动水环境下冻结设计实例浅析

胡增燕+金增选

摘 要：冻结法具有适用性强、短期造价低、在技术上易于实现等优点，因此得到了广泛地应用，自从1955年在我国开始应用以来，在煤矿矿井井筒施工中较多，在深基坑施工中应用是近几年才开始的，目前已有很多陆地施工中应用的实例，冻结法在水下基坑施工的应用还不多见。本文将重点介绍一个水下冻结工程的实例。

关键词：水下冻结；设计；案例；浅析

1 工程概况

某大桥主桥下部大塔和小塔基础均采用4根大直径钻孔灌注桩基础，大塔桩径为φ5m～φ3.5m，小塔桩径为φ4m～φ3.5m。

本次采用冻结法施工的桩基即为大小塔的8根灌注桩。其大小塔的桩位平面布置及桩的结构情况见图此外根据大小塔的方位情况，大塔位于湖中央区，在小塔的西侧，简称为西塔，小塔位于湖口的东岸位置，简称东塔。

2 冻结要求

根据地质及水文地质资料，枯水季节水位一般在10.0m左右，最高+13.0m根据东塔和西塔的设计深度，为了确保基岩部分封水可靠，冻结止水垫在短期内不至于化冻，设计冻结深度超过桩底深度8.0m。东塔桩底标高-15.0m，即冻结孔底标高为-23.0m西塔桩底标高为-26.0m，即冻结孔底标高为-34.0m。冻结深度东塔自+13.0m起，冻结深度为36.0m，西塔自+15.0m起，冻结深度为49.0m。

3 冻结设计

3.1 地压计算

根据该区的水文情况，淤泥含水丰富且在湖水下面，计算地压时参考地质状况，得冲积层最大地压值计算公式：P=1.3H

式中，P—最大地压值，Kg/cm2；H—冻结深度，m；

根据两塔冻结深度36.0m和49.0m可得冻结范围内的地压值：

东塔：P=1.3×36=46.8mpa=4.68Kg/cm2

西塔：P=1.3×49.0=63.7MPa=6.37 Kg/cm2

3.2 冻结壁厚度计算

冻结孔偏率α：由于本设计冻结层为冲积层，冻结孔偏斜率取α≤3‰。

钻孔终孔间距L：冲积层厚度≤100m，故钻孔终孔间距取，L≤2.0m。

盐水最低温度ty：冻结厚度小于100m，盐水最低温度-25℃～-28℃。

冻结壁平均温度tc：冻结壁平均温度取-6℃

最大地压值由上面计算已得，东塔P=4.68Kg/cm2，西塔P=6.37 Kg/cm2。

基坑掘进荒半径：基坑掘进荒径主要根据基坑开挖范围确定，本设计中东塔基坑掘进荒径取4.0m，西塔取5.0m。

冻结壁厚度计算：设计单级压缩制冷，淤泥质亚粘土冻土抗压强度σ0取25～30Kg/cm2。冻结壁计算如下：

（3-1）

式中：E—冻结壁厚度，m；R—基坑掘进荒径，m；σ0—冻土单轴抗压强度；[σ]—冻结壁计算强度，；P—最大地压值，Kg/cm2；

东塔： 西塔：

=1.12m =2.30m

主冻结孔布置如下：

东塔：圈径6.0m，孔数19个，开孔间距0.992m

西塔：圈径7.0m，孔数30个，开孔间距0.733m

3.3 开挖断面内冻结孔布置

图1 冻结孔平面布置图

东塔：小圈径D1=1.5m，孔数3，开孔间距1.57m。中等圈径D2=3.5m，孔数5，开孔间距2.20m。

西塔：小圈径D1=2.0m，孔数3，开孔间距2.09m。中等圈径D2=4.5m，孔数7，开孔间距2.02m。

具体详见图1冻结孔平面布置图，冻结管使用w12735mm无缝钢管，钢号为20号低碳钢，采用外管箍焊连接。

为了加强冻结壁发展的监控及冻土发展的测量，每个桩井施工3个测温孔，分别布置在主排冻结孔的内侧及井筒断面内孔间距较大的界面。东塔每个桩孔另考虑设水文孔1个。

3.4 钢护筒的散热

（1）相关的参数确定

本工程中湖水的温度t∞=15℃，钢护筒的平均壁温取tw=5℃，故得

（3-2）

根据tm=10℃查饱和水的物理性质表得

普朗特数：Pr=9.52；运动粘度：v=1.306×10-6m2/s

导热系数：λ=57.4×10-2w/（m·k）；体积膨胀系数：β=0.7×10-4K-1

（2）计算换热

（3-3）

式中：Grm—格垃晓夫数；g—重力加速度；l—钢护筒在湖水中的长度，本工程为13米；v—运动粘度。

由上又可得

（GrPr）m=5.77×106×9.52=5.49×107 （3-4）

根据已知条件与上述计算结果查相关表得

C=0.53 n=

则可计算努塞尔数Nu得

Num=C·（Cr·Pr）n=0.53×（5.49×107）=45.62 （3-5）

计算损失的冷量得

W/（m2·℃） （3-6）

Q=πdlα（t∞-tw）=3.14×4.8×13×2.01×10=3.94×103W （3-7）

Q==3377千卡/小时

3.5 冻结需冷量计算

设计盐水-25℃～-28℃，冷量损失15%，总需冷量计算如下：

Q0=π·d0·n·H·q （3-8）

式中：Q0—基坑总需冷量，千卡/小时；d0—冻结管外径，m；n—冻结孔数；H—冻结孔深度，m；q—冻结管和地热交换时的吸热系数，冻结管吸热系数q值取250。