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關(guān)于快速?gòu)?qiáng)化凍結(jié)法施工動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法初探論文
論文關(guān)鍵詞：快速?gòu)?qiáng)化凍結(jié)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)程序?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)凍強(qiáng)壁
論文摘要：結(jié)合我國(guó)凍結(jié)工程技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，闡述了快速?gòu)?qiáng)化凍結(jié)設(shè)計(jì)目標(biāo)及原則，詳細(xì)介紹了快速?gòu)?qiáng)化凍結(jié)設(shè)計(jì)程序和設(shè)計(jì)內(nèi)容。指出了只要遵循強(qiáng)化凍結(jié)設(shè)計(jì)程序進(jìn)行凍結(jié)設(shè)計(jì)，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?gòu)?qiáng)化凍結(jié)設(shè)計(jì)方法可為地下工程凍結(jié)設(shè)計(jì)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(shí)，常采用凍結(jié)法施工。凍結(jié)法自1955年在我國(guó)首次獲得實(shí)際應(yīng)用以來，經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)已成為我國(guó)礦井通過深厚沖積層的主要施工方法之一。我國(guó)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(xiàng)目中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過多年的實(shí)踐，我國(guó)工程技術(shù)人員基本掌握了近水平凍結(jié)設(shè)計(jì)、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(yàn)。目前，我國(guó)已成為世界上凍結(jié)法應(yīng)用較多的國(guó)家之一口I。]。實(shí)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(jì)方法已不能適應(yīng)凍結(jié)法施工發(fā)展趨勢(shì)，研究快速?gòu)?qiáng)化凍結(jié)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法勢(shì)在必行。
1快速?gòu)?qiáng)化凍結(jié)設(shè)計(jì)目標(biāo)及設(shè)計(jì)原則
快速?gòu)?qiáng)化凍結(jié)設(shè)計(jì)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(jià)值工程的觀點(diǎn)來講，就是要用最少的資源投入來實(shí)現(xiàn)最佳的地層凍結(jié)加固效果。但在實(shí)際工程中，由于地層和施工條件的不同，對(duì)凍結(jié)設(shè)計(jì)與施工的要求也不同。如深厚粘土層應(yīng)重點(diǎn)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(shí)，應(yīng)重點(diǎn)解決降低凍結(jié)施工費(fèi)用和提高井筒掘砌速度等問題。對(duì)于一個(gè)凍結(jié)井筒工程項(xiàng)目來說，凍結(jié)設(shè)計(jì)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(fèi)用和提高井筒掘砌速度更好地統(tǒng)一起來。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，井筒快速?gòu)?qiáng)化凍結(jié)設(shè)計(jì)需遵循以下原則：
(1)凍結(jié)設(shè)計(jì)必須以實(shí)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(diǎn)，凍結(jié)設(shè)計(jì)要考慮井壁結(jié)構(gòu)情況，并對(duì)井筒掘砌速度、掘進(jìn)段高與井幫暴露時(shí)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(duì)凍結(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。在井筒凍結(jié)設(shè)計(jì)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(duì)掘進(jìn)段高的要求進(jìn)行凍結(jié)施工參數(shù)設(shè)計(jì)；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(dòng)態(tài)控制觀點(diǎn)，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(píng)價(jià)凍結(jié)壁的安全性。在整個(gè)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(shí)，需要根據(jù)該層位的土層特性和當(dāng)時(shí)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?gòu)?qiáng)化凍結(jié)設(shè)計(jì)方法區(qū)別于傳統(tǒng)凍結(jié)設(shè)計(jì)方法的根本點(diǎn)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(jì)凍結(jié)壁時(shí)，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(jì)算的，因此在凍結(jié)設(shè)計(jì)中，只能根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，將凍結(jié)管與井幫距離、凍土進(jìn)入荒徑量和掘進(jìn)時(shí)的井幫溫度作為布置凍結(jié)孔和設(shè)計(jì)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(duì)凍結(jié)壁進(jìn)行精確設(shè)計(jì)計(jì)算是不現(xiàn)實(shí)的，需要借助于工程類比法來評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案的可靠性。同時(shí)工程類比應(yīng)與理論分析相結(jié)合，以工程實(shí)測(cè)規(guī)律為依據(jù)。
(7)要做好實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過程的有效監(jiān)控。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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?gòu)?qiáng)化凍結(jié)設(shè)計(jì)程序和設(shè)計(jì)內(nèi)容
根據(jù)快速?gòu)?qiáng)化凍結(jié)設(shè)計(jì)原則，結(jié)合深厚沖積層凍結(jié)鑿井工程設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，提出了有別于常規(guī)的快速?gòu)?qiáng)化凍結(jié)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法；其設(shè)計(jì)程序和設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：
(I)收集和分析設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料。包括井筒地質(zhì)資料，井筒設(shè)計(jì)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(yàn)等。
(2)分析凍結(jié)設(shè)計(jì)需要解決的主要問題，制定凍結(jié)施工方案總體設(shè)計(jì)思路，選擇關(guān)鍵凍結(jié)工藝。 (3)確定凍結(jié)設(shè)計(jì)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(jì)控制層位，井筒開挖時(shí)間，掘砌施工至控制層所需時(shí)間，掘砌施工段高和井幫暴露時(shí)間等。
(4)按有關(guān)規(guī)定和施工經(jīng)驗(yàn)，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(duì)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(shí)為防止發(fā)生嚴(yán)重片幫，對(duì)井筒淺部井幫溫度也要提出控制值。
(5)計(jì)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(shí)間等設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(dòng)態(tài)校驗(yàn)。包括凍結(jié)壁交圈時(shí)問，凍土進(jìn)入荒徑時(shí)間，不同掘進(jìn)深度或凍結(jié)時(shí)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(jì)算出的井幫溫度等與控制值不符，則應(yīng)返回到上一步，對(duì)凍結(jié)孔布置參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。必要時(shí)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(shí)間。如凍結(jié)壁平均溫度與計(jì)算凍結(jié)壁有效厚度時(shí)初步取定的值不符，則需返回到第5步，重新進(jìn)行計(jì)算。
(8)按凍結(jié)壁形成的動(dòng)態(tài)過程分層驗(yàn)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(jì)。按照凍結(jié)孑L數(shù)量和單孔鹽水流量來計(jì)算總鹽水流量，按照凍結(jié)管散熱面積來計(jì)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(cè)與預(yù)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。監(jiān)測(cè)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(cè)內(nèi)容主要包括試挖預(yù)測(cè)、正式開挖預(yù)測(cè)和掘進(jìn)過程預(yù)測(cè)等j。
(11)凍結(jié)施工方案經(jīng)濟(jì)分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化。根據(jù)凍結(jié)施工方案優(yōu)化結(jié)果，可以對(duì)井筒掘砌施工方法等提出建議。一般來說，同一個(gè)井筒工程，可以有多個(gè)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(jì)基礎(chǔ)參數(shù)人手。
3結(jié)語(yǔ)
通過以上步驟的反復(fù)設(shè)計(jì)計(jì)算，不但可使凍結(jié)設(shè)計(jì)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(fèi)用降到最低。凍結(jié)設(shè)計(jì)中，將井幫溫度作為一個(gè)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(jì)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(jì)不可能完全符合施工實(shí)際情況。因此在井筒施工中，應(yīng)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)情況，及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修正和對(duì)凍結(jié)壁狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)；必要時(shí)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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