电子冷却技术调研

1、电子冷却技术的最新研究进展近年来, 随着电子技术的迅猛发展，电子元件向微型化、集成化、高性能趋势发展。与此同时，芯片集成度和封装密度的提高、性能的增强,最终导致单位体积上功耗急剧增加。而大部分功耗则转换为热能,导致芯片温度的快速升高,这降低了芯片运行的可靠性、缩短了其使用寿命。就CPU而言，热量在芯片处的累积将严重影响其稳定性和使用寿命。有研究表明，单个电子元件的工作温度如果升高10，其可靠性则会减少50%，而CPU失效问题的55都是由于过热引起的1。研究表明,芯片表面温度维持在50100 ,能有效避免物理损伤、计算速度的下降和逻辑错误2。因此,在极其有限的空间内进行有效及时的散热和维持芯片温

2、度的稳定已经成为电子元件设计的问题。本文将着重介绍电子冷却技术的最新研究进展。一、电子冷却的原理及分类电子器件冷却的目的是保证其工作的稳定性和可靠性，常用的方法主要有：自然散热或冷却、强制散热或冷却、液体冷却、制冷方式、能量疏导方式、热隔离方式和PCM(相交材料)温度控制方法等等。而根据冷源温度与环境温度的关系，可将各种冷却方法分为两大类即被动式制冷和主动式制冷。1.1被动式冷却被动式散热是指冷源温度高于环境温度的电子元件散热方式。按照冷却介质的不同又可分为空气冷却和液体冷却。（1）空气冷却 空冷是指通过空气的流动将电子元件产生豹热量带走的一种散热方式。它又可分为自然对流和强迫对流。自然对流冷

3、却散热能力非常有限的，通常其对流换热系数在020之间。这只能满足发热量较小的电子元件。强迫对流冷却是指介质在外力作用下的流动，主要借助于风扇等强迫器件周边空气流动，将热量带走。这种散热方式具有比自然对流强得多的散热能力，通过与热沉组合可使其对流换热系数达10100。目前这种散热方式已得到广泛应用。（2）液体冷却液体制冷是通过液体的流动带走电子元件产生热量的一种散热方式，主要是针对芯片或芯片组件提出的概念。液体冷却与空气冷却相比有很多优势，最突出的是液体具有比气体大得多的比热容，因此其热负载能力很大。另外，它还其有噪声小、温度平稳等特点，但是它也存在系统复杂、成本高和可靠性较低等缺点。1.2主动

4、式冷却主动式冷却是冷源温度低于环境温度的一种散热方式。这种散热方式可以获得较低的芯片温度，有利于芯片性能的提高；但是它需要消耗更多的能量，可靠性也较低。它可以分为制冷与低温冷却技术、热电冷却技术（TEC）、MEMS冷却技术（微通道、微型泵、微热管）等。在电子冷却技术中应该考虑的各种因素有：热阻、尺寸、重量、维护要求、可靠性、成本、热效能、耐环境度(冲击、振动及腐蚀等)、安全性、复杂性、功耗及对设备电性能的影响。需要指出的是：一个冷却方案不限于一种冷却方式，大多数方案都是根据具体情况，包含几种冷却方式，相互配合使用。二、微通道冷却技术2.1微通道冷却技术简介通常将水力学直径在11 000m之间的

5、通道或管道定义为微通道5。研究表明，由于微通道尺寸微小，极大地增大了流体与散热器的接触面积，液体在微通道内被加热会迅速发展为核态沸腾，此时液体处于一种层状结构，其换热能力和通道直径成反比，但带来明显的压降4。由于该技术的容积效率达20 W/cc，在许多场合甚至完全可以替代常规制冷系统。图2-1微通道模型微通道热沉(Microchannel Heat sink ,MCHS)概念最早由Tuckerman和Pease于1981年提出 ,并从理论上证明了水冷却微通道的散热能力可达1 000 。和常规管道内比较后发现微尺度管道内传热系数比常规管道内传热系数高出30%200%,微尺度管道内流动沸腾换热是一

6、个很好的强化换热方法。2.2常规微通道中液体流动 根据Chien-Hsin Chen8的研究，影响微通道中强制对流流体散热特性的四个主要工程参数为通道高宽比（ ）、惯性力（）、孔隙度（）、有效导热系数比（ ）。研究发现，流体的惯性力对无量纲速度分布和液体温度分布有明显的影响，而对固体温度分布几乎没有影响。此外，整体Nu数随着和的增大而增大，而随着的增大而减少。图2-2通道热沉示意图Han-Chieh Chiu , Jer-Huan Jang, Hung-Wei Yeh, Ming-Shan Wu15研究了微通道水冷却的冷却特性，主要是通道尺寸（高宽比、孔隙度）和压降。图2-3为实验用的微通道热

7、沉尺寸图。微通道热沉包括四个部分：进口区、出口区、微通道模块、顶盖。图2-4和2-5分别为微通道模型和实验装置系统图。实验装置包括热源、电源、泵、温度计、蓄水池、水塔装置、过滤器和管路系统。图2-3实验用的微通道热沉尺寸图图2-4微通道模型。图2-5实验装置系统图研究表明压降和高宽比一定时，孔隙度在53%75%之间时，有最小的热阻。在高宽比较大时，提高压力可以较大的提高冷却效果。同时，当地努赛尔数随着高宽比的增加而减小。2.3树状微通道冷却Xiang-Qi Wang, Arun S. Mujumdar , Christopher Yap6的研究表明常规平行管微通道和盘管微通道有一些固有的缺点，

8、如出入口压降较大、温度分布不均匀。他们研究发现树状的通道结构有最小的通道阻力。与平行管微通道相比，树状微通道效率较高、需要的泵功较少，并且受堵塞的影响较小。图2-6为一种典型的树状微通道模型。这个模型包括三个部分：底部的芯片、镶嵌在热沉中的树状微通道网络和热沉。图2-6典型的树状结构微通道物理模型堵塞可能是微粒的壅塞引起，这在微通道冷却系统中是很危险的。由于流体不能被分流，在平行管微通道和盘管微通道中通道的堵塞可能会引起系统的瘫痪。温度可能会升高超过芯片和热沉的温度限度。在平行管微通道中，因为热量可以由相邻的通道带走，某些管道的堵塞并不一定导致系统的瘫痪，但是温度还是会升高。Xiang-Qi

9、Wang, Arun S. Mujumdar , Christopher Yap6研究发现一个有趣的现象，尽管出口被堵塞，但是最高温度并没有上升。不同之处是，被堵塞的出口附近温度有一点点的升高。这表明对于树状微通道尤其是当分支次数较多时，部分通道的堵塞对冷却性能的影响远比平行管微通道和盘管微通道的要小。这也意味着树状微通道冷却系统的可靠性较高。图2-7 当某些出口堵塞时中间界面上的温度分布（图中黑色区域表示堵塞部分；单位：K）2.4叶顶间隙和通道内部肋片Jung Yim Min,Seok Pil Jang,Sung Jin Kim7研究表明通道顶部间隙对微通道的冷却性能也有影响。顶部间隙对热沉

10、传热现象有两个方面的影响，首先由于顶部表面传热系数的增大导致传热效率的提高；其次，由于旁路效应导致传热效率的降低。图21为有顶部间隙微通道热沉的示意图。总的热阻是肋的热阻和流体热阻之和。公式如下： (1)肋的热阻包括肋表面的导热热阻和肋之间的对流热阻。 (2)式中和分别是热沉底部的最高温度和体积平均温度。流体热阻导致了冷却介质从入口到出口的温升，由能量守恒可得： (3)式中分别是进口温度、比热容、质流量。这里我们把泵功固定作为一个限定条件，在这个条件下，质流量并不固定而是随着系统的阻力变化而变化。图2-8有顶部间隙的微通道热沉示意图（a）微通道热沉；（b）计算范围。从图2-9中我们可以看出对于

11、不同通道高宽比、孔隙度的微通道，在各种不同的泵功下，在=0.6时都存在一个最佳的顶部间隙。当泵功为2.27W，在=0.6时，最小的热阻是0.058。在=0.6时，微通道热沉冷却性能与没有顶部间隙的相比，大约可以提高3.5%。图2-9 热阻的变化示意图Andrew J.L.Foong,N.Ramesh,Tilak T,Chandratillekep19研究发现带内部肋片的微通道的流体流动和散热特性更好。图2-9为带4个内部肋片的微通道的示意图，微通道的尺寸为200（W）200 (H)120mm(L)。微通道和肋片都是铝制的，壁面和肋片厚度分别为10和20，肋片的相对高度为00.85。结果表明，对

12、于一个给定的微通道，有一个最佳的肋片高度。图2-9中的微通道的最佳相对高度为0.67。图2-9 带4个内部肋片的微通道的示意图2.5微通道系统构成微流体系统作为MEMS的一个重要分支，是指能在微观尺寸下实现对复杂流体控制、操作和检测的系统，包括微传感器、微泵、微阀、微混合器和微通道等元件16。微通道中的流体流动行为与人们在日常生活中所见的宏观流体流动行为有着本质的差别,因此微泵、微阀、微混合器、微过滤器、微分离器等微型器件往往都与相应的宏观器件差别甚大,应用在电子芯片冷却方面,特别适合电子芯片向小体积、高集成度发展趋势。2.5.1微泵通常微通道驱动器采用所谓电动力泵。电动力泵是一种利用静电引力

13、原理设计的液体泵，也称电容泵，液体在静电场作用下获得维持循环流动的充足动力。这种电动力泵完全摆脱了机械结构，无活动部件，因此，工作时几乎完全没有噪声，可靠性极高，寿命也远远高于传统水泵。于翮，张强，乔大勇，俞坚14研究离子拖曳电液动力微泵，运用MEMS技术在硅片上加工了离子拖曳微泵，微泵由一组平面电极组成，电极的宽度为40m，发射极和集电极之间的间距为50m，共有90对电极对，每组电极对之间的距离为100zm。微泵静压力实验以HFETl00和无水乙醇作工作流体，通过施加直流电压来驱动工作流体，当输入电压为200 V时，微泵可以得到250 Pa的静压力。实验结果表明：微泵的静压力与施加的输入电压

14、成二次方关系，同微流道的高度成反比。实验发现工作介质的物性参数也是决定泵性能的一个重要因素，选择合适的流体可以提高整个微泵冷却系统的性能。研究还表明，微泵的性能与工作寿命和实验环境的洁净度以及工作流体提纯密切相关。2.5.2微阀微阀作为微流体系统的主要元件之一，其作用包括径流调节、开关转换以及密封生物分子、微纳粒子、化学试剂等，其性质包括无泄漏、死体积小、功耗低、压阻大、对微粒玷污不敏感、反应快、可线性操作的能力等16。目前，微阀主要被分为有源微阀和无源微阀。有源微阀需要在某种驱动能的作用下实现对微流体的控制，无源微阀则不需要从外部输入能量，通常在顺压与逆压作用下实现对微流体的控制。此外，按照

15、最初的状态，微阀可分为常开型和常闭型两种(1)压电微阀压电驱动能够产生很大的驱动力、反应时间快，但即使有很高的电压，隔膜也只能产生很小的偏移量。J.Kruckow等人17利用体微加工的方法，通过硅熔融键合，将两层硅结构键合在一起，研制了一种由压电驱动的自封锁常闭型微阀，其结构和工作原理如图2-10所示。在没有施加电压时，该微阀具有良好的密封性能，当电压为100时，气体流速为0.38min。图2-10压电硅微阀原理图J.M.Park等人18研制了一种用于低温下流速调制的常开型压电微阀，它包括由绝缘体上硅（2）制成的芯片、玻璃片、压电堆栈驱动器和玻璃陶瓷封壳。该阀的反应时间低于，带宽可达820。在

16、室温下，入口压力为55时，若微阀全开（），流速可达980，当施加60驱动电压时，流速为，当温度为80，入口压力为104时，该阀能成功地将气体流速从350调至20。E.H.Yang等人研发了一种应用于微飞船的常闭型压电微阀，其结构如图-11所示。当输入电压为10，入口压力为2068.5时，层流速率为52。为使该阀完全打开，输入电压须为30，微阀消耗的功率为。由于阀座上含有窄边座套环和受张应力的硅支链，因而具有很好的防泄漏能力，当压力为5516时，泄漏速率为。图2-11防泄漏压电微阀的原理图（2）磁微阀C.H.Cheng等人在PDMS中掺入铁粉，将该混合物填充在硅KOH各向异性刻蚀后的型腔中，作为

17、阀塞及阀塞支撑。这是一种常闭型微阀，当外加磁场时，阀塞和支撑被抬起，阀被打开。M.Duch等人提出了一种低功耗、使用方便的磁微阀。这种微阀由上部型悬臂梁和下部硅隔膜组成，型悬臂梁上电镀一层合金。当分别在微阀的上部和下部施加磁场时，阀相应地被打开和关闭，如图2-12所示。图2-12磁驱动微流量调节器原理图C.Fu等人利用直径为铁球作为可由外部磁场驱动的部件研制了一种常开型微球阀。该微球阀由三个热压聚合物层和三个金属层组成，各层通过黏附薄膜连接，开关频率可达30，开关时间为10。当电流为200，压力为50时，微阀被关闭，泄流速度为0.5。此外，这种微阀还可用作比例阀来调节出口压力，当入口压力为20

18、0时，调节范围为112.5。（3）静电驱动微阀静电驱动反应时间快、功率低，但是驱动力较小。此外，由于静电驱动微阀通常是以二进制的模式工作，所以需要使用阀阵列来控制流动。等人提出了一种由空气驱动无死体积的微分配系统，其中主要元件就是由微螺线管驱动器实现方向转换的出口多方向微开关阀。这种开关阀包含带有硅树脂橡胶环的旋转装置和带钢球的自定位闭锁装置。定位装置能精确地自动定位出口并检测当前选中的出口，因而不需要其他传感器和控制器。为使芯片能在以上的高压下快速转换，硅胶环的高度应为，转子压缩力为，转子旋转力为。当在螺线管上施加电压为时，吸引力为，开关时间为0.1。在基体上用光刻或其它刻蚀法制成截面尺寸仅

19、有几十到上百微米的槽道,换热介质在这些小槽道中流过换热器基体并通过基体与别的换热介质进行换热的技术。微通道制作的材料有硅、铜、铝及其合金等，换热介质除水外还有液氮、乙醇、硅油、氟利昂等液体。典型的微通道结构如图2-1所示。电子芯片的可靠性主要取决于其内部组件本身及组件间的温度高低，微管道由于具有很高的传热系数，因此可利用其设计电子芯片内部冷却用的水冷式散热器，并已成为芯片液冷研究的一个重点。2.5.3微混合器2.6微通道制冷剂沸腾冷却微通道热沉中常用工作介质有空气、水和致冷剂。当冷却水在短期内似乎是首选的解决方案，但它具有大温度梯度、高的凝固点和使用水与电气连接点紧密接触危险。而在微通道制冷剂

20、沸腾冷却中没有这些问题。Bruno Agostini,John Richard Thome,Matteo Fabbri,Bruno Michel,Daniele Calmi, Urs Kloter20研究了冷却剂R236在较大的热通量、速度和质量蒸汽品质范围内在硅微通道中的局部传热系数。在低热流密度、低蒸汽品质、低质量流速时，传热系数随蒸汽质量的增加而增加，而且与热通量和质流量无关。在中热通量的传热系数几乎蒸气质量无关，而和热流密度有关。此外，传热系数和质流量几乎无关。在非常高的热通量时，传热系数随着质流量增加速度减慢，而随着热通量的增加而下降。这些结果与宏观流动沸腾的趋势明显不同。特别是，似

21、乎并不存在对流沸腾区域。散热器是由67个并行通道，宽223，高680，长为20。底面热通量变化范围为3.6至221 ，质量流速为281到1501 ，出口蒸汽品质为2至75。工作压力和饱和度的温度分别设定在273千帕和25。图2-13为实验装置图，它包括测试部分、一个带冷却池的冷凝器、液体泵（Fluidotech模型MGBR2）、预加热器、一个7的过滤器和一个科里奥利质量流量计（科隆Optimass3050F）。蓄水池是用来储存制冷剂并准确地控制工作压力，它连接在过滤器和流量计之间。图2-13实验装置图图2-14硅芯片的测试照片。左图：微通道右图：（a）加热器；（b）热电阻连接器；（c）五个热电

22、阻单行多层电阻加热器（10纳米钛，1黄金，30纳米的镍和黄金）为通过光刻在芯片表面的。如图所示 2-14，它是由六个0.5毫米宽的平行带组成，从而形成6个3毫米宽的加热器。59 的热电阻（如与加热器成分相同，宽10）已存放于在五个不同地点。这些RTD的敏感长度约为宽度的三分之一，温度沿通道在5个地点测量。五个RTD是放置在3.267，6.534，9.801，13.068和16.335处的。如图2-15，Lexan显板（1毫米厚）被粘在硅芯片上，有0.5毫米宽进口和一个1毫米宽的出口。图2-15测试部分：（a）组装图；（b）分开图：集成块和提供流量的狭缝板；（c）RTD的连接后视图：加热器的结构

23、和RTD的位置。三、热电冷却技术（TEC）3.1热电冷却技术简介 热电冷却是利用半导体材料的温差电效应帕尔贴效应来实现制冷的一种技术，也称为半导体制冷。帕尔贴效应是当直流电通过两种不同导体材料构成的回路时结点将产生吸热和放热的现象，由法国人帕尔贴最早发现。图24为热电冷却器制冷原理示意图。图3-1 热电制冷原理示意图热电效应由塞贝克效应、帕尔贴效应、汤姆孙效应、焦耳效应和傅里叶效应五个不同的效应组成。热电冷却是热电效应主要是帕尔贴效应在制冷技术方面的应用。热电冷却的冷却效率与制冷器冷端温度、冷端和热端之间的温差有关。，温差越大制冷量越小，制冷系数越低。对于特定的热电冷却器，怎样及时散去热端的热

24、量是提高热电冷却系数和增大热电冷却量的关键。在制冷片工作期间，只要冷、热面出现温差热量便不断地通过晶格能的传递，将热量移动到热面并通过散热设备散发出去。因此，冷却片对于芯片来说是主动制冷的装置，而对于整个系统来说，只能算是主动的导热装置。热电冷却的效果与许多因素有关，如冷端温度、热端温度、热传导率、电传导率、冷端与装置表面的接触热阻、热端的热阻及电流。这些可调节的参数为热电冷却的广泛应用提供了有利条件。例如在提供冷却空间和除湿装置中，热电冷却被用来提供一个温度比周围温度低的环境。在电子冷却中，热电冷却作为一个从温度比环境温度高的表面及时把热量带走的装置，它的目的是维持电子元件的温度在安全温度范

25、围内。热电冷却也许不能满足未来电子冷却的需求，但是它有诸多优点，如高可靠性、良好的适应性、方便组装、质量轻和可维持较低的温度。热电冷却能力和可靠性取决于与芯片接触的冷却装置。TEC工作时热端需要一个冷却装置及时把热量从冷却器带走。现在，热电冷却与空气制冷或水或其它液体制冷技术的结合已经引起越来越多的关注。这种发展趋势的主要优点在于一个负的温度梯度和较小的热阻。3.2热电水冷却Hsiang-Sheng Huang, Ying-Che Weng, Yu-Wei Chang , Sih-Li Chen, Ming-Tsun Ke10探讨了电子热电水冷却装置的散热性能。热负荷的热电冷却器的影响和对现有

26、的冷却性能热电装置进行了实验和理论上确定。本研究发展了一种新的热比喻网络分析模型预测的热电装置热能力。该模型的预测与实验吻合的数据。实验结果表明，当从20W到100瓦，热负荷增加了最低的总体热指标来增加从.0.75 KW.1在最佳电0.627答：除了KW.1目前，这项研究证实，热性能传统的水冷却装置，可有效提高热电结合，它冷却器的热负荷时低于57瓦特图3-2热电水冷却装置示意图3.3热电冷却的系统优化热电冷却器冷却能力的增加受到冷端和热端热阻的限制。这里图28和29为两种不同的系统示例。图28 液体冷却热沉的热电冷却器图29 空气冷却热沉的热电冷却器我们知道具体的热电参数如很难从热电冷却器生产

27、商那里得到。为了使得热电冷却器的运行优化在设计上更加直观，我们采用新的分析方法，所以热电冷却器的热平衡公式可以转变为TEC标准参数。标准参数可以从以下公式中知道： （17） （18） （19）式中、分别代表标准电阻、标准热导系数、标准塞贝克系数。基于这些标准参数公式（10）（11）（15）可以转化为下列形式： （20） （21） （22）同样地，公式（15）变为： （23）在这个阶段用标准参数表示的热平衡公式中的标准参数和电流都是已知的。标准参数、和可以从热电冷却器的具体参数如、和得到。这里是在一个给定的热端温度下热端与冷端的最大温差；是通过热电冷却器产生最大温差时的输入电流；是最大温差时的直

28、流电压；是在带电流在最大值且温差为零时冷端吸收的最大热量。标准参数与具体参数的关系如下： (24) (25) (26)表4 各种热电冷却器的给定参数和计算标准参数图36 热电冷却器示意图3.2热电冷却与微通道冷却的结合如图25所示，芯片产生的热量为，这是当芯片温度在维持不变时由热电冷却器带走的热量。热电冷却器与芯片接触，其接触热阻为。冷端温度和热端温度分别为和。当热电冷却器运行时，需要外部输入的功为。在热端，需要被带走的热量为，这部分热量通过使用一个表面热阻为的热沉来实现。假惹热量传递连续，可以得到的计算式； （10） （11） （12）式中N为热电元件的对数；S为塞贝克系数；I为电流；r为电

29、阻；G为几何因子；K为热电元件的热导率。由传热学知识得温度关系为 （13） （14）热电冷却器的Z因子为： （15）直流电压为： （16）从公式10可知，热电冷却器的制冷能力有三部分组成，帕尔贴热量、Joulean热量损失和导电热损失。帕尔贴热量与电流I和冷端温度有关。Joulean热量损失总是降低冷却能力并且与电流的平方成正比。我们可以通过提高或者降低温差来提高制冷能力，同时还可以在强制区域0的区域运行时，微通道空气制冷已能满足热阻需求，但是当0时，只有微通道水制冷系统可以满足其热阻需求。图27 微通道水制冷的热阻，泵功=4W。参考文献1高翔，凌惠琴，李明，毛大立.CPU散热技术的最新研究进

30、展.上海交通大学学报，2007，4：48-52.2王长宏，朱冬生.电子封装热管理的热电冷却技术研究进展.电子元件与材料，2008，11：4-7.3国建鸿，李振国，傅德平.大功率电力电子器件蒸发冷却技术研究.电力电子技术，2005，10：138-140.4陈建业，吴文伟.大功率变流器冷却技术及其进展.大功率变流技术，2010，01：15-30.5何叶，李磊民，杨涛.基于MEMS技术的新型微冷却方式.仪表技术与传感器，2004：43-45.6雷俊禧，朱冬生，王长宏，胡韩莹. 电子芯片液体冷却技术研究进展. 科学技术与工程，2008，8：4258-4263.6Xiang-Qi Wang,Arun S

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39、ng in silicon multi-microchannels-Part I: Heat transfer characteristics of refrigerant R236fa. International Journal of Heat and Mass Transfer 51 (2008) 54005414调研的内容应包括所研究领域的原理、种类、各自的优缺点、目前的研究现状（包括谁做了什么，取得了哪些成绩，还需要克服什么困难等，特别注明是用到了哪些仪器、制备的过程等）、将来的发展方向等。整个调研要多图多表，有利于配合文字进行说明。并做好文献标准出处。附录资料：不需要的可以自行删除

40、超宽超深地下连续墙施工工艺一、概述武林广场站位于杭州市中心广场武林广场东北角，是地铁1号线与3号线的换乘车站，车站长161.75m，标准段宽36.6 m,底板埋深约26.4m, 车站为地下三层四柱五跨三层结构，采用盖挖逆作法施工。车站围护结构采用1200mm厚地下连续墙，墙幅宽度为6.0m，深度为48m左右，十字钢板接头形式，单幅钢筋笼重约70t，设计要求进入中风化岩0.5m。二、工法特点地下连续墙工法问世以来，迅速的占有了广阔的市场，地下连续墙工法主要有以下几方面的优点。1、施工时振动小，噪声低，非常适于在城市施工；2、墙体刚度大，用于基坑开挖时，极少发生地基沉降或塌方事故；3、防渗性能好；

41、4、可以贴近施工，由于上述几项优点，我们可以紧贴原有建筑物施工；5、可用于逆作法施工；6、适用于多种地基条件；7、可用作刚性基础；8、占地少，可以充分利用建筑红线以内有限的地面和空间，充分发挥投资效益；9、功效高、工期短，质量可靠。当然，所有的事物都有两面性，地连墙工法也存在以下缺点：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地质条件特殊，可能出现相邻槽段不能对齐和漏水的问题。3、地下连续墙如果用作临时的挡土结构，比其他方法的费用高；4、在城市施工时，废弃泥浆的处理比较麻烦。三、施工方法及操作控制要点1、施工优化控制的要点1

42、.1 地下连续墙一般宽为6m，墙厚1.2m属于超宽地连墙，在施工技术方面还不是很成熟，机械方面相应的成槽机、反力箱、大型起重设备等的应用都是经过反复计算在经济安全的前提下确定的。1.2 在成槽过程中机械自身的垂直控制系统1.3 由于采用十字钢板对刷壁造成一定难度，在经过研究后采用在成槽机抓斗上安装侧铲进行刷壁然后再用钢刷刷壁器进行刷壁。1.4 在地连墙施作过程中要穿越承压水层，为防止开挖过程中承压水绕流，在地连墙内预埋注浆管，在地连墙全部达到强度后进行墙趾注浆1.5 本工程反力箱放置深度达到4352m，混凝土浇筑时间也长达8小时左右，反力箱自重、混凝土的握裹力和土体的摩擦力极大，为顺利拔出反力

43、箱在混凝土浇筑完34小时后，先用液压油顶对其进行松动，在混凝土初凝后在进行起拔。2、关键工序施工方法及控制要点2.1 道路硬化因地下连续墙施工过程中，成槽机械及吊运钢筋笼的大型履带式起重机需要在场地内来回行走，我单位根据以往的经验并结合本工程的实际情况，对结构内侧及导墙外侧1m的范围内浇筑30cm厚C20钢筋混凝土路面，配筋采用16的螺纹钢横向间距200 mm、纵向200mm，双层双向布置，并与导墙筑成一体。2.2 导墙的施工导墙采用钢筋混凝土结构，壁厚20cm，配筋为单层双向14200mm，导墙净宽1250mm，导墙应和附近路面一体浇捣.导墙沟（放坡比为1:0.5）采用挖掘机开挖，人工配合修

44、整清底，导墙开挖好一段后，在沟槽底按地连墙尺寸制作木模，架立模板，经测量检查位置符合规范偏差要求后，进行C20混凝土灌筑，泵送入仓。如果导墙施作过程中遇到障碍物、软弱地层或其它废弃管线导致开挖深度过大，则可把导墙加深以满足施工要求。导墙施工工艺流程图见下图。平整场地测量定位挖 槽绑扎钢筋浇 灌 砼支立模板拆 模设横支撑 导墙施工工艺流程图导墙施工注意要点A. 在导墙施工全过程中，保持导墙沟内不积水。B. 横贯或靠近导墙沟的废弃管道需封堵密实，以免成为漏浆通道。C. 导墙沟侧壁土体是导墙浇捣混凝土时的外侧土模，防止导墙沟宽度超挖或土壁坍塌。D. 现浇导墙分段施工，水平钢筋应预留连接钢筋与邻接段导

45、墙的水平钢筋相连接。E. 必须保证导墙的内净宽度尺寸与内壁面的垂直精度达。F. 导墙立模结束之后，应对导墙放样成果进行最终复核。G. 导墙混凝土强度达到50时，方可进行成槽作业，在此之前禁止车辆和起重机等重型机械靠近导墙。2.3泥浆制备与管理泥浆在地下连续墙成槽过程中起到护壁作用，泥浆护壁是地下连续墙施工的基础，其质量好坏直接影响到地下连续墙的质量与施工安全，泥浆系统工艺流程见下图。新鲜泥浆贮存施 工 槽 段新鲜泥浆配制加料拌制再生泥浆回收槽内泥浆净化泥浆劣化泥浆再生泥浆贮存振动筛分离泥浆沉淀池分离泥浆旋流器分离泥浆粗筛分离泥浆劣化泥浆废弃处理净化泥浆性能测试泥浆系统工艺流程图A. 泥浆配合比

46、根据地质条件，泥浆采用膨润土制备，泥浆配合比如下：（每立方米泥浆材料用量Kg）膨润土:80 纯碱:4 水:950 CMC:5上述配合比在施工中根据试验槽段及实际情况可进行适当调整。泥浆制备的性能指标如下泥浆性能新配制循环泥浆废弃泥浆检验方法比重（g/cm3）1.06-1.081.151.35比重法粘度（s）25-303560漏斗法含砂率（%）4711洗砂瓶PH值8-9814PH试纸泥浆配制的方法见下图“泥浆配制流程图”。原 料 试 验称 量 投 料CMC和纯碱加水搅拌5分钟膨润土加水冲拌5分钟混合搅拌3分钟泥浆性能指标测定溶胀24小时后备用泥浆配制流程图B. 泥浆储存泥浆储存采用半埋式砖砌泥浆

47、池储存。C. 泥浆循环泥浆循环采用3LM型泥浆泵输送，4PL型泥浆泵回收，由泥浆泵和软管组成泥浆循环管路。D. 泥浆的分离净化在地下墙施工过程中，因为泥浆要与地下水、泥土、砂石、混凝土接触，其中难免会混入细微的泥沙颗粒、水泥成分与有害离子，必然会使泥浆受到污染而变质。因此，泥浆使用一个循环之后，要对泥浆进行分离净化，提高泥浆的重复使用率。槽内回收泥浆的分离净化过程是：先经过土碴分离筛，把粒径大于10mm的泥土颗粒分出来，防止其堵塞旋流除碴器下泄口，然后依次经过沉淀池、旋流除碴器、双层振动筛多级分离净化，使泥浆的比重与含砂量减小，如经第一循环分离后的泥浆比重仍大于1.15，含砂量仍大于4%，则用

48、旋流除碴器和双层振动筛作第二、第三循规蹈矩环分离，直至泥浆比重小于1.15，含砂量小于4%为止。E. 泥浆池设计泥浆池容量设计（以成槽开挖宽度6m计）地下墙的标准槽段挖土量：V1=长6m深47m厚1.2m=339m3新浆储备量：V2=V180%=271m3泥浆循环再生处理池容量：V3=V11.5=509m3砼灌筑产生废浆量：V4=6m4m1.2m =29m3泥浆池总容量：VV3+V4=538m32.3 连续墙成槽施工成槽是地连续墙施工的关键工序，成槽约占地下连续墙工期的一半，因此提高成槽的效率是缩短工期的关键。同时，槽壁形状决定墙体的外形，所以成槽的精度和质量是保证地下连续墙质量的关键，单元槽

49、段之间的接头尽量避免设在转角处。A. 成槽施工连续墙施工采用跳槽法，施工根据槽段长度与成槽机的开口宽度，确定出首开幅和闭合幅，保证成槽机挖土时两侧邻界条件的均衡性，以确保槽壁垂直，部分槽段采取两钻一抓。成槽后用超声波检测仪检查成槽质量。在成槽过程中，严格控制抓斗的垂直度和平面位置，在开挖槽段时，操作手要仔细观察成槽机的监测系统，当X，Y轴任一方向偏差超过允许值时，立即进行纠偏，抓斗贴基坑侧导墙入槽，机械操作要平稳,抓斗出入导墙口时要轻放慢提，防止泥浆掀起波浪，影响导墙下面和后面的土层稳定,并及时补入泥浆，维持槽段中泥浆液面稳定。成槽施工见下图“成槽施工图”。成槽施工图： B. 成槽注意事项及操

50、作要领a根据设计图纸确定的地连墙位置，在导墙顶面上测量放线并按编号分段。b将抓斗就位，就位前要求场地平整坚实，以满足施工垂直度要求，吊车履带与导墙垂直，抓斗要对准导墙中心线,为减少抓斗施工的循环时间，提高功效，每台成槽机配置2台短驳车，将泥渣运至堆料场暂存。c成槽垂直度控制是关键，成槽施工中注意观察车载测斜仪器图形，发现偏斜随时采用纠偏导板来纠偏，遇到严重不均匀的地层，或纠偏困难的地层时，回填槽孔，重新挖掘。d边开挖边向导墙内泵送泥浆，保持液面在导墙顶面下30cm-50cm，挖槽过程中随着孔深的向下延伸，要随时向槽内补浆，使泥浆面始终位于泥浆面标高，直至成槽完成。e灌筑砼前，要测定泥浆面下1m

51、及槽底以上1m处泥浆比重和含砂量，若比重大于1.20，则采取置换泥浆清孔，成槽后沉淀30分钟，然后用抓斗直接捞渣清淤。f为避免对新浇槽段的混凝土产生扰动，开挖采取跳槽施工。g成槽过程中，导杆应垂直槽段，抓斗张开，照准标志徐徐入槽抓土，严禁迅速下斗，快速提升，以防破坏槽壁和坍塌，垂直度应控制在设计要求之内，抓斗挖出土直接卸到自卸车上，转运到堆土场。随着开挖深度增加，连续不断向槽内供给新鲜泥浆，保证泥浆高度，各项泥浆指标要符合技术要求，使泥浆起到良好的护壁作用，防止槽壁坍塌，在遇到含砂量较大的土层，槽壁易塌时，注意加大泥浆比重，适当加入加重剂，当接近槽底时，放慢开挖速度，仔细测量槽深，防止超挖和欠

52、挖。h挖槽机操作要领抓斗出入导墙口时要轻放慢提，防止泥浆掀起波浪，影响导墙下面、后面的土层稳定。不论使用何种机具挖槽，在挖槽机具挖土时，悬吊机具的钢索不能松驰，定要使钢索呈垂直张紧状态，这是保证挖槽垂直精度必需做好的关键动作。挖槽作业中，要时刻关注测斜仪器的动向，及时纠正垂直偏差。单元槽段成槽完毕或暂停作业时，即令挖槽机离开作业槽段。C. 成槽开挖精度槽段开挖精度表项目允许偏差检验方法槽段厚度10mm5m精密钢尺墙体垂直度L/300超声波测斜仪槽段长度50mm超声波测斜仪墙顶中心线允许偏差30mm全站仪2.5 刷壁施工成槽完成后在相邻一幅已经完成地下墙的接头上必然有黏附的淤泥，如不及时清除会产

53、生夹泥现象，造成基坑开挖过程中地下墙渗水，为此必须采取刷壁措施，首先采用成槽机上的侧铲进行清除，然后采用刷壁器，用吊车吊入槽内紧贴接头混凝土面上下刷2-3遍，认真仔细地清刷干净，清刷应在清槽换浆前进行，使新老混凝土接合处干净，确保砼密实。成槽完成后利用履带吊，起吊专用的刷壁器，在接头上上下反复清刷，确保接头干净，防止渗漏水现象的发生。十字钢板接头刷壁器及施工2.4 清底换浆清槽先采用泵吸反循环法清底，而后采用导管吸泥浆，循环清底，确保清槽质量，清底后槽底泥浆比重小应于1.20，沉渣厚度不大于100mm。 清槽结束后1h，测定槽底沉淀物淤积厚度不大于10cm，槽底0.5-1.0cm处泥浆密度不大于1.2为合格。在清底换浆全过程中，控制好吸浆量和补浆量的平衡，不能让泥浆溢出槽外或让浆面落低到导墙顶面以下30厘米，清槽结束后，需请监理工程师检验槽深和泥浆比重，合格后方可下钢筋笼。2.5 钢筋笼施工钢筋笼根据地下连续墙墙体设计配筋和单元槽段的