淺談凍結沉井法施工技術應用要點

王炳輝

摘 要：目前，國內沉井施工多采用鉆孔灌注樁加多層高壓旋噴樁加固井壁土體，在面對復雜粉砂地層時其加固效果差，止水帷幕無法保證沉井安全高效施工。采用凍結法加固沉井井壁周圍土體，將凍結法和沉井法有機的結合在一起，取得了極好的封水效果。

關鍵詞：凍結沉井法；凍結壁控制技術；

前言

文章以安全供水高速通道工程管道施工沉井凍結加固施工工程為依托，創造性的將凍結法利用到沉井井壁周圍的土體加固中，采用凍結法取得了極好的封水效果，實現了沉井的順利就位到底，摒棄了以往常規的加固方法，也取得了極其有效的封水效果。

1凍結沉井加固工法的優點

通過對采用凍結沉井法在施工過程中的優化凍結壁設計研究、凍結效果分析研究以及采用抗凍觸變泥漿來配合凍結加固后的沉井施工研究表明：采用凍結法對沉井周圍的土體進行加固，其封水效果極其明顯，凍結法作為一種極其環保的工法，不改變土體結構性能，而且還具有以下其他加固工法不可比擬的優點：

1.1凍結帷幕止水效果好，可靠性高。

1.2凍結幕墻具有一定的強度和剛度，可抵抗地壓保護沉井區域免受外力侵擾，沉井過程更加順暢，不易發生沉井傾斜和沉井偏移等質量事故。

1.3采用凍結帷幕，在沉井結構設計時，可以不考慮沉井的刃腳受力包括刃腳向內撓曲、刃腳向外撓曲情況下的極限承載能力，沉井底部可省去十字底梁。

1.4凍結帷幕能有效的防止地層水土流失，保護環境。

1.5觸變泥漿抗凍性能好，在低溫情況下能有效護壁，減少摩擦阻力，確保沉井順利。

2凍結沉井法介紹

2.1凍結法是利用人工制冷技術，使地層中的水結冰，將松散含水巖土變成凍土，增加其強度和穩定性，隔絕地下水，以便在凍結壁的保護下進行井筒或地下工程掘砌作業的特殊施工技術。

2.2沉井法是在地面下沉預制井筒的施工方法。其工藝為在井口位置預制好沉井刃腳和一段井壁，邊掘邊沉，再在地面澆筑，接長井壁，繼續下沉。沉井法分井內不淹水沉井和淹水沉井兩種。不淹水沉井即在沉井內排水，工人在井底工作面掘進。除井壁在地面澆筑、隨掘進隨下沉外，其他工序和普通鑿井法相同。淹水沉井的特點是：井內淹水，保持井內外壓力平衡，可防止涌砂冒泥，壁后灌注減阻介質，掘進與排渣均在水下完成。

3關鍵技術

3.1優化沉井井壁結構

采用鉆孔樁與多排攪拌樁復合止水帷幕沉井，由于地層壓力的不均勻性，大直徑圓形沉井都要設置十字底梁。由于凍結止水帷幕使沉井受力均勻，通過理論分析計算，優化沉井十字底梁。

3.2凍結壁控制技術

在凍結過程中，凍結壁與沉井相交連接在一起，造成沉井不能進行。因此，要確定凍結圈徑和凍結孔間距并控制凍土向內發展技術。

3.3抗凍泥漿研究

為使沉井施工順利，在沉井壁后的臺階做為泥漿槽充滿觸變泥漿，要求泥漿具抗凍性。結構所處的土層為砂性土，含水量高。本段砂層分布廣泛，且厚度大，連通好，和地表水水力聯系密切，富水性強。在鉆孔和開挖時，易發生涌水坍孔等事故。

3.4 鋼筋綁扎

池壁墻體鋼筋凈距控制采用鋼筋排架，排架采用Ф14鋼筋制作，架間距1000mm設置。鋼筋交叉點均逐點綁扎，綁絲頭一律扣向里側，嚴防出現因保護層過薄而侵蝕鋼筋的現象。鋼筋連接宜采用直螺紋機械連接，用掛線法控制垂直度，用水平儀測量控制水平度，用木卡尺控制間距，用與結構同強度的細石混凝土墊塊控制鋼筋保護層厚度。在施工縫位置安裝300mm寬鋼板止水帶。

3.5 混凝土澆筑

沿沉井周圍搭設腳手架，周圍設布料管分布均勻下灰，每層厚500mm。注意對稱均勻，防止造成地基不均勻下沉和傾斜。振搗時，振搗棒應插入下層混凝土50mm，保證層間結合緊密?；炷琉B護采用澆水養護，兩側覆無紡布，養護14天。為防止出現冷縫，應具備足夠的混凝土熟料供應能力。

4施工技術簡介

優化沉井井壁結構：采用鉆孔樁與多排攪拌樁復合止水帷幕沉井，由于地層壓力的不均勻性，大直徑圓形沉井都要設置十字底梁；由于凍結止水帷幕使沉井受力均勻，通過理論分析計算，優化沉井十字底梁。

4.1凍結壁設計及控制

在凍結過程中，要確定凍結圈徑和凍結孔間距，同時研究控制凍土向內發展技術。

4.1.1凍結壁設計

根據工程的地質概況、旋噴加固情況，結合工程特點、土層條件及施工現場情況，按最不利的情況，對本工程的凍結帷幕厚度進行了設計。凍結壁有效厚度2m。采用拉麥公式計算。

E=2.04m，取2m。

其中計算參數：

a.凍結帷幕平均溫度-10℃，相應的持久抗壓強度：K1=3.5Mpa。

b.沉井外直徑21.2m，R1=10.6m。

c.地壓值取凍結帷幕在粉土夾粉砂中最底部埋深處地壓，Pmax=0.013H=0.013*40=0.52Mpa。

4.1.2制冷設計

a.凍結參數確定

凍結7天鹽水溫度降至-18℃以下，積極凍結期鹽水溫度為-28℃～-30℃。

維護凍結期溫度為-25℃～-28℃。凍結孔終孔偏斜不大于150mm。

凍結帷幕達到設計厚度時間為40天，實際凍結時間需根據測溫孔實測情況再調整。

b.需冷量和制冷設備配置

凍結需冷量計算：Q=1.2×π×d×K×H

H—凍結區凍結管總長度

沉井1：4042米，沉井2：3612.6米

d—凍結管直徑，0.127米

K—凍結管散熱系數；250kcal/m2.h

Q1=48.4×104；

Q2=43.2×104

4.2凍結壁控制

選用無污染、效率高、體積小、重量輕、制冷量大、安裝運輸方便的螺桿冷凍機組作為制冷系統的主機。加大鹽水在凍結管內的流量，采用串并聯循環方式，加快凍結管的熱交換。嚴格控制凍結管間距以確保凍結管施工質量。采用逐步降溫的過程，防止凍結管由溫度應力造成的開裂。

4.3采用抗凍泥漿及凍脹融沉的控制措施

4.3.1在凍結管拔出后，要及時地將凍結孔洞用黃砂充填密實。

4.3.2設計選用標準制冷量較大的冷凍機組，在短時間內把鹽水溫度降到設計值，以加快凍土發展，提高凍土強度，減少凍脹和融沉量。

4.3.3掌握和調整鹽水溫度和鹽水流量，必要時可采取間歇式凍結，控制凍土發展量，以減少凍脹和融沉。

4.4沉井施工

4.4.1沉井采用排水下沉，沉井分段可按既有分段做法施工，施工應按照圖紙保證質量；

4.4.2排水下沉有以下幾個優點：

a.由于井內無水，施工人員可以看清井內的下沉出土情況，便于根據井外的測量報告安排挖土與糾偏相結合，從而很好的控制下沉質量；

b.下沉速度快，凡是采用排水下沉的沉井，一般下沉速度可達0.5～2.5m/d，是不排水下沉的2～5倍；

c.經濟效益顯著，干封底可提高封底質量，而且節省混凝土和人工；

d.排水下沉易于糾偏，因此對井外土體擾動較小，而且沉井速度快，因此對環境影響較??；

4.4.3沉井施工前必須確保凍結帷幕完全隔絕施工區域與外界的水力聯系；

4.4.4加強監測工作，做到信息化施工；

4.4.5挖土工程應科學施工，分段、分層、均勻、對稱，土層削薄厚度不得過大，避免發生流砂、突沉等現象。

結束語

綜上所述，將凍結法利用到沉井井壁加固工程中，其施工效果明顯，解決了風險事故和技術難題，很好的解決該類地層的無法實現封水效果的施工難題。同時該項技術的出現對國內的地下工程施工將起到極大的促進作用，也將帶來巨大社會經濟效益。

參考文獻：

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