CN102839670A - 一种浅层基坑冻结围护及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浅层基坑冻结围护的施工方法，包括以下步骤：A、在基坑周围设置冻结孔，在冻结孔内布置冻结管并通过安装的冻结系统冻结形成冻土墙；B、进行坑底注浆加固；C、地下动水流的检查与截止；D、在保护建（构）筑物周边设置水文孔、观测孔，预留卸压孔位置；E、积极冻结和维持冻结，形成复合式冻结墙体结构；F、结构施工后冻结解除和融沉注浆。本发明通过对浅层基坑进行冻结围护施工，可以保证在以砂质粉土和粉砂为主的富水地层地下工程施工安全，可有效控制基坑外侧城市综合管线、近距离运营轨道交通股道和周围保护性建（构）筑物的变形，同时也可满足各大市政综合管线临排于基坑内的施工要求，为该类基坑设计施工提供有效的、系统的技术保障体系，确保工程的顺利实施。

Description

一种浅层基坑冻结围护及其施工方法

技术领域

本发明涉及建筑工程技术领域中的基坑及明挖隧道施工，具体的讲是涉及一种复杂环境条件下浅层基坑冻结围护及其施工方法。

背景技术

随着城市建设的发展，越来越多的城市交通和建筑不断涌现。基坑工程作为一种辅助工法得到了长远发展，但在城市中心区域，尤其是周边综合管线密集、粉砂性软土地层、交通密集地区进行基坑工程的设计施工存在较大困难。

在软土层中进行基坑工程的施工，必然引起周围土层扰动和变形，处于土层中的管线和建（构）筑物基础也将产生一定倾斜和变形，严重的甚至发生开裂和倾覆危险，特别是在砂性土层及地下水丰富地区，降水施工等措施都有可能威胁一些保护要求微扰动毫米等级的建（构）筑物和管线安全。因此关于如何在施工过程中采取切实可行的技术，控制基坑变形，确保周围管线和建（构）筑物的安全，成了这类施工活动能否成功的关键。

常规的基坑工程施工，一般采用放坡开挖、排桩围护施工以及板式支护等措施，但这些方法在复杂环境条件下进行基坑施工很难达到对周围管线和建（构）筑物保护的要求。

发明内容

本发明目的在于提供一种复杂环境条件下浅层基坑冻结围护，能有效控制基坑围护变形、不中断运营中的轨道交通、确保周围环境和综合管线安全。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种浅层基坑冻结围护，其特征在于该围护结构为土体冻结形成的冻结墙体，基坑底部进行注浆加固，形成注浆加固层。该围护结构包括设置在基坑周围的冻结孔，并在冻结孔内设置冻结管及与其连接的冻结系统，冻结后形成冻结墙体，冻结墙体上部为上薄下厚，最薄处厚度为2~3m，最厚处厚度为3.5~4.5m，冻结墙体下部厚度一致，为1.8m~2.2m，该冻结围护用于浅层埋深5~8米冻结围护基坑工程，冻土墙插入比为1.5~2.5。基坑底部进行注浆加固，形成注浆加固层，基坑坑底注浆加固层厚度为2~5m。根据本发明的一个实施例，冻结孔包括两排深浅不同的冻结孔，靠近基坑一侧设置垂直的长冻结孔，外侧设置一排倾斜的短冻结孔，两排冻结管间距0.8~1.5m，长冻结孔间距为0.6~1m，短冻结孔间距为1~1.5m，短冻结孔的倾斜角度为15~20°。根据本发明的另一实施例，冻结墙体由一排垂直的冻结孔冻结形成，冻结孔间距为0.6~1m，冻结孔插入比为1.5~2.5，该冻结维护用于浅层埋深3~5米冻结围护基坑工程。

本发明的另一目的在于提供一种复杂环境条件下浅层基坑冻结围护的施工方法，能有效控制基坑围护变形、不中断运营中的轨道交通、确保周围环境和综合管线安全。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种浅层基坑冻结围护的施工方法，包括以下步骤：A、在基坑周围一定距离（一般为基坑周围1~2m）设置冻结孔，在冻结孔内布置冻结管并安装冻结系统；B、进行坑底注浆加固；C、地下动水流的检查与截止；D、在保护建（构）筑物周边设置水文孔、观测孔，预留卸压孔位置；E、积极冻结和维持冻结，形成冻结墙体结构；F、结构施工后冻结解除和融沉注浆。冻结墙体下部厚度1.8~2.2m,冻结墙体上部为上薄下厚，最薄处厚度为2~3m，最厚处厚度为为3.5~4.5m。其中冻结孔包括两排深浅不同的冻结孔，靠近基坑一侧设置垂直的长冻结孔，外侧设置一排倾斜的短冻结孔，两排冻结管间距0.6~1.2m。长冻结孔间距为0.6~1m，短冻结孔间距为1~1.4m，短冻结孔的倾斜角度为15~20°，冻结孔内采用φ89~127的低碳钢无缝钢管，厚度不小于5mm。冻结孔插入比为1.5~2.5，短冻结孔取较小值，长冻结孔取较大值。

本发明通过对浅层基坑进行冻结围护施工，可以保证在以砂质粉土和粉砂为主的富水地层地下工程施工安全，可有效控制基坑外侧城市综合管线、近距离运营轨道交通股道和周围保护性建（构）筑物的变形，同时也可满足各大市政综合管线临排于基坑内的施工要求，为该类基坑设计施工提供有效的、系统的技术保障体系，确保工程的顺利实施。本发明的优点在于能有效控制基坑围护变形、不中断运营中的轨道交通、确保周围环境和综合管线安全，并且自身具有环境污染小、施工效率高等优点。

附图说明

图1为本发明的设计施工流程图。

图2为本发明的双排复合式冻土墙横断面示意图。

图3为本发明的单排冻土墙横断面示意图。

图4为主要冻结施工设计参数一览表。

具体实施方式

以下结合本发明的具体实施例和附图，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明专利而不用于限制本发明专利的范围。此外应理解，在阅读了本发明专利讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

浅层基坑冻结围护包括设置在基坑周围的冻结孔，并在冻结孔内设置冻结管及与其连接的冻结系统，冻结后形成冻结墙体，该冻结墙体的深度根据地基土的抗渗流或抗管涌稳定性，按重力式挡墙进行设计，冻结墙体插入比为1.5~2.5。

根据本发明的一个实施例，如图2所示，冻结围护基坑深度约6m，冻结墙体3地下深度为20m，插入深度粘土层3.5~4.5m，冻结墙体3上部为上薄下厚，最薄处厚度为2.7m，最厚处厚度为4m，冻结墙体下部厚度2m。冻结孔包括两排深浅不同的冻结孔，靠近基坑一侧设置垂直的长冻结孔2，外侧设置一排倾斜的短冻结孔1。长冻结孔2的深度是20m，孔间距为0.8m，短冻结孔1的深度是12m，孔间距为1.2m，短冻结孔的倾斜角度为15~20°，冻结孔采用φ108×5低碳钢无缝钢管。冻结孔插入比为1.5~2.5，短冻结孔取较小值，长冻结孔取较大值。基坑底部设置注浆加固层4，基坑坑底注浆加固层厚度为3.5~4.5 m，注浆孔布置间距为0.6~1m。

根据本发明的另一实施例，如图3所示，冻结孔包括一排垂直的冻结孔6，冻结孔的深度为16m，孔间距为0.8m，冻结孔采用φ108mm×5mm低碳钢无缝钢管。

本发明的浅层基坑冻结围护技术，其主要步骤为（1）在基坑周围设置冻结孔，在冻结孔内布置冻结管并安装与该冻结管连接的冻结系统；（2）进行坑底注浆加固；（3）地下动水流的检查与截止；（4）在保护建（构）筑物周边设置水文孔、观测孔，预留卸压孔位置；（5）积极冻结和维持冻结，形成复合式冻结墙体结构，以便进行基坑结构施工，基坑可沿冻结墙体开挖；（6）基坑结构施工后冻结解除和融沉注浆，施工流程如图1所示。该技术可用于城市中心地区综合管线密集、地质条件较差区间尤其是浅层以砂质粉土和粉砂为主的地下水丰富地区，同时由于基坑围护墙体采用了冻结技术，减少了因排桩支护、地下连续墙等围护形式钻孔、成槽和降水造成的变形影响。

复合冻结墙体由两排深浅不同的冻结管冻结而成，靠近基坑一侧设置垂直的长冻结孔1，外侧设置一排倾斜的短冻结孔2，两排冻结孔间距1m。在长冻结孔和短冻结孔内分别设置相应的冻结管，经盐水冻结施工最终形成上部重力式围护、下部等厚的复合式冻结围护墙体结构3。基坑较浅时，可根据设计计算采取单排式冻结管形式。

冻结墙体根据基坑开挖后地基土的抗渗流或管涌稳定性，按重力式挡土墙进行设计，设计中冻结墙体强度根据已有技术和试验成果进行确定。在单排冻结孔满足抗渗流或管涌以及重力式挡墙结构受力要求时采用单排冻结孔形式，不满足时拟采用双排冻结孔，本发明双排冻结孔采用长短不一且符合重力式挡土墙受力特征的冻结孔布置新型式，从经验和理论上划分，冻结围护适用基坑深度3~8m，单排和双排冻结墙体临界深度为5m，冻结孔深度等同冻土墙深度，插入比为1.5~2.5。

上部重力式围护冻土墙体的设计，免去了基坑内支撑系统，为施工提供了较大的操作空间，部分保护性管线可不必另寻空间进行临排而直接悬挂于基坑范围之内，同时由于地表至坑底逐渐增厚的冻结墙体也符合悬臂式围护体系受力特征，在一定程度上减少了等厚冻结围护的能耗量。下部等厚的围护形式增强了围护体系的保护作用，穿透了深厚砂性土层，增加了地下水渗径，起到一定的止水截水功能。图中阴影部分5的土体在两排冻结孔的共同冻结作用下，冻结温度低于两侧，阴影部分冻土具有较高的抗压和抗剪强度，更有利于基坑围护的安全；此外冻结墙体设计需满足基坑围护抗压、抗剪、抗折以及安全稳定性要求。

坑底注浆加固：在基坑底部进行旋喷注浆4加固坑底，通过钻孔机将注浆管直接植入地层中，达到设计深度（深度为9.5~10.5m）后自下而上分段提升注浆,根据本发明的一个实施例，基坑坑底地层旋喷注浆加固层4厚度为3.5~4.5 m，注浆孔布置间距为0.6~1m，加固后土体承载力Ps值不低于0.8 MPa。提高基坑坑底地基承载力与稳定性，防止基坑施工时两侧冻土挡墙结构发生水平滑移或倾覆，并可大幅度降低地层的渗透性和冻结区的地下水流速，从而避免因周围地层疏水可能对冻土墙形成的不利影响。

地下动水流检查和截止：在冻结开始前需对冻结墙体影响范围内的动力水源进行检查，并采取截止措施，严禁冻结围护影响范围内动力水流的存在，以免影响冻结进行，这一步骤为现有技术，在此不再赘述。

冻结卸压孔：在需要保护的建（构）筑物，尤其是管线两侧设置一定的卸压孔和观测孔，结合监测情况当发现管线和建（构）筑物基础变形受冻结挤压产生偏离基坑的变形时，通过调整冻结冷量以及打设卸压孔释放冻胀变形，确保管线不因土体冻结膨胀而产生的变形影响，该步骤也为现有技术，在此不再赘述。

解冻及融沉注浆：当基坑内部结构施工完成并达到一定强度后，停止冻结，在冻结墙体及其周围进行融沉注浆施工，填充因冻结体融化而产生的空隙，抑制地层进一步的变形。融沉注浆遵循多点、少量、多次、均匀的循序渐进原则，并应根据实测地层沉降情况调整注浆参数。单孔注浆以注浆量和注浆压力两项指标进行控制，自上而下在冻结深度范围内分段注浆，最大注浆压力≤0.2MPa，注浆速度20-40L/min，预计持续半年以上时间。在基坑底部通过预留的注浆孔进行注浆加固，总注浆量为冻土体积的15%~20%。）该步骤也为现有技术，在此不再赘述。

为了确保本专利技术的使用效果，施工过程中应重视对保护对象的实时监测，实行信息化施工。

根据本发明的一个实施例中，将本发明应用于某城市中心区地道改造基坑围护工程，该工程的制约条件是：

1、场地内粉砂性土层分布非常广泛，且埋深浅，厚度大。基坑影响范围内均为粉性土或砂土，在动水压力的作用下易产生流砂现象。

2、施工区附近有较多地下管线：窨井、煤气管、雨水管、电信电力电缆、上水管等，其中φ3500合流污水管、φ1000煤气管距离及两根上水管距原地道侧墙不到3m，给地道改建施工带来了很大风险。

3、改建地道部分位于运营国铁和运营轻轨立交下部，由于需凿除原地道结构底板，而地道底板以下地层为含水砂层，地下水位较高，凿除原地道底板时容易发生坑底泛砂、管涌和地层严重变形甚至坍塌，从而引起附近国铁和轻轨立交沉降安全事故。

4、根据管线临搬方案，在地道施工改造期间，现有φ1000燃气管、现状10孔35kV、10kV电力电缆、DN800上水管须改接至地道基坑内进行临时搬迁。

针对此工程难题，对本发明的一种复杂环境条件下浅层基坑冻结围护设计施工方法进行设计，如下。

如图2所示，基坑深度为6m，冻土墙总深度（从地面算起）为20 m，插入深部粘土层5约4 m，插入比接近2.3。地道基坑较深处两侧采用深、浅双排孔冻结，如图2，其中内排垂直的长冻结孔1深度20 m，孔间距0.8 m；外排倾斜冻结孔2深度12 m，孔间距1.2 m，按积极冻结40d预计，形成复合式冻土墙3。深度12 m以下冻土墙厚度约为2 m，深度12 m以上冻土墙下厚上薄。地道基坑两端采用单排垂直冻结形式，冻结孔深度16m，孔间距0.8m，如图3所示。

在冻结系统布置的同时，会同有关单位对冻结影响范围内的动水流进行检查，并采取截止措施，避免动水流对冻结施工的不利影响。

基坑坑底地层旋喷注浆加固4厚度为4.0 m，加固深度范围为6.5~11 m。注浆孔布置间距为0.8 m，加固后土体承载力Ps值不低于0.8 MPa。

主要冻结施工设计参数见图4。

本发明克服了以往类似工程因对周围综合管线保护不力、无法满足运营轨道等的毫米级保护要求而不能实施的状况，使在复杂环境条件下基坑施工处于安全、可控状态，工程得以顺利实施，也为同类复杂环境条件下基坑工程和地下工程改造提供一种新型基坑围护方法，推进冻结围护工法在基坑工程中的应用。

Claims (9)

1.一种浅层基坑冻结围护，其特征在于该围护结构为土体冻结形成的冻结墙体，基坑底部进行注浆加固，形成注浆加固层。

2.根据权利要求1所述的一种浅层基坑冻结围护，其特征在于冻结墙体上部为上薄下厚，最薄处厚度为2~3m，最厚处厚度为3.5~4.5m，冻结墙体下部厚度一致，为1.8m~2.2m，该冻结围护用于浅层埋深5~8米冻结围护基坑工程，冻土墙插入比为1.5~2.5。

3.根据权利要求2所述的一种浅层基坑冻结围护，其特征在于冻结孔包括两排深浅不同的冻结孔，靠近基坑一侧设置垂直的长冻结孔，外侧设置一排倾斜的短冻结孔，两排冻结管间距0.8~1.5m，长冻结孔间距为0.6~1m，短冻结孔间距为1~1.5m，短冻结孔的倾斜角度为15~20°。

4.根据权利要求1所述的一种浅层基坑冻结围护，其特征在于冻结墙体由一排垂直的冻结孔冻结形成，冻结孔间距为0.6~1m，冻结孔插入比为1.5~2.5，该冻结维护用于浅层埋深3~5米冻结围护基坑工程。

5.根据权利要求1所述的一种浅层基坑冻结围护，其特征在于基坑底部进行注浆加固，形成注浆加固层，基坑坑底注浆加固层厚度为2~5m。

6.一种浅层基坑冻结围护的施工方法，包括以下步骤：A、在基坑周围设置冻结孔，在冻结孔内布置冻结管并安装冻结系统；B、进行坑底注浆加固；C、地下动水流的检查与截止；D、在保护建筑物周边设置水文孔、观测孔，预留卸压孔位置；E、积极冻结和维持冻结，形成冻结墙体结构；F、结构施工后冻结解除和融沉注浆。

7.根据权利要求6所述的一种浅层基坑冻结围护的施工方法，其特征在于对于浅层埋深5~8米冻结围护基坑工程，冻结墙体上部为上薄下厚，最薄处厚度为2~3m，最厚处厚度为3.5~4.5m，冻结墙体下部厚度一致，为1.8m~2.2m，冻土墙插入比为1.5~2.5。

8.根据权利要求7所述的一种浅层基坑冻结围护的施工方法，其特征在于冻结孔包括两排深浅不同的冻结孔，靠近基坑一侧设置垂直的长冻结孔，外侧设置一排倾斜的短冻结孔，两排冻结管间距0.8~1.5m，长冻结孔间距为0.6~1m，短冻结孔间距为1~1.5m，短冻结孔的倾斜角度为15~20°。

9.根据权利要求6所述的一种浅层基坑冻结围护的施工方法，其特征在于对于浅层埋深3~5米冻结围护基坑工程，冻结墙体由一排垂直的冻结孔冻结形成，冻结孔间距为0.6~1m，冻结孔插入比为1.5~2.5。

Images