冻结法施工原理(共6页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上摘要冻结法施工在公路隧道、基坑等工程中已被世界各国的工程界广泛地使用,可为地下工程的施工提供更加安全、便利的施工条件。阐述了冻结法加固地层的原理及优点,结合工程实例介绍了冻结法在地铁工程中的应用,并就冻结法加固的水平钻孔及土体的冻胀、融沉问题进行了分析研究。关键词地铁,地基加固,冻结法施工 1 冻结法加固地层的原理及优点1.1 冻结法加固地层的原理      冻结技术源于天然冻结现象。人类首次成功地使用人工制冷加固土壤,是在1862年英国威尔士的建筑基础施工中。1880年德国工程师F.H.Poetch首先提出

2、了人工冻结法原理,并于1883年在德国阿尔巴里煤矿成功地采用冻结法建造井筒。从此,这项地层加固特殊技术被广泛地应用到世界许多国家的矿井、隧道、基坑及其它岩土工程建设中,成为岩土工程,尤其是地下工程施工的重要方法之一。      冻结法加固地层的原理,是利用人工制冷的方法,将低温冷媒送入地层,把要开挖体周围的地层冻结成封闭的连续冻土墙,以抵抗土压力,并隔绝地下水与开挖体之间的联系;然后在这封闭的连续冻土墙的保护下,进行开挖和做永久支护的一种地层特殊加固方法。      进入地层内的冷媒通过进、回管

3、路与地层相连,通过冻结管与地层进行热交换,将冷量传递给周围地层,而将地层中热量带走。由此使冻结管周围地层由近向远不断降温,逐渐使地层中的水变成冰,把原来松散或有空隙的地层通过冰胶结在一起,形成不透水的冻土柱。若干个这样的冻结管排列起来,通过冻结管内的冷媒不断循环,使这些冻结管周围土都冻成冻土柱。随着冻土柱半径不断扩展,相邻冻土柱就会相连,彼此通过冰紧密结合在一起,形成密封连续墙。1.2 冻结法施工的优点      1)封水性有自由水(一般情况下含水率应大于10%,否则要采取增加土层湿度的辅助工法)就能冻结成冻土,形成冻土壁。无论是透水层,还是隔

4、水层,冻土壁可以阻隔地下水侵入,形成干燥的施工环境。      2)强度高一般认为冻土是一种黏弹塑性材料,其强度同土质、容重、含水率、含盐量及温度等因素有关,一般可达到210 MPa,远大于融土强度,从而起到结构支撑墙的作用。      3)适应性强适应各种土层及多种地下工程,尤其适用于含水量大、地层软弱、其他工法施工困难或无法施工的地下工程。      4)复原性施工结束土层恢复原状,对土层破坏性很小。这是其他工法所无法比拟的。 &#

5、160;    5)绕障性具有绕过障碍冻结加固和封水能力。      6)无公害用电能换取冷能,不污染大气环境,无有害物质排放,对地下水无污染。在环保要求高的工程中,其优越性尤其明显。      7)可控性冻结工期、冻结壁厚度、冻结壁形状等都可调控。      8)适用性可在密集建筑区和现有工程建筑物下施工,不需进行基坑排水,可避免因抽水引起地基沉降造成对周围建筑物的不利影响。   &#

6、160;  9)施工便利无支衬、无拉锚,可进行敞开式施工并扩大建筑面积,缩短工期。2 冻结法在地铁工程中的应用      在地铁施工中,冻结法主要应用于盾构进洞、出洞加固,旁通道构筑和地铁修筑中薄弱地段加固。冻结法施工的有些环节已经比较成熟,如:      1)冷媒剂的选用通常选用适用温度范围较广、热容量较大、来源充裕、价格较便宜的氯化钙溶液。它是制冷工程最广泛应用的冷媒剂。      2)制冷剂的选用通常选用氟里昂作制冷剂,也有用液氮

7、或干冰溶于酒精后的液体作制冷剂。其中液氮可使冻结管温度降至-190,而干冰和酒精的液体可达-70,可使冻土墙在几小时内形成。      3)制冷设备的选型目前在地铁工程中,无论是进、出洞加固,还是旁通道构筑,需冷量都在20.9×104kJ/h左右。选用W-YSLGF300型螺杆机组一台套就足够满足工程需要,其工况制冷量为36.6×104kJ/h。       4)冷冻管的布置垂直向冻结形成的冻土墙通常有矩型和梅花型布置。梅花型布置可能更合理,但应本着因地制宜的原则灵

8、活布置,视工程需要而定。      5)冻土强度计算影响冻土瞬时强度的因素主要有温度、含水率、土的颗粒组成和冻结速度。      温度的影响:冰的强度和胶结能力随着温度的降低而增大,因此冻土强度也随着温度的降低而增大。含水率的影响:当土的含水达到饱和前,冻土的强度随着含水量的增加而提高;含水量达到饱和后,由于冰的析出,冻土的强度随着含水量的增加而下降;当含水量比饱和含水量大很多时,冻土的强度就降低到和冰的强度差不多。土的颗粒组成的影响:当其它条件相同时,土颗粒越粗冻土强度越高,反之就低。这主要是

9、由于不同的颗粒成分造成土中含结合水的差异所引起的。粗砂、砂砾和砾石等粗颗粒土壤,其中几乎不含结合水,土壤一经冻结就不存在未冻水,所以强度高;反之,黏土类的颗粒细,总表面积很大,其中含有较多的吸附水和薄膜水,而吸附水一般是不冻结的,薄膜水在一定的负温条件下才冻结,使冻土的黏滞性和活动性增加,强度降低。冻结速度的影响:冻结速度快,冻土中的细颗粒冰就多,冻土强度就高,反之则低。      冻土的持久抗压强度约为瞬时抗压强度的1/21/2.5;冻土的持久抗剪强度约为瞬时抗剪强度的1/1.81/2.5;冻土的持久抗拉强度约为瞬时抗拉强度的1/121/16

10、。3 技术关键和难点3.1 冻结法在地铁工程中的水平钻孔施工      矿井井筒冻结是垂直施工。为数不多的其它岩土工程的水平冻结,距离也不长。地铁工程的隧道进洞施工有的需采用冻结法打水平钻孔。如南京张府园新街口的进洞加固需大约10 m的挡土止水结构,但由于地处饱和粉砂土质,用普通施工方法可能会出现涌砂、塌孔现象,故用水平圆筒型结构,需打水平冻结孔。地铁工程的旁通道施工也需打近水平钻孔。所以,打水平钻孔已成为冻结施工的关键和难点之一。3.1.1 在饱和砂土中的水平钻孔施工      依据施工工艺,

11、须对上述南京地铁工点的进洞隧道断面上拱部流砂层实施水平冻结加固方案。按隧道断面形式,沿上拱部均匀布设水平冻结孔10个(见图1),孔深40 m,开孔间距为680 mm;冻结壁上下侧各布置1个观测孔,孔深45 m。水平冻结孔钻进必须采取以下技术措施:为克服钻具固有的“下垂”作用,在钻孔过程中需要在钻具转数(n)、钻孔加压(P)、洗井液流量(Q)及顶管与正反转方面加以有效配合,协调钻进参数,在钻进工艺方面采取有效措施;在钻机上加导向扶正装置,尽量减少“下垂力”;尽量减轻钻具前部重量,用以减小钻具悬臂力矩;钻头设计成“咬土”形状,使冻结钻孔尽可能沿水平直线前进;用“旋塞式可逆止钻头装置”,用钻杆代冻结

12、管,以解决起钻后因地层坍塌而无法插入冻结管的问题。用该装置钻孔时可正常洗孔:钻完后立即密封钻具系统,避免砂土涌入管内,经过简单洗孔,旋上旋塞,完全可满足冻结时所需要的密封性。该装置无论是外水平孔或者是上斜孔,无论是通过淤泥还是流砂,实践证明都是可行的。钻进所需主要机具和材料有:MK-5型钻机,泥浆泵,搅拌机,配电箱,钻管,钻具及膨润土等。隧道积极冻结期35 d,形成厚度为1.21.6m、拱跨度为6.0 m的半圆拱形水平冻结壁。冻结壁为非封闭结构,平均温度为-10。冻结粉红砂层的瞬时抗压强度为11 MPa,设计抗压强度为6MPa(持久),设计抗弯强度为2.5 MPa(持久)。冻结壁生根于下部黏土

13、层,形成坚固的隔水支护结构,从而隔开上部流砂层,最终形成完整隔水层。      隧道采取分层掘衬施工,拱部短掘短衬,拱顶冻结壁直接作用在下部黏土层上,粉细砂层冻结壁形成临时支护控制层。达到设计冻土拱厚的冻结期为35 d。这一期间冻结段冻胀地表最大隆起位移量Dmax=5.8 mm。3.1.2 在地铁旁通道的水平钻孔施工      上海轨道交通2号线原共有9个旁通道,其中4个是用近水平钻孔冻结技术从隧道内施工,因而不影响地面交通和商贸。上海轨道交通2号线杨高路站中央公园站区间隧道旁通道的软土加固中应

14、用全封闭水平冻结技术取得了成功。该地区地下水位1.5 m,土体含水丰富。施工区域的土层以灰色黏土和灰色淤泥质黏土为主,含水量为22.6%63.0%,孔隙比为0.9141.732,塑性指数为16.625.9,平均重度为18.25 kN/m3。土层流塑性强,具有中-高压缩性。由于对施工造成上、下行线隧道和地表变形等影响的要求极为严格,因此在这种地层条件下施工难度很大。      冻结孔和测温孔的良好施工质量是整个工程成功的关键。施工中,按不同土层条件设计孔位、倾角、深度;用小型坑道钻机施工,并将最新开发研制的冻结孔专用的跟管钻进技术及具有独特低温密

15、封性能的冻结器组合钻头直接应用于工程钻孔中;同时,运用灯光及激光经纬仪等对钻孔施工进行指向和测斜。      为减少土体冻胀对旁通道两端隧道及地表的不良影响,在旁通道两端的隧道钢管片上分别设置2个卸压孔,以适时卸除冻胀压力。根据冻结孔成孔图,预测冻土帷幕的薄弱部位,以确定测温孔的孔位及倾角,并按设计孔位、角度、深度与冻结孔的要求进行施工。      以上成功的工程实例说明,水平冻结尽管存在困难,但只要精心设计,合理组织施工,还是能攻克难关。3.2 冻胀、融沉问题   

16、;   土体冻结有时会出现冻胀现象,土体融化时会出现融沉现象。其原因是水结冰时体积要增大9.0%,并有水迁移现象。但像砂土、砾石这样的动水地层,一般不会出现冻胀现象。冻胀现象主要出现在黏性土质的冻结过程中。      冻结过程的水分迁移和冰的析出是土壤冻结中的重要过程,它导致冻胀和水分迁移,形成冰岩结构,从多方面影响冻、融土的物理力学性质。      冻胀的影响因素主要有:冻结地层的亲水性和散碎性;高度细碎土壤的矿物成分;土壤中阳离子的种类;土壤冻结的冷媒介质的温度;土壤初始

17、含水率以及水分向冻结面的流动;土壤密度及重复冻结。其表现特点是:黏土和砂质黏土冻结时水分向着冷却和冻结的峰面迁移,以冰镜、夹层和其它形状的冰体在那里大量地积聚,造成矿物颗粒的变形;在黏土特别是极细碎的黏土中,仅有轻微的水分迁移和冰的析出;粉砂质黏土和粉砂质壤土中能观察到最强烈的水分迁移和冻胀;饱和水的粗颗粒和砂质土壤冻结时伴随着水从冻结层中挤出。      在冻融过程中,由于水分迁移、土体结构的变化,土体力学性质会被削弱,主要表现在:矿物颗粒间黏聚力减小,土体承载力降低;含水量增加,孔隙比增大,尤其是流塑性黏土;压缩系数一般会增大,在小于98

18、kPa的压力下有时会增大几倍;含冰率较高的冻土,融化后透水性可增大数十到数百倍。由于黏土的颗粒尺寸小,比表面积大,土颗粒与液相表面的作用强烈,随着孔隙体积的增大,自由水含量增加,水的流动性增强,渗透性提高。冻土融化时,冰变成水而体积减小,造成土颗粒的又一次位移,已有的大孔隙不能恢复到冻前的小孔隙,致使土体变得疏松,孔隙度增大,导水系数增加。导水系数的变化直接影响着固结过程中超孔隙水压力的产生和消除,加快已融土的变形进程。所以,冻融过程中土体的孔隙率和含水量的变化会导致土体渗透性变化。这种变化可能会造成地基土层的不均匀沉降,引起结构物的破坏。城市区域高层建筑林立,地面设施众多,地下管线密布。因此,冻胀、融沉引起地表移动造成的环境影响问题关系重大,应予严格控制。      引起土体冻胀的主要原因在于水分迁移。迁移量越大,冻胀量越大,其危害也越大。因此,重点在抑制水分迁移。其根本在于从内部减弱水分迁移的动力,堵塞水分迁移的通道,从外部通过施加适当的外载、温度等,抑制冻胀。可实施的抑制冻胀措施有:降低冷却温度,增大冻结速度;把冻结范围控制在必要的最小限度内;研究冻结管的布置,使冻结膨胀变形和热的传