欢迎来到『东合南岩土』官方网站!

冻结法围护结构

323 2021-11-04 15:05:08

19世纪50年代冷冻机的发明,为人工冻结技术(简称冻结法)用于特殊条件(深基坑、深矿井、高含水量和流砂地层中地铁、地下隧道和输水管线建筑等)施工开辟了美好前景。

该项技术的应用起源于欧洲。1862年英国首先利用该项技术成功地进行了深基坑开挖围护、1883年德国用于煤矿矿井建设、1888年美国用于煤矿矿井开挖,1952 至 1981 年间,北美用人工冻结法凿井达 29个,1979年美国用于地下核电厂基坑施工和直径 40m、深16m 的烟囱基础施工。

本世纪 70~80年代原苏联用于地铁、矿井和其他工业建筑达 200余例(包括莫斯科、列宁格勒、基辅等城市地铁进站大厅35个、隧道建设 35个),用于最深矿井开挖围护已达800m,用于高138.5m、重27000t 大楼基坑开挖支护等。

本世纪中期瑞士、比利时、意大利、奥地利、挪威、西班牙、芬兰、澳大利亚、法国、荷兰、加拿大、日本和我国相继开展了人工冻土利用研究,受到广泛的重视。

日本从1962年开始使用该项技术,随后20年中约有 250个人工冻结工程,其中通过河流、铁路和其它构筑物下的遂道工程、通过河流、铁道和公路下的压入工程、支承明挖的墙体工程、与盾构建筑有关的工程和其它工程分别占10.4%、9.8%、9.8%、66.9%和3.1%。

我国人工冻结法的应用从1955年开始,已有 40年的历史,主要用于大口径矿井井筒建设,已完成 400多个冻结井筒施工,最大深度达435m,累计冻结凿井长度已达66kam,积累了丰富的施工经验和建立了完整的技术装备。

近年来,煤炭科学研究总院北京建井研究所成功地进行了东海拉尔卸矿室和斜皮带走. 廊的冻结设计和施工,卸矿室断面为10.2m×11.2m,深 14m;皮带走廊水平长度为31m,截面为5.4m×4.2m,最深处为11.4m。此外,有关单位还成功地用于江苏省南通钢厂地下旋流沉淀池、上海市地铁旁通道施工的地层加固、上海地铁体育馆段盾构出口拆除工程、上海地铁长沙路泵站地下施工和安徽凤台准河大桥主桥墩基础等工程施工中。

80年代中国科学院兰州冰川冻土研究所与煤炭部特殊凿井公司进行了有效合作,对两淮地区人工冻结凿井工程开展了现场测试和实验分析,系统地对人工冻结土工程性质进行了综合分析研究,取得了一批深井(土层厚达 360m)的冻土壁的矿物成分、水理性质、热物理指标,土的膨胀性,冻胀性、冻结强度与流变学性能方面的参数与指标,为我国东部能源基地人工冻结凿井工程的设计施工提供了一整套应用参数。从系统工程学角度进行冻结施工的优化分析,在国内首次提出了以经济投资为自标函数的经费分配方案模式,对指导冻结工艺经济合理运行具有重要作用。对我国深井冻结施工经常发生恶性事故进行综合分析,提出了降低土温和控制掘进段高,缩短冻结壁暴露时间等工程建议措施,对正确指导现场冻结法建井施工,预防工程事故,加快工程进度均有实际意义。有效地避免了事故发生。节约了大量工程投资。

该项技术的应用范围已从城市土木工程扩展到矿山竖井建设工程、地铁、输水管道、地下隧道及液化石油气和核废料地下储仓等工程建设中。主要用途为截水、制作承重墙和半永久性结构物。

为使该项技术能进一步发展、提高和推广。国际上就人工冻结专题从1978年开始.每 2 ~3年组织一次国际研讨会,至今已有8次(1978 年在德国、1980年在挪威、1982年在美国、1985年在日本、1988年在英国、1991 年在中国、1994年在法国和 1997 年在瑞典)。起到了积极的交流和促进作用。

为适应我国城市大型工业与民用建筑和高层建筑不断兴建,深基坑开挖问题日益突出的形势,寻求和开拓高效、安全和经济的深基坑开挖支护新方法。由中国科学院兰州冰川冻十研究所冻土工程国家重点实验室和铁道部第三设计院岩土工程研究所共同发起,邀请了中煤特殊工程公司、天津市建筑设计院和中国有色金属工业总公司兰州有色建研院有关专家,于1995年7月 27~29 日在兰州召开了人工冻结法用于深基坑开挖支护工程协作研讨会。与会专家一致认为∶人工冻结法用于城市土木工程、矿山竖井工程、地铁、输水管道、地下隧道及液化石油气地下储仓等工程。在国际上已有130余年的历史,是一项比较成功和成熟的技术,受到国际土木工程界的广泛重视。尽管该项技术成功地用于我国矿山竖井建设工程已有 40年的历史,但从总体上看,在我国了解该项技术的人数不多,应用的范围不广。

目前我国在该领域的研究力量、技术装备和施工经验均已达到国际同类水平,为在我国推广该项技术奠定了坚实基础。该项技术的推广应用必将对提高施工质量、加快工程进度和节省工程投资产生巨大社会、经济效益。

原理及特点

利用人工冷液在插入地中的冻结管中循环,使土层冻结。在预期要开挖的场地外围。构筑起稳定且不透水的连续冻土墙,直到永久性构筑物建造起来为止,从而提供一个安全、干燥和方便的施工环境并把对临近构筑物的影响减少到最小程度。图9.6-1为冻结法基坑围护示意图。


image.png


1.冻结法围护的特点

(1)土体冻结后其强度比未冻土增大几倍、数十倍,乃至上百倍,从而起到结构支承墙作用。通过地温监测指导施工,承重墙的安全度相当高;

(2)冻土中的冰晶充填了孔隙,可隔断地下水在空间上的联系,达到截水的目的;

(3)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,还可以用于危急工程整治;4)无支村、无拉锚,可进行敞开式施工并扩大建筑面积,缩短工期;

(5)可根据基坑形状布设冻结孔,节省冷能消耗;

(6)用电能换取冷能,不污染大气环境。使用的冷冻剂无臭味、不存在引起窒息、火灾和污染地下水的危险。但在住宅密集区应注意冷冻机和盐水泵噪音危害;

7)用冻土墙围护,节约三材和运输费。工程费用主要由钻孔费、机械材料消耗、冻结管和保温材料消耗、冷冻剂及电、维护管理费三部分组成,约各占总工程费用的1/3。对基坑开挖深度>7m 的工程,造价与常规方法相当。

2.冻结法围护适用的地基条件

(1)地基土宜为砂性土、粘性土(包括砂层、淤泥质土等)及强风化基岩,对于卵砾石地层,因成孔困难,应有相应的钻孔设备;

(2)地基土的含水量>10%;

(3)地下水的临界流速<2m/d。

3.根据使用冷媒和插人地中冻结管的方向分类

(1)根据使用冷媒种类分∶

1)直接冷却式∶利用液态氮(蒸发温度-196℃)或干冰(固态 CO,,蒸发温度一78.5℃)直接在冻结管中蒸发,使土层冻结。由于造价高,一般用于抢险工程或冻结土方量<60m3 的冻结工程。

2)间接冷却式∶利用冷冻机将盐水(氯化钙或氯化钠溶液)冷却。然后将低温盐水(-20℃~-30℃)在冻结管中循环,使土层冻结。

3)混合式∶直接冷却和间接冷却同时使用。

(2)根据插入地中冻结管的方向分;

①直立式;

②倾斜式;

③水平式。

4.冻结法围护的工艺流程

(1)现场勘探∶除常规项目外,应侧重了解∶含水层的层位、地下水流速及是否承压;粘土层分布、层厚及平面分布的连续性;气象及地温资料;土层含盐量和 pH值;

现场附近的地下埋设物、原有结构物的状况及位置。

(2)室内试验;土的物理性质;颗粒级配,含水量、液、塑限、密度及冻土中的未冻水含量和冻结温度。

水理热学性质;土的渗透系数,冻土和融土的比热、导热系数,冻胀和融沉特性。

力学性质∶冻土的抗压、抗剪、抗拉和抗弯强度及蠕变特性。

(3)设计∶力学设计;根据现场地温条件及室内参数测试。通过计算确定冻土墙的厚度和深度。热工设计∶根据现场地温条件及室内参数测试,通过计算确定冻结管的数量、布局;冻土墙的交圈时间、冷冻机组的装机容量及配置。

4)现场施工∶冻结孔,、测温孔和冻胀释放孔,的钻进∶疾结管侧斜细偏∶冷冻设备及冻结管路系统(包括水、电)的连接安装和运营;地面管路系统、冻结管及冻结壁的保温。

(5)现场监测∶低温盐水温度和流量监测;冻土壁及外围地基土温度监测;土体水平、竖向位移和应力监测;地下水位监测。