凍結法施工原理(共6頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘要凍結法施工在公路隧道、基坑等工程中已被世界各國的工程界廣泛地使用,可為地下工程的施工提供更加安全、便利的施工條件。闡述了凍結法加固地層的原理及優(yōu)點,結合工程實例介紹了凍結法在地鐵工程中的應用,并就凍結法加固的水平鉆孔及土體的凍脹、融沉問題進行了分析研究。關鍵詞地鐵,地基加固,凍結法施工 1 凍結法加固地層的原理及優(yōu)點1.1 凍結法加固地層的原理      凍結技術源于天然凍結現(xiàn)象。人類首次成功地使用人工制冷加固土壤,是在1862年英國威爾士的建筑基礎施工中。1880年德國工程師F.H.Poetch首先提出

2、了人工凍結法原理,并于1883年在德國阿爾巴里煤礦成功地采用凍結法建造井筒。從此,這項地層加固特殊技術被廣泛地應用到世界許多國家的礦井、隧道、基坑及其它巖土工程建設中,成為巖土工程,尤其是地下工程施工的重要方法之一。      凍結法加固地層的原理,是利用人工制冷的方法,將低溫冷媒送入地層,把要開挖體周圍的地層凍結成封閉的連續(xù)凍土墻,以抵抗土壓力,并隔絕地下水與開挖體之間的聯(lián)系;然后在這封閉的連續(xù)凍土墻的保護下,進行開挖和做永久支護的一種地層特殊加固方法。      進入地層內(nèi)的冷媒通過進、回管

3、路與地層相連,通過凍結管與地層進行熱交換,將冷量傳遞給周圍地層,而將地層中熱量帶走。由此使凍結管周圍地層由近向遠不斷降溫,逐漸使地層中的水變成冰,把原來松散或有空隙的地層通過冰膠結在一起,形成不透水的凍土柱。若干個這樣的凍結管排列起來,通過凍結管內(nèi)的冷媒不斷循環(huán),使這些凍結管周圍土都凍成凍土柱。隨著凍土柱半徑不斷擴展,相鄰凍土柱就會相連,彼此通過冰緊密結合在一起,形成密封連續(xù)墻。1.2 凍結法施工的優(yōu)點      1)封水性有自由水(一般情況下含水率應大于10%,否則要采取增加土層濕度的輔助工法)就能凍結成凍土,形成凍土壁。無論是透水層,還是隔

4、水層,凍土壁可以阻隔地下水侵入,形成干燥的施工環(huán)境。      2)強度高一般認為凍土是一種黏彈塑性材料,其強度同土質(zhì)、容重、含水率、含鹽量及溫度等因素有關,一般可達到210 MPa,遠大于融土強度,從而起到結構支撐墻的作用。      3)適應性強適應各種土層及多種地下工程,尤其適用于含水量大、地層軟弱、其他工法施工困難或無法施工的地下工程。      4)復原性施工結束土層恢復原狀,對土層破壞性很小。這是其他工法所無法比擬的。 &#

5、160;    5)繞障性具有繞過障礙凍結加固和封水能力。      6)無公害用電能換取冷能,不污染大氣環(huán)境,無有害物質(zhì)排放,對地下水無污染。在環(huán)保要求高的工程中,其優(yōu)越性尤其明顯。      7)可控性凍結工期、凍結壁厚度、凍結壁形狀等都可調(diào)控。      8)適用性可在密集建筑區(qū)和現(xiàn)有工程建筑物下施工,不需進行基坑排水,可避免因抽水引起地基沉降造成對周圍建筑物的不利影響。   &#

6、160;  9)施工便利無支襯、無拉錨,可進行敞開式施工并擴大建筑面積,縮短工期。2 凍結法在地鐵工程中的應用      在地鐵施工中,凍結法主要應用于盾構進洞、出洞加固,旁通道構筑和地鐵修筑中薄弱地段加固。凍結法施工的有些環(huán)節(jié)已經(jīng)比較成熟,如:      1)冷媒劑的選用通常選用適用溫度范圍較廣、熱容量較大、來源充裕、價格較便宜的氯化鈣溶液。它是制冷工程最廣泛應用的冷媒劑。      2)制冷劑的選用通常選用氟里昂作制冷劑,也有用液氮

7、或干冰溶于酒精后的液體作制冷劑。其中液氮可使凍結管溫度降至-190,而干冰和酒精的液體可達-70,可使凍土墻在幾小時內(nèi)形成。      3)制冷設備的選型目前在地鐵工程中,無論是進、出洞加固,還是旁通道構筑,需冷量都在20.9×104kJ/h左右。選用W-YSLGF300型螺桿機組一臺套就足夠滿足工程需要,其工況制冷量為36.6×104kJ/h。       4)冷凍管的布置垂直向凍結形成的凍土墻通常有矩型和梅花型布置。梅花型布置可能更合理,但應本著因地制宜的原則靈

8、活布置,視工程需要而定。      5)凍土強度計算影響凍土瞬時強度的因素主要有溫度、含水率、土的顆粒組成和凍結速度。      溫度的影響:冰的強度和膠結能力隨著溫度的降低而增大,因此凍土強度也隨著溫度的降低而增大。含水率的影響:當土的含水達到飽和前,凍土的強度隨著含水量的增加而提高;含水量達到飽和后,由于冰的析出,凍土的強度隨著含水量的增加而下降;當含水量比飽和含水量大很多時,凍土的強度就降低到和冰的強度差不多。土的顆粒組成的影響:當其它條件相同時,土顆粒越粗凍土強度越高,反之就低。這主要是

9、由于不同的顆粒成分造成土中含結合水的差異所引起的。粗砂、砂礫和礫石等粗顆粒土壤,其中幾乎不含結合水,土壤一經(jīng)凍結就不存在未凍水,所以強度高;反之,黏土類的顆粒細,總表面積很大,其中含有較多的吸附水和薄膜水,而吸附水一般是不凍結的,薄膜水在一定的負溫條件下才凍結,使凍土的黏滯性和活動性增加,強度降低。凍結速度的影響:凍結速度快,凍土中的細顆粒冰就多,凍土強度就高,反之則低。      凍土的持久抗壓強度約為瞬時抗壓強度的1/21/2.5;凍土的持久抗剪強度約為瞬時抗剪強度的1/1.81/2.5;凍土的持久抗拉強度約為瞬時抗拉強度的1/121/16

10、。3 技術關鍵和難點3.1 凍結法在地鐵工程中的水平鉆孔施工      礦井井筒凍結是垂直施工。為數(shù)不多的其它巖土工程的水平凍結,距離也不長。地鐵工程的隧道進洞施工有的需采用凍結法打水平鉆孔。如南京張府園新街口的進洞加固需大約10 m的擋土止水結構,但由于地處飽和粉砂土質(zhì),用普通施工方法可能會出現(xiàn)涌砂、塌孔現(xiàn)象,故用水平圓筒型結構,需打水平凍結孔。地鐵工程的旁通道施工也需打近水平鉆孔。所以,打水平鉆孔已成為凍結施工的關鍵和難點之一。3.1.1 在飽和砂土中的水平鉆孔施工      依據(jù)施工工藝,

11、須對上述南京地鐵工點的進洞隧道斷面上拱部流砂層實施水平凍結加固方案。按隧道斷面形式,沿上拱部均勻布設水平凍結孔10個(見圖1),孔深40 m,開孔間距為680 mm;凍結壁上下側(cè)各布置1個觀測孔,孔深45 m。水平凍結孔鉆進必須采取以下技術措施:為克服鉆具固有的“下垂”作用,在鉆孔過程中需要在鉆具轉(zhuǎn)數(shù)(n)、鉆孔加壓(P)、洗井液流量(Q)及頂管與正反轉(zhuǎn)方面加以有效配合,協(xié)調(diào)鉆進參數(shù),在鉆進工藝方面采取有效措施;在鉆機上加導向扶正裝置,盡量減少“下垂力”;盡量減輕鉆具前部重量,用以減小鉆具懸臂力矩;鉆頭設計成“咬土”形狀,使凍結鉆孔盡可能沿水平直線前進;用“旋塞式可逆止鉆頭裝置”,用鉆桿代凍結

12、管,以解決起鉆后因地層坍塌而無法插入凍結管的問題。用該裝置鉆孔時可正常洗孔:鉆完后立即密封鉆具系統(tǒng),避免砂土涌入管內(nèi),經(jīng)過簡單洗孔,旋上旋塞,完全可滿足凍結時所需要的密封性。該裝置無論是外水平孔或者是上斜孔,無論是通過淤泥還是流砂,實踐證明都是可行的。鉆進所需主要機具和材料有:MK-5型鉆機,泥漿泵,攪拌機,配電箱,鉆管,鉆具及膨潤土等。隧道積極凍結期35 d,形成厚度為1.21.6m、拱跨度為6.0 m的半圓拱形水平凍結壁。凍結壁為非封閉結構,平均溫度為-10。凍結粉紅砂層的瞬時抗壓強度為11 MPa,設計抗壓強度為6MPa(持久),設計抗彎強度為2.5 MPa(持久)。凍結壁生根于下部黏土

13、層,形成堅固的隔水支護結構,從而隔開上部流砂層,最終形成完整隔水層。      隧道采取分層掘襯施工,拱部短掘短襯,拱頂凍結壁直接作用在下部黏土層上,粉細砂層凍結壁形成臨時支護控制層。達到設計凍土拱厚的凍結期為35 d。這一期間凍結段凍脹地表最大隆起位移量Dmax=5.8 mm。3.1.2 在地鐵旁通道的水平鉆孔施工      上海軌道交通2號線原共有9個旁通道,其中4個是用近水平鉆孔凍結技術從隧道內(nèi)施工,因而不影響地面交通和商貿(mào)。上海軌道交通2號線楊高路站中央公園站區(qū)間隧道旁通道的軟土加固中應

14、用全封閉水平凍結技術取得了成功。該地區(qū)地下水位1.5 m,土體含水豐富。施工區(qū)域的土層以灰色黏土和灰色淤泥質(zhì)黏土為主,含水量為22.6%63.0%,孔隙比為0.9141.732,塑性指數(shù)為16.625.9,平均重度為18.25 kN/m3。土層流塑性強,具有中-高壓縮性。由于對施工造成上、下行線隧道和地表變形等影響的要求極為嚴格,因此在這種地層條件下施工難度很大。      凍結孔和測溫孔的良好施工質(zhì)量是整個工程成功的關鍵。施工中,按不同土層條件設計孔位、傾角、深度;用小型坑道鉆機施工,并將最新開發(fā)研制的凍結孔專用的跟管鉆進技術及具有獨特低溫密

15、封性能的凍結器組合鉆頭直接應用于工程鉆孔中;同時,運用燈光及激光經(jīng)緯儀等對鉆孔施工進行指向和測斜。      為減少土體凍脹對旁通道兩端隧道及地表的不良影響,在旁通道兩端的隧道鋼管片上分別設置2個卸壓孔,以適時卸除凍脹壓力。根據(jù)凍結孔成孔圖,預測凍土帷幕的薄弱部位,以確定測溫孔的孔位及傾角,并按設計孔位、角度、深度與凍結孔的要求進行施工。      以上成功的工程實例說明,水平凍結盡管存在困難,但只要精心設計,合理組織施工,還是能攻克難關。3.2 凍脹、融沉問題   

16、;   土體凍結有時會出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象,土體融化時會出現(xiàn)融沉現(xiàn)象。其原因是水結冰時體積要增大9.0%,并有水遷移現(xiàn)象。但像砂土、礫石這樣的動水地層,一般不會出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。凍脹現(xiàn)象主要出現(xiàn)在黏性土質(zhì)的凍結過程中。      凍結過程的水分遷移和冰的析出是土壤凍結中的重要過程,它導致凍脹和水分遷移,形成冰巖結構,從多方面影響凍、融土的物理力學性質(zhì)。      凍脹的影響因素主要有:凍結地層的親水性和散碎性;高度細碎土壤的礦物成分;土壤中陽離子的種類;土壤凍結的冷媒介質(zhì)的溫度;土壤初始

17、含水率以及水分向凍結面的流動;土壤密度及重復凍結。其表現(xiàn)特點是:黏土和砂質(zhì)黏土凍結時水分向著冷卻和凍結的峰面遷移,以冰鏡、夾層和其它形狀的冰體在那里大量地積聚,造成礦物顆粒的變形;在黏土特別是極細碎的黏土中,僅有輕微的水分遷移和冰的析出;粉砂質(zhì)黏土和粉砂質(zhì)壤土中能觀察到最強烈的水分遷移和凍脹;飽和水的粗顆粒和砂質(zhì)土壤凍結時伴隨著水從凍結層中擠出。      在凍融過程中,由于水分遷移、土體結構的變化,土體力學性質(zhì)會被削弱,主要表現(xiàn)在:礦物顆粒間黏聚力減小,土體承載力降低;含水量增加,孔隙比增大,尤其是流塑性黏土;壓縮系數(shù)一般會增大,在小于98

18、kPa的壓力下有時會增大幾倍;含冰率較高的凍土,融化后透水性可增大數(shù)十到數(shù)百倍。由于黏土的顆粒尺寸小,比表面積大,土顆粒與液相表面的作用強烈,隨著孔隙體積的增大,自由水含量增加,水的流動性增強,滲透性提高。凍土融化時,冰變成水而體積減小,造成土顆粒的又一次位移,已有的大孔隙不能恢復到凍前的小孔隙,致使土體變得疏松,孔隙度增大,導水系數(shù)增加。導水系數(shù)的變化直接影響著固結過程中超孔隙水壓力的產(chǎn)生和消除,加快已融土的變形進程。所以,凍融過程中土體的孔隙率和含水量的變化會導致土體滲透性變化。這種變化可能會造成地基土層的不均勻沉降,引起結構物的破壞。城市區(qū)域高層建筑林立,地面設施眾多,地下管線密布。因此,凍脹、融沉引起地表移動造成的環(huán)境影響問題關系重大,應予嚴格控制。      引起土體凍脹的主要原因在于水分遷移。遷移量越大,凍脹量越大,其危害也越大。因此,重點在抑制水分遷移。其根本在于從內(nèi)部減弱水分遷移的動力,堵塞水分遷移的通道,從外部通過施加適當?shù)耐廨d、溫度等,抑制凍脹?？蓪嵤┑囊种苾雒洿胧┯?降低冷卻溫度,增大凍結速度;把凍結范圍控制在必要的最小限度內(nèi);研究凍結管的布置,使凍結膨脹變形和熱的傳