浅谈冻结沉井法施工技术应用要点
2015-10-21王炳辉
王炳辉
摘 要：目前，国内沉井施工多采用钻孔灌注桩加多层高压旋喷桩加固井壁土体，在面对复杂粉砂地层时其加固效果差，止水帷幕无法保证沉井安全高效施工。采用冻结法加固沉井井壁周围土体，将冻结法和沉井法有机的结合在一起，取得了极好的封水效果。
关键词：冻结沉井法；冻结壁控制技术；
前言
文章以安全供水高速通道工程管道施工沉井冻结加固施工工程为依托，创造性的将冻结法利用到沉井井壁周围的土体加固中，采用冻结法取得了极好的封水效果，实现了沉井的顺利就位到底，摒弃了以往常规的加固方法，也取得了极其有效的封水效果。
1冻结沉井加固工法的优点
通过对采用冻结沉井法在施工过程中的优化冻结壁设计研究、冻结效果分析研究以及采用抗冻触变泥浆来配合冻结加固后的沉井施工研究表明：采用冻结法对沉井周围的土体进行加固，其封水效果极其明显，冻结法作为一种极其环保的工法，不改变土体结构性能，而且还具有以下其他加固工法不可比拟的优点：
1.1冻结帷幕止水效果好，可靠性高。
1.2冻结幕墙具有一定的强度和刚度，可抵抗地压保护沉井区域免受外力侵扰，沉井过程更加顺畅，不易发生沉井倾斜和沉井偏移等质量事故。
1.3采用冻结帷幕，在沉井结构设计时，可以不考虑沉井的刃脚受力包括刃脚向内挠曲、刃脚向外挠曲情况下的极限承载能力，沉井底部可省去十字底梁。
1.4冻结帷幕能有效的防止地层水土流失，保护环境。
1.5触变泥浆抗冻性能好，在低温情况下能有效护壁，减少摩擦阻力，确保沉井顺利。
2冻结沉井法介绍
2.1冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，将松散含水岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水，以便在冻结壁的保护下进行井筒或地下工程掘砌作业的特殊施工技术。
2.2沉井法是在地面下沉预制井筒的施工方法。其工艺为在井口位置预制好沉井刃脚和一段井壁，边掘边沉，再在地面浇筑，接长井壁，继续下沉。沉井法分井内不淹水沉井和淹水沉井两种。不淹水沉井即在沉井内排水，工人在井底工作面掘进。除井壁在地面浇筑、随掘进随下沉外，其他工序和普通凿井法相同。淹水沉井的特点是：井內淹水，保持井内外压力平衡，可防止涌砂冒泥，壁后灌注减阻介质，掘进与排渣均在水下完成。
3关键技术
3.1优化沉井井壁结构
采用钻孔桩与多排搅拌桩复合止水帷幕沉井，由于地层压力的不均匀性，大直径圆形沉井都要设置十字底梁。由于冻结止水帷幕使沉井受力均匀，通过理论分析计算，优化沉井十字底梁。
3.2冻结壁控制技术
在冻结过程中，冻结壁与沉井相交连接在一起，造成沉井不能进行。因此，要确定冻结圈径和冻结孔间距并控制冻土向内发展技术。
3.3抗冻泥浆研究
为使沉井施工顺利，在沉井壁后的台阶做为泥浆槽充满触变泥浆，要求泥浆具抗冻性。结构所处的土层为砂性土，含水量高。本段砂层分布广泛，且厚度大，连通好，和地表水水力联系密切，富水性强。在钻孔和开挖时，易发生涌水坍孔等事故。
3.4 钢筋绑扎
池壁墙体钢筋净距控制采用钢筋排架，排架采用Ф14钢筋制作，架间距1000mm设置。钢筋交叉点均逐点绑扎，绑丝头一律扣向里侧，严防出现因保护层过薄而侵蚀钢筋的现象。钢筋连接宜采用直螺纹机械连接，用挂线法控制垂直度，用水平仪测量控制水平度，用木卡尺控制间距，用与结构同强度的细石混凝土垫块控制钢筋保护层厚度。在施工缝位置安装300mm宽钢板止水带。
3.5 混凝土浇筑
沿沉井周围搭设脚手架，周围设布料管分布均匀下灰，每层厚500mm。注意对称均匀，防止造成地基不均匀下沉和倾斜。振捣时，振捣棒应插入下层混凝土50mm，保证层间结合紧密。混凝土养护采用浇水养护，两侧覆无纺布，养护14天。为防止出现冷缝，应具备足够的混凝土熟料供应能力。
4施工技术简介
优化沉井井壁结构：采用钻孔桩与多排搅拌桩复合止水帷幕沉井，由于地层压力的不均匀性，大直径圆形沉井都要设置十字底梁；由于冻结止水帷幕使沉井受力均匀，通过理论分析计算，优化沉井十字底梁。
4.1冻结壁设计及控制
在冻结过程中，要确定冻结圈径和冻结孔间距，同时研究控制冻土向内发展技术。
4.1.1冻结壁设计
根据工程的地质概况、旋喷加固情况，结合工程特点、土层条件及施工现场情况，按最不利的情况，对本工程的冻结帷幕厚度进行了设计。冻结壁有效厚度2m。采用拉麦公式计算。
E=2.04m，取2m。
其中计算参数：
a.冻结帷幕平均温度-10℃，相应的持久抗压强度：K1=3.5Mpa。
b.沉井外直径21.2m，R1=10.6m。
c.地压值取冻结帷幕在粉土夹粉砂中最底部埋深处地压，Pmax=0.013H=0.013*40=0.52Mpa。
4.1.2制冷设计
a.冻结参数确定
冻结7天盐水温度降至-18℃以下，积极冻结期盐水温度为-28℃～-30℃。
维护冻结期温度为-25℃～-28℃。冻结孔终孔偏斜不大于150mm。
冻结帷幕达到设计厚度时间为40天，实际冻结时间需根据测温孔实测情况再调整。
b.需冷量和制冷设备配置
冻结需冷量计算：Q=1.2×π×d×K×H
H—冻结区冻结管总长度
沉井1：4042米，沉井2：3612.6米
d—冻结管直径，0.127米
K—冻结管散热系数；250kcal/m2.h
Q1=48.4×104；
Q2=43.2×104
4.2冻结壁控制
选用无污染、效率高、体积小、重量轻、制冷量大、安装运输方便的螺杆冷冻机组作为制冷系统的主机。加大盐水在冻结管内的流量，采用串并联循环方式，加快冻结管的热交换。严格控制冻结管间距以确保冻结管施工质量。采用逐步降温的过程，防止冻结管由温度应力造成的开裂。
4.3采用抗冻泥浆及冻胀融沉的控制措施
4.3.1在冻结管拔出后，要及时地将冻结孔洞用黄砂充填密实。
4.3.2设计选用标准制冷量较大的冷冻机组，在短时间内把盐水温度降到设计值，以加快冻土发展，提高冻土强度，减少冻胀和融沉量。
4.3.3掌握和调整盐水温度和盐水流量，必要时可采取间歇式冻结，控制冻土发展量，以减少冻胀和融沉。
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，施工应按照图纸保证质量；
4.4.2排水下沉有以下几个优点：
a.由于井内无水，施工人员可以看清井内的下沉出土情况，便于根据井外的测量报告安排挖土与纠偏相结合，从而很好的控制下沉质量；
b.下沉速度快，凡是采用排水下沉的沉井，一般下沉速度可达0.5～2.5m/d，是不排水下沉的2～5倍；
c.經济效益显著，干封底可提高封底质量，而且节省混凝土和人工；
d.排水下沉易于纠偏，因此对井外土体扰动较小，而且沉井速度快，因此对环境影响较小；
4.4.3沉井施工前必须确保冻结帷幕完全隔绝施工区域与外界的水力联系；
4.4.4加强监测工作，做到信息化施工；
4.4.5挖土工程应科学施工，分段、分层、均匀、对称，土层削薄厚度不得过大，避免发生流砂、突沉等现象。
结束语
综上所述，将冻结法利用到沉井井壁加固工程中，其施工效果明显，解决了风险事故和技术难题，很好的解决该类地层的无法实现封水效果的施工难题。同时该项技术的出现对国内的地下工程施工将起到极大的促进作用，也将带来巨大社会经济效益。
参考文献：
[1]蒋继辉.当代土木工程中的可持续发展战略研究[J].门窗，2014，（11），368.
[2]李忠祥.土木工程可持续发展探讨[J].合作经济与科技，2014，（24），65.
