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關于快速強化凍結法施工動態(tài)設計方法初探論文
論文關鍵詞：快速強化凍結動態(tài)設計設計程序實時監(jiān)測凍強壁
論文摘要：結合我國凍結工程技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，闡述了快速強化凍結設計目標及原則，詳細介紹了快速強化凍結設計程序和設計內(nèi)容。指出了只要遵循強化凍結設計程序進行凍結設計，就能很好地滿足深厚沖積層凍結井筒鑿井施工要求，確保井筒掘砌施工安全順利地進行。快速強化凍結設計方法可為地下工程凍結設計提供有益的參考。
巖土工程中，當遇到涌水、流砂、淤泥等復雜不穩(wěn)定地層條件時，常采用凍結法施工。凍結法自1955年在我國首次獲得實際應用以來，經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)已成為我國礦井通過深厚沖積層的主要施工方法之一。我國將凍結法應用于地下基礎工程始于1987年。近年來，凍結法在上海、北京、廣州等城市的地鐵和市政基礎設施等工程項目中得到了越來越廣泛的應用。經(jīng)過多年的實踐，我國工程技術人員基本掌握了近水平凍結設計、施工方法以及地層變形控制方法，并積累了大量的第一手資料和豐富的工程經(jīng)驗。目前，我國已成為世界上凍結法應用較多的國家之一口I。]。實踐證明，凍結法是在松散含水土層中施工地下結構工程的一種較為安全可靠的工法。但隨著凍結深度的不斷加大，原有的設計方法已不能適應凍結法施工發(fā)展趨勢，研究快速強化凍結的動態(tài)設計方法勢在必行。
1快速強化凍結設計目標及設計原則
快速強化凍結設計目標與安全、優(yōu)質(zhì)、快速、高效施工的工程總目標是一致的。從價值工程的觀點來講，就是要用最少的資源投入來實現(xiàn)最佳的地層凍結加固效果。但在實際工程中，由于地層和施工條件的不同，對凍結設計與施工的要求也不同。如深厚粘土層應重點解決凍結管斷裂和外層井壁壓壞等疑難技術問題；地層條件較好時，應重點解決降低凍結施工費用和提高井筒掘砌速度等問題。對于一個凍結井筒工程項目來說，凍結設計的最佳目標就是將解決凍結施工技術難題與降低凍結施工費用和提高井筒掘砌速度更好地統(tǒng)一起來。為實現(xiàn)這一目標，井筒快速強化凍結設計需遵循以下原則：
(1)凍結設計必須以實現(xiàn)工程總目標為核心，既要確保工程施工安全，滿足工程質(zhì)量和工期要求，又要采用經(jīng)濟合理的工藝技術，降低施工成本。
(2)根據(jù)不同的地層條件與施工要求，采用不同的凍結施工工藝。由于井筒地層條件差異很大，施工要求各不相同，凍結施工工藝也應有所區(qū)別。如在沒有深厚粘土層的凍結井筒中，一般就沒有必要采取強化凍結措施。
(3)根據(jù)系統(tǒng)工程觀點，凍結設計要考慮井壁結構情況，并對井筒掘砌速度、掘進段高與井幫暴露時間、井壁變形特性參數(shù)等提出要求；或者根據(jù)掘砌施工要求，對凍結設計參數(shù)進行調(diào)整。在井筒凍結設計中，為便于操作，可先按合同規(guī)定的掘砌速度和有關規(guī)范對掘進段高的要求進行凍結施工參數(shù)設計；而后在井筒施工中，再根據(jù)凍結壁穩(wěn)定性和掘砌施工能力，合理調(diào)整掘砌施工速度和掘進段高。
(4)根據(jù)動態(tài)控制觀點，結合掘砌施工進度，考慮凍結壁發(fā)展規(guī)律來布置凍結孔和評價凍結壁的安全性。在整個井筒凍結施工過程中，凍結壁厚度和溫度都是變化的；掘進到某一層位時，需要根據(jù)該層位的土層特性和當時的凍結壁發(fā)展狀況來判斷施工是否安全。這是優(yōu)化凍結施工參數(shù)以降低施工成本和縮短工期的基礎，也是快速強化凍結設計方法區(qū)別于傳統(tǒng)凍結設計方法的根本點之一。
(5)深厚粘土層中經(jīng)常遇到的凍結管斷裂和外層井壁被壓壞的問題主要與凍結壁變形有關。因此，在設計凍結壁時，應將控制凍結壁變形作為主要依據(jù)。但由于凍結壁變形是難以從理論上進行正確計算的，因此在凍結設計中，只能根據(jù)以往施工經(jīng)驗，將凍結管與井幫距離、凍土進入荒徑量和掘進時的井幫溫度作為布置凍結孔和設計凍結壁的重要指標。
(6)由于地層條件和施工情況的復雜多變，目前要對凍結壁進行精確設計計算是不現(xiàn)實的，需要借助于工程類比法來評價設計方案的可靠性。同時工程類比應與理論分析相結合，以工程實測規(guī)律為依據(jù)。
(7)要做好實時監(jiān)測和預測預報工作，實現(xiàn)對施工過程的有效監(jiān)控。通過實時監(jiān)測和預測預報，可實現(xiàn)對施工過程的有效監(jiān)控，從而可使凍結鑿井施工更加安全可靠，施工工藝參數(shù)更趨合理。
2快速強化凍結設計程序和設計內(nèi)容
根據(jù)快速強化凍結設計原則，結合深厚沖積層凍結鑿井工程設計與施工經(jīng)驗，提出了有別于常規(guī)的快速強化凍結動態(tài)設計方法；其設計程序和設計內(nèi)容如下：
(I)收集和分析設計基礎資料。包括井筒地質(zhì)資料，井筒設計參數(shù)，凍結和掘砌工期要求，以及地層條件類似的凍結井筒施工經(jīng)驗等。
(2)分析凍結設計需要解決的主要問題，制定凍結施工方案總體設計思路，選擇關鍵凍結工藝。 (3)確定凍結設計基本參數(shù)。主要包括凍結深度，凍結方式，供冷方式，凍結管直徑，鹽水溫度，鹽水流量，凍結壁設計控制層位，井筒開挖時間，掘砌施工至控制層所需時間，掘砌施工段高和井幫暴露時間等。
(4)按有關規(guī)定和施工經(jīng)驗，初步確定控制層位的井幫溫度、井幫位移和凍結孔鉆進精度等指標。對于砂性地層，可以不給出井幫位移控制值，但應給出凍結壁允許出現(xiàn)的塑性區(qū)范圍。同時為防止發(fā)生嚴重片幫，對井筒淺部井幫溫度也要提出控制值。
(5)計算深部主要控制層的凍結壁有效厚度。在凍結孔未布置前，按鹽水溫度、井幫溫度、凍結孔最大間距、凍結時間等設計控制參數(shù)，初步確定凍結壁平均溫度。
(6)布置凍結孑L，包括凍結孔布置圈徑、各層位凍結孑L設計最大孔間距和向內(nèi)及向其他方向的允許偏斜等。其中主凍結孔布置參數(shù)主要應依據(jù)深部控制層的凍結壁有效厚度、凍結孔向內(nèi)偏斜距離、掘砌至控制層的凍結時間，以及凍結壁擴展速度來加以確定；如有防片幫加強凍結孔，則可按允許偏斜距離、井幫溫度要求和凍結壁向內(nèi)發(fā)展速度來加以確定。
(7)凍結壁形成的動態(tài)校驗。包括凍結壁交圈時問，凍土進入荒徑時間，不同掘進深度或凍結時間的凍結壁平均溫度、井幫溫度和凍土進入荒徑位置等。如計算出的井幫溫度等與控制值不符，則應返回到上一步，對凍結孔布置參數(shù)進行調(diào)整。必要時可返回到第2步，改變凍結工藝，調(diào)整基本凍結參數(shù)；在條件允許的情況下，還可改變凍結時間。如凍結壁平均溫度與計算凍結壁有效厚度時初步取定的值不符，則需返回到第5步，重新進行計算。
(8)按凍結壁形成的動態(tài)過程分層驗算凍結壁的強度和穩(wěn)定性。如不符合控制要求，則需返回到第5步，重新布置凍結孔；或返回到第2步，改變凍結工藝，調(diào)整基本凍結參數(shù)。
(9)供冷系統(tǒng)設計。按照凍結孑L數(shù)量和單孔鹽水流量來計算總鹽水流量，按照凍結管散熱面積來計算凍結系統(tǒng)總需冷量，根據(jù)鹽水溫度及制冷設備特性參數(shù)來確定冷凍機裝機容量，最后確定出冷卻水用量和進行凍結系統(tǒng)配套設備選型。
(10)監(jiān)測與預測系統(tǒng)設計。監(jiān)測內(nèi)容主要包括凍結系統(tǒng)供冷量、凍結器工作狀況、凍結壁溫度變化、井幫溫度，以及凍土進入荒徑位置、井幫位移和底鼓量等。預測內(nèi)容主要包括試挖預測、正式開挖預測和掘進過程預測等j。
(11)凍結施工方案經(jīng)濟分析與設計優(yōu)化。根據(jù)凍結施工方案優(yōu)化結果，可以對井筒掘砌施工方法等提出建議。一般來說，同一個井筒工程，可以有多個技術可行的凍結施工方案}凍結施工方案優(yōu)化應從調(diào)整關鍵凍結工藝和設計基礎參數(shù)人手。
3結語
通過以上步驟的反復設計計算，不但可使凍結設計能滿足凍結工期、井幫溫度、凍結壁強度和穩(wěn)定性要求，而且可使凍結施工費用降到最低。凍結設計中，將井幫溫度作為一個重要的控制指標，是為了彌補凍結壁強度和穩(wěn)定性計算正確性方面所存在的不足，為掘砌創(chuàng)造良好的施工條件。
此外，由于地層條件和施工情況的復雜多變，井筒凍結設計不可能完全符合施工實際情況。因此在井筒施工中，應根據(jù)實時監(jiān)測情況，及時對設計參數(shù)進行修正和對凍結壁狀態(tài)進行預測預報；必要時可調(diào)整凍結和掘砌施工參數(shù)，以確保井筒施工順利進行。
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