地鐵施工中凍結法地基加固可行性研究 摘 要 凍結法施工在公路隧道、基坑等工程中已被世界各國的工程界廣泛地使用,可為地下工程的施工提供更加安全、便利的施工條件。闡述了凍結法加固地層的原理及優點,結合工程實例介紹了凍結法在地鐵工程中的應用,并就凍結法加固的水平鉆孔及土體的凍脹、融沉問題進行了分析研究。 關鍵詞 地鐵,地基加固,凍結法施工 1 凍結法加固地層的原理及優點 1.1 凍結法加固地層的原理 凍結技術源于天然凍結現象。人類首次成功地使用人工制冷加固土壤,是在1862年英國威爾士的建筑基礎施工中。1880年德國工程師F.H.Poetch首先提出了人工凍結法原理,并于1883年在德國阿爾巴里煤礦成功地采用凍結法建造井筒。從此,這項地層加固特殊技術被廣泛地應用到世界許多國家的礦井、隧道、基坑及其它巖土工程建設中,成為巖土工程,尤其是地下工程施工的重要方法之一。 凍結法加固地層的原理,是利用人工制冷的方法,將低溫冷媒送入地層,把要開挖體周圍的地層凍結成封閉的連續凍土墻,以抵抗土壓力,并隔絕地下水與開挖體之間的聯系;然后在這封閉的連續凍土墻的保護下,進行開挖和做永久支護的一種地層特殊加固方法。 進入地層內的冷媒通過進、回管路與地層相連,通過凍結管與地層進行熱交換,將冷量傳遞給周圍地層,而將地層中熱量帶走。由此使凍結管周圍地層由近向遠不斷降溫,逐漸使地層中的水變成冰,把原來松散或有空隙的地層通過冰膠結在一起,形成不透水的凍土柱。若干個這樣的凍結管排列起來,通過凍結管內的冷媒不斷循環,使這些凍結管周圍土都凍成凍土柱。隨著凍土柱半徑不斷擴展,相鄰凍土柱就會相連,彼此通過冰緊密結合在一起,形成密封連續墻。 1.2 凍結法施工的優點 1)封水性———有自由水(一般情況下含水率應大于10%,否則要采取增加土層濕度的輔助工法)就能凍結成凍土,形成凍土壁。無論是透水層,還是隔水層,凍土壁可以阻隔地下水侵入,形成干燥的施工環境。 2)強度高———一般認為凍土是一種黏彈塑性材料,其強度同土質、容重、含水率、含鹽量及溫度等因素有關,一般可達到2~10 MPa,遠大于融土強度,從而起到結構支撐墻的作用。 3)適應性強———適應各種土層及多種地下工程,尤其適用于含水量大、地層軟弱、其他工法施工困難或無法施工的地下工程。 4)復原性———施工結束土層恢復原狀,對土層破壞性很小。這是其他工法所無法比擬的。 5)繞障性———具有繞過障礙凍結加固和封水能力。 6)無公害———用電能換取冷能,不污染大氣環境,無有害物質排放,對地下水無污染。在環保要求高的工程中,其優越性尤其明顯。 7)可控性———凍結工期、凍結壁厚度、凍結壁形狀等都可調控。 8)適用性———可在密集建筑區和現有工程建筑物下施工,不需進行基坑排水,可避免因抽水引起地基沉降造成對周圍建筑物的不利影響。 9)施工便利———無支襯、無拉錨,可進行敞開式施工并擴大建筑面積,縮短工期。 2 凍結法在地鐵工程中的應用 在地鐵施工中,凍結法主要應用于盾構進洞、出洞加固,旁通道構筑和地鐵修筑中薄弱地段加固。凍結法施工的有些環節已經比較成熟,如: 1)冷媒劑的選用———通常選用適用溫度范圍較廣、熱容量較大、來源充裕、價格較便宜的氯化鈣溶液。它是制冷工程最廣泛應用的冷媒劑。 2)制冷劑的選用———通常選用氟里昂作制冷劑,也有用液氮或干冰溶于酒精后的液體作制冷劑。其中液氮可使凍結管溫度降至-190℃,而干冰和酒精的液體可達-70℃,可使凍土墻在幾小時內形成。 3)制冷設備的選型———目前在地鐵工程中,無論是進、出洞加固,還是旁通道構筑,需冷量都在20.9×104kJ/h左右。選用W-YSLGF300Ⅱ型螺桿機組一臺套就足夠滿足工程需要,其工況制冷量為36.6×104kJ/h。 &nb
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