CN109403312A - 一种含水软弱地层高温固化支护方法 - Google Patents

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Abstract

一种含水软弱地层高温固化支护方法，属于含水软弱地层支护方法。该方法：在探明的含水软弱地层中布置烧结管，烧结管内壁敷设发热体，烧结管长时工作温度控制在1200～1700℃，对设计开挖面周围部分或全部地层进行高温烧结固化，以达到提高地层强度，降低其渗透性的目的，并将高温固化体作为支护结构。然后在高温固化体的保护下进行地下工程开挖，施工结束后高温固化体兼做永久支护。本发明特别适用于城市地下空间高效、安全开发过程中的含水、软弱不稳定地层的快速处理。

Description

一种含水软弱地层高温固化支护方法
技术领域
本发明涉及一种含水软弱地层支护方法，特别是一种含水软弱地层高温固化支护方法。
背景技术
城市地下空间大规模的开发需要安全、高效、绿色施工方法与技术。伴随地下空间的规模越来越大，地下工程施工中对环境保护的要求也越来越高。冻结法由于其具有止水—承载双重功能，当面对含水、软弱、不稳定地层条件时，常显示出传统工法无法比拟的优点。
但是，冻结法支护技术在城市含水软弱地层实际施工中存在的以下瓶颈问题：(1)衬砌浇筑过程中，冻结壁的存在导致大体积混凝土内外温差大，自生温度裂缝严重，后期衬砌渗漏严重；(2)冻胀融沉易造成临近建筑、结构的损伤，冻结壁解冻后地下水在冻融损伤环境中的渗流机制不明，导致衬砌后水压荷载准确取值存在困难；(3)冻结壁是临时支护，施工结束后冻结壁自然(或强制)解冻，解冻过程中会同步伴随地表沉降，容易对附近建、构筑造成破坏。(4)冻结周期分为积极冻结和维护冻结，积极冻结期是形成冻结壁的先决条件，而维护冻结期则贯穿于开挖全过程，冷能消耗巨大。
发明内容
本发明的目的是要提供一种含水软弱地层高温固化支护方法，解决冻结法支护技术在城市含水软弱地层实际施工中存在的瓶颈问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：在探明的含水软弱地层中布置烧结管，烧结管内壁敷设发热体，烧结管长时工作温度控制在1200℃～1700℃，对设计开挖面周围的部分或全部地层进行高温烧结固化，以提高地层强度，降低其渗透性，并将高温固化体作为支护结构；然后，在高温固化体的保护下进行地下工程开挖，施工结束后高温固化体兼做永久支护。
进一步的，在探明的含水软弱地层中钻取原状土样，进行高温烧结实验和高温固化体单轴抗压强度和渗透实验，根据支护设计所需要的高温固化体单轴抗压强度和渗透系数，并确定烧结温度、升温速率、恒温时间和降温速率等工艺参数。
进一步的，在探明的含水软弱地层中钻取原状土样，在高温烧结装置中进行室内烧结物理模拟实验，确定所述的烧结含水软弱地层所需要的烧结管最优布置形式，发热体温度、升温速率、恒温时间和降温速率参数，并确定单管有效烧结范围。
进一步的，根据支护设计所需要的高温固化体几何形状，即支护结构形状，在探明的含水软弱地层中布置烧结孔；烧结管布置可采用三角形或正方形；烧结孔间距0～1m，烧结孔距开挖面1～2m；烧结孔与烧结管之间的环空充填细砂；所述的支护结构形状为不封闭的直线形或封闭的圆形。
进一步的，在烧结孔布置范围外1～2m范围内需布置2～3个泄压孔，释放地层中由烧结导致的高压蒸汽，避免气体劈裂加剧渗漏。
进一步的，高温烧结固化过程中，对高温固化体形成过程中的温度场进行实时监测，监测烧结效果，优化调整工艺参数。
进一步的，高温固化体形状达到要求后，停止烧结，取出加热管，采用普通水泥浆对烧结孔进行封孔注浆。
有益效果：由于采用了上述方案，即在探明的含水软弱地层中设计开挖面周围进行部分或全部高温固化，基于高温烧结致密化原理，降低开挖面周围地层渗透性同时提高其强度，达到封水和稳定的双重目的，并在高温固化体保护下进行地下工程开挖，解决了冻结法支护技术在含水软弱地层实际施工中存在的瓶颈问题，主要优点如下：
(1)高温固化体的形成速度快，通常是冻结法的1/10～1/50；
(2)衬砌浇筑在高温固化体形成后的常温环境中进行，井壁混凝土内外温差明显低于冻结法，衬砌温度裂缝能有效遏制；
(3)烧结所需能量主要消耗在高温固化体形成过程中，当高温固化体形成后便不再继续消耗能量；
(4)高温固化体在地下工程开挖过程中起到临时支护作用，当地下结构形成后，高温固化体亦可兼做永久支护。
附图说明
图1为本发明的用于加固含水软弱地层的封闭式(圆形)高温固化体示意图。
图中：1、开挖空间；2、烧结孔；3、测温孔；4、敷设发热体的烧结管；5、导线；6、配电站；7、高温传感器；8、泄压孔。
具体实施方式
本发明的含水软弱地层高温固化支护方法：在探明的含水软弱地层中布置烧结管，烧结管内壁敷设发热体，烧结管长时工作温度控制在1200℃～1700℃，对设计开挖面周围的部分或全部地层进行高温烧结固化，以提高地层强度，降低其渗透性，并将高温固化体作为支护结构；然后，在高温固化体的保护下进行地下工程开挖，施工结束后高温固化体兼做永久支护。
进一步的，在探明的含水软弱地层中钻取原状土样，进行高温烧结实验和高温固化体单轴抗压强度和渗透实验，根据支护设计所需要的高温固化体单轴抗压强度和渗透系数，并确定烧结温度、升温速率、恒温时间和降温速率等工艺参数。
进一步的，在探明的含水软弱地层中钻取原状土样，在高温烧结装置中进行室内烧结物理模拟实验，确定所述的烧结含水软弱地层所需要的烧结管最优布置形式，发热体温度、升温速率、恒温时间和降温速率参数，并确定单管有效烧结范围。
进一步的，根据支护设计所需要的高温固化体几何形状，即支护结构形状，在探明的含水软弱地层中布置烧结孔；烧结管布置可采用三角形或正方形；烧结孔间距0～1m，烧结孔距开挖面1～2m；烧结孔与烧结管之间的环空充填细砂；所述的支护结构形状为不封闭的直线形或封闭的圆形。
进一步的，在烧结孔布置范围外1～2m范围内需布置2～3个泄压孔，释放地层中由烧结导致的高压蒸汽，避免气体劈裂加剧渗漏。
进一步的，高温烧结固化过程中，对高温固化体形成过程中的温度场进行实时监测，监测烧结效果，优化调整工艺参数。
进一步的，高温固化体形状达到要求后，停止烧结，取出加热管，采用普通水泥浆对烧结孔进行封孔注浆。
下面结合附图对本发明做更进一步阐述。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的实施过程。
实施例1：本发明的一种含水软弱地层高温固化支护方法在具体实施过程中涉及的装置有配电站、导线和敷设发热体的烧结管等，配电站通过导线分别与多个加热体相连接。
本发明的一种含水软弱地层高温固化支护方法，包括以下步骤：
第一步：在探明的含水软弱地层中钻取原状土样，进行室内烧结实验，确定烧结管温度与被烧结土体温度间的相互关系，烧结管温度与发热体温度之间的关系，并进一步以高温固化体渗透系数和单轴抗压强度为目标，确定单管有效烧结范围，并确定烧结温度、升温速率、恒温时间和降温速率等工艺参数；
第二步：根据探明的含水软弱地层中土压力和高温固化体强度，在现有厚壁筒理论基础上，计算高温固化体有效厚度；
第三步：根据高温固化体有效厚度，在探明的含水软弱地层中确定开挖中心坐标和开挖荒径，所述的开挖荒径为永久使用空间内直径和2倍衬砌厚度之和；
第四步：在高温固化体有效厚度范围内等间距垂直布设烧结孔，烧结孔与烧结管之间的环空充填细砂，烧结孔布置圈径超出开挖荒径1～2m，布置排数为1～2排，烧结孔间距不超过1m；
第五步：在每圈烧结孔所在圈径上分别按120°间距布置3个测温孔，测温孔中设有温度传感器；
第六步：在烧结孔布置圈径外1～2m范围内布置2～3个泄压孔；
第七步：在每个烧结孔中下放敷设发热体的烧结管，烧结管长度超过含水软弱地层深度0.5～1m；
第八步：通过配电站和导线向烧结孔中发热体通电，按照确定的烧结参数对烧结孔周围含水软弱地层进行高温烧结；
第九步：当测温孔中温度传感器监测温度达到设定值时，认为相邻烧结孔间含水软弱地层烧结固化体交圈，即相邻烧结管周围高温固化体形成闭合，停止烧结，拔出烧结管，并对烧结孔进行注浆封孔；
第十步：在高温固化体保护下，进行开挖和混凝土浇筑。

Claims (7)

1.一种含水软弱地层高温固化支护方法，其特征是：在探明的含水软弱地层中布置烧结管，烧结管内壁敷设发热体，烧结管长时工作温度控制在1200℃～1700℃，对设计开挖面周围的部分或全部地层进行高温烧结固化，以提高地层强度，降低其渗透性，并将高温固化体作为支护结构；然后，在高温固化体的保护下进行地下工程开挖，施工结束后高温固化体兼做永久支护。
2.根据权利要求1所述的一种含水软弱地层高温固化支护方法，其特征是：在探明的含水软弱地层中钻取原状土样，进行高温烧结实验和高温固化体单轴抗压强度和渗透实验，根据支护设计所需要的高温固化体单轴抗压强度和渗透系数，并确定烧结温度、升温速率、恒温时间和降温速率等工艺参数。
3.根据权利要求1所述的一种含水软弱地层高温固化支护方法，其特征是：在探明的含水软弱地层中钻取原状土样，在高温烧结装置中进行室内烧结物理模拟实验，确定所述的烧结含水软弱地层所需要的烧结管最优布置形式，发热体温度、升温速率、恒温时间和降温速率等参数，并确定单管有效烧结范围。
4.根据权利要求1所述的一种含水软弱地层高温固化支护方法，其特征是：根据支护设计所需要的高温固化体几何形状，即支护结构形状，在探明的含水软弱地层中布置烧结孔；烧结管布置可采用三角形或正方形；烧结孔间距0～1m，烧结孔距开挖面1～2m；烧结孔与烧结管之间的环空充填细砂；所述的支护结构形状为不封闭的直线形或封闭的圆形。
5.根据权利要求4所述的一种含水软弱地层高温固化支护方法，其特征是：在烧结孔布置范围外1～2m范围内需布置2～3个泄压孔，释放地层中由烧结导致的高压蒸汽，避免气体劈裂加剧渗漏。
6.根据权利要求1所述的一种含水软弱地层高温固化支护方法，其特征是：对高温固化体形成过程中的温度场进行实时监测，监测烧结效果，优化调整工艺参数。
7.根据权利要求1所述的一种含水软弱地层高温固化支护方法，其特征是：高温固化体形状达到要求后，停止烧结，取出加热管，采用普通水泥浆对烧结孔进行封孔注浆。
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