王國(guó)珍 劉 興

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 山東青島 266590)

人工凍結(jié)法施工原理分析

王國(guó)珍 劉 興

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 山東青島 266590)

對(duì)比分析人工凍結(jié)法施工的優(yōu)缺點(diǎn)，確定凍結(jié)法的施工工藝，對(duì)設(shè)計(jì)方法不斷優(yōu)化，對(duì)平均溫度、凍結(jié)孔布置間距、凍結(jié)壁厚度、冷凍系統(tǒng)設(shè)計(jì)、凍結(jié)時(shí)間、凍結(jié)方式等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)。通過(guò)對(duì)人工凍結(jié)法施工原理分析，闡述了人工凍結(jié)法施工的在施工技術(shù)中的優(yōu)越性。

人工凍結(jié)法；凍結(jié)壁；凍脹；地鐵隧道

前言

凍結(jié)法施工在地下工程建設(shè)中被廣泛運(yùn)用，隨著城市的建設(shè)的不斷發(fā)展，凍結(jié)法利用人工制冷技術(shù)，將松散的含水層凍結(jié)成封閉的凍結(jié)壁，形成強(qiáng)度高、完整性好且不透水性非常好的臨時(shí)加固體，從而避免了地下水對(duì)地下工程的影響，同時(shí)達(dá)到加固地層的目的。增加了巖土體的強(qiáng)度和自身穩(wěn)定性。人工水平凍結(jié)法封水性好，對(duì)周圍環(huán)境擾動(dòng)小并且適用性強(qiáng)，能夠增加施工的全面信息化，保證施工的安全。

1 人工凍結(jié)法的優(yōu)缺點(diǎn)

凍結(jié)法在地下工程開挖過(guò)程作為一種輔助施工法，起到臨時(shí)支護(hù)作用，優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）人工凍結(jié)法適用性強(qiáng)，特別是在富水軟弱層及復(fù)雜的水文地質(zhì)條件下，由于凍結(jié)法的靈活多變，使其在地下工程施工中被廣泛運(yùn)用。

（2）人工凍結(jié)壁強(qiáng)度高，并且連續(xù)性好，具有較好的均勻性。凍結(jié)溫度不斷減低，則凍結(jié)壁的強(qiáng)度不斷增大，有些軟弱土層凍結(jié)后的強(qiáng)度可達(dá)原始狀態(tài)的100倍，并且凍結(jié)均勻，無(wú)薄弱點(diǎn)。

（3）凍結(jié)壁隔水好，并且凍結(jié)孔可根據(jù)工程需求，靈活布置，也經(jīng)常被用于搶險(xiǎn)救災(zāi)工程中。

（4）凍結(jié)壁的形成，避免了大開挖，并且無(wú)煙塵，施工期間不影響正常交通，有利于保護(hù)環(huán)境，施工結(jié)束后巖土體還能恢復(fù)原狀，不影響日后地下管線的埋設(shè)。

但是人工凍結(jié)法也存在諸多問(wèn)題，施工期間巖土體不可避免的發(fā)生凍脹融沉，可能會(huì)引起地面的隆起和沉降，對(duì)地下的管道建設(shè)有一定的影響，并且周期長(zhǎng)耗資大。

2 人工凍結(jié)法的施工工藝

人工凍結(jié)法施工主要分為安裝凍結(jié)站、鋪設(shè)凍結(jié)器、積極凍結(jié)期、維護(hù)凍結(jié)期以及解凍期。

（1）安裝凍結(jié)站：凍結(jié)站包括蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流閥、壓縮機(jī)、中間冷卻器、鹽水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備等。

（2）鋪設(shè)凍結(jié)器：根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)要求，對(duì)土體進(jìn)行鉆凍結(jié)孔，并在凍結(jié)孔內(nèi)將凍結(jié)器鋪設(shè)好，然后再把各個(gè)凍結(jié)孔內(nèi)的凍結(jié)器連接起來(lái)，使其形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，再與凍結(jié)站相連接。

（3）積極凍結(jié)期：在凍結(jié)開始初期，在凍結(jié)管的周圍形成各自的凍結(jié)圓柱，隨著凍結(jié)時(shí)間的不斷增加，隨著凍結(jié)的不斷發(fā)展，每個(gè)凍結(jié)圓柱之間相連，之后會(huì)形成一片凍土墻，凍土的強(qiáng)度隨溫度的不斷降低而增加，不斷減低溫度，達(dá)到目標(biāo)強(qiáng)度為止。

（4）維護(hù)凍結(jié)期：補(bǔ)充土體損失的冷量是這個(gè)階段的主要目的，將地層溫度控制在設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)。

（5）解凍期：在地層開挖之后，永久結(jié)構(gòu)施工完成后，凍結(jié)停止，解凍土層，拆除設(shè)備。

3 人工凍結(jié)法設(shè)計(jì)及厚度計(jì)算理論

（1）凍土墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)水文資料、經(jīng)濟(jì)條件以及工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定施工方案，合理的凍結(jié)壁形式?jīng)Q定著施工方案的是否達(dá)到預(yù)計(jì)效果。

凍結(jié)壁的主要形式有圓形和橢圓形帷幕、直墻和重力連續(xù)墻、連拱型凍土連續(xù)墻。大多礦井以及隧道工程的斷面都近似于圓形，因此帷幕選用圓形或者橢圓形，這樣能夠極大程度的發(fā)揮其防水和支撐能力。直墻凍帷幕在施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，而且直墻凍帷幕也不均勻受力，為彌補(bǔ)其結(jié)構(gòu)受力性能差的弱點(diǎn)，常采用內(nèi)支撐配合其使用。

（2）設(shè)計(jì)方法

凍土帷幕能否抵擋未凍土的作用，來(lái)判斷設(shè)計(jì)方法是否可靠。判斷是否能夠保證開挖面的穩(wěn)定。設(shè)計(jì)步驟：（1）先假設(shè)帷幕為理想彈性體，計(jì)算強(qiáng)度隨時(shí)間和溫度的變化；（2）根據(jù)實(shí)際荷載情況，計(jì)算帷幕的內(nèi)力，分析彎矩分布情況，然后對(duì)比分析，確定凍土設(shè)計(jì)參數(shù)，借助有限元法進(jìn)行熱交換、位移和穩(wěn)定性分析。

（3）凍土參數(shù)的設(shè)計(jì)

主要參數(shù)設(shè)計(jì)包括平均溫度、凍結(jié)孔布置間距、凍結(jié)壁厚度、冷凍系統(tǒng)設(shè)計(jì)、凍結(jié)時(shí)間、凍結(jié)方式等。

①凍結(jié)平均溫度。為了從整體上來(lái)評(píng)估凍結(jié)壁的性能，在工程中將平均溫度作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，我們一般取值-7℃～-10℃。

②凍結(jié)厚度。根據(jù)初步計(jì)算，初選出凍結(jié)壁厚度，然后根據(jù)地壓以及帷幕的強(qiáng)度對(duì)初選的凍結(jié)壁厚度進(jìn)行驗(yàn)算，通過(guò)不斷調(diào)整凍結(jié)參數(shù)達(dá)到資金技術(shù)的安全可靠、工期短的優(yōu)化目標(biāo)。

③凍結(jié)孔布孔間距。根據(jù)地層的地質(zhì)水文情況、凍結(jié)體厚度及形狀，在施工中，凍結(jié)孔間距以0.5～1m為宜。

④凍結(jié)時(shí)間。

凍結(jié)時(shí)間主要考慮凍結(jié)孔交圈和達(dá)到設(shè)計(jì)凍結(jié)壁的時(shí)間，需要根據(jù)鹽水溫度和凍土擴(kuò)展速度來(lái)確定。

⑥凍結(jié)方式。間接凍結(jié)以及直接凍結(jié)兩種。

（4）凍土墻厚度計(jì)算

凍結(jié)壁厚度設(shè)計(jì)要綜合考慮凍土強(qiáng)度與變形特征、外部壓力和地層的地質(zhì)水文情況、、凍土的溫度場(chǎng)、凍結(jié)壁暴露時(shí)間和應(yīng)力場(chǎng)以及開挖斷面的大小和步距等諸多因素。工程上人們對(duì)凍結(jié)壁厚度的取值偏于保守，為克服這種現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用模型試驗(yàn)、解析方法、有限元方法等手段，對(duì)凍結(jié)壁厚度計(jì)算方法進(jìn)行了大量研究。目前，有效計(jì)算凍結(jié)壁厚度的方法主要有三種：一是根據(jù)數(shù)學(xué)力學(xué)模型推導(dǎo)出的經(jīng)驗(yàn)公式；二是數(shù)理統(tǒng)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)法；三是根據(jù)溫度孔實(shí)測(cè)溫度變化來(lái)推算凍結(jié)壁厚度。

4 人工凍結(jié)法信息化施工技術(shù)

由于人工凍結(jié)法施工一般都是一個(gè)持續(xù)的、動(dòng)態(tài)復(fù)雜過(guò)程，其過(guò)程不容易控制。人工凍結(jié)法施工過(guò)程中，施工工況、制冷系統(tǒng)運(yùn)行狀況、邊界條件、地質(zhì)條件等因素都會(huì)對(duì)施工帶來(lái)影響，并且帷幕強(qiáng)度隨溫度的變化而不斷變化。通過(guò)不斷調(diào)整各種相關(guān)參數(shù)，來(lái)確保凍土帷幕施工快捷、安全有效。目前，我們一般采用現(xiàn)代傳感器技術(shù)以及軟件技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通訊原理，來(lái)監(jiān)測(cè)凍結(jié)法施工過(guò)程，通過(guò)反饋的數(shù)據(jù)，對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)解決以保障施工的順利進(jìn)行。

信息化施工的主要內(nèi)容：

（1）監(jiān)測(cè)凍結(jié)過(guò)程中土體的溫度。通過(guò)在凍結(jié)土體中的不同位置按要求預(yù)埋傳感器，連續(xù)、定時(shí)的讀取每個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度值，并繪出溫度-時(shí)間曲線以及溫度空間分布圖，形象直觀的觀察凍土帷幕發(fā)展趨勢(shì)，研究?jī)鐾玲∧坏陌l(fā)展規(guī)律，為進(jìn)一步確定凍結(jié)系統(tǒng)參數(shù)提供可靠依據(jù)。

（2）監(jiān)測(cè)鹽水溫度。由于凍結(jié)法施工工序比較多，并且技術(shù)性強(qiáng)，如果凍結(jié)施工過(guò)程中的一個(gè)任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，將導(dǎo)致整個(gè)帷幕的質(zhì)量問(wèn)題，嚴(yán)重是還會(huì)引起重大安全事故，鹽水溫度可以直接反應(yīng)出系統(tǒng)是否存在異常。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鹽水溫度，可以有效判斷系統(tǒng)是否正常運(yùn)作。

（3）監(jiān)測(cè)凍結(jié)土體凍脹力。凍土的體積會(huì)隨著凍結(jié)時(shí)間的不斷增加而增大，由于土體膨脹，因此土體就會(huì)產(chǎn)生凍脹力，由于凍脹力的存在，會(huì)對(duì)周圍土體環(huán)境產(chǎn)生影響，所以在凍結(jié)過(guò)程中，必須實(shí)時(shí)觀測(cè)凍脹力的大小，保證其在相應(yīng)的允許范圍內(nèi)，以保證施工安全有效的進(jìn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)比分析凍結(jié)法施工優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)一步闡述人工凍結(jié)法施工在地下工程支護(hù)中的優(yōu)越性。

（2）確定施工工藝，對(duì)設(shè)計(jì)方法不斷優(yōu)化，對(duì)平均溫度、凍結(jié)孔布置間距、凍結(jié)壁厚度、冷凍系統(tǒng)設(shè)計(jì)、凍結(jié)時(shí)間、凍結(jié)方式等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)。

（3）通過(guò)人工凍結(jié)法信息化施工技術(shù)進(jìn)行分析，信息化施工的主要內(nèi)容是監(jiān)測(cè)凍結(jié)過(guò)程中土體的溫度、監(jiān)測(cè)鹽水溫度、監(jiān)測(cè)凍結(jié)土體凍脹力。

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