【姿势】施工遇到地下水怎么办?他们利用冰箱速冻原理把地下水冻了40天后,直接开挖!

摘要: 施工遇到地下水怎么办?他们利用冰箱速冻原理把地下水冻了40天后,直接开挖!

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听说过利用冰箱速冻食物的原理把土体变成冻土,再在冻土里进行打洞施工吗?


西安地铁四号线元朔路站-北客站站区间的联络通道建设,就是采用了这种冷冻法施工的新工艺。这种工艺不仅能够确保施工安全,而且可以免去传统降水施工队对地下水的浪费,规避涌水涌沙的风险,同时在施工过程中没有扬尘,对铁腕治霾起到一定的积极作用。

据了解,冷冻法是利用人工制冷技术,使地层中的水结冰,把天然土体变成冻土,增加其强度和稳定性,隔绝地下水与地下工程的联系,以便在冻结壁的保护下进行井筒或地下掘砌施工的特殊施工技术。其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。

西安地铁四号线元朔路站-北客站站区间的联络通道位于明光路下方24米,为富水砂层地质,距离西宝高铁线路不到50米。按照常规的施工方法,需要先进行地层预加固后抽排地下水,将联络通道位置的水位降至开挖范围以下,再开挖施工。但为确保高铁运行安全,高铁线路200米范围不允许抽排地下水,这给地铁建设者出了一个难题。为此,地铁公司组织专家进行了多次方案比选、论证,最终确定了洞内水平冷冻方案。

据工作人员介绍,他们利用冰箱速冻食物的原理,经过近40天的冷冻期,已经成功将该通道四周冻结成型,目前正在冻土中进行通道开挖,开挖出的洞室寒气逼人,隔水效果十分理想,全长7.5米的通道截止目前已开挖掘进5米多。


据悉,这项冷冻法施工技术在西安地铁应用尚属首次。该技术能有效隔绝地下水,适应面广、安全可靠、污染性小,不仅可以应对各种不能在地面进行加固、抽排地下水的情况,省去了地面围挡,而且不容易出现薄弱部位,加固和止水的效果更优于其他形式、更安全,可以为以后各种地下工程施工提供参考。


那么冻结法施工的施工工艺是怎样的呢?豆工下面就简单说说吧


一、制冷方法


其制冷技术方法,通常使用制冷设备,利用物质由液态变为气态,即气化过程的吸热现象来完成的。 

1、有两种类型

⑴、冷媒剂(盐水)吸热:氨 (-33.4℃);干冰(-78.5℃);⑵、直接气化吸热:液氮(-195.8℃);干冰(-78.5℃) 


2、冻结系统常有两种类型

⑴、封闭系统(盐水冻结);⑵、开放系统(液氮冻结)。


二、冻结法施工的优点


1、安全性好

⑴、冻土强度较高;⑵、冻土连续性可靠、封水性好 


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) 


3、灵活性高

⑴、冻土帷幕性状(范围、形状、温度、强度)可控。


三、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。

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; 


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 


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。


四、冷冻法施工工艺


1、工艺原理

冷冻法加固土体,矿山法开挖构筑的基本原理是:在隧道周围布置水平冻结孔,并在冻结孔中循环低温盐水,使冻结孔附近的含水地层结冰,形成强度高,封闭性好的冻结壁(冻结帷幕),然后在冻结壁的保护下运用矿山法进行隧道开挖与构筑施工。


2、施工顺序

施工准备——— 冻结孔施工,同时安装冻结制冷系统——— 安装冻结盐水系统和监测系统———积极冻结———试挖———隧道掘进与临时支护,维护冻结———永久支护———停止冻结。其关键工序是冻结孔施工和冻结过程的监测与控制(见图)。

 冻结施工程序


3、施工方法

1)冻结孔施工

(1)冻结管、测温管、水文管和供液管规格 

冻结管、测温管和水文管均选用壁厚不小于7mm的φ108低碳无缝钢管,单根管材长度2~4m,采用丝扣连接。冻结管连接用手工焊、补焊。在含水层位置水文管设滤孔,滤孔面积为10%。供液管选用内径50mm的聚乙烯增强塑料管或钢管。冻结管羊角用2#钢管。 

(2)打钻设备选型 

针对水平冻结孔的施工特点以及施工场地的限制,要求所选用的钻机至少能打70m长的钻孔并容易控制钻孔偏斜度,输出扭矩与给进力大,钻机的体积要小,分解方便,搬运灵活。为此,选用中煤煤炭科学研究总院研制的水平钻机,其主要技术性能参数为:

输出扭矩

2000kN2m

给进及起拔力

50kN

钻孔最大直径

Ф127mm

最大行程

480mm

用冻结管作钻杆。视地层不同采用刮刀钻头、牙轮钻头和全断面金刚石钻头,钻头后面连接系自行研制的逆止和密封装置。钻孔测斜采用专门研制TY-1型压电式高精度水平钻孔陀螺测斜仪,浅部用经纬仪灯光测斜校准。 

(3)冻结孔质量要求 

根据建设方提供的施工基准点,按冻结孔施工图布置冻结孔。孔位偏差不应大于50mm。冻结孔孔径为127mm。冻结孔实际钻进深度应壁设计深度大0.5m。钻孔的偏斜应控制在8‰以内,成孔最大间距不大于2m。 

(4)冻结孔开孔 

在冻结孔布孔高度范围内用Ф38mm小口径钻钻孔检查地层稳定性,如有冒砂现象,则需进行双液壁后注浆。如发现土层水压较大,则需安装孔口管后再行钻进。安装孔口管时先用Ф140mm金刚石取芯钻进250mm左右,然后插入孔口管并用锚固树脂锚固。孔口管用Ф13936mm无缝钢管加工,旁路接1.5’截止阀及泥浆管接头。管口安装法兰及压紧密封装置。 

(5)冻结孔钻进与冻结器安装 

①按冻结孔设计方位要求固定钻机。随钻机放入冻结管。冻结管丝扣要补焊。冻结管下到设计深度后下堵丝密封头部。 

②为了保证钻孔精度,开孔段钻进是关键。钻进前10~20m时,要反复校核钻杆方向,调整钻机位置,并用经纬仪或陀螺仪检测偏差无问题后方可继续钻进。 

③冻结管下入孔内前要先配管,保证冻结管同心度。下好冻结管后,用测斜仪进行测斜,然后复测冻结孔深度。冻结管长度和偏斜合格后安装底部密封丝堵,并进行打压试漏。冻结孔试漏压力控制再0.8~1.2MPa之间,稳定30分钟压力无变化者为试压合格。 

④冻结管安装完毕后,用堵漏材料密封冻结管与基坑混凝土墙之间的间隙。 

⑤在冻结管内下入供液管,然后安装去、回路羊角和冻结管端盖。测温孔施工方法和要求与冻结孔相同。水文孔安装后要进行洗孔,确保出水畅通。


2)冻结制冷系统安装

(1)冻结制冷设备选型与管路设计 

①选用YSKF220型冷冻机2套,YSKF216型冷冻机2套,当盐水温度在-24°C,冷却水温度28°C时,其总制冷量为677680kcal/h。冷冻机组电机总功率为610kw。 

②8SH-13A盐水循环泵2台,流量270m3/h ,扬程36m,电机总功率90kw。 

③S125-100-200冷冻水循环泵3台,流量200m3/h ,扬程20m,电机总功率55.5kw;DBL-200型冷却塔3台,电机总功率16.5kw。 

④设盐水箱一个,容积6m3。 

⑤盐水干管和集配液管均选用Ф21938mm和Ф15936mm钢管,集、配液管与羊角连接选用2#高压胶管。 

⑥冷却水管总管和支管分别选用12#和6#焊管。 

⑦在去、回路盐水管路上安装压力表、流量计、温度传感器和控制阀门。 

⑧冷冻施工冷却水用量为50 m3/h,总用电量约780kw。 ⑨其他 

冷冻机油:选用N40冷冻机油。 制冷剂:选用R22制冷剂。 

冷媒剂:用氯化钙溶液作为冷冻循环盐水。 冻结管封闭:冷冻端封头采用中煤公司的专利技术。 (2)冻结站布置与设备安装 

将冷冻站布置在风机房基坑附近地面。站内设备主要包括配电柜、冷冻机、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及清水池等。设备安装按设备使用说明书的要求进行。 

冷却机组


(3)管路连接、保温与测试仪表安装 

盐水和冷却水管路用法兰连接。管路应固定牢固。去、回路盐水管路和冷却水循环管路上安装压力表、流量计、流量计和控制阀门。盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温,保温层厚度为50mm,保温层的外面用塑料薄膜包扎。集配液圈与冷冻管的连接用高压胶管,每根冻结管的进出口各装阀门(或夹板)一个,以便控制流量。 

冷冻机组的蒸发器及低温管路用棉絮保温,盐水箱和盐水干管50mm的聚苯乙烯泡沫塑料板保温。 

冷却水系统图

冷冻管路


(4)溶解氯化钙和机组充氟加油 

盐水(氯化钙溶液)比重为 1.260~1.265,先在盐水箱内充满清水,逐步溶解氯化钙,再送入盐水干管内,直至盐水系统充满为止,溶解氯化钙时要除去杂质。 

(5)积极冻结与维护冻结 ①冻结系统运转与积极冻结 

设备安装完毕后进行调试和试运转。再运转时,要随时调节压力、温度等各状态参数,使机组在有关工艺规程和设计要求的技术参数条件下运行。在冻结过程中,定时检测盐水温度、盐水流量和冷冻壁扩展情况,必要时调节冻结系统运行参数。冷冻系统运转正常后进入积极冻结。要求一周内盐水温度降低至-20°C以下。 

②开挖与维护冻结 

在积极冻结过程中,要根据实测温度数据判断冻结壁是否交圈和达到设计厚度,测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度再进行探孔试挖,确认冻结壁内土层基本无孔隙水压后再进行正式开挖。正式开挖后,根据冻土帷幕的稳定性,可进入维护冻结,但盐水温度不应高于-18°C。在开挖过程中,要定期检测冻结壁暴露面的温度与变形,发现问题,及时处理。

开挖出的冻土

测温显示冻土为-9℃


五、施工监测方法


1、冻结孔偏斜冻结器密封性能监测

水平冻结孔偏斜的监测使用经纬仪结合灯光进行。冻结器密封性能的监测采用管内注水,试压泵加压的方法试漏,试漏程序及指针符合水平孔冻结器设计要求,每孔测量一次。


2、温度监测

盐水系统和冻结帷幕温度监测,使用测温仪。

制冷系统和冷却水循环以及冻结帷幕帮壁温度使用测温仪并结合精密水银温度计测量,监测频率每天1~3次,必要时每2小时一次。


3、压力监测

制冷系统和盐水系统的工作压力安装压力表量测,制冷高压系统选用0~2.5MPa压力表,中低系统选用0~1.6MPa压力表,监测频率,每班一次。


4、地面环境及隧道监测

(1) 地面测点布设

基准点布设:在联络通道位置对应的地面中心50m以外的稳定区域布设两个沉降基准点(其中一个作为复合点)。   

沉降点布设:在联络通道位置对应的地面中心20m范围内布置沉降监测点,测点间距5m,在联络通道位置中心及管线和建筑物位置加密布置测点。


(2) 隧道内测点布设                                    

基准点布设:在联络通道50m以外的稳定区域分别布设水平位移检测基准点和两个垂直基准点(其中一个作为复合点)。   

沉降点布设:在通道两侧50m范围内对隧道水平及垂直方向的收敛变形及施工影响范围内的隧道整体进行监测。沉降监测点布设在隧道底环片上,测点间距为2m,测点用道钉打入环片内牢固。   

位移点布设:位移监测点布设在隧道两肩的环片上,测点间距为2m,测点用道钉打入环片内牢固。

隧道收敛监测点布设:监测点布设在上、下、左、右隧道壁上。用红漆做好标记。


六、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。


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。 


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。 


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)。


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