垂直冷凍施工技術(shù)

1、328328垂直冷凍施工技術(shù)垂直冷凍施工技術(shù)1前言前言1.11.1凍結(jié)法概述凍結(jié)法概述1.1.11.1.1凍結(jié)法凍結(jié)法凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，在地下開挖體周圍需加固的含水軟弱地層中鉆孔鋪管，安裝冷凍器，然后利用制冷壓縮機提供冷氣，通過低溫鹽水在凍結(jié)器中循環(huán)，帶走地層熱量，使地層中的水結(jié)冰，將天然巖土變成凍土，形成完整、密閉、高強度的臨時加固體，從而達到加固地層、隔絕地下水與地下工程聯(lián)系的目的。然后，在凍結(jié)體的保護下進行地下工程的開挖施

2、工，待襯砌支護完成后，凍結(jié)地層逐步解凍，最終恢復(fù)到原始狀態(tài)。1.1.21.1.2地層凍結(jié)技術(shù)的特點地層凍結(jié)技術(shù)的特點同其它土體加固方法相比，凍結(jié)法具有以下優(yōu)點：1、凍結(jié)加固使土體中的大部分水分結(jié)冰，提高了土的強度，而且強度均勻。2、整體支護性能好，凍結(jié)帷幕形成后，凍結(jié)帷幕內(nèi)不會存在任何縫隙，是一個完整的支護體；封水效果好，可保證開挖工作面在無水條件下作業(yè)。3、能適應(yīng)不同的地質(zhì)條件，凍結(jié)深度不受限制，而注漿、地下連續(xù)墻等方法對地質(zhì)條件的適

3、應(yīng)能力差，而且其加固深度有一定的限制。4、適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)形狀地下工程的施工。凍結(jié)加固體的形狀、大小，可以根據(jù)需要靈活設(shè)計。5、環(huán)保型工法。由于凍結(jié)法是一種臨時措施，所凍地層最終要恢復(fù)到原始狀況，因而能夠保護城市地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地下水不受污染。6、施工方便，簡單，經(jīng)濟上合理。國外的工程實例表明，凍結(jié)工程成本與其它施工（如注漿和旋噴）處于相同的數(shù)量級，而且隨著加固深度的加大，凍結(jié)工法的經(jīng)濟性越來越來明顯。基于以上優(yōu)點，凍結(jié)法在城市地下工程越來越

4、受到重視，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于地基基礎(chǔ)工程、城市地鐵、隧道工程、水利工程等市政工程中。1.21.2凍結(jié)法的適用條件凍結(jié)法的適用條件根據(jù)相關(guān)資料及《建井工程手冊》規(guī)定，凍結(jié)法主要適用于含水量超過10%，地下水速度不大于10md的軟弱圍巖隧道預(yù)加固工程中，遇有流砂、淤泥、卵石、砂礫等含水不穩(wěn)定沖擊層或裂隙中含水的巖層時都可采用。目前凍結(jié)法在城市隧道工程中主要應(yīng)用于：1.盾構(gòu)法隧道施工中，盾構(gòu)進出洞土體加固。盾構(gòu)進出洞時，承受著工作井附近土體產(chǎn)生

5、的巨大地壓和水壓，可能導(dǎo)致涌水和土體坍塌。目前常用旋噴技術(shù)和注漿法加固土體，效果不夠理想，常遇到注漿不均勻和盾構(gòu)刀盤切削漿液結(jié)石體等困難，而凍結(jié)技術(shù)能有效地解決這些問題。2.盾構(gòu)法隧道施工中，地下或海底對接時土體加固。近年來，世界上許多國家的盾構(gòu)隧道采用對頭掘進，以縮短工期，除采用立井對接方式外，還采用不開鑿立井而在地下或海底直接對接。3.城市地鐵泵房、旁通道和急轉(zhuǎn)彎部分根據(jù)地鐵設(shè)計要求，間距1km左右需在并排隧道間設(shè)立泵站。地下工程經(jīng)

6、常遇到旁通道和急轉(zhuǎn)彎部分，因其施工距離短、形狀不規(guī)整，采用盾構(gòu)施工困難，2.12.1確定凍結(jié)類型和凍結(jié)方法確定凍結(jié)類型和凍結(jié)方法按制冷原理，凍結(jié)法采用的凍結(jié)方式一般可分為直接凍結(jié)方式（直接凍結(jié)法）和間接凍結(jié)方式（間接凍結(jié)法）兩類。直接凍結(jié)方式一般靠低溫液化氣直接制冷，主要采用液氮凍結(jié)技術(shù)。液氮在常壓下沸點為195.8℃氣化潛熱197.6KJkg，其理化性質(zhì)穩(wěn)定，是一種良好的制冷工質(zhì)，和傳統(tǒng)鹽水——氨循環(huán)制冷相比，液氮凍結(jié)具有系統(tǒng)簡單、低

7、溫、快速、高強等特點。目前使用的液氮溫度通常在196℃，經(jīng)工廠加工后用儲罐車將其運送到工地，并輸入預(yù)先埋設(shè)在地層中的凍結(jié)管內(nèi)，液氮在氣化過程中大量吸收熱量，使凍結(jié)管周圍的地層凍結(jié)，經(jīng)氣化后的氮氣逸入大氣層后可自由擴散，濃度迅速降低。這類凍結(jié)方式由于直接凍結(jié)速度快，往往用于局部土體凍結(jié)或工程搶險中；同時由于其所需費用相對較高，目前僅用于處理規(guī)格較小的危急工程。間接凍結(jié)方式又稱鹽水常規(guī)凍結(jié)法。采用這類凍結(jié)方式地面需建冷凍站，其內(nèi)設(shè)有壓縮調(diào)節(jié)

8、制冷裝置和輸送泵，用氨、氟利昂等制冷劑通過制冷壓縮機循環(huán)壓縮制冷，使低溫制冷劑與作為冷媒劑的鹽水溶液進行熱交換，將鹽水冷卻到30℃～20℃，輸送到埋設(shè)在土層中的凍結(jié)管中然后回到冷凍站，經(jīng)重新冷卻后再輸入凍結(jié)管，形成循環(huán)流動。冷卻鹽水在循環(huán)不息的流動過程中產(chǎn)生熱交換，帶走凍結(jié)管周圍土體的熱量，直至土體凍結(jié)，達到加固和穩(wěn)定土體、封閉地下水的目的使凍結(jié)管周圍的土層逐漸凍結(jié)，現(xiàn)形成凍土圓柱體，然后連成凍土帷幕，并達到設(shè)計規(guī)定的厚度和強度。鹽水凍

9、結(jié)法的費用一般較直接凍結(jié)法便宜，常用于凍土量大、施工期較長的工程。由于成本低，形成凍結(jié)帷幕均勻易于控制，已被工程界廣泛采用。2.22.2凍結(jié)參數(shù)的設(shè)計凍結(jié)參數(shù)的設(shè)計凍結(jié)參數(shù)的設(shè)計包括凍結(jié)帷幕平均溫度和厚度、凍結(jié)孔布置、積極凍結(jié)期時間、鹽水溫度等。2.2.12.2.1基本凍結(jié)參數(shù)基本凍結(jié)參數(shù)鹽水溫度：積極期：28C～25C；維護期：22C～20C；凍結(jié)帷幕平均溫度：8C；凍結(jié)孔偏斜要求在0.15％以內(nèi)，最大孔間距中部1.6m，邊部1.1m

10、；凍結(jié)管選用Φ1274.5mm無縫鋼管。2.2.22.2.2凍結(jié)帷幕厚度凍結(jié)帷幕厚度對于城市地下工程凍結(jié)方案設(shè)計而言，可采用如下步驟和方法來確定凍結(jié)帷幕的計算厚度。①垂直冷凍中，凍結(jié)帷幕厚度主要受地面荷載和埋深的影響，地壓是確定凍結(jié)帷幕厚度的主要考慮因素。通過計算求得凍結(jié)帷幕處最大地壓。②根據(jù)地下工程埋深不同，結(jié)合現(xiàn)有施工經(jīng)驗和工程類比，初選一個合適的凍結(jié)帷幕平均溫度值。通常埋深小于200m時，平均溫度選7～8℃；當(dāng)深度大于200m時，