冷冻法施工Word格式文档下载.docx
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5、冻结法的适应性
冻结法加固与其它加固方法相比,其适应性更强,能够适应粘土、粉土、砂层以及砾石、卵石等任何地层。
6、冻结法的特点
6.1、冻土帷幕的变化性:
⑴、冻土范围可变;
⑵、冻土温度可变;
⑶、冻土强度可变(强度是温度的函数)
6.2、冻土帷幕的连续性:
水在负温下结冰的必然性;
6.3、冻土帷幕的可知性:
通过温度测试可判断冻结范围、冻土强度
7、冻结法施工的优点
7.1、安全性好:
⑴、冻土强度较高;
⑵、冻土连续性可靠、封水性好
7.2、适用性强:
⑴、适用于几乎所有具有一定含水量的松散地层(包括岩石);
⑵、复杂地质条件可行(流砂、大深度、高水压)
7.3、灵活性高:
⑴、冻土帷幕性状(范围、形状、温度、强度)可控
8、冻结法施工缺点
由于冻结法所形成的冻土帷幕其范围、温度、强度具有变化性,其冻结范围、强度随温度的变化而变化,如果供冷不足或外部热源可导致冻土帷幕性能(范围、强度)退化,安全性能降低,施工风险增大。
众所周知,上海地铁4号线联络通道施工时,其冻结帷幕失效,发生重大工程风险事故,给国家造成严重的经济损失。
8.1、冻胀融沉:
⑴、对环境有一定的影响,严重时具有一定的破坏力;
⑵、融沉控制不当可导致结构差异沉降和长期沉降;
8.2、风险性:
⑴、供冷不足或外部热源可导致冻土帷幕性能退化(范围、强度);
⑵、流水作用下冻土可快速消融
8.3、局限性:
⑴、地下水流速影响冻结效果;
⑵、地层含盐影响冻结效果;
⑶、含气地层可影响冻结效果
9、冻结法的应用
通过冻结法加固所形成的冻土帷幕,其形状、范围、温度、强度完全可以受控,且通过温度测试可判断冻结范围、冻土强度。
因此,人工冻结地层加固方法被广泛用于需要进行地层加固和封水(冻土帷幕)要求工程施工领域。
特别是随着我国城市地铁轨道交通的发展,软土隧道盾构的进出洞、联络通道等风险性较高的工程项目,常采用冻结法加固进行施工。
9.1、土木工程和岩土工程如:
⑴、矿山凿井:
竖井、斜井;
⑵、隧道施工:
隧道掘进;
盾构、顶管进出洞、联络通道;
⑶、隧道扩建;
⑷、基坑工程;
⑸、穿越;
⑹、地下对接;
⑺、事故处理;
⑻、管线工程;
⑼、基础加固;
⑽、边坡加固
9.2、土工试验:
原状土取样
二、冻结法的理论与工程问题
1、热力学性质
1.1、主要参数:
比热、热传导系数、潜热、结冰温度等;
1.2、最主要影响因素:
含水量
1.3、特点:
冻土与未冻土的热力学参数有明显区别
2、物理力学性质
2.1、强度:
⑴、单轴抗压;
同等条件下,冻土强度是温度的函数:
n-随土性变化的参数,砂性土n→0.5黏性土n→1;
a,b-与冻土的孔隙度、含水量相关的系数。
在相同温度下,含水量对冻土极限强度影响很大。
在非饱和时,强度随含水量增长;
过饱和时,强度随含水量降低。
其中,未冻水含量对冻土强度影响也很显著。
未冻水含量越高,强度越低。
⑵、抗拉、抗剪强度;
冻土抗拉强度规律与抗压强度相同。
强度随着温度的降低增长,同时取决于土的成分、含水量等因素。
数值上,抗拉强度比抗压强度低2~6倍
3、热传导与温度场:
3.1、导热形态:
a、冻结管冻结过程是非稳态导热问题;
b、冻结后期,热交换趋于平衡,可近似看作稳态导热问题;
c、温度场分析时一般看作稳态导热问题
3.2冻结发展动态过程:
单排冻结管冻结过程三阶段:
单管冻结、管间影响冻结和管间冻土相接后冻结
a、单管冻结:
管间独立冻结,冻土呈圆柱状发展;
b、管间影响冻结:
管间相互影响,冻土在冻结管之间(轴向)发展快,两侧慢,冻土呈椭圆柱形;
c、管间冻土相接后冻结:
冻土相接(“交圈”)后,形成波浪形冻土墙,但凹陷部位(界面)发展快,凸出部位(主面)发展慢,凹陷部位将很快填满,冻土墙两侧呈直线形。
之后冻土直墙继续向两侧发展。
3.3、温度场与平均温度
现在国内计算冻土的平均温度的公式:
其中:
tcp=冻土平均温度℃
tp=盐水温度
S=孔间距,
δ=冻土厚度,
t=开挖面温度,
4、冻胀与融沉
4.1、冻胀机理
⑴、冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀。
孔隙水原位冻结体积增大9%(原位冻胀),外来迁移水分则体积增大1.09%(分凝冻胀)。
所以开放系统饱水土中的分凝冻胀是构成土体冻胀的主要分量。
原位冻胀量非常小,土体冻胀量主要取决于水分迁移通量。
因此,冻胀量的主要影响因素是冻土的导湿系数和土水势梯度。
土水势梯度由重力势、压力势、渗压势、温度势、电力势和磁力势梯度中的某一项或几项之和组成。
而影响这些量的外观因素可表现为:
a、内因:
土的粒径、组织构造、透水系数、盐分浓度等;
b、外因:
约束应力、冻结速度、冻结历时、孔隙水压等。
总之,冻胀是一个非常复杂的问题。
⑵、土壤的冻胀敏感性
土的粒径是影响冻胀敏感性的一个重要因素,颗粒越小冻胀性越强。
砂性土冻胀不敏感,黏性土冻胀敏感。
⑶、冻结参数对冻胀量的影响
a、冻结速度:
在一定范围内,冻胀量与冻结速度成正比。
b、冻结历时:
冻结时间越长,冻胀冻胀量越大。
c、冻结温度:
冻结温度越低,冻胀冻胀量越大。
⑷、衡量冻胀的主要指标是冻胀率。
a、冻胀率指冻土单向冻结方向上的尺寸与冻结前的比值。
b、一般按冻胀率大小来划分土壤冻胀等级。
冻胀等级
不冻胀
弱冻胀
冻胀
强冻胀
特强冻胀
冻胀率
1
1<
3.5
3.5<
6
6<
12
12<
冻胀率(俄罗斯)
4
4<
7
7<
10
10<
4.2、冻胀力是冻胀受到约束时产生的力。
由于约束条件的差异,冻胀力数值的可比性很差。
标准试验可测试冻胀力,但主要用于不同土壤之间的比较,工程实际意义不大。
工程上关心的冻胀力是因冻胀结构上受到的力,这个力不是单纯的冻胀力,因此也称“冻结压力”。
由于不同工程的差异性,实测冻胀力之值离散性很明显。
因此,准确估计结构上受到的冻结压力是非常困难的。
⑴、封闭式冻土帷幕的冻结过程中,交圈前几乎不显现冻胀力,开始交圈时冻胀力开始显现,在冻土帷幕形成闭合体后,冻胀力急剧增长几乎达到最大值。
后续的冻结过程中,冻胀力变化不明显,有的略有增长,有的略有降低
4.3、融沉机理
冻土融化后产生融沉,它由融化沉降和压缩沉降两部分组成。
⑴、冻土融化时,冰变成水体积缩小产生融化沉降。
融化区域排水固结,导致土体压缩沉降。
融化沉降量与压力无关,压缩沉降与压力成正比。
⑵、工程上用融沉系数As来描述融化沉降,用压缩系数Ar来描述压缩沉降。
通常,融沉量大于冻胀量。
⑶、与冻胀类似,融沉的影响因素有:
土的热学、物理、力学性质等。
温度、温度梯度、压力等。
4.4、冻土融沉性,可用融沉率表示。
工程上融沉量的估算可以简单地用融沉率与冻土高度的乘积来计算。
4.5冻胀抑制措施
抑制冻胀的措施主要有:
⑴、间歇冻结法:
降低冻结速度,减小水分迁移
⑵、快速冻结法:
足够高的冻结速度使得大量水分迁移来不及,无法形成大量冰晶体
⑶、减小冻胀力的措施主要有:
a、避免采用封闭式冻土帷幕;
b、限制冻结范围;
c、卸压孔;
d、冻胀释放管
4.6、冻胀、融沉综合控制措施
融沉与冻胀密切相关。
通常,控制冻胀就间接控制了融沉。
冻胀融沉综合控制措施主要有:
⑴、强制解冻,跟踪注浆。
尽快固结土体,避免长期沉降
⑵、先注浆,后冻结。
降低土壤透水系数,阻止水分迁移;
加强土体强度,减小压缩沉降。
⑶、预注CMC。
增加土体黏性,降低透水系数,阻碍水分迁移。
5、人工冻土解冻
人工冻土的解冻有三种情况:
中断或终止冻结时的自然解冻;
盐水泄漏导致的解冻;
强制解冻。
5.1、自然解冻
自然解冻速度与冻土量、冻土温度、环境温度及周围供热量相关。
停止冻结后,每日解冻量与原先冻结时间成反比。
冻结时间越长,解冻速度越低。
一般情况下,冻土厚度1米以上时,中断1~2天的冻结,冻土帷幕解冻厚度基本上可以忽略不计,可以认为是安全的。
但是,必须注意,如果有较大流速的地下水作用时,解冻速度会加速。
5.2、盐水泄漏解冻
盐水泄漏解冻是盐水扩散引起的,解冻厚度主要与冻土温度相关,当然与时间也有关。
当冻土帷幕足够厚,盐水包不与外界沟通时,盐水温度被保持低温,对冻土帷幕功能影响不大。
例如,当冻土温度保持-20℃时,在泄漏后2个月内不采取任何措施的情况下,冻土帷幕解冻厚度才6cm,其安全性不必担心。
但是,必须注意,在砂性冻土中,盐水扩散快,解冻速度会加速。
此外,如果盐水泄漏发生在早期,冻土温度不够低,冻土厚度不够大,盐水易与外界沟通,会带来安全威胁。
5.3、强制解冻
强制解冻是指通过冻结管循环热盐水进行的积极解冻,其解冻速度主要与盐水温度相关,当然与冻土温度、环境温度也有关。
自然解冻与强制解冻效果的比较:
冻土厚度1.8m,强制解冻和自然解冻共同作用需要70,而单纯自然解冻则需要约6倍的时间。
日本鹿岛试验:
冻土半径1.5米(厚度3m)。
自然解冻需要200-300天,用60℃热水循环需要约60天,如用温度90℃,解冻时间减半(60天减到30天)。
三、冻结法联络通道施工重大风险源控制措施
1、从结构内向外钻孔
在冻结孔施工过程中,针对可能出现的水土涌入情况,我们采取二次开孔,同时安装孔口防喷装置(BOP)措施,从结构内向结构外钻孔。
1.1开孔
经过精确测量确定孔位后,在孔位处管片上开直径为130mm,深度约250-300mm(管片厚度为350mm)的小孔,以不钻穿管片为宜。
取出岩芯,打入加工好的φ127mm孔口管,并用钢筋焊接(至少有4个固定点)固定在管片上,然后安装球阀和孔口密封装置(如下图所示)。
用Φ89×
8mm冻结管作钻杆,冻结管之间采用套管丝扣连接,将接头螺纹紧固后再用手工电弧焊焊接,应确保冻结管的同心度和焊接强度,做好这些工作后,开始进行二次开孔。
冻结孔开孔密封装置示意图
1.2钻进防水土涌入控制
刚开始钻进时采用轻压缓慢钻进,通过密封装置(即密封盒)控制钻进时的出泥量,防止水土涌入。
2、隧道变形控制
为防止联络通道附近成型隧道的变形,在积极冻结之前,应安装隧道预应力支撑,如图2-1所示。
支撑共4榀,分别安装在联络通道的预留口两侧的第一条隧道管片环缝处。
图2-1预应力支撑
2.1、隧道支撑安装偏离管片环缝处截面应不大于20mm;
2.2、安装好隧道支撑后顶实千斤顶,但每个千斤顶的顶力不得大于100KN,且每个千斤顶的顶力要基本均匀;
2.3、根据实测隧道的收敛变形调整每个千斤顶的顶力,收敛大的部位要求千斤顶顶力大,不收敛的部位不加力。
隧道收敛达到报警值10mm时,千斤顶顶力达