凍結(jié)法在隧道加固中的應(yīng)用

楊 濤/中煤第三建設(shè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司

凍結(jié)法在隧道加固中的應(yīng)用

楊 濤/中煤第三建設(shè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司

在深井凍結(jié)鑿井中，合理地確定凍結(jié)壁的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性(也就是合理地控制凍結(jié)壁的變形)，不僅能保證工程安全，還能帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。凍結(jié)壁的允許變形除了受外載、土性、溫度和厚度的影響外，還受凍結(jié)管變形能力和井壁支護(hù)抗力的影響。在人工凍結(jié)工程實(shí)踐及實(shí)測(cè)中，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)粘土強(qiáng)度低、變形大。因此在工程中須對(duì)深部特性最差的粘土層中凍結(jié)井壁的允許變形進(jìn)行控制。

凍結(jié)法；隧道加固；應(yīng)用

隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，城市人口不斷增長(zhǎng)，隨之而來的是個(gè)人的生存空間不斷被壓縮，地下空間的開發(fā)成為國(guó)家擴(kuò)大城市人口生存空間的最為重要的手段。我國(guó)各大城市正在進(jìn)行如火如荼的隧道建設(shè)，同時(shí)其他地下工程也在不斷地投入興建計(jì)劃。隧道建設(shè)不僅僅可以擴(kuò)展人的生存空間，還對(duì)緩解城市交通壓力起著重要的作用，被認(rèn)為是發(fā)展城市交通的有效手段。

為了保證工程的安全與獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。具體措施有：

一、強(qiáng)化凍結(jié)，提高凍結(jié)壁自身強(qiáng)度

對(duì)于有深部鉆土層的情況。一般通過合理布置凍結(jié)孔、降低鹽水溫度和增大供冷量來提高凍結(jié)壁的自身強(qiáng)度。在此情況下，凍結(jié)過程分為積極凍結(jié)期——形成開挖條件；強(qiáng)化凍結(jié)期——凍深厚粘土使之可安全開挖；維護(hù)凍結(jié)期——維護(hù)過粘土層之后掘砌所需凍結(jié)壁冷量，適當(dāng)加大凍結(jié)孔布置圈徑，一方面可以使凍結(jié)管離井幫遠(yuǎn)一些，以減小并幫位移對(duì)凍結(jié)管彎曲變形的影響。提高凍結(jié)管的安全性；另一方面因?yàn)樵趦鼋Y(jié)時(shí)間較長(zhǎng)的情況下，凍結(jié)壁向外擴(kuò)展的最大厚度基本是一定的(一般在4m左右)，凍結(jié)壁的有效厚度主要取決于凍結(jié)7L離開井幫的距離，并且凍結(jié)孔布置困內(nèi)側(cè)的凍結(jié)壁溫度比外側(cè)的要容易降低，所以可以顯著增大凍結(jié)壁的有效厚度和降低涼結(jié)壁的平均溫度；但這樣會(huì)影響開挖時(shí)間，必須強(qiáng)化凍結(jié)供冷工藝。當(dāng)凍結(jié)深度較大時(shí)，強(qiáng)化凍結(jié)一般合將井心凍實(shí)。這樣，在短段倔砌施上中，凍結(jié)壁在上、下端均受到較強(qiáng)的約束，底鼓和超前變形均大大減小甚至沒有，凍結(jié)壁的變形主要決定于段高的大小與暴露時(shí)間。

（一）強(qiáng)化凍結(jié)的實(shí)質(zhì)

1.增加凍結(jié)壁的有效厚度和降低陳結(jié)壁的平均溫度，提高凍結(jié)壁的整體強(qiáng)度。

2.使凍土更多地?cái)U(kuò)展進(jìn)入荒徑，改善凍結(jié)壁下部的支撐條件。

（二）強(qiáng)化凍結(jié)的效果

1.有可能使凍結(jié)壁處于彈粘性甚至彈性狀態(tài)，減小其變形量，提高其穩(wěn)定性。

2.施工中的超挖與欠挖量均易控制在《井巷施工與驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定的范圍內(nèi)。

3.減小外層井壁受到的變形壓力。

4.減小凍結(jié)管的變形。

二、適時(shí)進(jìn)行合理支護(hù)

（一） 控制段高和井幫暴露時(shí)間

段高大時(shí)，凍結(jié)壁的變形大，但能給施工帶來一定的方便。凍結(jié)壁是流變體，暴露時(shí)間越長(zhǎng)，變形越大。因此應(yīng)在保證凍結(jié)壁、井壁和凍結(jié)管安全的條件下。根據(jù)土性、地壓、凍結(jié)壁的強(qiáng)度、掘砌速度等因素合理確定段高。盡量減小凍結(jié)壁的暴露時(shí)間。

（二）采用合理的井壁結(jié)構(gòu)和合適的井壁材料

凍結(jié)壁—井壁間的相互作用規(guī)律與巷道支護(hù)中支架與圍巖間的相互作用規(guī)律相似。對(duì)于凍結(jié)壁的粘塑性變形，過早支護(hù)且支護(hù)無可縮性時(shí)，井壁受到的凍結(jié)壓力過大，易被壓壞；過晚支護(hù)，凍結(jié)壁變形過大，凍結(jié)管變形過大，易斷管。我國(guó)目前常用現(xiàn)澆混凝土外壁。—服采用在混凝土中加早強(qiáng)劑和減水劑、提高混凝土的人模溫度等方法來提高混凝土的早期強(qiáng)度和養(yǎng)護(hù)溫度，并在外壁與凍結(jié)壁間鋪泡沫塑料板來減緩凍結(jié)壓力。并起隔熱、隔水和保溫作用。

三、提高凍結(jié)管(接頭)的變形能力

所有凍結(jié)管的抗彎剛度之和與凍結(jié)壁的抗彎剛度相比極小，凍結(jié)管的變形主要取決于凍結(jié)壁的變形，因此提高凍結(jié)管的強(qiáng)度與壁厚是無益的。目前凍結(jié)管斷裂一般發(fā)生在接頭部分(管體斷開，管體螺紋縱向拉開，螺紋脫扣撿開，接頭焊縫處斷開)。接頭的強(qiáng)度低于管體，接頭部位存在因連接而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，而且接頭部位有應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此管接頭是凍結(jié)管的薄弱環(huán)節(jié)。研究表明，內(nèi)襯管接頭比外接箍?jī)鼋Y(jié)管接頭的變形能力提高一倍，在凍結(jié)管產(chǎn)生嚴(yán)重塑性變形時(shí)才會(huì)破壞，而外箍接頭在彈性變形階段即破壞。另外采用低溫塑性好的普通無縫鋼管可使凍結(jié)管的整體變形能力提高，能滿足凍結(jié)鑿井需要。

四、加強(qiáng)掘砌與凍結(jié)的配合

加強(qiáng)凍結(jié)施工單位與掘砌施工單位的配合，根據(jù)凍結(jié)情況決定掘砌速度，根據(jù)掘砌情況調(diào)整鹽水溫度和供冷量，保證掘進(jìn)工作面處的凍結(jié)壁強(qiáng)度與穩(wěn)定性能達(dá)到安全要求，同時(shí)又不浪費(fèi)冷量。

五、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)去回路鹽水流量和鹽水箱水位，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)斷管和鹽水漏失，切斷鹽水供應(yīng)，采取應(yīng)急措施；監(jiān)測(cè)凍結(jié)器溫度和測(cè)溫孔溫度，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)堵孔和凍結(jié)壁發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)予以排除。

六、根據(jù)目前國(guó)內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐，實(shí)施凍結(jié)法還需要掌握一定的技術(shù)要點(diǎn)

1.在設(shè)計(jì)隧道的凍結(jié)壁時(shí)應(yīng)盡量與隧道開挖的輪廓相一致，形狀是要相同，這樣在進(jìn)行隧道開挖時(shí)更加方便，同時(shí)也有利于凍結(jié)壁的承載。同時(shí)在布置凍結(jié)孔時(shí)應(yīng)盡量地將其安排為放射狀，這樣可以有效地避免凍結(jié)段的前半部分因?yàn)闀r(shí)間過長(zhǎng)而使得凍結(jié)壁進(jìn)入開挖區(qū)太多。

2.在選擇凍結(jié)時(shí)需要用到的制冷系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該考慮到其降溫速度、對(duì)于鹽水溫度的控制以及系統(tǒng)的自動(dòng)化程度高低，新型的氟利昂鹽水螺桿冷凍機(jī)組在這方面具有極大的優(yōu)勢(shì)，可以作為考慮對(duì)象之一。該系統(tǒng)的管路上還安裝有溫度、壓力和流量的檢測(cè)表，并有專門的控制閥門，這樣可以及時(shí)地監(jiān)控冷凍系統(tǒng)，也讓控制、維護(hù)施工時(shí)的凍結(jié)管路系統(tǒng)變得更加方便。

3.在設(shè)置凍結(jié)孔時(shí)應(yīng)及時(shí)地在布置圈周圍安排測(cè)溫孔，這樣可以測(cè)量地層溫度的變化，再結(jié)合相關(guān)溫度場(chǎng)的模擬與計(jì)算，便可以對(duì)凍結(jié)壁的具體情況進(jìn)行預(yù)報(bào)和判斷。

4.在凍結(jié)壁內(nèi)壁應(yīng)該設(shè)置一些水文觀測(cè)點(diǎn)和泄壓孔，這樣可以通過檢測(cè)凍結(jié)壁內(nèi)部的水壓變化對(duì)凍結(jié)壁是否出現(xiàn)交圈現(xiàn)象做出準(zhǔn)確判斷。如果發(fā)現(xiàn)問題就應(yīng)該及時(shí)地采取補(bǔ)救措施，以免為后面的施工步驟埋下隱患。

七、結(jié)束語

以上的幾點(diǎn)強(qiáng)化措施，是我參加工作這幾年，從凍結(jié)的老師和前輩那學(xué)來的，各位前輩和老師是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，希望在你們的培養(yǎng)和教育下，我能學(xué)到更多的知識(shí)和技能，能在本職崗位給單位創(chuàng)造更大的貢獻(xiàn)。

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