钻进施工中进行，并于成孔后再进行 最终测量。 2.0.19 掘进步距（段长） drivage step size 掘砌施工过程中，每个开挖与支护循环作业的掘进长度。 2.0.20 冻土压力 frozen ground pressure 冻结壁作用于支护上的法向压力的统称，亦称冻结压力。冻 结压力为临时荷载。 2.0.21 旁通道 bypass 地铁隧道旁用于联络两条地铁隧道或安设隧道泵站的短隧道 和硐室。旁通道一般有水平通道，集水井和水平通道与地铁隧道连接 的喇叭口三部分组成。
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3.1
基础资料
勘察资料
3.1.1 周围地面环境及地下管线资料。主要应包括周边地面及地下的 建筑物结构， 设备， 管线特征及其与拟建旁通道的位置关系， 建筑物， 设备和管线等特殊保护要求等。 3.1.2 勘察孔地质柱状图及相关描述。应包括勘察孔位置，深度，勘
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察孔主要施工工艺及主要施工过程，勘察孔全深范围内的土层分布 图，土层名称，层顶标高，层厚，取样点位置，土体性状，包含物及 物理特征等。勘察孔深度应不小于旁通道结构埋深的 2.3 倍。 3.1.3 含水层及地下水活动特征。应包括含水层埋深，厚度，渗透系 数， 地下水水位及其变化幅度， 以及含水层与地表水体的水力联系等。 当旁通道附近含水层地下水活动频繁，地下水流速有可能超过 5m/d 时，还应提供该含水层的地下水流向，流速等资料。 3.1.4 土层的常规物理力学特征指标。 主要包括土层的密度， 含水量， 塑性指标，颗粒组成，内摩擦角和粘结力，膨胀量和承载力等。
3.2
冻土试验资料
3.2.1 土层的热物理特性指标。主要应包括原始地温，结冰温度，导 热系数，比热和冻胀率等。 3.2.2 冻土的物理力学特性指标。主要包括抗压强度，剪切强度，抗 折强度，蠕变参数和融沉率等。
3.3
3.3.1 旁通道结构施工图。
其他资料
3.3.2 其他与旁通道冻结法设计，施工有关资料。如：拟建旁通道附 近隧道施工的有关情况，隧道内及端头井附近的交通及场地条件，地
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区气象资料等。
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地层冻结设计
4.1 一般规定
4.1.1 地层冻结加固应在设计的时间内保证土方开挖和结构施工的安 全，并使周围环境和建筑物不受损害。 4.1.2 冻结壁宜作为临时承载结构。当要求承载时间较长时，宜设立 初期支护形成复合承载体系。 4.1.3 地层冻结设计应包括以下内容。 1.冻结壁结构方案比较与选择。 2.冻结壁的承载力和变形验算（1 类冻结壁除外） 。 3.冻结孔布置图。 4.冻结壁形成验算。 5.冻结制冷系统设计。 6.对冻结壁的监测与保护要求。 7.可能对周围环境和建筑物产生影响的分析。 8.对周围环境和建筑物的影响监测与保护要求。 4.1.4 在地层冻结区域内有以下情况时， 设计中应进行深入分析并采 取针对性措施： 1. 地下水流速大于 5m/d， 有集中水流或地下水水位有明显 （≥
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2m/d）波动； 2. 土层结冰温度低于－2oC 或有地下热源可能影响土体冻结； 3. 土层含水量低可能影响土体冻结强度； 4.用其他施工方法扰动过的地层； 5. 有其他可能影响地层冻结或地层冻结可能严重影响周围环 境的情况。 4.1.5 当冻结壁表面直接与大气接触， 或通过导热物体与大气产生热 交换时，应在冻结壁或导热物体表面采取保温措施。 4.1.6 在冻结壁形成期间，冻结壁内或冻结壁外 200m 区域内的透水 砂层中不宜采取降水措施。必须降水施工时，冻结设计应充分考虑降 水产生的不利影响。 4.1.7 冻结壁的荷载计算 1.冻结壁的荷载应包括下列各项。 （1）土压力 （2）水压力 （3）土方开挖影响范围以内地面建筑物荷载，地面超载及其他 临时荷载。 2.土压力和水压力对砂性土宜按水土分算的 原则计算：对粘 性土宜按水土合算的原则计算，也可按经验公式计算。 3.垂直土压力按计算点以上覆土重量及地面建筑物荷载，地面 超载计算；侧向土压力按主动土压力计算，可采用郎肯土 压力理论计算；基底土反力可按主动土压力计算，也可按
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静力平衡计算。 4.侧向土压力计算的经验公式为 Ps=KPt 公式中 Ps―――为侧向土压力，kpa Pt―――为计算点的垂直土压力，kpa
K―――为侧压系数，一般取 K=0.7
4.2 4.2.1
冻结壁设计 冻结壁结构形式选择
1.冻结壁按其功能与要求分为三类，间表 4.2.1。应根据冻结壁 功能要求分类选择不同形式和安全性能的冻结壁结构。
表 4.2.1 冻结壁功能分类表
类别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ
功能与要求 仅用于止水而无承载要求 仅用于承载而无止水要求 既要求承载又要求止水
说明
如岩石裂隙和 混凝土界面缝隙止水
如不透水粘性土层的加固 如含水砂土层的加固与止水
2.冻结壁结构形式选择原则 （1）冻结壁宜按受压结构设计。 （2）在含水砂性土层中应采用密封的冻结壁结构形式。 （3）冻结壁的几何形状宜与拟建地下结构的轮廓接近，并易于 冻结孔布置
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（4）冻结壁结构形式选择应有利于控制土层冻胀与融沉对周围 环境的影响 （5）对冻结壁有严格变形控制要求时，可采用“冻实”的冻结 壁形式 3.旁通道的通道部分可采用直墙圆拱冻结壁，集水井可采取满 堂加固或采用“V”字形冻结壁。 4. 开挖后冻结壁应设初期支护或内支撑，但冻结壁承载力设 计仍按承受全部荷载计算。
4.2.2
冻结设计基础参数确定
1. 冻结壁平均度温 冻结壁平均温度应根据冻结壁承受荷载大小（或开挖深度） ，冻 胀融沉可能对环境造成的影响及工艺合理性确定，在一般情况 下可按表 4.2.2－1 选取。冻结壁承受荷载大，安全要求高的工 程宜取较低的冻结壁平均温度。
表 4.2.2－1 冻结壁平均温度设计参考值
开挖深度 Hj m 冻结壁平均温度 Tp °C 2.盐水温度与盐水流量
<12 －6～－8
12～30 －8～－10
>30 ≤－10
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（1） 盐水温度与盐水流量应满足在设计的时间内使冻结壁厚度 和平均温度达到设计值的要求。 （2）最低盐水温度确定应根据设计冻结壁平均温度，地层环境 及气候条件确定，在一般情况下可按表 4.2.2－2 选取。设 计冻结壁平均温度低，地温高，气温低时宜取较低的 盐 水温度。
冻结壁平均温度 Tp °C 最低盐水温度 Ty °C
－6～－8
－8～－10
≤－10
－26～－28 －28～－30
－30～－32
（3） 按下列要求控制盐水温度：积极冻结 7 天盐水降至－18°C 以下， 积极冻结 15 天盐水温度降至－24°C 以下 （设计最低 盐水温度高于－24°C 时取设计最低盐水温度） ， 开挖过程中 盐水温度降至设计最低盐水温度以下。施工初期支护后可进 行维护冻结，但维护冻结盐水温度不宜高于－22°C，并确 保冻结壁与隧道管片得交界面不化冻。 （4）开挖过程中，在保证冻结壁平均温度和厚度达到设计要求且 实测判定冻结壁安全的情况下，可适当提高盐水温度，但不 宜高于－25°C。 （5）开挖时，去、回路盐水温差不宜高于 2°C。
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（6）冻结孔单孔盐水流量应根据冻结管散热要求、去、回路盐水 温差和冻结管直径确定。冻结管内盐水流动状态宜处于层流 与紊流之间。并联的冻结孔单孔盐水流量之和不得小于按式 4.3.5－1 计算的盐水循环总流量。一般情况下冻结孔单孔盐 水流量可按表 4.2.2－3 选取，冻结管直径大时取较大的盐水 流量。
表 4.2.2－3 单孔盐水流量设计参考值
冻结孔串联长度 Lk, m 单孔盐水流量 Qyk m3/h
≤40
40~80
>80
3.0~5.0
5.0~8.0
≥8.0
3. 冻结管 （1）冻结管应选用导热和低温性能好的材质，宜采用低碳钢无缝 钢管。 （2）冻结管外径可选用Φ 89～127mm，不宜小于Φ 73mm，管壁厚 度不宜小于 5mm。
4.2.3
冻结壁厚度设计与强度检验
1.Ⅱ类和Ⅲ类冻结壁应按承载力要求设计冻结壁厚度。 2.冻结壁内力宜采用通用力学计算方法计算。冻结壁的力学计 算模型可按均质线弹性体简化，其力学特性参数宜取设计冻 结壁平均温度下的冻土力学特性指标。
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3.开挖后应及时施工初期支护，冻结壁的空帮时间不宜大于 24 小时。 4.按下列公式进行冻结壁的强度检验，一般情况下可具体只进 行抗压、抗折和抗剪检验。 Kδ ≤R (4.2.3)
式中δ ―――为冻结壁应力，MPa; R----为冻土的强度指标，MPa K---- 为安全系数，Ⅲ类冻结壁强度检验安全系数按表 4.2.3 选取， Ⅱ类冻结壁强度检验安全系数取Ⅲ类 冻结壁的 0.9 倍。
表 4.2.3 Ⅲ类冻结壁强度检验安全系数 项目 抗压 抗折 抗剪
安全系数
2.0
3.0
2.0
2. 3.
有特殊要求时验算冻结壁的变形。 旁通道喇叭口处的冻结壁设计厚度不应小于 0.8m，其他部 位的冻结壁设计厚度不应小于 1.4m。
4.
在冻结壁与隧道管片的交接面强度未经计算检验时， 冻结 壁与隧道管片的交接面宽度不得小于喇叭口处的冻结壁 设计厚度， 且冻结壁界面上的最低温度不得高于设计平均
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温度。
4.2.4
1.
冻结孔布置
冻结孔布置参数包括冻结孔成孔控制间距、冻结孔开孔间
距、冻结孔孔位、冻结孔深度和冻结孔偏斜精度要求等。冻结壁形成 参数包括冻结壁交圈时间、预计冻结壁扩展厚度和冻结壁平均温度 等。 2. 冻结孔成孔控制间距应按设计冻结厚度、冻结壁平均温度、 盐水温度和冻结工期要求等确定， 布置单排冻结孔时冻结孔成孔控制 间距可按表 4.2.4－1 选取，但不宜大于冻结壁设计厚度。多排冻结孔 密集布置时，内部冻结孔成孔控制间距可取边孔的 1.2 倍。
表 4.2.4－1 单排冻结孔成孔控制间距设计参考值
冻结孔类型
水平或倾斜冻结孔
竖直冻结孔
冻结孔深度 H(m) 冻结孔成孔 控制间距 Smax,mm
≤10 1100～1300
10～30 1300～1600
30～60 1600～2000
≤40 1200～ 1400
40～100 1400～ 1800
3.
冻结孔偏斜精度要求可按表 4.2.4－2 选定。
表 4.2.4－2 冻结孔类型
冻结孔偏斜精度要求 水平或倾斜冻结孔
竖直冻结孔
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冻结孔深度 H(m) 冻结孔最大偏 斜 Rp,mm
≤10 150
10～30 150～350
30～60 350～600
≤40 150～250
40～100 250～400
4.
冻结孔开孔间距不宜大于冻结孔成孔控制间距与冻结孔最 大偏斜之差。
5.
当布置单排冻结孔在规定冻结工期内达不到设计冻结壁厚 度和平均温度时，应布置多排冻结孔冻结。
6.
冻结孔宜均匀布置并避开地层中的障碍物。在隧道管片上布 置冻结孔时，开孔位置应避开管片接缝、螺栓口，并且宜避 开钢筋混凝土管片主筋和钢管片肋板。
7.
冻结孔深度可按下式确定 Lks=Lsj+L0+L1 （4.2.4－1）
式中 Lks――――为冻结孔深度，m Lsj――――为从冻结孔孔口到冻结壁设计边界的距离，m L0――――为不能循环盐水的冻结管端部长度，m L1――――为冻结管端部冻结削弱影响深度，m 碰到对侧隧道管片而不能循环盐水的冻结管端部长度不得大 于 150mm. 8. 应在冻结孔未穿透管片的隧道管片内表面敷设冷冻排管，以 补强冻结壁与隧道管片的交界面。冷冻排管的敷设范围不应 小于冻结壁设计厚度，冷冻排管的内径不应小于 30mm，管 间距不应大于 0.5m。
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9.
当只需要加固地层深部土体时，可采用浅部冻结管保温或下 双供液管的方法进行局部冻结。
4.2.5
冻结壁形成预计
1. 冻结壁扩展厚度可按下式计算 Eyj=Vdpt 式中 Eyj―――为预计冻结壁厚度，m； Vdp-----------为冻结壁平均扩展速度，m/d t―――为冻结时间，d. 冻结壁平均扩展速度可按表 4.2.4－3 选取或采用通用计算方法 计算。
表 4.2.4－3 单排孔冻结壁（或冻土圆柱）扩展速度设计参考值
冻结时间 t（d） 冻结壁平均扩展速 度 vdp(mm/d)
20 34
30 28
40 24
50 22
60 20
如为密集布孔， 内部冻结孔之间的冻结壁扩展速度可比上表给 出的设计参考值增加 5％～20％。 2. 冻结壁交圈时间可按下式估算
tjp=smax/vdp
式中 tjp――――为预计冻结壁交圈时间，d
Smax―――为冻结孔成孔控制间距，m; Vdp―――为冻结壁平均扩展速度，m/d。
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3. 冻结壁形成期应不小于预计冻结壁厚度和平均温度达到设计 要求的时间。 4. 冻结壁交圈后的温度分布可简化为定常温度场计算。冻结壁 扩展过程和平均温度可采用通用数值方法或通用经验公式计 算。
4.2.6
隧道管片保温
1. 在冻结壁附近隧道管片内侧应敷设保温层。保温层敷设范围 不得小于设计冻结壁边界外 2m。 2. 隧道管片保温层应采用导热系数和吸水率小，阻燃性好的保 温材料。导热系数应不大于 0.04W/mh,吸水率应不大于 2％。可采用 聚氨脂、橡塑、聚苯乙烯和聚乙烯软质泡沫等保温材料。保温层厚度 不应小于 30mm，在一般情况下可取 30～50mm。 3. 宜采用现场喷涂施工的聚氨脂发泡保温层。采用保温板材时， 应采用专用胶水将保温板密贴在隧道管片上， 板材之间搭接宽度不得 小于 150mm。
4.3 4.3.1
制冷系统设计 制冷能力计算
1. 冻结管吸热能力按式 4.3.1－1 计算 Qg=qA （4.3.1－1）
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式中 Qg ―――为冻结管吸热能力，kJ/h q――― 为冻结管吸热系数，可取 1047～1172kJ/m2h A―――为冻结管总表面积，m2。 2. 冻结站所需制冷能力按式 4.3.1－2 计算 Qz=mQg (4.3.1-2)
式中 Qz―――为计算制冷能力，kJ/h m―――为冷量损失系数，可取 m=1.1～1.2。
4.3.2 冷冻机
1. 制冷剂循环系统的冷凝温度高于冷却水循环系统得出水温 度 3～5oC。 2. 制冷剂循环系统的蒸发温度低于设计最低盐水温度 5～7o C。 3. 由计算制冷能力、制冷剂循环系统的冷凝温度、蒸发温度 确定冷冻机的型号与数量。选定冷冻机的总制冷能力不得 小于计算制冷能力，并应考虑足够的备用。
4.3.3
盐水
1. 地层冻结用盐水（冷媒剂）可采用氯化钙水溶液。 2. 氯化钙水溶液的凝固点应低于设计盐水温度 8～10 oC，比 重不宜高于 1.27。 3. 盐水中可掺加氢氧化钠或重铬酸纳以减轻盐水对金属的腐
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蚀。 4. 氯化钙水溶液应充满循环系统中所有的容器和管路。氯化
钙用量按下式计算确定。 G=1.2g(V1+V2+V3)/ρ G―――氯化钙用量，kg g―――为单位盐水体积固体氯化钙含量，kg/m3； ρ ―――为固体氯化钙纯度，一般无水氯化钙取 96％，警惕氯 化钙取 70％； V1――――为冻结器内盐水体积，m3 V2――― 为干管及集、配集液圈内盐水体积，m3； V3―――为蒸发器和盐水箱内盐水体积，m3。 (4.3.3)
4.3.4
盐水管路
1. 按盐水流速计算供液管、干管和配集液管管径。盐水在冻结 器环形空间的流速宜为 0.1～0.3m/s，在供液管中的流速宜为 0.6～ 1.5m/s，在干管及配集液管中的流速宜为 1.5～2.0m/s。 2. 盐水干管及配集液管可选用普通低碳钢无缝钢管或焊接钢
管，管壁厚度不宜小于 4.5mm。供液管可选用钢管或聚乙烯增强塑料 管，供液管接头必须有足够强度以防断裂。 3. 在盐水干管中可安装软接头以减小温度应力和制冷设备运
转引起的震动。
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