CN102733405B - 一种多年冻土区用于降低冻土温度和阻止向基坑内汇水的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在多年冻土区用于降温周围冻土、阻止向开挖基坑内汇水的方法，其特征是：在距离设计基坑周边间距为0.5-5m开挖一坑槽，槽深度至地下多年冻土上限以下0-100cm的深度；在坑槽底部铺设冷却管，然后，在冷却管上面和沟槽底部、并沿坑壁铺设隔水膜至地表，用填土回填并夯实；注有循环冷冻液冷却管通过软管与地表制冷机相连。实践证明：本发明通过致冷和隔水的有效组合解决了暖季施工过程中冻土和开挖基坑的冻土融化、失稳，以及地下水的渗水和积水问题，有效保护了多年冻土的稳定，保证了青藏直流联网工程在多年冻土区的正常施工和长期稳定。

Description

一种多年冻土区用于降低冻土温度和阻止向基坑内汇水的方法

技术领域

本发明涉及多年冻土区暖季工程建筑基坑开挖过程中，用于开挖基坑冻土冻结和阻止地下水的方法。

背景技术

我国多年冻土分布面积约215万平方公里，约占国土面积的22％，占世界第三位，主要分布在青藏高原，东北大、小兴安岭和天山、阿尔泰山等地区。随着国家经济建设的不断加快，在这些特殊地区不断进行着青藏公路、青藏铁路、青藏输电线路、东北哈大高速、中俄输油管道等国家重大项目的建设。这些工程在建设过程中，特别是于2010年至2011年在青藏高原进行的青藏直流联网工程输电线路重大工程的建设，不可避免进行了大量的基坑开挖工作，由此导致一些重要工程问题的产生，主要包括开挖基坑的积水问题，以及开挖过程导致多年冻土上限附近冻土温度升高而导致基坑和冻土基础稳定性下降等问题。

1、对于开挖基坑的积水问题分析

在多年冻土区，由于年平均气温低于0℃，在长年的冻融循环过程中，会在地下一定深度形成长年不化的冻土层，被称为多年冻土。在季节变化过程中，夏天土体的融化只能到达一定深度，而以下长年不化冻土的顶部在冻土学中被称为“多年冻土顶板、或多年冻土上限”，一般为深度为2m左右，且在年际变化过程中基本维持稳定。正是由于多年冻土的存在，导致了地下水空间分布特征与一般地区存在根本的差异。由于多年冻土对水分的隔水作用，夏季降水、或地表的径流下渗的水分只能到达多年冻土层的顶部，并在此大量汇集，而难以向冻土内部扩散。因此，多年冻土区的地下水只能以层状，存在于多年冻土顶部、地下较浅的位置，而在冻土学中被称为“冻结层上水”。

在多年冻土区，由于冻融循环的反复作用、以及水分迁移作用，多年冻土顶板以上附近，即地下水的持水层，土质颗粒一般较细，多为细颗粒土。因此，由于细颗粒土对水分的吸附和阻挡作用，当基坑开挖后，地下水不会很快涌出，但随着时间的持续，地下水在压差的作用下会携带大量的细颗粒土逐渐开始流动，并随着流动过程逐渐形成水利通道，过水量会持续、大量增加。

因此，基坑开挖后，极易导致周边冻结层上水大量持续地向基坑内部涌水和积水，会导致地下冰的不断融化，以致基坑坑壁的大量坍塌和不断失稳，对施工人员安全、建设周期、建设成本、施工质量等造成重大影响。地下冰的融化，以及下部冻土受到的热扰动，也会危及工程完工后冻土基础的长期热稳定。因此如何有效避免冻结层上水对冻土基坑施工过程的影响是冻土基坑施工的一大难题。由于冻结层上水的大量涌入基坑，严重影响了青藏直流联网工程在多年冻土区的正常施工。为避免这种影响，许多工地施工工期被迫推迟至冬季以后才开始施工。

在一般常规地区进行基础基坑开挖施工时，常采用的止水措施包括：1、在开挖基坑附近打孔并进行排水，降低开挖处的地下水位，如真空井点、管井法等；2、在基坑内修建集水井，再用水泵将水抽走排走，即井点排水法；3、打孔后用高压泥浆泵，向周围土体注入固化浆液，凝固后便在土体中形成具有一定性能和形状的固结体，由多个高压喷射注浆固结体形成帷幕，以达到止水效果，此法为高压喷射注浆法。上述这些方法在常规地区对地下水涌入基坑发挥了良好的作用，但是多年冻土区，由于地下水空间分布特殊的特性，使得这些方法难以发挥有效作用。其原因在于，这些方法主要通过排水孔的大量抽水，大幅降低周围水位，而避免地下水向开挖基坑内部的汇集。但在多年冻土区，由于冻土隔水作用的存在，地下水难以穿过冻土层、其水位难以发生大的改变，难以向排水孔汇集，由此造成常规方法的失效。其次，高压喷射注浆法凝固过程产生的大量的热量而导致冻土表层顶板下部冻土的融化，会对冻土产生严重的热扰动，使其在基坑开挖施工中也难以发挥有效作用。

正是上述各种原因的存在，也就导致多年冻土区基坑阻水、冻土融化、基础稳定性受到严重影响等难题的存在和亟待解决。

2、对于冻土温度升高问题分析

受工程施工的要求影响，一些冻土工程需要在暖季进行施工。在暖季，降水和气温都会较其它时段高出很多。受此影响，地下水不仅会大量聚集在多年冻土的顶部，而且会造成冻土上限附近冻土温度的升高。基坑开挖后极易导致大量的涌水、冻土的融化、基坑的坍塌。因此，暖季施工不仅地下水的隔水更为困难，其涌水也会导致更为严重的后果。因此，在施工过程中在有效消除冻结层上水影响的同时，如何有效保证基坑周边多年冻土上限附近的冻土温度，并维持稳定，是冻土工程建设中亟待解决的重要难题之一。

发明内容

针对多年冻土区基坑暖季开挖施工过程中冻土的融化、以及地下水涌水和积水对施工造成的影响，本发明提供一种阻止冻结层上水向开挖基坑汇水的方法，通过致冷和隔水的有效组合在有效阻止冻结层上水涌水的同时，对周围的冻土起到降温和有效保护作用。

本发明的目的是通过如下措施来达到：

一种在多年冻土区用于降温周围冻土、阻止向开挖基坑内汇水的方法其特征是：在距离设计基坑周边间距为0.5-5m开挖一坑槽，在坑槽地下多年冻土上限0-100cm的深度铺设冷却管，然后，在冷却管上面和沟槽底部、并沿坑壁铺设隔水膜至地表，用填土回填并夯实；注有循环冷冻液冷却管通过软管与地表制冷机相连。

上述冷却管为铝塑管，或为金属管，或为PVC塑料管。

上述冷冻液为盐水、或不冻液、或液氮。

上述的隔水膜为PVC薄膜，或为土工布，或为彩条布。

上述开挖的窄形坑槽侧壁与拟开挖基坑边缘的间距为0.5-5m。

本发明的优点和产生的有益效果是：

1、本发明针对多年冻土区进行基坑开挖过程中有冻土上限层水涌入基坑，影响施工，延误工期等问题。在充分考虑暖季施工多年冻土、冻结上限表层水的结构特点和相互关系，提供了一种阻止冻土上限表层水向基坑内涌流和积水的方法，降低冻土上限附近冻土温度，增强基坑稳定性，保证输电线路工程在多年冻土区的正常施工和基础。有效地解决了不同季节，特别是暖季多年冻土区基坑阻水的工程难题。

2、本发明利用致冷设备，通过致冷冻结，使得隔水膜与周围的冻土冻结为一体，彻底切断了地下水向开挖基坑流动过程的水利通道，有效地阻止冻结上限表层水向基坑内汇水，有效保证了工程施工的顺利进行和施工工期的完成。避免了汇水造成基坑坑壁坍塌，同时，确保了基坑内部施工人员的安全性；在保证基坑处于干燥状态的同时，保证了浇筑混凝土桩基的质量稳定性。

3、基坑的开挖不受环境温度的限制，特别是针对暖季难以施工的季节，可以保证工程的正常进行。

4、本发明在有效阻止冻结层上水向基坑内汇水的同时，消除了冻结上限表层水向基坑内汇水和对基坑周边和下部冻土的热扰动。同时对下部冻土起到了进一步降温和增加稳定性的作用。

5、本发明设计结构简单，可在现场进行快速实施，且成本低廉，便于推广。

附图说明

图1为本发明隔水膜和冷却管安装及回填土回填断面示意图。

图2为本发明隔水和冷却管安装完成后剖面结构示意图。

图3为本发明冷却系统安装完成后整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案再作进一步的说明：

实施例1

一种阻止冻土上限层向开挖基坑内汇水的方法，在暖季施工过程中，在距离拟开挖基坑边缘外侧3.5m位置，用窄斗小型挖掘机开挖一窄形坑槽1，开挖深度至地下多年冻土上限4以下30cm的深度。在挖掘过程中，挖掘机一边挖掘、一边在开挖坑槽1底部布设铝塑管5，一边从坑底、沿坑槽内偏向基坑的侧壁、至地表铺放PVC薄膜；同时一边对坑槽1进行填土3回填，并夯实。其中，铝塑管通过软管与地表制冷设机6相连，铝塑管置于PVC薄膜的下面，为避免PVC薄膜对环境造成的影响，在填土3回填过程中，可将PVC薄膜全部埋置于土体中，结构如图2所示。挖掘机开挖沟槽较窄、较短，且深度不深，不会发生坑壁坍塌。由于多年冻土上限表层附近细颗粒土的持水性，挖掘过程中暂时不会出现涌水。待一切安装完毕后，向冷却管5内注入盐水，并进行密封，再开启致冷机6，促使冷冻液循环流动和降温。

为保证对上限附近冻土的良好降温和对周围地下水的有效隔水，可以待坑槽填土工作结束后一到两天，再进行基坑的开挖。

为避免周围环境温度、或日照对基坑壁冻土的热影响，在基坑开挖的过程中，应及时对已经开挖基坑的坑壁进行温度的保护，如铺设彩条布、草帘等进行坑壁的保温和隔热。

为保证施工过程中，冷却措施效果有效发挥，基坑的施工时间也应控制在几天时间内完成。

Claims (4)

1.一种在多年冻土区用于降温周围冻土、阻止向开挖基坑内汇水的方法，其特征是：在距离设计基坑周边间距为0.5-5m开挖一坑槽(1)，坑槽(1)深度至地下多年冻土上限(4)以下0-100cm，在坑槽(1)铺设冷却管(5)，然后，在冷却管上面和坑槽底部、并沿坑壁铺设隔水膜(2)至地表，用填土(3)回填并夯实；注有循环冷冻液冷却管通过软管与地表制冷机(6)相连。

2.如权利要求1所述一种在多年冻土区用于降温周围冻土、阻止向开挖基坑内汇水的方法，其特征是：所述冷却管为铝塑管，或为金属管，或为PVC塑料管。

3.如权利要求1所述一种在多年冻土区用于降温周围冻土、阻止向开挖基坑内汇水的方法，其特征是：所述循环冷冻液为盐水、或为不冻液、或为液氮。

4.如权利要求1所述一种在多年冻土区用于降温周围冻土、阻止向开挖基坑内汇水的方法，其特征是：所述的隔水膜为PVC薄膜，或为土工布，或为彩条布。