CN101487261A - 型钢冻结墙基坑组合围护方法及其结构 - Google Patents

型钢冻结墙基坑组合围护方法及其结构 Download PDF

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  • Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)

Abstract

本发明公开了一种型钢冻结墙基坑组合围护方法及其结构，属于建筑施工技术领域，包括以下步骤：根据施工图纸设定的开挖界限，确定冻结墙施工和型钢的插入位置，在型钢的插入位置开挖导向沟槽，导轨置放于导沟的正上方，利用型钢自重和外部荷载，把型钢压入土中，采用间接冷却式(利用冷冻机将盐水冷却，然后将低温盐水由进液管、冻结管、回液管中循环)使土层冻结。在插入型钢的位置，沿着基坑四周施工压顶梁，以提高冻结墙的整体刚度。地下室结构完成后，立即解除冻结，并将型钢及冻结管回收。本发明具有强度高、受力性好的优点，可适应各种土层及多种地下工程。

Description

型钢冻结墙基坑组合围护方法及其结构
技术领域
本发明涉及一种基坑围护方法及结构，具体而言是指一种采用型钢冻结墙基坑组合围护方法及其结构。
背景技术
近几年，基坑围护工程已经发展到以深、大、复杂为特点的新时期，尤其是在我国东南沿海各大城市，地基属软弱地基，常伴有淤泥及流砂，地下水位高，土质条件复杂，土质差，止水已成为一大难题，此时进行大型基坑的开挖，基坑围护越来越困难，成本越来越高，虽然采用一些联合围护能达到一定的效果，但其对周围环境的影响和过高的成本常常令人难以接受。为此必须寻找一种既安全又经济的新的基坑围护方法，冻结法即为其中之一。在现有基坑围护体系中，人工地层冻结法封水性好，能适应各种复杂的环境和地质条件，并具有良好的环保性能等优点，使其在煤矿井筒、隧道、地铁、桥梁、基坑等工程中得到了广泛应用。冻结法加固地层的原理及一般过程为：首先利用人工制冷技术，将低温冷媒送入地层，使地层中的水冻结成冰，将天然岩土变成人工冻土，构筑起稳定且不透水的连续冻结墙，保证基础工程的顺利施工。但现有冻结墙作为围护结构所存在的主要缺陷是：1、无法承受较大弯矩与剪力，墙体的强度及受力性较差；2、适应性较差，对于地质较为复杂的土层或多种地下工程，难以适应。
发明内容
本发明的目的在于解决现有冻结墙基坑围护的问题，本发明的首要目的是提供一种强度高、受力性能优，止水效果好，能适应各种土层及多种地下工程的型钢冻结墙基坑组合围护方法。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案，一种型钢冻结墙基坑组合围护方法，其特征在于，包括以下步骤：
1、一种型钢冻结墙基坑组合围护方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)开挖导沟
根据施工图纸设定的开挖界限，确定冻结墙施工和型钢的插入位置，在型钢的插入位置开挖导向沟槽，保证型钢插入位置准确不发生移位，导向沟槽一般宽0.8～1.0m，深0.6～1.0m；
(2)置放导轨
将两根导轨置放于导沟的正上方，作为定位导向装置，主要用于施工导向与控制型钢插入过程中的平面位置，同时预钻冻结孔、插入型钢的孔及卸压孔；
(3)插入型钢
利用型钢自重和外部荷载，采用间隔插入式、连续插入式或组合插入式方法将型钢插入已钻好的型钢孔中，型钢插入前须清理干净其表面铁锈、灰尘及其他垃圾，并保持其表面干燥，并在型钢顶部满涂减摩料，插入过程中保持型钢的垂直度与平行度；
(4)冻结墙施工
冻结管选择在型钢插入时一起布置，或在型钢插入前布置，冻结管采取与型钢间隔设置，以防止冻结管在施工过程中遭到损坏，冻结管试漏及安装完毕后安装调试冻结系统，冻结采用间接冷却式，利用冷冻机将盐水冷却，然后将-20℃～-30℃的低温盐水由进液管、冻结管、回液管中循环，使土层冻结，形成冻结墙；
(5)施工顶圈梁
在插入型钢的位置，沿着基坑四周施工压顶梁，以提高冻结墙的整体刚度，在压顶梁上面设计制作反力架顶升装置来克服施工完毕后型钢拔除的摩阻力；
(6)冻结维护及保温
确定冻结帷幕形成并达到设计要求后，即可进入维护冻结，通过对冻结系统运行参数的调整，提高或保持盐水温度，降低或停止冻土的继续发展，维持结构施工的要求，旁通道维持冻结盐水温度控制在-22～-25℃；地面管路系统、冻结管采用聚苯乙烯泡沫塑料保温，保温厚度为50mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎，冻结壁采取基坑随挖随喷射聚氨基甲酸脂泡沫保温，再敷以防水层；
(7)工程监测
工程监测包括：地表沉降监测，土体水平变形监测，坑底隆起变形监测，支护结构内力监测，地下水位监测，冻土压力监测，冻结管内盐水温度监测；根据工程监测反馈结果，掌握地层的变形量及变形规律以指导施工；
(8)型钢及冻结管回收
开挖结构完成后，拆除冷冻机组，搬移冷冻设备，冻土墙体解冻，土层复原后拔出型钢及冻结管，进行回收，型钢拔出后，同步用砂灌入留下的孔洞中，以减少周围土体的变形；冻结管拔出后，管孔内充填密实，进行跟踪注浆。
本发明进一步设置如下：
导轨采用两根7.0m长H型钢制作而成，导轨间距布置为2.0m。
所述型钢插入方式中：
间隔插入式：型钢每间隔一个冻结管插入一根；
连续插入式：采用U型钢板桩连续插入土层中；
组合插入式：H型钢与预制板桩共同组合，紧靠冻结墙，布置在开挖侧。
所述型钢选自工字钢、H型钢、格构式钢架、大直径钢管或微型钢管的任意一种。
在型钢插入前，将减摩涂料加热至完全融化，充分搅拌使其厚薄均匀后，再涂刷在型钢表面，其厚度控制在1.0mm以上，并在型钢端部加焊2块加强腹板。
优选在型钢插入完毕后，布置冻结管。
所述盐水为氯化钙或氯化钠溶液。
所述低温盐水是指利用冷冻机将氯化钙或氯化钠溶液冷却至-20℃～-30℃制备而得。
本发明的次要目的是提供一种一种型钢冻结墙基坑组合围护结构，其特征在于，包括有冻结墙，冻结管埋设于冻结墙内，冻结管分别与进液管、回液管相连，型钢采用间隔插入式、连续插入式或组合插入式预先插入到冻结墙内，在冻结墙的外侧还设有保温层，卸压孔布置在冻结墙的周围。
本发明采用型钢冻结墙的组合围护方式，用于基坑的挡土结构，有以下优点：
1、封水性：冻结墙可有效隔绝地下水，其抗渗透性能是其它任何方法不能相比的，同时基坑发生渗透事故后修补方便；
2、强度高：冻土本身强度可达5-10Mpa，再加上插入的型钢强度，能有效提供挡墙的强度；
3、适应性强：适应各种土层及多种地下工程。尤其适用于含水量大、地层软弱，其他工法施工困难或无法施工的地下工程。
4、复原性：施工结束土层恢复原状。对土层破坏性很小。这是其他工法所无法比拟的。
5、绕障性：具有绕过障碍冻结加固和封水能力。
6、环保节能：用电能换取冷能，不污染大气环境。无有害物质排放，对地下水无污染。
7、节省造价：插入冻结墙中的型钢及冻结管回收简便，降低了工程造价。
8、缩短施工工期：冻结及型钢施工可与桩基或其它工艺平行作业。
附图说明
图1是本发明型钢冻结墙基坑组合围护方法的工艺流程图；
图2是本发明型钢冻结墙基坑组合围护结构的平面示意图；
图3是图2中冻结管位置剖面图；
图4是图2中型钢位置剖面图；
图5是型钢插入方式的示意图；
图6是型钢冻结墙的等刚度测算示意图。
图1～图6中标号：1、开挖界限，2、进液管，3、回液管，4、冻结管，5、型钢，6、冻结墙，7、保温层，8、地表排水沟，9、压顶梁，10、卸压孔。
具体实施方式
如图2、图3、图4所示，本发明的型钢冻结墙基坑组合围护结构包括有冻结墙6，冻结管4埋设于冻结墙6内，冻结管4分别与进液管2、回液管3相连，型钢5采用间隔插入式、连续插入式或组合插入式预先插入到冻结墙6内，在冻结墙6的外侧还设有保温层7，卸压孔10布置在冻结墙6的周围。
结合图1所示，本发明的型钢冻结墙基坑组合围护方法包括以下步骤：
(1)开挖导沟
根据施工图纸设定的开挖界限，确定冻结墙施工和型钢的插入位置，在型钢的插入位置开挖导向沟槽，保证型钢插入位置准确不发生移位，导向沟槽一般宽0.8～1.0m，深0.6～1.0m。
(2)置放导轨
利用两根7.0m长H型钢(间距2.0m)制作的导轨置放于导沟的正上方，作为定位导向装置。主要用于施工导向与控制型钢插入过程中的平面位置。
同时可以预钻冻结孔、插入型钢的孔及卸压孔。冻结孔安放冻结管；插入型钢的孔便于型钢的施工；卸压孔可以降低冻胀力对周围的不利影响，孔内注满优质泥浆，防止孔壁坍塌。
(3)插入型钢
型钢可以采用工字钢、H型钢、格构式钢架、大直径钢管或微型钢管等，型钢插入前必须清理干净，将其表面铁锈、灰尘及其他垃圾清除，并保证其表面完全干燥，再在型钢顶部满涂减摩料(将减摩涂料加热至完全融化，充分搅拌使其厚薄均匀后，再涂刷在型钢表面，其厚度控制在1.0mm以上)。考虑到拔除型钢时顶部吊孔处应力较为集中，故对进场后的型钢端部一律加焊2块加强腹板。
利用型钢自重和外部荷载，把型钢插入预钻孔中，插入过程中应保持型钢的垂直度与平行度，如图5所示，型钢插入方式主要有间隔插入式、连续插入式和组合插入式三种方式，其中：
间隔插入式：型钢与冻结管采用间隔布置。
连续插入式：采用U型钢板桩连续插入土层中。
组合插入式：H型钢与预制板桩共同组合，紧靠冻结墙，布置在开挖侧。
冻结管也可以选择在型钢插入时一起布置，也可在型钢插入前布置。优选在型钢插入完毕后，布置冻结管，冻结管采取与型钢间隔设置，这样可防止冻结管在施工过程中遭到损坏。
(4)冻结墙施工
冻结管试漏及安装完毕后，开始安装调试冻结系统。冻结采用间接冷却式，利用冷冻机将盐水(氯化钙或氯化钠溶液)冷却，然后将低温盐水(-20℃～-30℃)由进液管、冻结管、回液管中循环，使土层冻结，形成冻结墙。
冻结法施工主要机械设备
 
序号 设备名称 规格、型号 备注
1 螺杆冷冻机组 JYSGF300 II 87500K cal/h
2 盐水泵 IS125-100-200 200m3/h
3 冷却水泵 IS125-100-200C 120m3/h
4 冷却塔 NBL-50 15m3/h
5 钻机 MK-50 -
6 电焊机 BS-40 -
7 抽氟机 - -
(5)施工顶圈梁
在插入型钢的位置，沿着基坑四周施工压顶梁，以提高冻结墙的整体刚度。施工时型钢及冻结管穿过压顶梁时做好保护措施。同时在压顶梁上面设计制作反力架顶升装置来克服施工完毕后型钢拔除的摩阻力。
(6)冻结维护及保温
通过对冻结系统运行参数的调整，提高或保持盐水温度，降低或停止冻土的继续发展，维持结构施工的要求。旁通道维持冻结盐水温度一般控制在-22～-25℃之间。维护冻结时间由结构施工的时间决定。
确定冻结帷幕形成并达到设计要求后，即可进入维护冻结阶段。根据实测温度数据判断冻土帷幕是否交圈和达到设计厚度，测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度后再进行探孔试挖，确认冻土帷幕内土层无流动水后(饱和水除外)再进行正式开挖。
地面管路系统、冻结管采用聚苯乙烯泡沫塑料保温，保温厚度为50mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎。
冻结壁采取基坑随挖随喷射聚氨基甲酸脂泡沫保温，再敷以防水层，挖掘至坑底后即可直接浇筑墙板结构混凝土。
(7)工程监测
根据量测反馈结果，掌握地层的变形量及变形规律，以指导施工。由于基坑开挖较深，为防止施工时对地面周边建筑、地下管线、民用及公共设施带来不良影响，甚至严重破坏。对施工过程必须有完善的动态监测手段，实行信息化施工。
工程监测贯穿整个施工过程，其主要监测内容为：地表沉降监测，土体水平变形监测，坑底隆起变形监测，支护结构内力监测，地下水位监测，冻土压力监测，冻结管内盐水温度监测。
冻结法施工主要量测设备
 
序号 仪器名称 拟采用仪器 备注
1 精密水准仪及铟钢尺 ZEISS/徕卡NA2型水准仪 沉降
2 全站仪 DTM-612A 水平位移
3 测斜仪 SINCO双向测斜仪 测斜
4 钢弦式压力传感器 BGK4500S/4800 轴力
5 钢尺式水位计 SWJ-90型钢尺水位计 地下水位
6 测温仪 GDM8145 测量冻土温度
7 打压机 20MPa 冻结器打压试漏
8 收敛仪 JSS30A型数显收敛仪 冻土帷幕收敛
9 钢卷尺 20m
(8)型钢及冻结管回收
地下室结构完成后，拆除冷冻机组，搬移冷冻设备，冻土墙体解冻，土层复原后拔出型钢及冻结管，进行回收。型钢拔出后，同步用砂灌入留下的孔洞中，以减少周围土体的变形；冻结管拔出后，管孔内要充填密实，进行适当的跟踪注浆。
本发明型钢冻结墙的作用机理：
冻结墙作为围护结构无法承受较大弯矩与剪力，插入其中的型钢可大大改善墙体受力。型钢主要用来承受弯矩与剪力，冻结墙主要用来止水防渗，对型钢还有围箍作用。在钢结构的计算中，受力型钢要考虑翼缘和腹板的稳定性，为防止翼缘和腹板失稳，翼缘和腹板不可能做得很薄，而插入冻结墙中型钢因为冻结墙的围箍作用，可不考虑翼缘和腹板的失稳，可将翼缘和腹板做得很薄(小于10mm)。
冻结墙与型钢共同作用尽管无法和钢筋混凝土相比，但对墙体刚度的提高是十分明显的。
型钢冻结墙计算模型：
型钢冻结墙的计算可采用和其他板桩式结构相同的计算方法，其土压力可按朗金理论确定，也可按考虑时空效应原理的修正方法确定，然后对挡墙进行抗倾覆验算、抗滑动验算和墙身强度验算，并利用圆弧滑动法进行边坡整体稳定验算，当基坑底涉及流砂和管涌时尚需进行抗渗流验算。
设计计算：
型钢冻结墙设计计算要计算其内力与位移，并验算冻结墙、型钢的强度，如图6所示，具体步骤如下：
1、折算为等刚度厚h的混凝土壁式地下墙
设型钢宽度为W，型钢间的净距为t，可将其按刚度相等的原则折算为一定厚度的钢筋混凝土壁式地下连续墙，分两种情况考虑：
(1)不考虑刚度提高系数α
型钢冻结墙仅考虑型钢刚度，每根型钢可等价为宽W+t，厚度为h的混凝土壁式地下墙，由二者刚度相等有
ES IS＝Ef(W+t)h3/12
Figure A200910095768D00161
式中Es——型钢弹性模量；
    Is——型钢惯性矩；
    Ef——冻结墙弹性模量。
(2)考虑刚度提高系数α
型钢冻结墙整体刚度EfSIfS＝αES IS，则墙体内力计算可按整体壁式地下墙计算，也将其等价为厚度为h的混凝土壁式地下墙计算。
EfS IfS＝Ef(W+t)h3/12
Figure A200910095768D00162
2、按厚h的混凝土壁式地下墙，计算每延米墙体弯矩、剪力与位移MW、QW、UW。
3、折算成每根型钢的弯矩、剪力与位移MP、QP、UP
每根型钢承受水土压力沿围护结构延长方向长度为(W+t)，则每根型钢内力与位移为：
弯矩：
MP＝(W+t)MW
剪力：
QP＝(W+t)QW
位移：
UP＝UW
计算中如果不考虑提高系数α，仅考虑型钢作用，为保证合适的计算位移必然导致设计不尽合理，如果考虑提高系数α，设计弯矩与计算位移会更接近实际情况。当有足够可靠的试验资料和工程经验的情况时，应首先考虑采用考虑提高系数α的方法。
4、强度验算
(1)型钢抗弯验算
考虑弯矩全部由型钢承担，则型钢应力需满足：
    σ＝M/W≤[σ]
式中σ——计算拉应力，N/m2；
    M——(W+t)长度内计算弯矩，N·m；
    W——型钢截面矩，m3；
    [δ]——型钢允许抗拉应力，N/m2。
(2)抗剪验算
抗剪验算分为两部分，一部分是型钢抗剪验算，一部分是冻结墙局部抗剪验算。
型钢剪应力应满足：
τ＝QS/Iδ≤[T]
式中Q——型钢计算剪力，N；
    S——型钢面积距，m3；
    I——型钢惯性矩，m4；
    δ——所验算点的钢板厚度，m；
[τ]——型钢允许剪应力，N/m2。
(3)冻结墙局部抗剪
由于型钢刚度远大于冻结墙刚度，必须验算冻结墙与型钢联接部位的错动剪力，如图6所示，
设型钢之间的平均侧压力为q，则型钢与冻结墙之间剪力为Q＝q·L2/2，冻结墙抗剪应满足：
T＝Q/2b≤[τ]
式中τ——所验算截面处剪应力；
    b——冻结墙厚度；
    [τ]——冻结墙抗剪强度。
本发明与现有SMW工法的比较
型钢冻结墙作为一种新型的基坑围护体系，与原有的SMW工法相比，优点比较多：1、型钢回收更加简便；2、围护体系强度更加可靠；3、场地适应性更加强；4、防渗效果更加明显；5、无污染，更加环保节能。

Claims (9)

1、一种型钢冻结墙基坑组合围护方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)开挖导沟
根据施工图纸设定的开挖界限，确定冻结墙施工和型钢的插入位置，在型钢的插入位置开挖导向沟槽，保证型钢插入位置准确不发生移位，导向沟槽一般宽0.8～1.0m，深0.6～1.0m；
(2)置放导轨
将两根导轨置放于导沟的正上方，作为定位导向装置，主要用于施工导向与控制型钢插入过程中的平面位置，同时预钻冻结孔、插入型钢的孔及卸压孔；
(3)插入型钢
利用型钢自重和外部荷载，采用间隔插入式、连续插入式或组合插入式方法将型钢插入已钻好的型钢孔中，型钢插入前须清理干净其表面铁锈、灰尘及其他垃圾，并保持其表面干燥，并在型钢顶部满涂减摩料，插入过程中保持型钢的垂直度与平行度；
(4)冻结墙施工
冻结管选择在型钢插入时一起布置，或在型钢插入前布置，冻结管采取与型钢间隔设置，以防止冻结管在施工过程中遭到损坏，冻结管试漏及安装完毕后安装调试冻结系统，冻结采用间接冷却式，利用冷冻机将盐水冷却，然后将-20℃～-30℃的低温盐水由进液管、冻结管、回液管中循环，使土层冻结，形成冻结墙；
(5)施工顶圈梁
在插入型钢的位置，沿着基坑四周施工压顶梁，以提高冻结墙的整体刚度，在压顶梁上面设计制作反力架顶升装置来克服施工完毕后型钢拔除的摩阻力；
(6)冻结维护及保温
确定冻结帷幕形成并达到设计要求后，即可进入维护冻结，通过对冻结系统运行参数的调整，提高或保持盐水温度，降低或停止冻土的继续发展，维持结构施工的要求，旁通道维持冻结盐水温度控制在-22～-25℃；地面管路系统、冻结管采用聚苯乙烯泡沫塑料保温，保温厚度为50mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎，冻结壁采取基坑随挖随喷射聚氨基甲酸脂泡沫保温，再敷以防水层；
(7)工程监测
工程监测包括：地表沉降监测，土体水平变形监测，坑底隆起变形监测，支护结构内力监测，地下水位监测，冻土压力监测，冻结管内盐水温度监测；根据工程监测反馈结果，掌握地层的变形量及变形规律以指导施工；
(8)型钢及冻结管回收
开挖结构完成后，拆除冷冻机组，搬移冷冻设备，冻土墙体解冻，土层复原后拔出型钢及冻结管，进行回收，型钢拔出后，同步用砂灌入留下的孔洞中，以减少周围土体的变形；冻结管拔出后，管孔内充填密实，进行跟踪注浆。
2、如权利要求1所述的一种型钢冻结墙基坑组合围护方法，其特征在于：导轨采用两根7.0m长H型钢制作而成，导轨间距布置为2.0m。
3、如权利要求1所述的一种型钢冻结墙基坑组合围护方法，其特征在于：所述型钢插入方式中：
间隔插入式：型钢每间隔一个冻结管插入一根；
连续插入式：采用U型钢板桩连续插入土层中；
组合插入式：H型钢与预制板桩共同组合，紧靠冻结墙，布置在开挖侧。
4、如权利要求1或3所述的一种型钢冻结墙基坑组合围护方法，其特征在于：所述型钢选自工字钢、H型钢、格构式钢架、大直径钢管或微型钢管的任意一种。
5、如权利要求1所述的一种型钢冻结墙基坑组合围护方法，其特征在于：在型钢插入前，将减摩涂料加热至完全融化，充分搅拌使其厚薄均匀后，再涂刷在型钢表面，其厚度控制在1.0mm以上，并在型钢端部加焊2块加强腹板。
6、如权利要求1所述的一种型钢冻结墙基坑组合围护方法，其特征在于：冻结管也可以选择在型钢插入时一起布置，也可在型钢插入前布置。
7、如权利要求1所述的一种型钢冻结墙基坑组合围护方法，其特征在于：所述盐水为氯化钙或氯化钠溶液。
8、如权利要求1所述的一种型钢冻结墙基坑组合围护方法，其特征在于：所述低温盐水是指利用冷冻机将氯化钙或氯化钠溶液冷却至-20℃～-30℃制备而得。
9、一种型钢冻结墙基坑组合围护结构，其特征在于，包括有冻结墙(6)，冻结管(4)埋设于冻结墙(6)内，冻结管(4)分别与进液管(2)、回液管(3)相连，型钢(5)采用间隔插入式、连续插入式或组合插入式预先插入到冻结墙(6)内，在冻结墙(6)的外侧还设有保温层(7)，卸压孔(10)布置在冻结墙(6)的周围。
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