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）有限責任公司

【摘 要】在深井凍結(jié)鑿井中，合理地確定凍結(jié)壁的整體強度和穩(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抗力的影響。在人工凍結(jié)工程實踐及實測中，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)粘土強度低、變形大。因此在工程中須對深部特性最差的粘土層中凍結(jié)井壁的允許變形進行控制。

【關(guān)鍵詞】凍結(jié)法；隧道加固；應(yīng)用

隨著中國城鎮(zhèn)化的不斷推進，城市人口不斷增長，隨之而來的是個人的生存空間不斷被壓縮，地下空間的開發(fā)成為國家擴大城市人口生存空間的最為重要的手段。我國各大城市正在進行如火如荼的隧道建設(shè)，同時其他地下工程也在不斷地投入興建計劃。隧道建設(shè)不僅僅可以擴展人的生存空間，還對緩解城市交通壓力起著重要的作用，被認為是發(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)濟效益。具體措施有：

一、強化凍結(jié)，提高凍結(jié)壁自身強度

對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；強化凍結(jié)期——凍深厚粘土使之可安全開挖；維護凍結(jié)期——維護過粘土層之后掘砌所需凍結(jié)壁冷量，適當加大凍結(jié)孔布置圈徑，一方面可以使凍結(jié)管離井幫遠一些，以減小并幫位移對凍結(jié)管彎曲變形的影響。提高凍結(jié)管的安全性；另一方面因為在凍結(jié)時間較長的情況下，凍結(jié)壁向外擴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；但這樣會影響開挖時間，必須強化凍結(jié)供冷工藝。當凍結(jié)深度較大時，強化凍結(jié)一般合將井心凍實。這樣，在短段倔砌施上中，凍結(jié)壁在上、下端均受到較強的約束，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間。

（一）強化凍結(jié)的實質(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)壁的整體強度。

2.使凍土更多地擴展進入荒徑，改善凍結(jié)壁下部的支撐條件。

（二）強化凍結(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、適時進行合理支護

（一） 控制段高和井幫暴露時間

段高大時，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，暴露時間越長，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)律與巷道支護中支架與圍巖間的相互作用規(guī)律相似。對于凍結(jié)壁的粘塑性變形，過早支護且支護無可縮性時，井壁受到的凍結(jié)壓力過大，易被壓壞；過晚支護，凍結(jié)壁變形過大，凍結(jié)管變形過大，易斷管。我國目前常用現(xiàn)澆混凝土外壁?！捎迷诨炷林屑釉鐝妱┖蜏p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度和養(yǎng)護溫度，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)襯管接頭比外接箍凍結(jié)管接頭的變形能力提高一倍，在凍結(jié)管產(chǎn)生嚴重塑性變形時才會破壞，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、加強掘砌與凍結(jié)的配合

加強凍結(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，保證掘進工作面處的凍結(jié)壁強度與穩(wěn)定性能達到安全要求，同時又不浪費冷量。

五、加強監(jiān)測

監(jiān)測去回路鹽水流量和鹽水箱水位，能及時發(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)測凍結(jié)器溫度和測溫孔溫度，能及時發(fā)現(xiàn)堵孔和凍結(jié)壁發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)問題，及時予以排除。

六、根據(jù)目前國內(nèi)的經(jīng)驗和實踐，實施凍結(jié)法還需要掌握一定的技術(shù)要點

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

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

3.在設(shè)置凍結(jié)孔時應(yīng)及時地在布置圈周圍安排測溫孔，這樣可以測量地層溫度的變化，再結(jié)合相關(guān)溫度場的模擬與計算，便可以對凍結(jié)壁的具體情況進行預(yù)報和判斷。

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

七、結(jié)束語

以上的幾點強化措施，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學(xué)習的榜樣，希望在你們的培養(yǎng)和教育下，我能學(xué)到更多的知識和技能，能在本職崗位給單位創(chuàng)造更大的貢獻。

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