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關(guān)于快速強(qiáng)化凍結(jié)法施工動態(tài)設(shè)計方法初探論文
論文關(guān)鍵詞：快速強(qiáng)化凍結(jié)動態(tài)設(shè)計設(shè)計程序?qū)崟r監(jiān)測凍強(qiáng)壁
論文摘要：結(jié)合我國凍結(jié)工程技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，闡述了快速強(qiáng)化凍結(jié)設(shè)計目標(biāo)及原則，詳細(xì)介紹了快速強(qiáng)化凍結(jié)設(shè)計程序和設(shè)計內(nèi)容。指出了只要遵循強(qiáng)化凍結(jié)設(shè)計程序進(jìn)行凍結(jié)設(shè)計，就能很好地滿足深厚沖積層凍結(jié)井筒鑿井施工要求，確保井筒掘砌施工安全順利地進(jìn)行。快速強(qiáng)化凍結(jié)設(shè)計方法可為地下工程凍結(jié)設(shè)計提供有益的參考。
巖土工程中，當(dāng)遇到涌水、流砂、淤泥等復(fù)雜不穩(wěn)定地層條件時，常采用凍結(jié)法施工。凍結(jié)法自1955年在我國首次獲得實際應(yīng)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(jié)法應(yīng)用于地下基礎(chǔ)工程始于1987年。近年來，凍結(jié)法在上海、北京、廣州等城市的地鐵和市政基礎(chǔ)設(shè)施等工程項目中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過多年的實踐，我國工程技術(shù)人員基本掌握了近水平凍結(jié)設(shè)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(jié)法應(yīng)用較多的國家之一口I。]。實踐證明，凍結(jié)法是在松散含水土層中施工地下結(jié)構(gòu)工程的一種較為安全可靠的工法。但隨著凍結(jié)深度的不斷加大，原有的設(shè)計方法已不能適應(yīng)凍結(jié)法施工發(fā)展趨勢，研究快速強(qiáng)化凍結(jié)的動態(tài)設(shè)計方法勢在必行。
1快速強(qiáng)化凍結(jié)設(shè)計目標(biāo)及設(shè)計原則
快速強(qiáng)化凍結(jié)設(shè)計目標(biāo)與安全、優(yōu)質(zhì)、快速、高效施工的工程總目標(biāo)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(jié)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(jié)設(shè)計與施工的要求也不同。如深厚粘土層應(yīng)重點解決凍結(jié)管斷裂和外層井壁壓壞等疑難技術(shù)問題；地層條件較好時，應(yīng)重點解決降低凍結(jié)施工費用和提高井筒掘砌速度等問題。對于一個凍結(jié)井筒工程項目來說，凍結(jié)設(shè)計的最佳目標(biāo)就是將解決凍結(jié)施工技術(shù)難題與降低凍結(jié)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(biāo)，井筒快速強(qiáng)化凍結(jié)設(shè)計需遵循以下原則：
(1)凍結(jié)設(shè)計必須以實現(xiàn)工程總目標(biāo)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(jì)合理的工藝技術(shù)，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(jié)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(jié)施工工藝也應(yīng)有所區(qū)別。如在沒有深厚粘土層的凍結(jié)井筒中，一般就沒有必要采取強(qiáng)化凍結(jié)措施。
(3)根據(jù)系統(tǒng)工程觀點，凍結(jié)設(shè)計要考慮井壁結(jié)構(gòu)情況，并對井筒掘砌速度、掘進(jìn)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(jié)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。在井筒凍結(jié)設(shè)計中，為便于操作，可先按合同規(guī)定的掘砌速度和有關(guān)規(guī)范對掘進(jìn)段高的要求進(jìn)行凍結(jié)施工參數(shù)設(shè)計；而后在井筒施工中，再根據(jù)凍結(jié)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(jìn)段高。
(4)根據(jù)動態(tài)控制觀點，結(jié)合掘砌施工進(jìn)度，考慮凍結(jié)壁發(fā)展規(guī)律來布置凍結(jié)孔和評價凍結(jié)壁的安全性。在整個井筒凍結(jié)施工過程中，凍結(jié)壁厚度和溫度都是變化的；掘進(jìn)到某一層位時，需要根據(jù)該層位的土層特性和當(dāng)時的凍結(jié)壁發(fā)展?fàn)顩r來判斷施工是否安全。這是優(yōu)化凍結(jié)施工參數(shù)以降低施工成本和縮短工期的基礎(chǔ)，也是快速強(qiáng)化凍結(jié)設(shè)計方法區(qū)別于傳統(tǒng)凍結(jié)設(shè)計方法的根本點之一。
(5)深厚粘土層中經(jīng)常遇到的凍結(jié)管斷裂和外層井壁被壓壞的問題主要與凍結(jié)壁變形有關(guān)。因此，在設(shè)計凍結(jié)壁時，應(yīng)將控制凍結(jié)壁變形作為主要依據(jù)。但由于凍結(jié)壁變形是難以從理論上進(jìn)行正確計算的，因此在凍結(jié)設(shè)計中，只能根據(jù)以往施工經(jīng)驗，將凍結(jié)管與井幫距離、凍土進(jìn)入荒徑量和掘進(jìn)時的井幫溫度作為布置凍結(jié)孔和設(shè)計凍結(jié)壁的重要指標(biāo)。
(6)由于地層條件和施工情況的復(fù)雜多變，目前要對凍結(jié)壁進(jìn)行精確設(shè)計計算是不現(xiàn)實的，需要借助于工程類比法來評價設(shè)計方案的可靠性。同時工程類比應(yīng)與理論分析相結(jié)合，以工程實測規(guī)律為依據(jù)。
(7)要做好實時監(jiān)測和預(yù)測預(yù)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(yù)測預(yù)報，可實現(xiàn)對施工過程的有效監(jiān)控，從而可使凍結(jié)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(qiáng)化凍結(jié)設(shè)計程序和設(shè)計內(nèi)容
根據(jù)快速強(qiáng)化凍結(jié)設(shè)計原則，結(jié)合深厚沖積層凍結(jié)鑿井工程設(shè)計與施工經(jīng)驗，提出了有別于常規(guī)的快速強(qiáng)化凍結(jié)動態(tài)設(shè)計方法；其設(shè)計程序和設(shè)計內(nèi)容如下：
(I)收集和分析設(shè)計基礎(chǔ)資料。包括井筒地質(zhì)資料，井筒設(shè)計參數(shù)，凍結(jié)和掘砌工期要求，以及地層條件類似的凍結(jié)井筒施工經(jīng)驗等。
(2)分析凍結(jié)設(shè)計需要解決的主要問題，制定凍結(jié)施工方案總體設(shè)計思路，選擇關(guān)鍵凍結(jié)工藝。 (3)確定凍結(jié)設(shè)計基本參數(shù)。主要包括凍結(jié)深度，凍結(jié)方式，供冷方式，凍結(jié)管直徑，鹽水溫度，鹽水流量，凍結(jié)壁設(shè)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(guān)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(jié)孔鉆進(jìn)精度等指標(biāo)。對于砂性地層，可以不給出井幫位移控制值，但應(yīng)給出凍結(jié)壁允許出現(xiàn)的塑性區(qū)范圍。同時為防止發(fā)生嚴(yán)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(jié)壁有效厚度。在凍結(jié)孔未布置前，按鹽水溫度、井幫溫度、凍結(jié)孔最大間距、凍結(jié)時間等設(shè)計控制參數(shù)，初步確定凍結(jié)壁平均溫度。
(6)布置凍結(jié)孑L，包括凍結(jié)孔布置圈徑、各層位凍結(jié)孑L設(shè)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(jié)孔布置參數(shù)主要應(yīng)依據(jù)深部控制層的凍結(jié)壁有效厚度、凍結(jié)孔向內(nèi)偏斜距離、掘砌至控制層的凍結(jié)時間，以及凍結(jié)壁擴(kuò)展速度來加以確定；如有防片幫加強(qiáng)凍結(jié)孔，則可按允許偏斜距離、井幫溫度要求和凍結(jié)壁向內(nèi)發(fā)展速度來加以確定。
(7)凍結(jié)壁形成的動態(tài)校驗。包括凍結(jié)壁交圈時問，凍土進(jìn)入荒徑時間，不同掘進(jìn)深度或凍結(jié)時間的凍結(jié)壁平均溫度、井幫溫度和凍土進(jìn)入荒徑位置等。如計算出的井幫溫度等與控制值不符，則應(yīng)返回到上一步，對凍結(jié)孔布置參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。必要時可返回到第2步，改變凍結(jié)工藝，調(diào)整基本凍結(jié)參數(shù)；在條件允許的情況下，還可改變凍結(jié)時間。如凍結(jié)壁平均溫度與計算凍結(jié)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(jìn)行計算。
(8)按凍結(jié)壁形成的動態(tài)過程分層驗算凍結(jié)壁的強(qiáng)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(jié)孔；或返回到第2步，改變凍結(jié)工藝，調(diào)整基本凍結(jié)參數(shù)。
(9)供冷系統(tǒng)設(shè)計。按照凍結(jié)孑L數(shù)量和單孔鹽水流量來計算總鹽水流量，按照凍結(jié)管散熱面積來計算凍結(jié)系統(tǒng)總需冷量，根據(jù)鹽水溫度及制冷設(shè)備特性參數(shù)來確定冷凍機(jī)裝機(jī)容量，最后確定出冷卻水用量和進(jìn)行凍結(jié)系統(tǒng)配套設(shè)備選型。
(10)監(jiān)測與預(yù)測系統(tǒng)設(shè)計。監(jiān)測內(nèi)容主要包括凍結(jié)系統(tǒng)供冷量、凍結(jié)器工作狀況、凍結(jié)壁溫度變化、井幫溫度，以及凍土進(jìn)入荒徑位置、井幫位移和底鼓量等。預(yù)測內(nèi)容主要包括試挖預(yù)測、正式開挖預(yù)測和掘進(jìn)過程預(yù)測等j。
(11)凍結(jié)施工方案經(jīng)濟(jì)分析與設(shè)計優(yōu)化。根據(jù)凍結(jié)施工方案優(yōu)化結(jié)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(shù)可行的凍結(jié)施工方案}凍結(jié)施工方案優(yōu)化應(yīng)從調(diào)整關(guān)鍵凍結(jié)工藝和設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)人手。
3結(jié)語
通過以上步驟的反復(fù)設(shè)計計算，不但可使凍結(jié)設(shè)計能滿足凍結(jié)工期、井幫溫度、凍結(jié)壁強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，而且可使凍結(jié)施工費用降到最低。凍結(jié)設(shè)計中，將井幫溫度作為一個重要的控制指標(biāo)，是為了彌補(bǔ)凍結(jié)壁強(qiáng)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(fù)雜多變，井筒凍結(jié)設(shè)計不可能完全符合施工實際情況。因此在井筒施工中，應(yīng)根據(jù)實時監(jiān)測情況，及時對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行修正和對凍結(jié)壁狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測預(yù)報；必要時可調(diào)整凍結(jié)和掘砌施工參數(shù)，以確保井筒施工順利進(jìn)行。
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