岩土工程冻结法.doc

浅述岩土冻结法的应用及相关分析摘 要：岩土工程冻结法在我们的土木建设中占据着重要的地位，这项技术在国内外也日趋成熟，并且在一些施工较为困难的场所屡建奇功。本文主要系统的阐述岩土工程冻结法的基本原理、冻结技术在岩土工程领域的应用、岩土工程冻结法在理论研究、工程实践中存在的问题及对策，从而达到对岩土工程冻结法的一个初步性的认识和了解。关键词：基本原理；冻结法；隧道盾构；井筒掘进；建筑基坑1.冻结法加固地层的原理及优点1.1岩土工程冻结法基本原理目前,地层加固的方法有多种，从所用加固材料作用过程来说,分化学和物理的，从加固方式来说,分外加来置换的和纯外加入的；从加入地层内材料的直观上来说,有看得见和看不见的，或者说分为硬件加入和软件加入。不论何种方式,目的都是为了提高地层的强度和稳定性,以及隔水性能,从而形成一个支护系统。在这一支护系统内可安全地完成建筑物的建设。冻结法是在岩土工程开挖之前，用人工制冷的方法将开挖工程周围的岩土层冻结成封闭的冻结圈（壁），以临时加固地层，抵抗地压，隔绝地下水，然后在冻结壁的保护下进行正常施工的一种特殊施工法。 首先要打一定数量的冻结孔，孔内安装冻结管或冻结器。 冷冻站制出的低温盐水（大约-30C）经输送干管到各孔内冻结器，再由回路干管返回到冷冻站的盐水箱。 低温盐水在冻结管中沿环形空间流动时，吸收其周围岩层的热量，使周围岩层冻结，逐渐扩展形成冻结壁。随着盐水循环的进行，冻结壁厚度逐渐增大，直到达到设计厚度和强度为止。1.2岩土工程冻结法的优点由于冻土中关键成份冰的力学性质主要取决于温度和时间,故地层的地质情况不是主要的因素。相对其他工法来说,它可用于任何含水的土层或岩层中,无论什么样的结构、颗粒或渗透特性。尽管饱和含水量对冻结法更好,但即使含水量低到10%时, 冻结法应用也不会有什么问题或困难。软土、流沙层、砾石地层,以及高水压或高土压地层,冻结法更具优越性。土层或岩层非均质时注浆困难, 可是非常易于冻结。在打桩或降水困难或不可能时,有可能造成沉降的这类地层, 冻结法将是最佳工法。诸如有建筑填石、桩或旧建筑物基础的地方,其他工法非常困难,而冻结法就容易多了。冻结法无烟,无震动,无冲击和强烈噪音,因而它适合于环保要求严格的地方。无论是冻结过程中还是融化后,冻结法对地下水及水位几乎没有影响。因而它适合那些对地下水质及水位控制严格的地方。冻结法几乎完全以地层本身的物质形成支护体系,基本不要其他材料。在三材缺少,或有时暂时无供货的地方,冻结法不会受影响。由于地层冻结系统可有多种大小的设备及不同方式组成,因而它非常适合那些场所受限,甚至难以接近的地方。2.冻结技术的应用2.1在地铁及隧道工程中的应用2.1.1地铁区间隧道盾构进出工作井的土体加固隧道盾构进出工作井时将面临较大的水压和土压变化,可能出现土体坍塌和涌水。若用冻结技术加固,则可靠快捷。例如,日本东京环7线2号调节水仓隧道,采用盾构施工,圆形工作井深60 m,出口冻结加固面直径达28.1 m,用冻结加固结束后,直径为13.94 m 的大型泥水加压平衡盾构顺利出洞。2.1.2盾构隧道的地下或海底对接土体的加固城市地铁和越江隧道往往由于条件限制,无法从地面开凿工作井,此时,两对头掘进的盾构隧道,其对接区采用冻结技术加固,不仅可使土体强度提高,还可起到阻水作用。日本大阪东南部的排水隧道,直径6.5m ,长8.5km ,分5个工区掘进,采用地下或海下对接,由于不开凿地面立井,成功应用冻结技术加固,保证了工程顺利完成,并降低成本13%。2.1.3盾构隧道涌水和塌陷事故的修复冻结意大利A gri Sau ro 盾构隧道在掘进了2.63 km时,从盾构后方的顶部衬砌中涌入泥砂达6000m3,在采用注浆等方法抢险失败后,采用液氮对衬砌破坏的18 m 区段实行冻结,抢险成功。2.1.4地铁泵房、旁通道和急转弯部位的冻结加固根据现代城市地铁安全设计的要求,间距1 km左右时,需在并排区间隧道间设立泵站,此外,地铁工程还有一些旁通道和急转弯部位。在这些区域采用盾构法施工往往较困难,而且很不经济。日本、美国、英国等国在这些部位常采用冻结法对周围土体加固,然后用矿山法掘进。在上海地铁1 号线思南路旁通道施工前虽然采用了旋喷法加固,但是施工时仍然发生了3次涌砂现象,后来采用冻结技术加固,效果很好;宁海西路下行泵站中采用冻结加固,经加固后的土体满足强度和抗渗要求。2.2冻结技术在井筒掘进中的运用冻结法用于竖井井筒的掘进,已成为成熟的技术,其施工关键在于冻结壁的合理设计和安全段高选取。斜井冻结法施工时,可采用垂直冻结孔或沿斜井轴向钻进斜冻结孔两种方案。前者,工艺简单,可直接利用垂直钻机造孔,但随着井深加大,钻孔和冻结费用将大大增加。后者具有钻孔少,冻土体积小,费用低的优点,但定向钻孔技术复杂, 难以保证钻孔质量。当井深小时,宜用前者反之,用后者。当斜长较大时,也可采用划段分期冻结方案图,划段原则应以保证掘井和冻结所需时间吻合,减少冷量损耗和冻结站装机容量,从第二段开始采用局部冻结,此时成井段则停止供冷。为防止冻结开挖后工作面底鼓过大,导致两帮冻结壁向井心位移,影响冻结管的安全,为此井筒内的冻结管也应进入底板,将井筒冻实,确保其安全通过。井筒掘进过程中遇冻结管前,先关闭其供液管,待掘至冻结管时,将其截断并焊死管头。斜井冻结壁设计,按浅埋峒室松动地力理论计算斜井侧帮压力,根据顶、侧、底部压力分别计算相应部位冻结壁厚度。2.3建筑基坑施工在建筑业中,冻结法的另一主要应用领域是对软弱地基处理和建筑基坑施工, 冻结法施工基坑,视工程大小,冻结壁可采用平壁和曲面图两种形式。前者在土压力作用下,相当于平板受弯,将产生拉应力区,承载力较低,适用于较浅或跨度较小的建筑基坑施工后者在受侧压后,璧内应力近似厚壁圆筒受均匀外荷载时的应力分布不会产生拉应力,冻结技术在基础及地下工程中的应用充发利用冻土抗压强度较大的优点, 故适用于较深暴露面较大的建筑基坑施工或跨度大的挡土墙。同一工程分别采用以上两种不同形式冻结壁,为便于比较,其冻结壁位移计算,可视为平面问题不考虑底部约束,按弹性理论求解。3.冻结施工存在的主要问题及其解决对策3.1隧道、地铁施工冻结法施工隧道,当隧道埋深较大时,为减小打钻和冻结工程量,或当地面有交通干线等设施,不允许打垂直钻孔时,必须打水平钻孔,安装水平冻结管。目前, 我国水平钻孔施工质量难以保证,有待进一步研究解决。当隧道或地铁埋深较浅时,夏季施工热交换快,冷量损耗大,冻结温度不易降低, 导致冻结壁强度降低,此时应有可靠的绝热保温措施,在地表面及冻结暴露面上敷设质轻、价廉的矿渣棉保温材料,或用珍珠岩与石灰等廉价胶结材料做为保温隔热灰浆喷抹于地表,确保冻结壁形成并能维护。3.2井筒施工随着冻结深度增加,特别是在深厚表土层中,冻结管断裂问题显得尤为突出。我国采取加强冻结的措施,虽然顺利完成了几个深井冻结施工,但往往由于井心冻实,影响施工速度,因此,一味强调加强冻结是否经济、合理,还有待于进一步研究,同时应加紧冻土掘进机和冻土爆破方法的研究。冻结孔施工是冻结法的关键,如果钻孔垂度或斜井定向钻孔质量不能保证, 深井和斜井冻结施工将难于实施。应采用钻、测、纠综合技术打孔,保证钻孔垂直度研制斜孔定向钻具,以便满足斜井造孔要求。3.3建筑基坑施工在软弱土层中用冻结法施工建筑基坑,主要存在以下问题：a、两墙相交处易于剪坏。b、采用平面冻结壁施式大型矩形基坑,为满足稳定性要求,其壁厚势必很大, 而用整体曲面冻结壁又会大大增加开挖工程量,不经济c、夏季施工,冻结壁暴露面接触大气层热空气以及雨水对冻结壁冲刷,冷量损耗大,难于降温,甚至冻结壁表面融化d、制冷机运转有较大的嗓音,冷冻站不宜设在居住区e、缺乏有关冻结法施工基坑的冻结参数研究,设计依据不合理针对以上问题,可采取如下对策两靖相交处相对密布冻结管,加大该处冻土体积,降低冻土祖度,提高其强度,防止剪坏,采用分段曲面冻结壁施工大型建筑基坑基坑,为缩小曲面跨距,增加各曲面冻结壁端部刚度和冻土墙整体稳定性, 防止两面相交处出现可能的剪坏,在相交处局部多布密集冻结管图,以形成一冻结柱桩,该桩主要承受曲面冻结壁传递的推力和桩范围内的土压力,其设计可视基坑底面以上为悬臂梁,按“m”法确定其水平承载力设计值。夏季施工,在冻结壁以及其附近的地表层应采取保温措施,确保冻土降温。建议采用噪声较小,高效的制冷机以及封闭式冷冻站。开展平坦和曲面冻结壁加固建筑基坑的横拟试验研究,提出合理的设计参数。4.结语通过以上分析、讨论,可得以下几点结论：冻结技术可广泛地应用井筒,隧道、地铁和基础等工程施工,但仍存在一些问题,可采取相应的解决对策。应使冻结技术在我国得到更广泛的应用。基坑施工中,视其一次暴露跨度大小,分别选用平面和曲面冻结壁,建议跨度小于时,用平面冻结壁,否则应选用曲面冻结壁。建议采用分段曲面冻结壁进行大型基坑施工。参考文献：1翁家杰.井巷特殊施工M .徐州:中国矿业大学出版社,1991.2陈明雄.上海软土地层浅覆土盾构隧道冻结加固模型试验研究J.地下工程与隧道,1996(3):227.3李晓昭.城市地下工程应用人工地层冻结法的探讨A.见:陈锡贤.地下铁道文集C.深圳:海天出版社,1999.4黄炎.工程弹