文章编号:1009-6825(2006)18-0147-02我国冻结法施工技术及其发展收稿日期:2006-03-19作者简介:王宗金(1971-),男,硕士,工程师,中煤特殊凿井(集团)有限责任公司,安徽淮北　235044曹化春(1964-),男,工程师,中煤特殊凿井(集团)有限责任公司,安徽淮北　235044王宗金　曹化春摘　要:介绍了冻结法的应用范围及优点,回顾了冻结法的施工发展史,从冻结壁的设计改进、新型机械的应用、监测水平等方面论述了冻结法的主要技术成就,指出了有待完善的地方。

关键词:冻结法,深井粘土层,冻结壁,冻结深度中图分类号:T U753.7文献标识码:A1　概述纵观国内外冻结法应用历史,其应用领域及范围主要在以下几个方面:1)煤矿井筒施工的冻结封水及临时支护;2)市政工程地下结构施工封水及临时支护;3)地铁车站及街区明挖施工的冻结临时支护和封水;4)地下水泵站施工的冻结临时支护和封水;5)水平隧道的冻结支护和封水;6)其他各类地下建筑基坑的冻结加固;7)交通建筑中水下基坑及桥梁基础施工的冻结支护。

冻结法之所以日益被推广应用,主要基于以下优点:1)原则上冻结法可在各类土层中应用;2)该法适应性强,可与许多边界条件及要求相适应;3)该法封水可靠,可实现人工干挖施工,有利于保证各类结构的施工质量;4)该法对环境保护有利,无异物进入土壤,对周围环境扰动小。

2　我国冻结法施工发展史我国自1955年首次在开滦林西风井采用冻结法以来,主要应用于煤矿井筒特殊法施工,现已施工了500多个冻结井筒,约90km 延米。

已完工的山东龙固副井冲积层厚567.7m ,冻结深度650m ,为国内之最。

目前正在施工的郭屯主、副风井冻结深度已达702m 。

在这50年中,我国人工制冷冻结技术经历了引进、推广、改进和发展几个阶段,其中具有代表的工程主要有安徽潘三东风井、河南陈四楼主、副井、山东济西主、副井以及龙固副井。

上述井筒的建成标志着我国冻结凿井技术已达到国家先进水平,当然也遇到了无数的困难。

其中,两淮施工中经常遇到的冻结管断管,井壁破裂漏水,甚至淹井等事故,不仅危及井筒施工安全,还大大推迟了工期,经济损失惨重。

教训是深刻的,但也激励了几代工程技术人员的攻关积极性,为此,完成了多项重大科研项目,从而也获得了国家和省部级多项科研进步奖、无数工程技术人员增长了才干,成为高级工程师,有的还获得国家政府津贴。

3　主要技术成就3.1　冻结法凿井主要技术成就从某种意义上来说,冻结深度往往标志着一个国家的冻结凿井技术水平,到目前为止,我国冻结深度已达650m 。

3.1.1　冻结壁的设计改进1)计算公式。

我国冻结法凿井的主要地层为冲积层。

冻结壁的设计是指满足砂性土的强度和粘性土中变形要求的厚度。

其厚度计算主要是根据地压、冻土热学和力学性质、井筒掘进直径、段高和裸露时间以及井壁结构与工艺等,实际上由于冻土热学和力学的耦合计算的影响因素很多,故一般采取热学与力学分别计算和相互检验的方法。

在深井粘土层中冻结壁的厚度与强度,往往是造成许多重大事故的主要原因,因为粘性土强度低,流变特性显著,而过去的设计中很少考虑到。

浅井常用拉麦公式和多姆克公式,均是按平面应变力学模型来计算的,同时也都没有考虑到冻土的流变特性(即与时间有关这一特征),对于深井中应采用前苏联维亚诺夫和扎列茨基提出的小段高(空间结构)的强度和变形公式。

这个公式不仅考虑了强度,也考虑到变形。

龙固副井就是按此公式计算的,施工中也是顺利的。

前述两个公式都是基于与时间有关的弹性或弹塑性理论,后一公式已考虑了冻土流变(参数m ,A )和掘砌工艺(参数ξ,h ,t , 施工中在支设时,必须做到大头朝下、保证垂直度误差小于5mm ,底部支座要牢固,选用的支撑应材质均匀、无弯曲、缺陷少,使木支撑尽量符合最佳的受力状况,这样才能确保结构的安全性,并满足质量要求。

参考文献:[1]GB 50005-2003,木结构设计规范[S ].[2]周国瑾.建筑力学[M ].上海:同济大学出版社,2000.40-41.[3]刘昭培,张韫美.结构力学(上、下册)[M ].天津:天津大学出版社,2002.60-61.Checking calculation of construction loads of wooden support system in construction of cast -in -place floor of housesWU Yong JIANG Ru -haiA bstract :I n o rder to ensure reasonable setting and security requirements of wooden suppo rt sy stem in construction of cast -in -place floor of hous -es ,based upon checking calculation of streng th and stability relationships among diameter ,spacing and security of wooden support sy stem are determined ,which provides theoretical references for wooden suppor t sy stem setting in construction of cast -in -place floo r of houses .Key words :w ooden brace ,load ,checking calculation ,diameter ,spacing·147· 第32卷第18期2006年9月 山西建筑S HANXI ARCHITECT URE Vol .32No .18Sep .　2006DOI :10.13719/j .cn ki .cn14-1279/tu .2006.18.094μ)即用时空观点来认识分析事物,经实践检验也是正确的。

它不但更新了冻结壁设计的传统理论及观念,同时为深井冻结信息施工奠定了理论基础,并将产生较好的经济效益。

2)冻结温度。

冻结壁厚度的边界,过去都以0℃温度线为界,即认为0℃为土中孔隙水的结冰温度,现根据龙固副井冻土试验,其冻结温度为-1.05℃～-4.28℃,另外其值还随地压增大而降低(可按0.075℃/M Pa 计算),其冻结温度将是上述两者的叠加。

3)冻土抗压强度。

1989年以前一直采用50mm ×50mm ×50mm 立方体试件按快速加载法(30S ±5S )获得的无侧限瞬时抗压强度除以安全系数作为允许强度进行计算。

从1989年开始使用国际冻土试验规定的圆柱体(Υ61.8×150mm )按恒应变速率(1%/min )轴向加载方法获得无侧限瞬时抗压强度(此时一般经历数分钟),再按井筒施工工艺时间折算成相应长时强度进行计算。

4)冻结壁(井帮)变形。

根据多个井筒资料,段高大于4.5m 时,井帮变形量较大,一般大于50mm ,当段高缩小到2m ～3m 时,变形量实测值均较小,一般为20mm ～30mm ,为了安全起见,在考虑不超过允许变形量的同时,还要考虑变形速率,不应超过3mm /h 。

否则容易断冻结管,例如丁集副井断了3根。

5)外圈孔外侧冻结壁扩展范围。

冻结深度300m 的浅井,经实测300d 冻结孔外侧可发展3m ,400d 可以发展到3.5m ,而对深井,由于地温较高(+30℃以上),盐水温度在-32℃左右时,经龙固副井实测约为2.5m ～2.7m ,丁集不超过2.5m 。

3.1.2　多圈冻结孔布置济西主、副井以前都采用单排孔或主、辅孔两圈布置;而龙固副井(冻结壁设计厚度11.5m ),首次采用了三圈孔的布置,由于没有经验,内圈孔径较大,施工中大量片帮,影响进度,也推迟了开挖时间,从丁集开始,吸取了上述教训,内圈孔布置较近,从而取得了效果。

根据实践,中圈冻结孔深度应穿过冲积层进入不透水的基岩10m 以上,外圈孔要穿过冲积层进入强风化带5m 以上,内圈孔深度取冲积层厚度的1/2～3/4为宜。

外圈孔大都采用下部局部冻结的方法,但由于具体措施不力,未能获得较好的效果。

3.1.3　新型钻机的采用龙固副井首次采用了T SJ -2000A 型钻机,6台钻机共施工6个月,完成116孔68133.5m ,平均台月效率1892.6m ,除中7孔偏值(1.371m )超过允许靶域半径1.0m 的要求外,其余均满足设计要求。

最大孔间距为2.87m 位于外18号～19号孔(360m ～400m 水平)。

3.1.4　螺杆机广泛采用龙固副井安装15台K A25C 螺杆机和17台8A S -17活塞机,总装机容量为2248万大卡/时,运转初期全部投入运转,显得冷冻机不足。

丁集和郭屯冷冻站基本上都选用了螺杆冷冻机。

蒸发式冷凝器的采用大大节约了水资源,同时也减少了对冻结的影响,效果显著。

3.1.5　施工过程监测监控水平大大提高冻结孔施工水平的提高不仅得益于新型钻机的应用,而且得益于新型螺杆钻具、陀螺测斜仪以及配套的纠偏应用软件的运用,使得深冻结孔偏斜率远远小于现行规范中规定的最大值,大大提高了钻孔质量,为保证冻结壁的质量奠定了基础。

加强对冻结壁的监测监控是保证冻结工程安全最重要的措施之一。

根据施工惯例,冻结壁监测又分为常规监测和非常规监测:常规监测设备的精度、速度和自动化程度大大提高,多排孔冻结温度场模拟计算取得了长足进展;冻结壁绝对位移、内部冻胀力等非常规监测已在郭屯冻结工程中实施,意义重大,但能否取得成效还有待进一步实践。

3.1.6　井筒掘砌速度加快龙固副井于2004年4月26日试挖,6月1日正式开挖,2005年2月12日通过567.7m 冲积层,深部施工段高控制在3m ～2.25m ,掘砌时间大都24h ～48h ,井帮温度-17℃～-20℃,井帮变形较小,每月井筒外壁平均进尺67m ,对于深井掘砌速度还是较快的。

3.1.7　冻、掘配合冻结与掘砌的良好配合可实现多赢。

冻结在方案设计和施工过程中为掘砌提供上部不片帮、深部少挖冻土的有利条件;掘砌采用大抓出土减少井帮暴露时间、采用高强混凝土井壁以减小井筒掘砌荒直径、采用早强剂等手段提高外壁的早期强度以减少冻结壁变形。

总之,加强冻、掘配合不仅提高了安全系数、降低了工程成本,而且缩短了建井工期。

3.2　冻结法施工技术在市政等领域取得的主要成就1)水平孔施工技术取得了突破性进展。

2)冻胀与融沉得到了有效的控制,压力和变形监测监控手段较为成熟。