水平冻结法

水平冻结法（通用10篇）

水平冻结法 篇1

0引言

上海地铁四号线修复江中暗挖段工程采用水平冻结结合矿山法将原建在黄浦江下的完好隧道和基坑内施工的隧道进行暗挖贯通。

工程位于黄浦江河床下,施工风险很大,对冻结系统运行状况和冻土帷幕发展状况进行实时监测就显得尤为重要。在监测中主要考虑几个问题:冻结管是否漏盐水;冻土帷幕的性能;完好隧道一侧封水效果如何;暗挖施工过程对冻土壁温度有何影响。

水平冻结孔和测温孔布置:每组去回路在回路上布置1个测点,在每组干管去路和回路上各设置1个测点,盐水去回路共有59个测点。盐水传感器采用封装在不锈钢螺钉中的DS1820ST传感器,测点布置在每组去回路的回路冻结管上。冻土帷幕温度监测采用封装有DS1820ST传感器的测温电缆,在冻结区域中共布置了11个测温孔。采用基于“一线总线”的冻结法温度监测系统[1],实现了信息化实时监测,掌握冻结壁温度场的变化规律,将不可见、不可控转化为可见、可控,从而降低工程风险。

1盐水冻结系统运行状况分析

盐水冻结系统于2007年2月13日开始运行,盐水温度快速下降。冻结4 d,干管去路温度降至-22.5 ℃,冻结14 d温度降到最低-30.1 ℃,以后积极冻结期干管温度去路平均维持在-29.5 ℃左右。维护冻结从冻结44 d后开始,维护冻结期干管去路温度平均维持在-28.0 ℃左右。积极冻结期平均温差为1.8 ℃,维护冻结平均温差为1.0 ℃,说明冻结开始时热交换量大,以后逐渐减少,进入维护冻结后热交换达到稳定。

在冻结过程中,每天用标尺测量盐水箱的盐水水位一次,盐水箱水位始终保持在34 cm～35 cm。水位下降主要是由于盐水箱内盐水蒸发损失产生的,且水位无突然下降情况出现,由此可以断定盐水冻结系统运转正常,去回路没有发生漏液。

2冻土帷幕的性能分析

根据冻土试验报告[2],冻土壁所在土层的冻结温度在-1.0 ℃～1.4 ℃之间。冻土壁达到设计的厚度,且平均温度达到-12 ℃,积极冻结期才能结束,进入维护冻结期。

图1为T2测孔各测点温度时程曲线,由曲线可知,冻结17 d时,T2测孔附近土体温度已达到-5 ℃以下,此时T3测孔相同位置附近土体刚达到结冰温度,说明内外排冻结管之间的冻土壁已交圈。内排孔距开挖面1.0 m,其冻土帷幕发展情况可由T4和T6测孔的温度值反映出来。

用T1测温孔中心线和上行线隧道中心线组成的平面作为冻结区域剖面,在剖面上作4个截面,A—A截面位于冻土区与地下连续墙交界面处,B—B截面位于冻土区中间位置,C—C截面位于冻土区与隧道内封堵墙交界面,D—D截面位于完好隧道管片外冻结管末端处。采用苏联学者Б.В.Бахолдин[3]提出的冻土帷幕厚度计算公式,以测温孔测点监测数据为参数,结合冻结孔的实际情况,可计算出不同冻结时间各截面位置处的冻土帷幕厚度和平均温度,绘出如图2,图3所示的冻土帷幕厚度时程曲线和平均温度时程曲线。

由曲线可知,位于冻结壁中部的截面冻土帷幕最厚,在完好隧道一侧的冻土壁发展最缓慢。冻结48 d时此截面处的冻土壁才达到设计要求,D—D截面的平均温度达到了-17 ℃,满足设计要求,可以转入维护冻结阶段。

3已建完好隧道端封水效果分析

为了监测冻土壁在完好隧道外侧发展状况,充分掌握冻土帷幕的封水效果,在下行线隧道内距封堵墙2环和3环管片(每环管片1 m)上预留的注浆孔向外打探孔,布置了7个测点。测到的温度值如表1所示。

从温度可以看出,管片外侧距封堵墙1.5 m处的土体已结冰,部分冻土壁已发展到距封堵墙2.5 m外的地方。

由于开挖是从基坑内开始的,开挖到封堵墙位置处还需要时间,冻土壁可以进一步发展。因此,完好隧道端的冻土壁达到了预期的效果。

4施工工序对冻土帷幕温度影响分析

表2为江中暗挖施工工序及开始时间。当江中暗挖施工各工序施工时,必然会对冻土壁产生影响。图4是在各工序施工时内外排冻结管之间T2测温孔附近的冻土帷幕温度时程曲线,图5是在各工序施工时T4测温孔测到的温度曲线。

由曲线可以看出,从暗挖工程施工开始,各测点附近的冻土壁温度都在升高,且浇筑混凝土时各测点温度升得最高,隧道中部区域的温度接近0 ℃,这主要是由混凝土水化热产生的。靠近地下连续墙的测点,受空气影响,温度一直较高。为了确保地下连续墙和冻土壁交界面的封水效果,特在积极冻结期每条隧道开挖洞门外,沿开挖面边缘铺设了2根冻结管,并在洞门外地下连续墙表面铺设了泡沫保温板。采取这些措施后,取得了较好的效果,即便在开挖过程中,该交界面的温度也在-5 ℃以下,确保了工程的安全。

5结语

上海地铁四号线修复江中段暗挖工程的成功再一次佐证了人工地层冻结法可形成承压、封水冻土壁的独特优势,为冻结法在其他城市地下工程中的应用具有重要的参考价值。温度是计算冻土壁强度、厚度和平均温度的首要依据。通过合理布置温度监测点,采用基于“一线总线”的温度监测系统,可以对冻土壁温度实现实时监测,从而实现信息化施工。通过温度数值和盐水箱水位分析可实时掌握冻结系统的运行状况和冻土壁的特征,可确保冻结法施工安全。

参考文献

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水平冻结法 篇2

摘要:结合上海地区地铁所处地层的特点,对联络通道的冻结施工作了详细的分析。对水平冻结工艺、冻结施工、冻土开挖、冻胀融沉等几方面提出了有参考价值的施工参数及控制措施。最后对施工的一些安全问题提出建议。关键词:轨道交通;联络通道;冻结法;施工

上海市地铁区间隧道所处地层常常遇到松软含水地层,稳定性差,因此,在联络通道土体开挖前,必须对周围土体进行加固。用冻结法加固土体具有强度高、封水性好、安全可靠等优点,特别适用此类工程。由于传统的垂直钻进冻结孔在城市中施工缺乏打钻空间,故以采用水平冻结[1,2]为宜。

1、联络通道施工

联络通道及泵站常设在地铁区间隧道的最低点。其由与上、下行线正交的水平通道和通道中部的集水井组成。通道为直墙圆弧拱结构,集水井为矩形结构。

在冻结法施工过程中[3],通常用“隧道内钻孔,冻结临时加固土体,矿山法暗挖构筑”的施工方案,即:在隧道内利用水平孔和倾斜孔冻结加固地层,使联络通道及泵站外围土体冻结,形成强度高、封闭性好的冻土帷幕,然后根据“新奥法”的基本原理,在冻土中采用矿山法进行联络通道及泵站的开挖构筑施工。地层冻结和开挖构筑施工均在区间隧道内进行。

2、水平冻结工艺 2.1冻结帷幕设计

冻土帷幕厚度设计,通常根据类似工程施工经验和设计试算,然后采用有限元对冻土帷幕受力与变形进行验算,直到满足要求。2.2冻结孔的设置

根据冻结帷幕设计及联络通道的结构,冻结孔按上仰、近水平、下俯3种角度布置在联络通道和泵站的四周,在通道下部布置2排冻结孔,加强通道冻结效果,把泵站和通道分为2个独立的冻结区域。通常冻结孔的布置根据管片配筋情况和钢管片加强筋位置,在避开主筋的前提下可适当调整。2.3制冷设计 1)确定冻结参数。

(1)设计盐水温度为-25～-30℃。

(2)冻结孔单组流量≥3 m3/h。

(3)冻结孔应避开管片接缝、螺栓、主筋和钢管片肋板,开孔位置误差≤100 mm。

(4)通常设置4个对穿孔,用于冷冻排管和冻结孔供冷。

(5)冻结孔有效深度(管片表面以下冻结管循环盐水段长度)不小于冻结孔设计深度,冻结管管头碰到冻结站对侧隧道管片的冻结孔,不能循环盐水的管头长度≤150 mm。

(6)冻结孔最大允许偏差150 mm,冻结帷幕交圈时间为18~22 d,达到设计厚度时间为40 d。

(7)积极冻结达到开挖时间一般取为40 d,维护冻结时间为30 d。

(8)分别在通道内外和两侧隧道内布置18个测温孔(深2～6 m),其中对侧隧道布置8个;在冻结帷幕中间布置4个泄压孔(上、下行线各2个,利用管片上预留注浆孔)。

2)用式⑴计算出的冻结需冷量为14 878 kJ/h。

Q=1.2·π·d·H·K(1)式中:d为冻结管直径,0.089 m;H为冻结总长度;K为冻结管散热系数,71.7 kJ/(h·m2)。

3)选用JYSLGF300Ⅱ型螺杆机组2台套(1台备用),设计单台机组工况制冷量为21 000 kJ/h,电动机功率为110 kW。

3、冻结施工 3.1 冻结孔施工

1)为了保证联络通道及泵站开挖时的安全,通常采用在2条隧道分别钻孔的方案。冻土帷幕拱顶布置3排冻结孔(喇叭口上方有2排冻结孔),集水井底部用“V”字形布孔方式,即在另一条隧道底部打2排孔,将联络通道和泵站封闭。

2)布置冻结孔位的管片在开孔前,监理需对每个孔位进行确认(混凝土管片内外层主筋不会被打断,确保管片结构的安全)。3)冻结孔施工工序为:定位开孔→孔口管及孔口装置安装→钻孔→测量→封闭孔底部→打压试验。

4)采用经纬仪和水准仪监测开孔前和钻孔时的上下仰俯角及方位角,钻孔的偏斜应控制在0.8%以内,在确保冻土帷幕厚度的情况下,终孔偏斜≤150 mm。采用每钻进3 m后测量1次偏斜(如偏斜大,应进行纠偏;如偏斜超过设计要求,应根据地层情况及时拔除冻结孔,重新钻孔,直到满足设计要求;考虑地压大、摩擦力大等因素,若冻结孔无法拔出时,应在超设计孔的偏斜间距间补打1个孔,以保证终孔间距不大于设计要求)。3.2 冷冻站安装

1)占地面积约80 m2的冻结站设置在隧道内,站内设备主要包括冷冻机、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及配电控制柜等。

2)管路用法兰连接。隧道内的盐水管用管架敷设在隧道管片斜坡上,以免影响隧道通行。盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温,保温层厚度为50 mm,保温层的外面用塑料薄膜包扎。

3)在盐水管路和冷却水循环管路上要设置伸缩接头、阀门和测温仪、压力表、流量计等测试组件。

4)集配液圈与冻结管的连接用高压胶管,每根冻结管的进出口各装1个阀门,以便控制流量。联络通道四周主冻结孔为2个串联在一起,其他冻结孔为3个串联在一起。

5)冷冻机组的蒸发器及低温管路用棉絮保温,盐水箱和盐水干管用50 mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保温。考虑两侧喇叭口冻结的效果以及管片的散热,对上下行线隧道管片内侧安装冷冻板,来加强冻结。

6)设备安装按使用说明书的要求进行,考虑冷冻机运转的连续性,不能停机检修,在运转前应联系厂家来人检修冷冻机,以保证冷冻机可靠、连续运转。3.3 冻结系统试运转

设备安装完毕后进行调试和试运转。在试运转时,要随时调节压力、温度等各状态参数,使机组在有关工艺规程和设备要求的技术参数条件下运行。在冻结过程中,定时检测盐水温度、盐水流量和冻土帷幕扩展情况,必要时调整冻结系统运行参数。冻结系统运转正常后进入积极冻结。3.4 冻结效果的监测

1)在积极冻结过程中,要根据实测温度数据判断冻土帷幕是否交圈和达到设计厚度。

2)积极冻结期间内,盐水去路温度应稳定地保持在-25～-30℃以下;运转时间应保证超过30 d。

3)各冻结孔组的回路温差≤1.2 K,盐水循环系统去回路温差≤2 K;盐水系统循环总流量达到设计值;联络通道冻土有效厚度>1.6 m,通道冻结壁有效冻土平均温度要达到-10℃及以下。3.5 试挖与维持冻结

1)测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度后再进行探孔试挖;开挖前先在钢管片上开一探测观察口,判定水和泥从有到无,确认冻土帷幕内土层无流动水后(饱和水除外)再进行正式开挖。

2)泄压孔达到升压条件,进行放压观测试验。

3)正式开挖后,根据冻土帷幕的稳定性,以及保证联络通道的开挖安全,不提高盐水温度,进入维持的积极冻结,盐水温度仍保证在-25～-30℃。

4、冻土开挖及构筑施工

开挖施工之前,需在隧道的联络通道开口处搭设工作平台,利用隧道作为排渣及材料运输通道。4.1简易预应力隧道支架安装

1)积极冻结期间,需在联络通道开口处两侧隧道中设置简易预应力隧道支架,以减轻联络通道开挖构筑施工对隧道产生的不利影响。简易预应力隧道支架为矩形支架形式,上下行线联络通道开口两侧各架2榀钢支架(组合结构),间距为2.4 m。

2)2榀钢支架在联络通道两侧沿隧道方向对称布置,安装在联络通道预留洞两侧的第一条管片环缝处,偏离管片环缝截面的距离≤20 mm。架设时要有专人负责指挥,拼装时螺栓必须拧紧。

3)每榀支架有8个支点,由6个50 t螺旋式千斤顶提供预应力。高处千斤顶应系在主架上,防止脱落。施加预应力时,每个千斤顶要同时慢慢地平稳加压,每个千斤顶以压实支撑点为宜。4)安装好预应力支架后,顶实千斤顶,但每个千斤顶的顶力≤100 kN,且各个千斤顶的顶力要基本均匀。根据实测隧道收敛变形调整各个千斤顶的顶力,收敛大的部位要求千斤顶力大,不收敛的部位千斤顶不加力,隧道收敛达到报警值10 mm时,千斤顶顶力达到设计最大值500 kN。如千斤顶顶力达到设计最大值后隧道仍继续收敛,则应采取其他措施加强隧道支撑。4.2 防险门设计与安装

为保证联络通道施工安全,预防突发事件的发生,在积极冻结期间,在联络通道口加设安全防险门。

1)防险门为普通碳素钢结构,安装在开挖侧隧道预留洞口上;配备风量≥6 m3/min的空压机给防险门供气。防险门安装完毕,应开关灵活可靠,并便于人工操作,且不影响施工。

2)安装好防险门后进行气密性试验,要求在不停空压机时,试验气压能保持在设计值;开管片前应作一、二次演习,保证防险门的安全正常使用。

3)在集水井开挖前,在通道底板加预留(埋)件,对集水井另加工安装1套防险门。4.3 开挖

1)经探孔试挖确认可以进行正式开挖后,打开钢管片,然后根据“新奥法”的基本原理,进行暗挖法施工。由于冻土强度较高,冻结壁承载能力大,因而开挖时(除喇叭口侧墙和拱顶外)可以采用全断面一次开挖。

2)开挖掘进采取分区分层方式进行[4]。其施工顺序:先开挖通道,再开挖喇叭口,最后开挖集水井。

3)人工开挖的工具根据土体强度,可用风镐或手镐。开挖步距视土体加固情况而定,一般控制在0.5 m左右,特殊情况下最大不超过0.8 m。

4)开挖时,集水井外围冻结孔不割除,内部只需割除4根冻结管(位于中部),以确保冻土的强度及安全。

5)由于通道中冻土温度较低,风镐内空气中的水会凝结成冰屑,积集在管子的接头或进风口处,堵塞管路,故需将风管悬吊起来,每隔1～2 h向风管内注入酒精,防止冰屑的出现,以保证施工顺利进行。6)开挖断面严格按照施工图进行,尽量避免超挖(控制在30 mm以内);开挖中心线偏差≤20 mm。喇叭口处考虑到断面较大,而且一端冻结管分布较为密集,另一端冻土强度相对较弱,故该处采取分断面开挖,缩短支护时间。4.4 支护

1)联络通道和泵站开挖后,地层中原有的应力平衡受到破坏,引起通道周围地层中的应力重新分布。这种重新分布的应力不仅使上部地层产生位移,而且会形成新的附加荷载作用在已加固好的冻土帷幕上。当冻土帷幕墙所承受的压力超过冻土强度时,冻土帷幕及冻结管会产生蠕变。为控制这种变形的发展,冻土开挖后要对冻结壁进行及时的支护,确保施工安全。

2)联络通道开挖及支护完成后,为减少混凝土施工接缝,通道混凝土结构应一次性连续浇筑,而通道顶板内的混凝土因浇筑困难,可分段浇筑,必要时可采用喷浆机对浇筑空隙进行充填。

3)上部结构施工完成以后,混凝土强度达到设计值的60%以上,才可开挖集水井。泵站开挖到设计深度,首先对泵站底板进行封底浇筑,然后一次性完成泵站的钢筋混凝土浇筑施工。根据设计要求采用商品混凝土,考虑到混凝土处于低湿环境中,必要时加入防冻剂等,以缩短混凝土凝固时间。

5、地层跟踪注浆

1)联络通道结构完成后,冻土在融化的过程中,会引起土体下沉。为控制融沉,必须对地层跟踪压密注浆,加固土体,减小对隧道的不利影响。

2)根据监测反馈的信息,利用管片压浆孔对隧道管片底部、喇叭口部位进行补压浆;通过联络通道衬砌中的预埋注浆管进行跟踪注浆,以补偿融沉。结构层施工结束、强度达到80%时,用J-200金刚石钻机在结构层中和隧道管片钻孔至冻结帷幕外围,埋设注浆管,从冻结帷幕外围进行跟踪注浆,控制融沉。

3)注浆顺序:管片底部→喇叭口处→通道及集水井。每一注浆段中应遵循先下部、后上部的原则,使加固的浆液逐渐向上扩展,避免死角。

4)为了增强压浆的可注性,开始时可注黏土—水泥浆;二次补浆选用水泥—水玻璃浆液。

5)为了防止隧道管片及联络通道结构受到影响,拟选用小压力、多注次的方式;注浆压力一般控制在0.2～0.5 MPa。6)根据经验,融沉注浆量一般控制在冻土体积的15%左右。

6、结语

水平冻结法 篇3

关键词：地铁工程；冻结法；施工质量；影响

地铁是节约城市用地，减少空间拥挤程度，凭借快、稳、经济受到人们的青睐，由于其完全处于地下，整个运作环境相对封闭，加大了其施工的难度，近年来，冻结法在其施工过程中得以普遍应用，并取得可喜的成绩。

1 冻结法施工原理探究

所谓冻结法的来源是自然冻结现象，结合人工制冷技术，将一定量的低温冷煤输送到要开挖进行地铁建设的土层周围，将其周围的土层冻结成连续性冰冻土墙，从而增加抵抗周围土层的压力，同时切断地下水对其的影响，待土层冻结到一定程度，以进行地铁开挖施工项目。在整个冻结过程中，输送进地层的低温冷煤借助进、回管道与周围地层实现联系，并凭借冻结管道实现所需热量的交换，起到过渡作用，即将产生的冷量传递给所需开挖的地层，同时，带走不必要的热量，这使得整个冷冻环境的温度逐渐下降，直至地下水结冰，将周围分散或存在间隙的土层借助冰胶形成一个整体，从而形成抗水的冻土柱。当无数个冻结管通过这种循环产生相应的冻土柱，且冻土柱半径不断扩大时，相互之间便连接成一个整体，即形成连续封闭的冻土墙。地铁工程施工建设就是在这种环境下展开一系列施工的。

2 冻结法对施工质量的影响

2.1 有效建设地鐵联络通道。地铁联络通道即地铁隧道的横向连接通道，根据已有隧道的情况，解决其对接问题，当发生突发事故时，做应急避难场所。其位置一般建设在区间隧道的中间部分，并与集、排水泵站相连，同时肩负着集水、排水以及防火的作用。在建设此通道时，建设难点是源源不断的地下水，像管棚法、深层次搅拌法等所起到的加固效果较微弱，因此，冻结法成为其顺利施工的关键，我国各地（例如北京、上海、南京、深圳等）已经运用此方法完成了地铁联络通道的建设，在降低建设难度的同时，提高了建设效率与施工质量。

2.2 有利于修复地铁隧道涌水以及坍塌故障。纵观地铁建设的整个历史过程，地铁建设隧道出现过不同程度的涌水以及坍塌现象，以往施工团队多坚持“线路修改”原则进行修复，主要因素是此方法难度较小，但在修复过程中，经常受到“规划线路”问题影响不能随意更改隧道建设位置，只能“既定位置”修复，因而修复难度加大，而冻结法却很好的解决了这一问题。例如，以上海交通轨道4号线浦东南路站到南部大桥站的地铁路线，施工团队在进行隧道风井建设过程中突然发生流砂事故，结果造成隧道坍塌，在勘测调查并对所获取的数据进行分析比较，做出“原位修复”的决定，由于连接位置是修复的难点，施工人员巧妙利用冻结法并辅以暗地开挖的方式，并依据修复状况设置了安全门，以方便人员进出。

此类修复过程较适用于原有地铁基本状况并未发生根本性破坏，只是发生局部坍塌或其他事故，受周围建筑物以及考虑到对该地铁路段的整体性，采用明挖或矿山法进行修复将引起不必要的损失，冻结法的出现有效的解决了这一难题。

2.3 保证盾尾刷更换效果，提高地下水处理质量。若地铁施工过程需要穿越江河湖泊时，建设施工的地铁不仅需要承受较大规模的压力，而且能够在复杂地形段做到“安全施工，保证质量”。因此，加大了施工难度，如若在施工过程中，技术应用不合理，将会加大盾尾渗漏的可能性，即加大了此地段地铁隧道的危险系数。在此路段施工过程中，对盾尾机的工作量要求较大，而盾尾刷又是其工作质量的决定性因素，其一旦损坏，不仅影响施工进度，而且加大了对原有施工成果的损坏概率。正常进行施工时，盾尾刷一般安置于管片后部，对其进行更换时，需要将管片拆卸下来，然后在相对安全的位置完成更换工作，在整个更换过程中，当管片拆卸后，保证盾尾自身的止水性较为关键。现阶段地铁施工过程中，常采用人工冻结法与浆液凝固法对其进行处理，前者的止水功效在施工过程中已得到广泛证实，而后者主要是借助喷浆同时加大注浆量以减少浆液凝固所用的时间，但其受化学因素的影响，对于盾尾发生渗漏现象的处理效果有待提高。而盾尾刷更换时间、效率等对提高盾尾机处理地下水效率来讲十分重要，其主要采用盐水冻结法，与传统的滤液冻结法相比而言，虽然其消耗的时间较长，但是其经济性能较好，此方法适用于既定工期能够完成且施工处于预见性较强的阶段，运用人工制冷技术完成盾尾刷的更换任务，以实现冻结地下水完成冰封目的。

在运用低温盐水冻结法进行施工时，关键在于掌握盾尾机中两个较为特殊的管片环制作与安装过程，一是用于冻结管片位置的特殊环，处于普通环前面，另一个是用于更换盾尾刷位置的特殊环，处于冻结环前面，在施工进程中，应按照顺序，依次完成这两个特殊环的安装，从而为冻结土层形成连续性冻土墙做好技术保证。

2.4 提高地铁施工效果，减少后期修复频率。冻结法在地铁施工过程中的使用，是基于其他方法的灵活运用之上采取的相关措施。施工前期，冻结法将用于地铁建设的土层进行冰封，这有效防止了土层的坍塌或地下水的渗漏，这保证了施工质量，随着技术的革新，冻结法应用领域、应用方式、产生的效果更有利于加固建设环境，保证其稳定性，这在一定程度上降低了后期地铁事故频发的概率，保障了人们的安全，也提高了经济效益。

3 结束语

交通运输系统的逐步完善，地铁的作用也越来越突出，地铁规划建设已经成为城市建设规划的重要组成部分，作为节约建设用地，方便市民的首要选择，但由于其建设环境复杂，本文分析了冻结法在提高其施工质量方面的作用，在探究其施工原理的基础上对具体施工环节进行了深入论证。

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水平冻结法 篇4

冻结管断裂问题一直是冻结法凿井的一大难题,特别是近几年,随着井筒冻结凿井深度的增加,该问题日趋严重。据统计,我国采用冻结法凿井的实例中,有70%的井筒出现过冻结管断裂,尤其是淮南谢桥矸石井,断管34根,占该井筒冻结管总数37根的91.9%,几乎全部断裂,严重危及施工安全。冻结法施工中,一旦发生断管事故,轻者停工停产,重者透水淹井,严重的影响了我国深立井的发展。

2 冻结管断裂原因概述

通常情况下,冻结立井施工过程中,冻结管受力主要来自于三方面。

2.1 冻结管冷缩过程中,冻土对其外壁的摩擦力

冻结法施工过程中,随着冻结系统的运转,冻结管及周边土的温度会逐渐降低,其中冻结管温度的降低会使冻结管沿轴线方向的尺寸因热胀冷缩的原因而缩短或具有缩短的趋势,而周边土的冻胀又会使冻结管受到径向压力,使两者之间的摩擦力显著增加。因此,冻结管在冷缩过程中会受到较大摩擦力的作用。摩擦力对冻结管的影响最大,在冻结管的断裂中起主要作用。

2.2 冻结管的侧向弯曲变形

在井筒掘砌过程中,新开挖的冻结壁在地压作用下,必然会产生一定的径向位移,置身其中的冻结管就必然会发生侧向弯曲,而摩擦力使得段高范围内冻结管的上下两端成为固定端,形成一静不变梁,导致冻结管的弯曲变形能力变弱,在较小的侧向位移的情况下,即会产生较大的弯曲应力。弯曲应力的作用虽然比摩擦力小,但却是导致冻结管断裂的最后一击。

2.3 冻土的外压力、盐水的内压力

在低温盐水对冻结管内壁的压力和冻土对管外壁的压力作用下,冻结管内会产生径向、环向、竖向应力。这些应力沿冻结管轴线呈线性规律变化,且数值不大,故对冻结管断裂影响不大。

3 防止冻结管断裂措施

分析上述原因并结合以往施工经验,总结出以下措施。

3.1 降低摩擦力

降低摩擦力对防止冻结管断裂有举足轻重的作用,而要降低摩擦力的主要办法是减小摩擦力系数。

摩擦力与摩擦力系数成正比,因此,通过减小摩擦力系数即可达到大幅降低摩擦力的目的。

减小摩擦力系数的主要方法有:

1)冻结管采用内衬管(内管箍)焊接连接,以避免冻结管接头部位向外凸出,保证冻结管的整体平直。2)对冻结管表面进行打磨处理,保证表面的光洁度,这样可以使冻结管与冻土之间的摩擦系数降低40%左右,摩擦力降低约30%,效果极为明显。3)在使用前认真检查冻结管质量,严禁使用弯曲、变形的冻结管,以减小摩擦系数。

3.2 减小弯曲变形

减小冻结管的侧向弯曲变形主要方法就是降低弯曲应力,而降低弯曲应力的主要方法有:1)减小冻结管直径。由于冻结管最大弯曲应力与冻结管外径是成正比例的,因此,冻结管直径的减小会使最大弯曲应力成正比例的减小。2)冻结管材质。冻结管选择20号低碳钢流体无缝钢管,20号低碳钢的硬度、强度较高,流体无缝钢管较普通钢管的承压能力大,且低温环境下的韧性高、抗弯曲。因此选择综合性能较好的20号低碳钢流体无缝钢管,以减小弯曲应力对冻结管的影响,达到减小冻结管弯曲变形的目的。3)提高管接头强度。冻结管接头的强度对断管的影响极大,由于接头的存在使冻结管的整体强度降低了40%左右。因此,提高管接头的焊接强度,从而提高冻结管整体强度和抗变形能力,降低应力对冻结管的破坏。提高冻结管接头强度的主要方法有:a.采用内管箍焊接连接,管端打坡口分层焊接,上下管距控制在4 mm～7 mm之间。b.管箍材质与冻结管相同,且焊接采用J422低碳钢焊条,焊缝饱满无砂眼,焊接完成后冷却5 min方可下入钻孔。4)增加冻土强度。由于冻结壁弹性区的内外半径较大,故可将弹性区看成由若干个等尺寸对称梁组成。而冻结管既是冻结壁中的冷冻设备,同时又是对称梁中的钢筋。冻土强度的增大会使得冻结壁弹性区内半径减小,按照材料力学理论,当管处于梁中中性层位置处时,管根本不会因为梁(冻结管)的弯曲变形(弹性)而断裂;另外冻土强度的增大还会使冻结管弯曲应力迅速下降,因此加强冻结同样是防止断管的重要手段。5)控制掘进段高。由于弯曲应力与1-1/(1+h2)成正比(h为掘砌段高),因此适当的减小掘砌段高会使最大弯曲应力减小。

3.3 防止过分内偏

由于冻结壁井帮位移比冻结管所处位置的径向位移大,因此冻结管向内偏斜极易引起断管事故,必须防止冻结孔过分内偏。

3.4 冻结管焊缝位置

许多研究表明:深厚粘土层尤其是钙质粘土和铝质粘土(高膨胀性),膨胀性粘土与砂层交界处易发生破坏,因此要尽量确保上述地层无焊缝。另外为防止大面积断管,焊缝要错位,即焊缝不要在同一断面,尽量错开。

3.5 冻结制冷控制

冻结施工过程中,当盐水达0℃左右时,应缓慢降温,使冻结管尽可能在低温下自由收缩,减少拉应力局部集中。

当两排或多排孔冻结时,应合理控制各排孔的供冷,尽可能降低排间(冻结壁内部)冻胀力。

3.6 注重主排孔布置及其管径的选择

当表土层较深时,主排孔布置距开挖荒径一般不应小于2.0 m。

另外,主排孔冻结管直径不应小于133 mm,以便万一断管可以顺利下套管恢复冻结。

4 冻结管断裂的处理方法

断管事故发生后,主要处理方法有强行通过、重新打钻冻结、套小直径冻结管等。

若断管较多,冻结壁强度很低,强行通过风险很大,不宜采用;重新打钻冻结固然可靠,但耗时耗资;套小直径冻结管也存在着能否套进及小直径冻结管冻结效果如何等未知问题。

通过比较,建议优先考虑套管二次冻结方案。因此在冻结施工前,应购置89 mm的无缝钢管(套管)和50 mm的塑料管(供液管)备用,以便万一断管时使用。

5 结语

从冻结管断裂分析可以明显看出,由于摩擦力具有使冻结管成为两端固定的静不定梁的作用以及其引起的竖向应力值(断管范围)在断裂应力中占有较大的比重,因此,它是构成冻结管断裂的一个重要因素。而冻结管弯曲变形才是导致冻结管破裂的最终因素。

因此针对这两个方面采取措施以防止冻结管断裂是非常合理的。大量实践也证明了以上防止冻结管断裂的措施是很有效的,是切实可行的。

摘要：对立井冻结法凿井施工过程中的冻结管断裂问题进行了分析,找出了冻结管断裂的主要原因,分析原因并结合以往施工经验,总结出一套切实有效的处理措施,并通过实践证明了该处理措施的可行性。

关键词：冻结法,摩擦力,弯曲应力,冻结管断裂,预防措施

参考文献

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[6]经来旺,经来盛.冻结管断裂应力分析[J].中国矿业,2000(2):19-20.

水平冻结法 篇5

摘 要:广州市轨道交通三号线天河客运站折返线及风道位于广州市天河区广汕公路。折返线斜穿广汕公路和沙河立交桥。折返线隧道为五心圆拱双线隧道，长为147.8m，冻结管单管长度达72m。而目前国内外水平冻结孔施工长度仅为62m。水平超长距(>100m)、大断面(直径>10m)，在国内、外均无此工程先例。文章结合广州地区气候特点和工程地质特点，详尽分析了水平冻结孔施工技术在广州地铁折返线斜穿广汕公路和沙河立交桥的应用可行性。

关键词:广州地铁;区间隧道;水平冻结孔

1 折返线设计

起始里程为SK0+102.60，终点里程支SK0+250.40，长为147.8m，双线隧道净断面为马蹄形，隧道净高9146mm，净宽11400mm。冻结孔预计工程量为南端3495m、北端3490m。

2 工程地质概况

2.1 地质条件

区内上覆土层为第四系:基岩为酸性岩浆岩体，据钻孔碎屑分析应为斑状花岗岩。

冻结孔所穿土层，上部以冲~洪积砂层为主，砂层(3-2)主要为粗砂，其次为中砂、细砂、砾砂。冲积粉质黏土(4-1)次之。

隧道中、下部冻结孔所穿土层为:由花岗岩风化残积土(5H-1)(5H-2)和全风化岩(6H)、强风化岩(7H)。残积层与风化带、不均匀风化现象明显，钻进中所能见到的最大碎屑粒径为3.7mm。碎屑成分以长石为主，石英次之。

残积土层与风化带具有较强的透水性，遇水易软化崩解的特征。是冻结孔钻进中出砂量多(控制困难)、抱钻(埋钻)现象频繁发生的主导因素。

2.2 水文地质

广州市区地处南亚热带，属亚热带季风性气候。降水量大于蒸发量，大气降水是地下水的主要补给来源，区内稳定水位为1.25~3.10m，平均埋深为1.76m。

冻结管打设范围内的地下水为第四系空隙水。储存条件属于贫水~中等富水地层。其中沙层(3-2)为主要含水层，强透水、富水性好，渗透系数K为15m/d;(5H-2)(6H)具有一定的透水性，富水性一般。

2.3 不良地质与特殊地质

(1)砂层。属于富含水层，涌水量大，主要含粗纱，局部含砾石，稳定性差，护壁困难，易坍塌;孔偏斜难控制。

(2)花岗岩残积土。全风化带，遇水易软化崩解，并且含沙量较多，对泥浆护壁形成不利影响;由于风化程度不均匀性，或者有球状风化，钻进中难免碰上风化程度较低的硬块，对孔斜造成较大影响。

(3)冻结孔终孔端距地面仅5.00±(最浅处)，距淤泥质土(4-2)非常近。

(4)冻结管打设施工工期正处于广州地区雨季，降水量大，是地下水补给期，不利于施工。

3 工程水平冻结孔施工设计

3.1 工程概况

冻结工程全长隧道147.8m，单断面冻结管数为46个(见图1)，单根冻结管长度为72m(中间相互搭接5m)。本区段冻结孔分为南、北两段，由南、北两工作井内错位对打。

3.2 冻结钻孔施工设备

根据该工程隧道段地层复杂、岩石破碎严重、具有一定硬度等特点，采用HW-4型可移动升降式平台，根据国内水平孔钻机的情况，采用专门为打设水平孔设计的HW-4型水平液压钻机。

该钻机是一种低转速、大扭矩、能够钻进大直径的全液压钻机，可用牙轮钻头、潜孔钻进、人造金刚石复合片等钻进工艺，完全可满足本工程水平孔钻进的工期及质量需要。

本工程选择了HW-4型钻机4台，保证了折返线隧道能在同一工作面左右交叉同时施工。

4 水平冻结孔施工及技术方案和措施[2，3]

4.1 水平冻结孔施工的技术要求和特点

水平冻结孔施工过程中:一要控制冻结钻孔的偏斜;二要确保密封丝堵安装的密封性能达到质量要求。

在常规竖井冻结施工规范中，偏率控制取决于深度和岩性，一般要求在表土层内的垂直钻孔偏斜率小于3‰，到达基岩段的钻孔偏斜率为5‰。本项目根据工期、质量和安全要求，结合国内目前水平钻孔的技术水平，确定冻结孔偏斜率控制在10‰以内(并尽量避免向内偏斜);最大相邻孔间距2m，必要时进行补孔;冻结管试压管内压力不小于1MPa，前30min压降小于0.05MPa，后15min压力无变化为合格。

钻孔偏斜控制需从钻机选型、钻具组合工艺、冻结管打设方法等方面综合考虑。水平冻结孔施工有以下特点:

(1)水平冻结孔密集，偏率精度要求高。

(2)钻孔定位空间小。钻孔均在隧道的边缘，上下左右操作空间受限。

(3)导向孔拉管法难以实现，采用一次性导向跟管钻进法。

(4)应使用抗电磁干扰的水平测斜仪和导向仪。本工程使用的水平钻孔轨迹仪，精确度较高。

4.2 技术方案和措施

总体方案是选用HW-4型钻机，采用一次性导向跟管钻进法的技术方案，钻杆采用108×8mm无缝钢管，兼作冻结管，螺纹加焊接连接，配用110mm的削板钻头，泥浆循环钻进。

水平冻结孔偏斜的原因取决于:钻进中受钻具自重影响，钻具前端会产生下垂;水平钻具顺时针旋转，产生右旋力;安装和开孔的误差。为确保钻孔精度，采取了以下技术措施:

(1)准确确定水平孔开孔孔位(偏差≤±50mm)，控制水平孔开孔角度是保证水平孔偏斜的保证。

(2)给出水平方位角与仰俯角以合理的纠偏值:钻孔开孔方位角=冻结管设计方位角±钻进纠偏水平角;钻孔开孔仰角=设计仰(俯)角±钻进纠偏垂直角。

(3)采用冻结管兼作钻杆，非但增加了钻杆的钢度，而且直径的抗弯钢度也有所增加。

(4)采用螺纹连接确保钻杆连接的同心度，同时接口加焊，既确保密封性能又增加接口钢度。

(5)控制泵压与泵量、泥浆稠度，以保证岩粉碎渣在强悬浮力的作用下冲出孔外。

(6)控制钻压、钻速;以保持快速钻进为宜。

(7)采用低泵压、小水量、慢转速，并加强孔口密封装置，尽量减少地下水和砂流出。

(8)通过试验冻结孔，回归分析钻进中技术参数和冻结孔偏斜规律，为加快打钻速度，保证钻孔质量提供准确可靠的工艺参数，并依此计算出精确的冻结孔开孔角度。

(9)在基坑砼壁上开孔、埋设孔口管、导向管、密封管等措施，预防水平孔偏斜。

(10)钻进过程中采用“有线仪器导向，一次性跟管钻进”这种新工法打设超长水平冻结孔。

(11)采用削板式钻头。

5 冻结孔施工中的.风险及处理

冻结孔施工中存在的风险主要有:

(1)长距离水平施工;

(2)钻进过程中涌水和涌沙;

(3)开孔时，地下水或地层泥砂大量涌出;

(4)钻进中，地下水和地层泥沙大量涌出。针对以上4个方面的风险，所采取的解决办法及工程技术措施如下:

(1)水平冻结孔施工是冻结施工中的技术关键，也关系到冻结工程的成败。72m长的水平冻结孔国内外没有先例，但是在工程结束时，所有冻结孔均具备所要求的技术水平，且最大偏斜率均小于设计规范10‰。

(2)通过孔口管侧面的卸压阀观察孔口处地层压力的具体情况，判断涌沙、涌泥的可能性。决定是否进行孔口加固注浆，注浆时用泥浆泵给地层中注入水泥浆或化学浆液，待地层凝固后二次重新开孔，下管。

(3)立即停止开孔，迅速拔出开孔钻具;将孔口管立即打入孔内，发现地下水、砂压力较大时，可将回水阀打开卸压，然后快速将孔口管打设到位，将孔口管与砼壁相连接，并按好闸阀，然后关闭闸阀。

(4)在钻头处安装单向阀，可以正向从钻杆内通入泥浆进行，在不供泥浆时，单向阀自动关闭，避免地层中的水土逆向涌出，从而防止正常钻进涌水、涌泥;根据地层稳定情况，在孔口管和密封装置之间安装6分闸阀，必要时关闭;在软土层中可实现不循环钻进，控制水土流失;在钻杆打设完成后，及时利用孔口管上的旁通阀注浆，浆液选用单液水泥浆或水泥-水玻璃浆液。其作用可固定冻结管，堵住孔口的涌泥通道;注浆浆液注入钻孔环状断面内，补充流失的水土，并对地层有压密作用，起到压密注浆的作用，减少地面沉降。

6 水平冻结孔施工的结果

水平冻结孔自20XX年5月18日~5月25日进行了水平钻孔实验，5月26日正式水平冻结孔的开钻，到20XX年5月13日工程结束，工期历时12个月。中途除去工作井未移交南北衔接不上占用3个月及协调所用工期外，纯施工速度一般1.5d完成1个孔，包括钻机的定位、一开、二开、钻进、30m前灯光测斜、终孔注浆、孔口注浆、冲孔、密封、打压试漏、终孔陀螺仪测斜等11道工序。实际完成了92个正孔计6624m，补孔1个计72m，8个水文孔计60m，8个测温孔420m，合计7176m。

本工程首次采用了孔底注浆和孔口注浆方案，通过两个方案的实施，很好的控制了路面沉降，截止20XX年5月15日地面最大累计沉降10mm。采取有效的控制路面沉降的方法，使施工顺利的进行并取得了良好的经济和社会效益，达到了预期的效果。

7 结束语

对于广州地铁三号线水平冻结孔的打设，经过长时间的理论论证，最后决定采用冻结管代替钻杆一次性成孔的方案，长距离水平冻结孔的打设在折返线斜穿广汕公路和沙河立交桥的成功应用，在国内外都尚属首次。

长距离水平冻结孔施工工艺及技术措施经过在广州地铁的应用，积累了宝贵的经验，为以后打设更长距离的水平冻结孔施工提供了可靠的保证。

参考文献

1 岳 敏，蒋国盛.大连路越江隧道连接通道水平冻结孔的钻进[J].西部探矿工程，20XX(2):103，113.

2 张景钰，方江华，汪仁和.水平冻结法在上海地铁隧道旁通道工程的应用[J].淮南职业技术学院学报，20XX，5(1):25-27.

人工冻结法施工原理分析 篇6

冻结法施工在地下工程建设中被广泛运用,随着城市的建设的不断发展,冻结法利用人工制冷技术,将松散的含水层冻结成封闭的冻结壁,形成强度高、完整性好且不透水性非常好的临时加固体,从而避免了地下水对地下工程的影响, 同时达到加固地层的目的。增加了岩土体的强度和自身稳定性。人工水平冻结法封水性好,对周围环境扰动小并且适用性强,能够增加施工的全面信息化,保证施工的安全。

1人工冻结法的优缺点

冻结法在地下工程开挖过程作为一种辅助施工法,起到临时支护作用,优点如下:

(1)人工冻结法适用性强,特别是在富水软弱层及复杂的水文地质条件下, 由于冻结法的灵活多变,使其在地下工程施工中被广泛运用。

(2)人工冻结壁强度高,并且连续性好,具有较好的均匀性。冻结温度不断减低,则冻结壁的强度不断增大,有些软弱土层冻结后的强度可达原始状态的100倍,并且冻结均匀,无薄弱点。

(3)冻结壁隔水好,并且冻结孔可根据工程需求,灵活布置,也经常被用于抢险救灾工程中。

(4)冻结壁的形成,避免了大开挖,并且无烟尘,施工期间不影响正常交通, 有利于保护环境,施工结束后岩土体还能恢复原状,不影响日后地下管线的埋设。

但是人工冻结法也存在诸多问题,施工期间岩土体不可避免的发生冻胀融沉, 可能会引起地面的隆起和沉降,对地下的管道建设有一定的影响,并且周期长耗资大。

2人工冻结法的施工工艺

人工冻结法施工主要分为安装冻结站、铺设冻结器、积极冻结期、维护冻结期以及解冻期。

(1)安装冻结站:冻结站包括蒸发器、冷凝器、节流阀、压缩机、中间冷却器、盐水循环系统设备等。

(2)铺设冻结器:根据相关的设计要求,对土体进行钻冻结孔,并在冻结孔内将冻结器铺设好,然后再把各个冻结孔内的冻结器连接起来,使其形成一个完整的系统,再与冻结站相连接。

(3)积极冻结期:在冻结开始初期,在冻结管的周围形成各自的冻结圆柱, 随着冻结时间的不断增加,随着冻结的不断发展,每个冻结圆柱之间相连,之后会形成一片冻土墙,冻土的强度随温度的不断降低而增加,不断减低温度,达到目标强度为止。

(4)维护冻结期:补充土体损失的冷量是这个阶段的主要目的,将地层温度控制在设计温度范围内。

(5)解冻期:在地层开挖之后,永久结构施工完成后,冻结停止,解冻土层, 拆除设备。

3人工冻结法设计及厚度计算理论

(1)冻土墙的结构设计

根据地质水文资料、经济条件以及工程经验来确定施工方案,合理的冻结壁形式决定着施工方案的是否达到预计效果。

冻结壁的主要形式有圆形和椭圆形帷幕、直墙和重力连续墙、连拱型冻土连续墙。大多矿井以及隧道工程的断面都近似于圆形,因此帷幕选用圆形或者椭圆形,这样能够极大程度的发挥其防水和支撑能力。直墙冻帷幕在施工过程中会产生拉应力,而且直墙冻帷幕也不均匀受力,为弥补其结构受力性能差的弱点,常采用内支撑配合其使用。

(2)设计方法

冻土帷幕能否抵挡未冻土的作用,来判断设计方法是否可靠。判断是否能够保证开挖面的稳定。设计步骤:(1)先假设帷幕为理想弹性体,计算强度随时间和温度的变化;(2)根据实际荷载情况,计算帷幕的内力,分析弯矩分布情况, 然后对比分析,确定冻土设计参数,借助有限元法进行热交换、位移和稳定性分析。

(3)冻土参数的设计

主要参数设计包括平均温度、冻结孔布置间距、冻结壁厚度、冷冻系统设计、 冻结时间、冻结方式等。

1冻结平均温度。为了从整体上来评估冻结壁的性能,在工程中将平均温度作为评估标准,我们一般取值-7℃~-10℃。

2冻结厚度。根据初步计算,初选出冻结壁厚度,然后根据地压以及帷幕的强度对初选的冻结壁厚度进行验算,通过不断调整冻结参数达到资金技术的安全可靠、工期短的优化目标。

3冻结孔布孔间距。根据地层的地质水文情况、冻结体厚度及形状,在施工中,冻结孔间距以0.5~1m为宜。

4冻结时间。

冻结时间主要考虑冻结孔交圈和达到设计冻结壁的时间,需要根据盐水温度和冻土扩展速度来确定。

6冻结方式。间接冻结以及直接冻结两种。

(4)冻土墙厚度计算

冻结壁厚度设计要综合考虑冻土强度与变形特征、外部压力和地层的地质水文情况、、冻土的温度场、冻结壁暴露时间和应力场以及开挖断面的大小和步距等诸多因素。工程上人们对冻结壁厚度的取值偏于保守,为克服这种现状,国内外学者运用模型试验、解析方法、有限元方法等手段,对冻结壁厚度计算方法进行了大量研究。目前,有效计算冻结壁厚度的方法主要有三种:一是根据数学力学模型推导出的经验公式;二是数理统计的经验法;三是根据温度孔实测温度变化来推算冻结壁厚度。

4人工冻结法信息化施工技术

由于人工冻结法施工一般都是一个持续的、动态复杂过程,其过程不容易控制。人工冻结法施工过程中,施工工况、制冷系统运行状况、边界条件、地质条件等因素都会对施工带来影响,并且帷幕强度随温度的变化而不断变化。通过不断调整各种相关参数,来确保冻土帷幕施工快捷、安全有效。目前,我们一般采用现代传感器技术以及软件技术、计算机数据通讯原理,来监测冻结法施工过程, 通过反馈的数据,对出现的问题及时解决以保障施工的顺利进行。

信息化施工的主要内容:

(1)监测冻结过程中土体的温度。通过在冻结土体中的不同位置按要求预埋传感器,连续、定时的读取每个测点的温度值,并绘出温度-时间曲线以及温度空间分布图,形象直观的观察冻土帷幕发展趋势,研究冻土帷幕的发展规律,为进一步确定冻结系统参数提供可靠依据。

(2)监测盐水温度。由于冻结法施工工序比较多,并且技术性强,如果冻结施工过程中的一个任何环节出现问题,将导致整个帷幕的质量问题,严重是还会引起重大安全事故,盐水温度可以直接反应出系统是否存在异常。因此,实时监测盐水温度,可以有效判断系统是否正常运作。

(3)监测冻结土体冻胀力。冻土的体积会随着冻结时间的不断增加而增大, 由于土体膨胀,因此土体就会产生冻胀力,由于冻胀力的存在,会对周围土体环境产生影响,所以在冻结过程中,必须实时观测冻胀力的大小,保证其在相应的允许范围内,以保证施工安全有效的进行。

5结语

(1)通过对比分析冻结法施工优缺点,进一步阐述人工冻结法施工在地下工程支护中的优越性。

(2)确定施工工艺,对设计方法不断优化,对平均温度、冻结孔布置间距、 冻结壁厚度、冷冻系统设计、冻结时间、冻结方式等参数进行设计,使设计达到最优。

(3)通过人工冻结法信息化施工技术进行分析,信息化施工的主要内容是监测冻结过程中土体的温度、监测盐水温度、监测冻结土体冻胀力。

摘要：对比分析人工冻结法施工的优缺点,确定冻结法的施工工艺,对设计方法不断优化,对平均温度、冻结孔布置间距、冻结壁厚度、冷冻系统设计、冻结时间、冻结方式等参数进行设计,使设计达到最优。通过对人工冻结法施工原理分析,阐述了人工冻结法施工的在施工技术中的优越性。

关键词：人工冻结法,冻结壁,冻胀,地铁隧道

参考文献

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[2]于长一.地铁联络通道冻结法施工数值模拟分析[D].天津大学,2014.

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[4]鲍永亮,郑七振,唐建忠.地铁隧道旁通道冻结法施工监测分析[J].铁道工程学报,2009,03:93-95+109.

关于冻结法凿井技术的浅析 篇7

关键词：冻结法凿井,基本原理,优点,常见问题,防治措施

岩土工程冻结法通常是利用物质的相变, 即由液态变为气态时的吸热过程来达到将士体中的水冷却、结冰的目的, 在人工地层冻结制冷系统中一般采用氨作为制冷工质, 整个制冷系统由氨循环系统、盐水循环系统、冷却水循环系统三大循环所构成[1]。冻结法具有适应性强、支护结构灵活、易控制、隔水性好、对环境影响小等优点。因此, 冻结法施工技术在国际上被广泛应用于城市建设和煤矿建设中, 主要用于煤矿井筒开挖施工。我国煤矿于1955年在开滦林西风井首次使用冻结法凿井, 此后, 冻结法凿井技术被逐渐推广。

1 冻结法凿井的基本原理

冻结法凿井是指在井筒开挖之前, 用人工制冷的方法, 将井筒周围含水地层冻结成一个封闭的不透水的帷幕———冻结壁, 用于抵抗地压、水压, 隔绝地下水与井筒之间的联系, 然后在其保护下进行掘砌施工。冻结壁形成前, 首先在未开凿的井筒周围打一定数量的冻结孔, 其深度穿过不稳定岩层进入稳定岩层, 在孔内安装冻结器。低温盐水在冻结器中流动, 吸收其周围地层之热量, 形成冻结圆柱, 冻结圆柱逐渐扩大, 直至达到设计厚度和强度为止, 最后连接成封闭的冻结壁[2]。然后在其保护下进行掘砌施工就可以安全地穿过含水地层。

形成冻结壁是冻结法凿井的中心环节, 是岩层冷冻的结果。人工制冷是通过冻结站的氨循环系统、盐水循环系统和冷却水循环系统来实现的。通常使用氨作为制冷剂, 利用氨由液态变为气态吸热的原理达到制冷的目的。液态氨吸收蒸发器周围盐水的热量, 变为饱和气态氨, 经压缩器压缩变为过热蒸气氨, 进入冷凝器中与冷却水进行热交换, 又变为液态氨, 经调节阀降压后成为低压、低温的液态氨, 回到蒸发器中重新气化, 构成氨的循环系统。

2 冻结法凿井的优点

冻结法凿井分为钻冻结孔、形成冻结壁和井筒掘砌三大工序, 在复杂和特殊地层施工中具有很大的优越性:

2.1支护结构灵活、易控制。可根据不同地质条件、环境及场地条件灵活布置冻结孔、调节冷媒水的温度, 从而获得高质量的冻土帷幕, 特殊情况下还可以采用液氮进行快速抢险, 与盐溶液人工冻结法相比, 液氮人工冻结法具有温度低、冻结速度快、冻结强度高、无污染等优点[3]。同时可通过地温监测指导施工, 符合现代信息化施工的要求。

2.2 适应性强。它适应于各种复杂地质及水文地质条件下的任何含水地层的土层加固, 并且基本不受基坑形式、平面尺寸和深度的影响。

2.3 隔水性好。它本身就是地下水的控制系统, 防渗性能是其它施工方法无法相比的。

2.4对环境影响小。它充分利用土体自身的特点, 材料是土体本身, 对地下水及周围环境无污染, 冻结壁解冻后, 冻结管可回收, 地下土层恢复原状, 对地下工程较为有利。

3 冻结法凿井的常见问题及其防治措施

3.1冻结管的断裂问题。在冻结井筒掘进中, 冻结管断裂现象时有发生。近年来, 由于冻结深度逐年增加, 遇到厚粘土层的机会越来越多, 冻结管断裂的现象也就会越来越严重。究其原因, 主要有[4]:冻结壁的变形过大, 冻结孔偏斜大, 冻结管接头焊接质量差或丝扣连接时扣形不适。其防治措施有:

3.1.1合理确定冻结孔布置圈直径。如果冻结孔布置圈过小, 虽然井帮温度较低, 但其整体厚度不够, 可能造成井壁变形过大。因此, 应合理确定冻结孔的布置圈径, 以保证冻结壁的厚度。3.1.2正确选用管材和连接方式。冻结管一般选用优质低碳钢、中碳钢或低合金钢无缝管材, 采用低碳钢无缝钢管时, 宜用外箍焊接, 而采用中碳钢或低合金钢时, 宜采用外箍丝扣连接。同时, 要保证冻结管的连接质量。3.1.3控制掘进段高和井帮暴露时间, 特别是深厚黏土层要严格控制。由于段高小暴露时问短, 有利于控制冻土的蠕变和冻胀力的发展, 避免断管。3.1.4降低盐水温度以控制井帮温度, 使深部粘土层的强度达到设计要求。

3.2工作面底鼓问题。井筒掘进中, 工作面底鼓现象时有发生。少量底鼓属正常现象, 这主要是由冻土的流变特性所决定的, 但大量的底鼓对工程而言却是不允许的。造成底鼓的主要原因可能有以下几种:当井筒未冻实时, 因井帮径向超前变形导致底鼓:当水位观察孔堵塞, 地下冻胀力无出处时, 可能导致底鼓:井壁交圈不好, 有窗口时, 涌砂冒泥和冻结管断裂、盐水漏失, 都会导致底鼓。

当井筒冻实后, 底鼓现象将大大减少。降低冻结壁内的平均温度, 冻结壁强度和稳定性提高, 底鼓现象也随之减少。一般导通的水位观察孔, 地下水顺畅放出, 底鼓程度则明显减轻。

3.3冻结壁变形问题。和工作面底鼓一样, 冻结壁变形也时有发生。冻结井壁的变形问题主要是由冻结壁的强度不够、段高过大或井帮暴露时间过长引起的。冻结壁的变形应得到控制, 其主要控制办法是降低冻结壁平均温度, 提高冻结壁的强度和稳定性, 加快掘进速度, 减小段高, 减少井帮暴露时间。

3.4地表冻融危害问题。凡是采用冻结法施工的井筒, 在冻结与融冻期间, 井口附近地表往往因土层冻融而发生升降起伏, 从而影响凿井井架的升降。由于井架一般是在冻结的同时进行安装的, 井架会因地表的冻胀上升而发生变化。为了控制地表的冻融危害, 减小其对施工安全的影响, 我们必须采取针对性措施[6], 其中主要有:1提高井架的承载能力, 特别是偏心承载能力, 加大安全系数, 施工组织设计中, 对井架的选型, 要加以考虑。2合理布置悬吊与提升设施, 尽可能使井架承受较为均匀的荷载。3简化悬吊设施, 尽可能采用井壁吊挂方式, 以减少井架承受的施工荷载。4加强对井架基础沉降的观察和井架变形的观察, 发现异常情况, 应及时采取加固措施。

结束语

冻结法在井筒不稳定表土层的施工中得到了广泛的应用, 同时, 随着社会经济的不断发展, 人口的不断增长和空间的相对缩小, 开发地下空间己经成为人类扩大生存空间的重要手段和发展趋势。目前, 在其它地下工程的施工中, 冻结法也得到了大量的应用, 随着21世纪地下工程的大规模开发利用, 冻结法也将会得到更加广泛的应用, 而且其发展也会更加迅速。我相信在新的世纪里冻结法将在地下工程领域发挥更大作用。

参考文献

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[5]马芹永.人工冻结法的理论与施工技术[M].北京:人民交通出版社, 1996:114-116.

刘店矿井冻结法凿井关键技术浅析 篇8

煤炭是我国的主要能源及重要的工业原料, 随着国民经济的发展, 对煤炭的需求和生产提出了更高的要求, 尤其是现在煤炭浅部资源, 表土层厚达400~600m, 在如此深厚的表土层中建井, 为保证建井速度, 通常采用冻土法凿井。冻土法凿井是在深厚表土层及不稳定含水层施工的一种在常见的特殊方法。自1956年首次在开滦西风景使用并获成功, 至今已有半个世纪, 由于冻结法凿井, 混凝土井壁在低温条件下浇铸和养护, 早期强度较低, 以及水化热作用, 使壁厚冻土回冻, 在回冻过程中对井壁产生了较大的冻结压力, 加上井筒表土深、地压大、冻土蠕变特性和井筒材料、工艺等因素, 对冻结井筒井壁施工安全构成较大威胁, 为确保刘店煤矿井筒施工安全, 我们对影响井筒安全的冻结压力和井壁强度进行了研究。

1 工程概况

刘店煤矿位于安徽省涡阳县境内, 西南距涡阳县城约15km, 行政规划隶属马店镇、龙山镇和新兴乡管辖。

刘店矿设计年生产能力为150万吨/年, 采用立井开拓方式, 工业场地设立主、副、风三个井筒, 均采用冻结法施工, 其中主井井筒净直径5m, 表土层厚为318.2m, 冻结厚度422m;副井井筒净直径6.8m, 表土层厚为319.1m, 冻结厚度382m;风井井筒净直径5.5m, 表土层厚为318.8m, 冻结厚度420m。冻结段均采用双层钢筋混凝土内加塑料复合井壁, 并在冻结壁与外层井壁之间铺设25~50mm后的泡沫塑料。

2 刘店煤矿井筒外壁安全性研究:

由现行的《煤矿矿井采矿设计手册》知, 钢筋混凝土井壁的计算公式为:

式中:P——外壁的设计允许承载力

R, r——外壁的内、外半径

Ra, Rg——混凝土轴心抗压设计强度和钢筋设计强度

U——配筋率

K——安全系数

Pd——外壁承受的冻结压力

由上式可见, 为了确保冻结井筒使用现浇钢筋混凝土井壁的安全必须要设法控制冻结压力和提高井壁强度。

2.1 冻结压力

井壁作用于外壁的侧压力称为冻结压力, 它是由于土层的原始应力、土层中水结冰时体积膨胀、粘土稀释后体积膨胀以及冻土蠕变等因素形成的。影响冻结压力大小的主要因素有:土性、厚度、冻结厚度、冻结壁厚度和施工工艺等。在施工中采取如下控制冻结压力的方法:

在砂性土层里, 外壁采用现浇早强高强钢筋砼, 砼入模温度控制在18~20℃, 井壁不会受到冻结压力的破坏, 保证了井壁质量;在深厚膨胀性粘土层里, 采用现浇早强高强钢筋砼外壁与井帮冻土间铺设厚25~50mm的聚苯乙烯泡沫塑料板结构, 其作用是:a.防止粘土层迅速增长和初期冻结压力对井壁的破坏, 起到缓卸压作用;b.起到了隔热保温的作用, 减少冻土对井壁砼的影响, 改善了砼井壁的养护温度。

另外, 在深度和施工工艺相同的情况下, 粘土的赋存条件和冻结温度也是至关重要的。

2.1.1 粘土的赋存条件

深厚表土层主要第四系和第三系新生界地层组成, 固结程度高的第三系粘土的冻结膨胀性将明显小于第四系粘土, 尤其是膨胀性粘土层, 最大冻结压力往往发生在该部位。在暴露时间超过18h、掘砌段高度超过2.5m的情况下可导致冻结管断裂, 甚至酿成出水等事故。

2.1.2 冻结温度

在井壁施工期间, 冻结器仍在运转, 内外壁与冻土发生热交换, 形成升降温过程, 尤其是连续浇筑的内层井壁, 砼用量多, 水泥水化作用发热量大, 温度变化剧烈, 引起较大的温度应力, 易发生裂隙, 影响井壁质量。本次施工采用塑料夹层双层砼复合井壁, 其作用是:a.塑料夹层使内外层井壁不直接接触, 减少外壁对内壁的约束, 使内壁在降温过程中有一定的收缩, 防止出现较大的温度应力, 从而消除了裂隙;b.塑料夹层具有保温作用, 使内壁的降温速率减小, 也减少了瞬时温差, 减弱了温度应力。

2.2 井壁强度

2.2.1 提高井壁强度的途径

井壁的承载力随着混凝土强度等级的提高而显著增加, 如将目前井壁普通使用的混凝土强度等级从C30~C45提高到C40~C60, 则外壁的承载能力将提高约30~40%。

2.2.2 高强高性能混凝土配制原则

针对深厚表土层冻结井筒内、外壁的特殊养护环境和施工条件, 要求外层井壁具有早强、高强和防冻性能, 3d轻度达到设计的75%以上, 以防止因早期强度偏低而遭受破坏;要求内层井壁具有高耐久性、抗裂和防水性能, 以防止冻结壁解冻后出现井壁较大漏水。同时由于内、外壁均属于大体积混凝土施工, 要求混凝土水化热低, 以防止井壁出现温度裂缝, 8h左右可拆模, 以保证建井速度等。

2.2.3 高强高性能混凝土配制途径

高强度性能混凝土的重要特点是强度高, 耐久性好, 变形小。采用常规工艺配置高强高性能混泥土的一般途径是:采用高标号水泥、高效减水剂、矿物掺合料和优质骨料等。

a.采用高标号水泥

该次施工采用海螺牌P.042.5R和P.052.5R普通硅酸盐水泥, 均为早强型普通硅酸盐水泥, 所配制的混泥土早期强度高且水化热相对较低, 特别适用于配制深厚表土层冻结井筒高强高性能混泥土。

b.掺加高效减水剂

在普通混泥土中, 用水量比水泥水化所需的用水量要大得多, 在高强高性能混泥土中加入高性能减水剂, 它可降低水灰比, 改善和易性, 提高混泥土的早期强度, 并可改善抗压、抗拉、抗渗、抗冻等性能。

c.掺加矿物掺合料

随着混泥土技术的进步, 矿物掺合料已成为现代高性能混泥土继外加剂之后必不可少的第六组分, 本次施工中掺入了硅粉, 其Si O2含量达到90%以上, 其在混泥土中的作用和机理是:硅粉颗粒细小, 其表面积为水泥的50~60倍, 具有较高的火山灰性, 其中的Si O2加速水泥矿物的水化过程, 并可充填水泥硬化后形成的毛细孔, 增加混泥土的密实性, 促进混泥土的硬化早强、高强。

d.采用优质骨料

对于高强高性能混泥土, 细骨料 (黄砂) 宜选用质地坚硬、级配良好的河砂, 其平均粒径不小于0.35mm, 含沙量不应大于1.5%, 本次选用淮滨中砂。

粗骨料 (石子) 的性能对高强高性能混泥土的强度起着决定性的制约作用, 现场选用20~40mm的石灰岩碎石, 要求含泥量<1%, 针片状颗粒<15%, 并呈浑圆状。

2.2.4 试验结果以及分析

根据混泥土配合比设计规程, 求得C45、C55、C60混泥土的配置强度分别为46.6MPa、63.9MPa、69.8MPa。

本次施工和安徽理工大学地下工程研究所合作进行混泥土配比试验, 并考虑现场施工的可行性。见表1。

对于表1的混泥土的配合比, 通过有资质的中心实验室和现场进行验证性的试验, 结果见表2。

由表2可见, 该配比3d抗压强度达到设计值为75%, 28d抗压强度达到配制强度, 完全能满足深厚表土层冻结井壁高强高性能混泥土的性能要求。

2.2.5 高强高性能混泥土的质量控制措施

a.所有原材料均要有出厂检验单和合格证, 到达现场的材料需抽样进行复检, 混泥土试块定期做强度试验;

b.混泥土的拌制必须注意原材料、外加剂的投料顺序, 严格执行搅拌制度, 要求搅拌均匀, 严格控制配料量, 搅拌时间不低于3分钟, 要定期对计量系统进行校验;

c.准确控制用水量, 及时测定砂、石中的含水率, 并按测定值调整用水量及砂、石用量, 雨雪天应当有防雨雪措施。

d.冬季施工时, 冻结混泥土入模温度不低于18℃。

3 结论

3.1 由于很好的控制了井帮温度和冻结压力, 可以在保证冻结壁安全的情况下进行掘砌施工, 在施工过程中没有发生一根冻结管断裂和出水事故, 这在相似冻结深度的以前施工中是少见的。

3.2 根据深厚表土层冻结井壁的受力特点和现浇混泥土的施工养护环境, 通过配制实验室研究和现场试验, 得到了深冻结井、高流态、大体积高强高性能混泥土工程配合比, 应用在施工中是成功的, 保证了井筒的安全和质量, 并建立了一套高强、高性能混泥土的质量控制措施。

3.3 应用吊桶下混凝土更能保证井壁的质量, 其可防止离析和堵管的发生, 副井至今还没有出现环向裂缝, 更没有出现竖向裂缝, 这在深厚表土层冻结井的建井史上是少有的。

3.4 在冻结壁安全的情况下进行快速掘砌施工, 主、风井创二淮外壁施工记录, 总体工期提前约16天, 获得直接经济效益约336万元。

冻结法凿井需注意问题的探讨 篇9

冻结法是指用人工制冷的方法, 将待开挖地下空间周围的土体中的水冻结为冰并与土体胶结在一起, 形成一个按设计轮廓的冻土墙或密闭的冻土体, 用以抵抗土体压力、隔绝地下水。120年前Poetsch取得冻结法专利, 并一直用于不稳定地层中井筒的施工, 目前在地下工程的诸多方面也得到应用, 冻结法凿井就是应用之一。

岩土工程冻结法通常是利用物质由液态变为气态, 即气化过程的吸热现象来达到将土体中的水冷却、结冰的目的。其制冷系统多以氨作为制冷工质。为了使氨由液态变成气态, 由气态又变为液态, 如此循环进行, 整个制冷系统由三大循环构成:氨循环系统、盐水循环系统、冷却水循环系统。这种制冷系统一般可获得-30 ℃～-35 ℃的低温盐水。

立井冻结法凿井采用的是传统的氨循环制冷技术。它是在井筒开挖之前, 用人工制冷的方法, 将井筒周围含水地层冻结成一个封闭的不透水的冻结壁, 用于抵抗地压、水压, 隔绝地下水与井筒之间的联系。然后, 在其保护下进行掘砌施工, 待掘砌到预计的深度后, 停止冻结, 进行拔管和充填工作。为形成冻结壁, 首先在欲开挖井筒的周围打一定数量的冻结孔, 孔内安装冻结器。低温盐水在冻结器中流动, 吸收其周围地层之热量, 形成冻结圆柱并逐渐扩大连接成封闭的冻结壁, 直至达到其设计厚度和强度为止, 以便安全穿过含水地层。冻结法凿井主要工艺过程包括:冷冻站安装、钻孔施工、井筒冻结和井筒掘砌四大内容。

我国煤矿于1955年在开滦林西风井首次使用冻结法凿井, 井筒净直径5 m, 冻结深度105 m。此后, 冻结法凿井技术逐渐推广到东北、华北、华东、中南地区。到1998年, 冻结法凿井数目共430余个, 累计冻结深度70 km以上, 最大冻结深度435 m (河南永夏矿区陈四楼煤矿主井) , 冻结法凿井所通过的第四纪地层最厚为383.1 m (山东金桥煤矿副井) 。我国已是世界上用冻结法凿井穿过表土层最厚的国家之一。

2 冻结井筒施工中的若干问题

2.1 掘进段高的确定

掘进段高是指掘进段未经支护的高度。由于影响段高的因素较多, 没有成熟的理论, 目前只能采用工程类比法, 按施工经验选取。近年来, 井帮变形实测工作及冻土力学性质的研究工作均为段高的选取提供了实践和理论依据。

1) 地压越大, 段高应越小。一般来说, 地压随井筒深度增加而增大, 而段高应随之增加而减小。当深度相同时, 塑性岩土较非塑性岩土压力大, 段高应相应减小。

2) 冻结壁内平均温度越低, 冻土强度就越大, 冻结壁的承载能力也就越大, 段高相应地可大一些。

3) 冻土中的水变为冰的状况与冻结速度有关, 如果盐水温度低, 冻结速度快时, 段高可大些, 否则段高则应小一些。因此, 如果采用低温冻结, 将大大有利于增加冻土强度和增大段高。

目前, 国外掘进段高一般为10 m～30 m, 我国在2 m～20 m之间。在深厚黏土层中, 段高应在2 m左右。段高大, 井壁接槎少, 井壁整体性好。但过大时, 有可能使井帮有过大的径向变形, 会导致冻结管断裂、盐水漏失、产生淹井等事故。因此, 笔者认为, 除了以上3点外, 在井筒掘进过程中应着重根据井帮变形实测、综合掘进速度以及地区相关经验随时调整段高。

2.2 冻结管的断裂问题

1) 正确选用管材和连接方式。冻结管一般选用优质低碳钢和锰钢无缝管材, 禁止使用中碳钢管。连接方式由电焊管箍或丝扣发展到打坡口对接焊和打坡口内衬套对接焊。山东兖州矿区曾使用此方案, 经使用和低温试验后, 焊口强度提高20%～30%, 达到母材强度的91%～96%, 坡口衬套对接焊接强度高于母材。

2) 错开冻结管接头位置。冻结管断裂多系地层位移所致, 断裂部位往往连片出现。为此, 冻结管接头应尽量错开软硬交接层位, 特别是主要黏土层与风化带接触处。相邻冻结管接头位置可互错3 m～5 m左右。

3) 控制掘进段高和井帮暴露时间, 特别是深厚黏土层要严格控制。由于段高小暴露时间短, 有利于控制冻土的蠕变和冻胀力的发展, 避免断管。

4) 如果条件允许可在原冻结管中套直径较小的管继续冻结或降低盐水温度以控制井帮温度。汪仁和经过研究建议在深井冻结法凿井中冻结壁的合理井帮温度以不低于-9 ℃～-13 ℃为宜。

5) 当水位观察孔堵塞, 地下冻胀力无出处或井筒未冻实, 因井帮径向超前变形所引起的工作面的底鼓常导致冻结壁向内超前位移从而引起冻结管的断裂。

2.3 冻结井外壁破裂问题

深厚膨胀性黏土层的冻结外壁发生破坏在国内冻结井施工中是一种较为普遍的现象, 也是困扰国内建井界的棘手问题。究其原因, 有以下几个方面:1) 对地层土体性质掌握不全面, 尤其是含有膨胀性矿物的地层;2) 冻结壁强度低, 黏土蠕变膨胀剂裂外层井壁;3) 低温下混凝土早期强度低, 在其未达到最终强度前井壁破裂;4) 因冻结壁形状不规则和厚度不同等造成冻胀力不均匀以及在掘砌过程中, 由于冻结壁流变量的不均匀, 造成砌筑外壁前冻结壁冻胀量释放不均匀, 致使作用在外壁上的冻胀力不均匀。

针对以上导致冻结井壁破裂的原因, 可从几个方面采取措施:

1) 在井筒施工前, 应弄清井筒穿过的土层矿物成分及有关的物理力学性质。必须进行施工专门的井检孔, 对井筒穿过的主要土层, 特别是厚度较大的黏土层, 应尽量保证取样完整, 并确定其膨胀性参数, 以便于冻结方案的确定。

2) 根据地层土的性质、含水层的情况以及冻结站冻结能力, 合理确定冻结孔的大小、深度及间距, 进一步提高冻结孔垂直质量, 形成合理的孔圈结构, 以减少冻结壁厚度的不均匀性。冻结孔间距一般为1.2 m～1.3 m, 孔径为200 mm～250 mm, 孔深应比冻结深度大5 m～10 m。

3) 穿越厚黏土层时, 应加强冻结, 尽可能降低冻结温度, 井帮温度以不低于-9 ℃～-13 ℃为宜。当冻结壁强度低变形严重时, 可采取在井帮开卸压槽或架井圈背板临时支护等综合保护措施, 并减小掘砌段高, 缩短暴露时间。

4) 提高井壁混凝土的早期强度。

5) 改善冻结壁与外壁夹层的缓压作用。通常在冻结壁与外壁间加入一定厚度的泡塑板。对于砂质土层, 这种泡塑板尚能达到预想的效果, 但对于深厚易膨胀黏土层, 冻结压力很大, 效果不很理想。对此, 可在穿越厚黏土层时, 外层井壁外加设砌块井壁。此外, 也可选用FS新型防水膨胀剂掺入内壁混凝土, 这样混凝土具有一定的膨胀量, 在作用机理上起到了塑料板的作用, 取消了双层井壁间的塑料板, 加快了井筒的施工进度。

6) 加强施工组织管理。保证施工质量, 提高施工速度是防止井壁破坏的有效措施。在施工组织管理中需注意以下几点:a.井筒的开挖时间要选择适时, 即当冻结壁已形成而又尚未冻至井筒范围以内时最为理想。此时, 既便于掘进又不会造成涌水冒砂事故。但是很难保证处于理想状态, 往往整个井筒被冻实。切忌为赶工期, 在冻结壁强度与厚度未完全达到设计要求时便匆匆开挖;b.合理控制制冷量, 尤其在膨胀性大的黏土层中, 井帮温度不应低于-9 ℃;c.加大监控力度, 保证混凝土设计强度及井壁的厚度, 必要时应在已砌好的井壁段取芯检验;d.宜采用短段掘砌, 小段高快速掘砌的作业方式, 尤其在膨胀性大的黏土层中。此外, 还应加强通风管理, 特别是在气温较高期间尽量少通风, 减少井下的热交换量。

3 结语

自波兰引进冻结法凿井技术以来, 冻结法在穿过不稳定地层的立井施工中得到了广泛应用。冻结法凿井已成为我国通过不稳定冲积层及裂隙含水岩层的主要施工方法, 具有施工安全、速度快等优点。50年来冻结法施工的井筒达400多个, 但在冻结井筒施工中仍然出现了种种事故。通过以上分析, 采用冻结法凿井应加强对上述问题的研究, 以期更好的完成井筒的施工, 保证井筒安全、经济。

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水平冻结法 篇10

快速强化冻结设计的目的与工程建设的目的是具有一致性的, 都是为了实现施工的高效、安全、快速与优质, 即在资源投入最少的情况下, 保证地层冻结加固的实际效果达到最佳。在具体的施工过程中, 施工要求与冻结设计受施工条件与地层条件的影响较大。例如, 如果土层为深厚的粘土, 那么施工与设计的重点问题就应当是如何解决外层井壁压坏并防止冻结管断裂;如果地层条件相对较好, 那么施工的重点问题就应当是如何有效减少冻结施工的成本投入以及如何保证井筒掘砌施工速度的提高。

2 设计原则

冻结设计在强化的过程中要遵循以下七个原则。

第一, 把握施工建设核心。冻结设计的核心在于实现工程建设的总体目标, 即施工中要将安全放在首位, 其次要保证工程建设的质量与施工进度能够满足建设需要, 最后工艺技术的选取要以经济合理为依据, 将成本控制在合理范围内。

第二, 施工设计因地制宜。不同地区的地质条件存在差异, 因此对施工的要求也不一致, 针对不同的建设要求应当选择适宜的冻结施工设计。例如, 若建设地区的冻结井筒中不存在深厚粘土的土层, 那么可不采取强化冻结方法进行处理。

第三, 根据实际情况设计或调整参数。冻结设计施工中应当考虑到的问题包括井筒掘砌施工的速度、井帮暴露的时间、井壁结构、井壁变形、掘井段高等, 根据施工中的要求不同, 要不断调整相关参数。为了使操作简便化, 施工与设计人员可依据合同内的相关标准与规范设计冻结施工的相关参数, 然后结合实际工程中掘砌施工与冻结壁的情况将施工速度以及掘进段高等参数进行合理调整。

第四, 对冻结壁的安全性进行评定。这一原则是快速强化冻结设计与以往冻结设计的根本区别所在, 它能够为工期的缩短以及成本的降低奠定良好的基础。井筒冻结施工过程较长, 在这期间冻结壁的温度与厚度会一直处于变化的状态, 因此为了保证施工的安全, 每到达一个不同的施工层位, 都需对当时的土层特性以及冻结壁的实际情况进行分析, 对冻结壁的安全性予以评定。

第五, 将防控冻结壁变形作为设计中的重点。冻结壁如果发生变形, 就很可能导致冻结管发生断裂或者导致外层井壁出现压坏的现象。从理论上是很难对变形的发生予以准确判断, 因此预测变形的发生一般都以施工经验为依据, 冻结壁在设计时以及冻结孔在布置时应用到的相关指标包括冻结管距离井帮的长度、掘进过程中井帮的温度以及冻土的入荒量。

第六, 评价设计方案可行性要进行多方面分析。在制定设计方案时受到施工情况与地层条件的限制, 相关人员很难精确地对冻结壁进行设计, 因此若想评价设计方案的可行性需要从多方面进行分析, 例如通过工程类比法与理论分析法进行综合考量, 将工程中的实际施工规律为主要判断依据。

第七, 施工中要进行监测与预测。为了保证施工的安全性以及施工工艺应用的合理性, 需要对工程建设予以实时监测, 并对未来一阶段的施工情况予以预测, 保证能够及时发现施工中的问题并采取对策进行解决。

3 设计内容

(1) 收集资料分析问题。基础资料是进行施工设计的前提, 只有对相关资料予以充分的分析与了解才能够保证施工设计的合理性。相关资料包括井筒设计的相关参数、井筒附近的地质资料、掘砌与冻结施工的工期要求、类似工程的建设经验等。

另外, 还要对冻结设计中可能出现的主要问题进行分析, 并在设计方案中对这些问题进行规避或解决, 从而确定关键性的冻结工艺。

(2) 根据规定及经验确定设计参数。由于地质与施工条件的复杂性, 相关参数难以做到精确化设计, 因此需以有关规定以及类似的设计经验为依据, 确定基本参数。这些参数包括井帮暴露时间、井帮位移、井帮温度、冻结方式、冻结深度、冻结管直径、供冷方式、盐水流量、盐水温度、井筒挖掘时间、掘砌段高等。砂性地层要注意, 这类地层的冻结设计可不予以井帮移位的相关参数, 但是要给出冻结壁可以出现塑性的范围值。

除此之外, 还要对主要控制层中的冻结壁部分的有效厚度进行计算, 并需在未布置冻结孔的前提下根据冻结时间、井帮温度、盐水温度以及相邻冻结孔之间的最大间隔等设计参数, 将冻结壁的平均温度予以确定。然后还要对冻结孔布置中的相关参数予以计算, 例如孔间间距、各方向上的合理偏斜范围以及圈径等。

(3) 验算强度及稳定性。当以上参数确定后需对冻结壁予以动态校验, 校验的项目包括不同冻结时间以及掘进深度下冻结壁稳定的平均值、井帮温度、冻结壁交圈以及冻土进到荒径中的时间与位置等。当校验值超出控制范围时, 应当及时对冻结孔的相关参数予以调整, 必要时可对冻结工艺进行改变, 将冻结参数进行调整。

最后还要对冻结壁的稳定性与强度进行分层验算, 一旦出现与控制要求不符的情况, 要重新对冻结孔进行布置或者将冻结工艺进行调整。

(4) 供冷系统设计。首先要对总体上的盐水流量进行计算, 计算方法为将单只冻结孔的盐水流量乘上冻结孔的总数;其次要对整个系统的需冷量进行计算, 计算的依据为冻结管上的散热面积;再次要根据制冷设备本身的参数以及盐水的温度对冷冻机的容量进行确定;最后, 根据冻结系统的参数确定配套的设备选型。

4 结语

冻结设计的展开受施工技术与地层条件的影响极大, 为了适应相关工程的开展, 应当对设计工艺予以快速强化。在强化的过程中坚持七项原则, 对参数予以合理化的设计与调整, 保证工程建设符合高效、安全、快速与优质的要求。

摘要：近年来, 冻结法已在我国很多座城市的地铁及市政基础设施施工中得到了广泛的应用。通过技术的使用及不断的更新, 相关工程技术人员已经掌握冻结设计与施工方法, 并学会地层变形的控制方法, 积累了大量的资料及工程实践经验。当下, 我国对冻结法的使用在世界位居前列。本文笔者将对快速强化冻结法施工动态设计的方法进行探究。

关键词：快速强化冻结法,施工动态设计,探究

参考文献

[1]赵玉明.斜井步进式冻结工法应用研究[J].建井技术, 2013 (06) .