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1、摘 要 冻结法施工在公路隧道、基坑等工程中已被世界各国的工程界广泛地使用,可为地下工程的施工提供更加安全、便利的施工条件。阐述了冻结法加固地层的原理及优点,结合工程实例介绍了冻结法在地铁工程中的应用,并就冻结法加固的水平钻孔及土体的冻胀、融沉问题进行了分析研究。关键词 地铁,地基加固,冻结法施工 1冻结法加固地层的原理及优点1.1冻结法加固地层的原理 冻结技术源于天然冻结现象。人类首次成功地使用人工制冷加固土壤,是在1862年英国威尔士的建筑基础施工中。1880年德国工程师F.H.Poetch首先提出了人工冻结法原理,并于1883年在德国阿尔巴里煤矿
2、成功地采用冻结法建造井筒。从此,这项地层加固特殊技术被广泛地应用到世界许多国家的矿井、隧道、基坑及其它岩土工程建设中,成为岩土工程,尤其是地下工程施工的重要方法之一。 冻结法加固地层的原理,是利用人工制冷的方法,将低温冷媒送入地层,把要开挖体周围的地层冻结成封闭的连续冻土墙,以抵抗土压力,并隔绝地下水与开挖体之间的联系;然后在这封闭的连续冻土墙的保护下,进行开挖和做永久支护的一种地层特殊加固方法。 进入地层内的冷媒通过进、回管路与地层相连,通过冻结管与地层进行热交换,将冷量传递给周围地层,而将地层中热量带走。由此使冻结管周围地层由近向远不断降
3、温,逐渐使地层中的水变成冰,把原来松散或有空隙的地层通过冰胶结在一起,形成不透水的冻土柱。若干个这样的冻结管排列起来,通过冻结管内的冷媒不断循环,使这些冻结管周围土都冻成冻土柱。随着冻土柱半径不断扩展,相邻冻土柱就会相连,彼此通过冰紧密结合在一起,形成密封连续墙。1.2冻结法施工的优点 1)封水性———有自由水(一般情况下含水率应大于10%,否则要采取增加土层湿度的辅助工法)就能冻结成冻土,形成冻土壁。无论是透水层,还是隔水层,冻土壁可以阻隔地下水侵入,形成干燥的施工环境。 2)强度高———一般认为冻土是一种黏弹塑性材料,其强度同土质、容重、
4、含水率、含盐量及温度等因素有关,一般可达到2~10MPa,远大于融土强度,从而起到结构支撑墙的作用。 3)适应性强———适应各种土层及多种地下工程,尤其适用于含水量大、地层软弱、其他工法施工困难或无法施工的地下工程。 4)复原性———施工结束土层恢复原状,对土层破坏性很小。这是其他工法所无法比拟的。 5)绕障性———具有绕过障碍冻结加固和封水能力。 6)无公害———用电能换取冷能,不污染大气环境,无有害物质排放,对地下水无污染。在环保要求高的工程中,其优越性尤其明显。 7)可控性———冻结工期、冻结壁厚度、冻结壁形状等
5、都可调控。 8)适用性———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。 9)施工便利———无支衬、无拉锚,可进行敞开式施工并扩大建筑面积,缩短工期。2冻结法在地铁工程中的应用 在地铁施工中,冻结法主要应用于盾构进洞、出洞加固,旁通道构筑和地铁修筑中薄弱地段加固。冻结法施工的有些环节已经比较成熟,如: 1)冷媒剂的选用———通常选用适用温度范围较广、热容量较大、来源充裕、价格较便宜的氯化钙溶液。它是制冷工程最广泛应用的冷媒剂。 2)制冷剂的选用———通常选
6、用氟里昂作制冷剂,也有用液氮或干冰溶于酒精后的液体作制冷剂。其中液氮可使冻结管温度降至-190℃,而干冰和酒精的液体可达-70℃,可使冻土墙在几小时内形成。 3)制冷设备的选型———目前在地铁工程中,无论是进、出洞加固,还是旁通道构筑,需冷量都在20.9×104kJ/h左右。选用W-YSLGF300Ⅱ型螺杆机组一台套就足够满足工程需要,其工况制冷量为36.6×104kJ/h。 4)冷冻管的布置———垂直向冻结形成的冻土墙通常有矩型和梅花型布置。梅花型布置可能更合理,但应本着因地制宜的原则灵活布置,视工程需要而定。 5)冻土强度计算—
7、——影响冻土瞬时强度的因素主要有温度、含水率、土的颗粒组成和冻结速度。 ①温度的影响:冰的强度和胶结能力随着温度的降低而增大,因此冻土强度也随着温度的降低而增大。②含水率的影响:当土的含水达到饱和前,冻土的强度随着含水量的增加而提高;含水量达到饱和后,由于冰的析出,冻土的强度随着含水量的增加而下降;当含水量比饱和含水量大很多时,冻土的强度就降低到和冰的强度差不多。③土的颗粒组成的影响:当其它条件相同时,土颗粒越粗冻土强度越高,反之就低。这主要是由于不同的颗粒成分造成土中含结合水的差异所引起的。粗砂、砂砾和砾石等粗颗粒土壤,其中几乎不含结合水,土壤一经
8、冻结就不存在未冻水,所以强度高;反之,黏土类的颗粒细
