凍結(jié)法施工原理

1、摘要凍結(jié)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(jié)法加固地層的原理及優(yōu)點,結(jié)合工程實例介紹了凍結(jié)法在地鐵工程中的應(yīng)用,并就凍結(jié)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(guān)鍵詞地鐵,地基加固,凍結(jié)法施工 1 凍結(jié)法加固地層的原理及優(yōu)點1.1 凍結(jié)法加固地層的原理      凍結(jié)技術(shù)源于天然凍結(jié)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(chǔ)施工中。1880年德國工程師F.H.Poetch首先提出了人工凍結(jié)法原理,并于18

2、83年在德國阿爾巴里煤礦成功地采用凍結(jié)法建造井筒。從此,這項地層加固特殊技術(shù)被廣泛地應(yīng)用到世界許多國家的礦井、隧道、基坑及其它巖土工程建設(shè)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(jié)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(jié)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、回管路與地層相連,通過凍結(jié)管與

3、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(jié)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(jié)在一起,形成不透水的凍土柱。若干個這樣的凍結(jié)管排列起來,通過凍結(jié)管內(nèi)的冷媒不斷循環(huán),使這些凍結(jié)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(jié)合在一起,形成密封連續(xù)墻。1.2 凍結(jié)法施工的優(yōu)點      1)封水性有自由水(一般情況下含水率應(yīng)大于10%,否則要采取增加土層濕度的輔助工法)就能凍結(jié)成凍土,形成凍土壁。無論是透水層,還是隔水層,凍土壁可以阻隔地下水

4、侵入,形成干燥的施工環(huán)境。      2)強度高一般認(rèn)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(guān),一般可達到210 MPa,遠大于融土強度,從而起到結(jié)構(gòu)支撐墻的作用。      3)適應(yīng)性強適應(yīng)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(fù)原性施工結(jié)束土層恢復(fù)原狀,對土層破壞性很小。這是其他工法所無法比擬的。   

5、60;  5)繞障性具有繞過障礙凍結(jié)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(jié)工期、凍結(jié)壁厚度、凍結(jié)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。      9)

6、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(jié)法在地鐵工程中的應(yīng)用      在地鐵施工中,凍結(jié)法主要應(yīng)用于盾構(gòu)進洞、出洞加固,旁通道構(gòu)筑和地鐵修筑中薄弱地段加固。凍結(jié)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(yīng)用的冷媒劑。      2)制冷劑的選用通常選用氟里昂作制冷劑,也有用液氮或干冰溶于酒精后的液體作制

7、冷劑。其中液氮可使凍結(jié)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(shè)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(gòu)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(jié)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(yīng)本著因地制宜的原則靈活布置,視工程需要而定。&

8、#160;     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(jié)速度。      溫度的影響:冰的強度和膠結(jié)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(dāng)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(dāng)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(dāng)其它條件相同時,土顆粒越粗凍土強度越高,反之就低。這主要是由于不同的顆粒成分造成土中

9、含結(jié)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(jié)合水,土壤一經(jīng)凍結(jié)就不存在未凍水,所以強度高;反之,黏土類的顆粒細(xì),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(jié)的,薄膜水在一定的負(fù)溫條件下才凍結(jié),使凍土的黏滯性和活動性增加,強度降低。凍結(jié)速度的影響:凍結(jié)速度快,凍土中的細(xì)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。3 技術(shù)關(guān)鍵和難點3.1

10、 凍結(jié)法在地鐵工程中的水平鉆孔施工      礦井井筒凍結(jié)是垂直施工。為數(shù)不多的其它巖土工程的水平凍結(jié),距離也不長。地鐵工程的隧道進洞施工有的需采用凍結(jié)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(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu),需打水平凍結(jié)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(jié)施工的關(guān)鍵和難點之一。 在飽和砂土中的水平鉆孔施工      依據(jù)施工工藝,須對上述南京地鐵工點的進洞隧道斷面上

11、拱部流砂層實施水平凍結(jié)加固方案。按隧道斷面形式,沿上拱部均勻布設(shè)水平凍結(jié)孔10個(見圖1),孔深40 m,開孔間距為680 mm;凍結(jié)壁上下側(cè)各布置1個觀測孔,孔深45 m。水平凍結(jié)孔鉆進必須采取以下技術(shù)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(dǎo)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(shè)計成“咬土”形狀,使凍結(jié)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(jié)管,以解決起鉆后因地層坍塌而無法插入

12、凍結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)壁。凍結(jié)壁為非封閉結(jié)構(gòu),平均溫度為-10。凍結(jié)粉紅砂層的瞬時抗壓強度為11 MPa,設(shè)計抗壓強度為6MPa(持久),設(shè)計抗彎強度為2.5 MPa(持久)。凍結(jié)壁生根于下部黏土層,形成堅固的隔水支護結(jié)構(gòu),從而隔開

13、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(jié)壁直接作用在下部黏土層上,粉細(xì)砂層凍結(jié)壁形成臨時支護控制層。達到設(shè)計凍土拱厚的凍結(jié)期為35 d。這一期間凍結(jié)段凍脹地表最大隆起位移量Dmax=5.8 mm。 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(jié)技術(shù)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(yīng)用全封閉水平凍結(jié)技術(shù)取得了成功。該地區(qū)地下水位

14、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(yán)格,因此在這種地層條件下施工難度很大。      凍結(jié)孔和測溫孔的良好施工質(zhì)量是整個工程成功的關(guān)鍵。施工中,按不同土層條件設(shè)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(jié)孔專用的跟管鉆進技術(shù)及具有獨特低溫密封性能的凍結(jié)器組合鉆頭直接應(yīng)用于工程鉆孔中;同

15、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(shè)置2個卸壓孔,以適時卸除凍脹壓力。根據(jù)凍結(jié)孔成孔圖,預(yù)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(shè)計孔位、角度、深度與凍結(jié)孔的要求進行施工。      以上成功的工程實例說明,水平凍結(jié)盡管存在困難,但只要精心設(shè)計,合理組織施工,還是能攻克難關(guān)。3.2 凍脹、融沉問題      土體凍結(jié)有時會出現(xiàn)

16、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(jié)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(jié)過程中。      凍結(jié)過程的水分遷移和冰的析出是土壤凍結(jié)中的重要過程,它導(dǎo)致凍脹和水分遷移,形成冰巖結(jié)構(gòu),從多方面影響凍、融土的物理力學(xué)性質(zhì)。      凍脹的影響因素主要有:凍結(jié)地層的親水性和散碎性;高度細(xì)碎土壤的礦物成分;土壤中陽離子的種類;土壤凍結(jié)的冷媒介質(zhì)的溫度;土壤初始含水率以及水分向凍結(jié)面的流動;土壤密度及重復(fù)凍

17、結(jié)。其表現(xiàn)特點是:黏土和砂質(zhì)黏土凍結(jié)時水分向著冷卻和凍結(jié)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(xì)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(jié)時伴隨著水從凍結(jié)層中擠出。      在凍融過程中,由于水分遷移、土體結(jié)構(gòu)的變化,土體力學(xué)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 kPa的壓力下有時會增大幾倍;含冰率較高的凍土

18、,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(fù)到凍前的小孔隙,致使土體變得疏松,孔隙度增大,導(dǎo)水系數(shù)增加。導(dǎo)水系數(shù)的變化直接影響著固結(jié)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(dǎo)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(jié)構(gòu)物的破壞。城市區(qū)域高層建筑林立,地面設(shè)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(guān)系重大,應(yīng)予嚴(yán)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(dāng)?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(jié)速度;把凍結(jié)范圍控制在必要的最小限度內(nèi);研究凍結(jié)管的布置,使凍結(jié)膨脹變