CN110080202A - 一种基坑坑底水平冻结加固结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基坑坑底水平冻结加固结构及施工方法，加固结构包括基坑、围护结构、水平冻结管和冻结帷幕，所述水平冻结管通过水平定向钻孔方式穿过所述围护结构在所述基坑底部水平设置，所述水平冻结管有若干个并沿水平方向均匀排布在所述基坑底部的土层中，所述水平冻结管将所述基坑底部的土层冻结形成所述冻结帷幕，所述基坑在所述冻结帷幕形成后开挖并以所述冻结帷幕顶部为基坑底部。本发明具有施工实用性强、施工质量控制方便、加固效果特别是止水效果好且安全可靠等突出优点，能最大限度保证开挖过程中基坑内深厚软土工程桩的安全。

Description

一种基坑坑底水平冻结加固结构及施工方法

技术领域

本发明属于建筑施工领域，具体涉及一种基坑坑底水平冻结加固结构及施工方法。

背景技术

目前我国城市建设中基坑规模越来越大，土方开挖越来越深，对基坑稳定和周围环境安全的影响也越来越大，尤其在软土地区的基坑工程中，由于软土的内摩擦角和粘聚力等力学指标很低，软土多呈软塑或半流塑状态，若基坑设计不当，易造成围护结构侧向位移过大、周围地面沉降及坑底隆起，进而影响基坑的稳定及其邻近设施的安全和正常使用。在软土地区一些较复杂的地下工程中，仅采用围护结构和支撑的措施往往难以保证开挖时的稳定和变形控制，因此基坑坑底土体加固也越来越重要。大量工程实践及理论分析证明，对基坑坑底土体加固能很好的改善基坑坑底土体的物理力学性质，起到减小围护结构的侧向位移、地面沉降及坑底隆起的作用，提高基坑稳定性。另外，对于软土地区如持力层淤泥质粉质黏土的纯室外地下室，因抗浮水位较高，传统的基础设计方案一般采用桩基础，如何保证开挖过程中基坑内深厚软土工程桩的安全，也是亟待解决的工程问题。

基坑坑底土体加固一般采用水泥土搅拌桩、高压旋喷桩、注浆、降水等方法，一般是在软土中掺入一定量的固化剂或使土体固结，以提高坑底土体的力学性能。其中搅拌桩、高压旋喷桩两种加固方法均是将原状土作为加固原材料与固化剂一般为水泥或生石灰通过特定的工艺使其混合发生化学反应，生成水化物和坚固的土团颗粒，再经过凝硬和碳酸化作用，使加固的土体具有整体性、水稳定性和一定强度的加固土桩体。不论石灰土或水泥土，它们的加固效果或强度增长都存在早期在短时期内增长较快和后期继续缓慢发展的特点。这一方面是因为固化剂本身所具有的特点，另一方面则因为它的掺入比一般都较小，而各种反应都是在具有一定活性的介质土包围中进行，反应又较复杂。它们不同于混凝土的凝结硬化机理，后者主要是水泥在比表面积小而活性弱的介质(粗粒材料)中进行水解和水化，其凝结速度快。因此，采用上述常规方式对基坑坑底土体进行加固都存在着加固效果与质量很难保证，加固后土体强度分布不均匀等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基坑坑底水平冻结加固结构及施工方法，以解决现有技术中加固施工时加固部分早期在短时期内增长较快和后期继续缓慢发展继续发展，发展速度不均难以控制，对基坑坑底土体进行加固都存在着加固效果与质量很难保证，加固后土体强度分布不均匀的问题。

所述的一种基坑坑底水平冻结加固结构，包括基坑、围护结构、水平冻结管和冻结帷幕，所述水平冻结管通过水平定向钻孔方式穿过所述围护结构在所述基坑底部水平设置，所述水平冻结管有若干个并沿水平方向均匀排布在所述基坑底部的土层中，所述水平冻结管将所述基坑底部的土层冻结形成所述冻结帷幕，所述基坑在所述冻结帷幕形成后开挖并以所述冻结帷幕顶部为基坑底部。

优选的，所述水平冻结管平行于基坑宽度方向设置，相邻所述水平冻结管之间的间距为1-3m，所述冻结帷幕的厚度为1m，水平冻结管端通过不起冻结作用的供液管连接到冻结系统。

本发明还提供了一种基坑坑底水平冻结加固结构的施工方法以实现上述的基坑坑底水平冻结加固结构，包括如下步骤：第一步、施工准备；第二步、基坑围护结构施工；第三步、水平定向钻孔施工布置水平冻结管及冻结系统安装；第四步、积极冻结形成坑底冻结加固结构；第五步、基坑开挖到底，底板浇筑。

优选的，所述水平冻结管为无缝低碳钢管，还包括第六步、拔除水平冻结管。

优选的，所述第三步具体包括如下步骤：

3-1、根据基坑的要求设计水平冻结管的设置曲线；

3-2、按照设计曲线通过水平定向钻机钻出一个导向孔，所述导向孔倾斜延伸至设定钻孔深度，再水平穿过所述围护结构和基坑坑底位置，而后向上穿出地面；

3-3、然后钻机对所述导向孔进行来回扩孔；

3-4、将水平冻结管和供液管组装成管线，将待铺的管线沿着扩大了的导向孔放入进行拖拉，完成管线穿越工作，执行本步骤时同时对下一个管线进行钻导向孔和扩孔的步骤；

3-5、组装设置冻结系统并布置测温管。

优选的，所述第三步中设有两个工作场地，一个是钻机设置场地，位于设置曲线的钻进入土点工作区，另一个是管线预制场地，位于钻孔出土点工作区；

所述钻机设置场地的施工过程如下：先测量放线，进行三通一平，所述水平定向钻机进场，对所述水平定向钻机组装调试，对水平定向钻机的控向系统调试，根据设置曲线钻导向孔，预扩孔，回拖钻头，设备退场，最后恢复场地地貌；

管线预制场地的施工过程如下：先测量放线，进行三通一平，所述组装焊接和布管用的设备进场，运入水平冻结管和供液管进行布置，将水平冻结管和供液管组装焊接成完整的管线，在扩大了的导向孔中铺设管线，设备退场，最后恢复场地地貌。

优选的，所述冻结系统为盐水冻结系统，所述步骤3-5中组装设置冻结系统具体过程为：冻结施工设备进场，设置冻结站，在冻结站中并联安装两台冻结机组，盐水管路与清水管路与冻结机组相连，安装清水泵和盐水泵，安装冷却塔，调试冻结机组、清水泵和盐水泵。

优选的，所述冻结系统为液氮冻结系统，所述步骤3-5中组装设置冻结系统具体过程为液氮供应槽车设置在离供液管较近位置，与供液管连接的管路用不锈钢软管连接，并用低温液氮阀门控制，所有暴露冻结管路用保温泡沫板或棉胎保温，并在附近设置容积不小于20方的槽车，作为冻结期间液氮的储备，以防液氮供应出现中断。

优选的，所述水平冻结管实行定向局部冻结，即只在坑底土体加固厚度内实施冻结，坑底以外不冻结。

优选的，所述水平定向钻机设有钻机系统、动力系统、导向系统、泥浆系统、钻具及附助机具，所述水平定向钻机为小型钻机，配有柴油机发动机和液压驱动系统，用于口径50-350mm的管线铺设作业，铺管长度最大300m。

本发明有下列优点：

1、本发明先在设定基坑坑底底部位置设置水平冻结管，在通过水平冻结管对该区域土体实现冻结固化。冻结固化具有施工效果容易控制的优点，因此本方案也因此具有施工实用性强、施工质量控制方便、加固效果特别是止水效果好且安全可靠等突出优点，能最大限度保证开挖过程中基坑内深厚软土工程桩的安全。

2、目前大部分冻结加固手段多是通过垂直或倾斜打入冻结管，再通入制冷介质进行冻结，形成冻结帷幕。但这种方式无法实现对基坑坑底的冻结加固，因为冻结管会阻碍基坑施工，倾斜设置产生的加固区域也是倾斜的，不符合基坑坑底的要求。而本方案克服了这些问题。

3、通过低温盐水冻结或液氮冻结，在坑底形成满堂式的冻结加固结构，在该冻结加固结构形成之后进行基坑开挖，从而保证基坑开挖的稳定性，保证开挖过程中基坑内深厚软土工程桩的安全。同时又能根据管道导热性不同控制冻结管实行定向局部冻结，即只在坑底土体加固厚度内实施冻结，坑底以外不冻结，减少对基坑外界土层的影响。

附图说明

图1为本发明中一种基坑坑底水平冻结加固结构的结构示意图；

图2为图1所示结构的局部结构示意图；

图3为本发明中一种基坑坑底水平冻结加固结构的施工方法的施工工艺流程图；

图4为采用盐水冻结系统的基坑坑底水平冻结加固结构的施工方法的施工工艺流程图。

图中的附图标记为：1、水平冻结管，2、供液管，3、基坑，4、冻结帷幕，5、水平定向钻机，6、围护结构。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

实施例1：

如图1-2所示，本发明提供了一种基坑坑底水平冻结加固结构，其特征在于：包括基坑3、围护结构6、水平冻结管1和冻结帷幕4，所述水平冻结管1通过水平定向钻孔方式穿过所述围护结构6在所述基坑3底部水平设置，所述水平冻结管1有若干个并沿水平方向均匀排布在所述基坑3底部的土层中，所述水平冻结管1将所述基坑3底部的土层冻结形成所述冻结帷幕4，所述基坑3在所述冻结帷幕4形成后开挖并以所述冻结帷幕4顶部为基坑3底部。

所述水平冻结管1平行于基坑3宽度方向设置，相邻所述水平冻结管1之间的间距为1-3m，所述冻结帷幕4的厚度为1m，水平冻结管1端通过不起冻结作用的供液管2连接到冻结系统。冻结系统可以采用盐水冻结系统，也可采用液氮冻结系统。本实施例中使用盐水冻结系统。水平冻结管1在本实施例中采用截面为圆形的无缝低碳钢管，直径为127mm，相邻水平冻结管1之间的间距为1m。供液管2选用φ45×4mm无缝钢管，供液管2连接水平冻结管1通入制冷介质。如果水平冻结管1采用PVC、PPR、ABS、PE等塑料管，就无需拔管。

如图3所示，本实施例未实现上述的基坑坑底水平冻结加固结构采用下述的施工方法。施工方法具体包括：

第一步、施工准备；

第二步、基坑3的围护结构6施工；

第三步、水平定向钻孔施工布置水平冻结管1及冻结系统安装；

第四步、积极冻结形成坑底冻结加固结构；

第五步、基坑3开挖到底，底板浇筑；

第六步、拔除水平冻结管1。

具体的施工步骤如下：

一、施工准备

施工前做好冻结结构的施工设计和制冷系统设计：

冻结设计

(1)坑底冻结加固厚度设计

结合工程特点、土层条件及施工现场情况对冻结帷幕4厚度进行设计。依据为基坑3设计理论，主要是要满足抗隆起验算。坑底冻结厚度一般取为1m。

1)冻结帷幕4物理参数

冻土平均温度取-10℃，冻土强度指标需进行室内试验测定。

2)冻结加固结构形式

在坑底形成平面布置为满堂式的冻结加固结构即前述的基坑坑底冻结加固结构。

(2)冻结孔的布置

水平冻结管1直径一般为127mm，坑底处水平冻结管1的管间距一般为1000mm。

(3)测温孔布置

目的主要是测量冻结帷幕4范围不同部位的温度发展状况，以便采取相应控制措施，确保施工的安全。

制冷系统设计

(1)参数选取

1)水平冻结管1宜选用φ127×4.5mm无缝低碳钢管；

2)采用盐水冷媒介质时，冻结期去路盐水温度为-28～-30℃，回路盐水温度为-25～-28℃；

3)盐水比重1.26。

4)水平冻结管1内盐水流量5m3/h；

5)水平冻结管1散热能力：260Kcal/m2.h；

6)冷量损失系数：1.2。

(2)需冷量计算

冻结需冷量计算：Q＝1.2·π·d·H·K

式中:H—冻结总长度；

d—水平冻结管1直径；

K—水平冻结管1散热系数。

(3)冻结站设置、机组选型及数量

冻结站选用W-YSLGF600Ⅱ型螺杆冷冻机2台。每台机组制冷量28×104Kcal/h，电机功率220kw。

(4)盐水系统

1)盐水干管、集配液圈选型：φ159×5mm焊管加工制作。

2)氯化钙(80％晶体)总用量：15吨。

3)盐水泵选型：选用3台IS150-125-315型离心式水泵(其中一台备用)，流量200m3/h,电机30kw。

(5)清水系统

1)清水管选型：φ132×4.5mm焊管加工制作。

2)选用8m3清水箱3个。

3)新鲜水补充量：30m3/h。

4)选用3台IS150-125-315型离心式水泵，流量200m3/h,电机30kw。

5)选用KST－80型冷却塔4台。

(6)水平冻结管1设计

水平冻结管1宜选用φ127×4.5mm无缝低碳钢管；供液管2选用φ45×4mm无缝钢管。

(7)冻结加固结构形成预测

根据经验,取冻结帷幕4发展速度25mm/天，水平冻结管1间距取800mm，则交圈时间为t1＝800/2/25＝16天，冻结壁交圈时间取20天，整个积极冻结时间宜取30天以上。

二、基坑3的围护结构6施工

根据现场施工要求进行围护结构6施工，完成围护结构6。

三、水平定向钻孔施工布置水平冻结管1(1)及冻结系统安装

包括水平定向钻孔施工工艺和冻结系统的安装施工。

水平定向钻孔施工工艺

(1)水平定向钻孔施工工艺

水平定向钻机5由钻机系统、动力系统、导向系统、泥浆系统、钻具及附助机具组成。使用水平定向钻机5进行管道穿越施工，首先按照设计曲线尽可能准确的钻一个导向孔，然后将导向孔进行来回扩孔，扩孔完成后将待铺管材沿着扩大了的导向孔进行拖拉，最终完成管线穿越工作。

水平定向钻穿越施工需要两个分离的工作场地：钻机设备场地(钻进入土点工作区)和管线预制场地(钻孔出土点工作区)。每个场地的主要施工工序如下：

钻机设备场地：测量放线→三通一平→钻机设备进场→钻机组装调试→控向系统调试→钻导向孔→预扩孔→回拖→设备退场→恢复地貌。

管线预制场地：测量放线→三通一平→设备进场→运管布管→组装、焊接等→设备退场→恢复地貌。

(2)水平定向钻机5的基本结构

水平定向钻机5主要有底盘、动力头、钻架、发动机系统、钻杆自动存取装置、钻杆自动润滑装置、虎钳、瞄固装置、钻具、液压系统、电气系统、起重系统等部件组成。

(3)水平定向钻机5的应用和分类

水平定向钻机5一般适用于管径φ300-φ1200mm的钢管、PE管，最大铺管长度可达1500m，适应于软土到硬岩多种土壤条件，应用前景广阔。按照水平定向钻机5所提供的推拉力和扭矩的大小，可以将定向钻机分为小型、中型、大型三大类。本实施例中水平定向钻机5的设计参数为：

最大回拖力：33kN；

动力头最大扭矩：1.5kN.m；

动力头转速：0-120r/min；

钻杆直径/长度：60mm/3m

因此本实施例中的水平定向钻机5属于小型钻机，许多该类机配有柴油机发动机he液压驱动系统等，其中起重系统暂时不普及。小型钻机适合口径50-350mm的管线铺设作业，铺管长度最大300m。

冻结系统的安装施工工艺

(1)冻结施工主要设备

序号	设备名称	数量	型号	设备功率(KW)	设备性能
						1	螺杆机组	2台	W-YSLGF600 II	220
2	盐水泵	3台	IS150-125～315	30	备用1台
						3	清水泵	3台	IS150-125～315	30	备用1台
4	冷却塔	4台	KST-80	4
							其他			30
	合计			666

表1

冻结施工的主要设备如表1所示，冻结期间总用电负荷约666kw，在考虑线路电压损失较大的情况下，整个冷冻站选用YC3×120+2×25低压橡套电缆3根，分别供2台冻结机组及相应配套设备。

(2)冻结施工流程设计

设计的具体冻结施工流程如图4所示。

(3)冻结站安装

冻结站布置在一侧，2台机组并联安装，可相互备用，冷冻站占地约200平方米。

(4)冻结机组的安装

1)就位与固定

按照冻结站布置图，将冻结机组就位后，用螺栓与基础进行可靠固定。固定时注意要用水平尺对机组进行找平，通过不断调整垫铁将机组调平。

根据现场的管路布置，可以灵活调整冷凝器两头盖板，已达到优化管路布置的目的。

将机组启动柜可靠布置在机组旁边，利于操作方便的位置，同时注意与机组之间留下一定的空间，要对平时的操作维护带来方便。

2)管路连接

盐水管路与清水管路与机组之间采用法兰连接，要合理地布置安装阀门，利于平时开启与关闭操作，又要对维护时的拧螺栓等提供方便。

3)机组密封检测

冻结机组一定要保证机组的密封性能可靠，否则造成机组漏氟，制冷效率下降，达不到理想的制冷效果。

首先进行制冷系统的检漏，在确保系统无泻漏后，再充氟加油。

4)机组加油

检查机组里冷冻机油的量，如果过少，要向机组加油，冻结机组选用46#冷冻机油。

(5)清水泵和盐水泵的安装

检查水泵和电机，确保在运输和装卸过程中没有损伤。

检查工具和起重机械，并检查机器的基础。

安装泵的基础平面应水平找平，放置好后再检查一下整台机组的水平度。

泵的吸入管路和吐出管路应有各自的支架，不允许管路重量直接由泵承受。

泵轴与电机旋转方向应一致。

泵的吸入口不宜过高，要高于清水箱、盐水箱底20cm左右。

在清水泵的吸入口安装一道滤网，在盐水箱中间设置一道滤网，以防止有杂物被吸入管路内。

检查泵及管路及结合处有无松动现象。用手转动泵轴，检查泵轴转动是否灵活。

向轴承体内加入轴承润滑机油，观察油位应在油标的中心线处，润滑油应及时更换或补充。

(6)冷却塔的安装

冷却塔安装过程中应注意防火，严禁在塔体及其邻近使用电焊(或气割)等明火，也不允许在场人员吸烟等。如动用明火，应采取相应的安全措施。

冷却塔基础应保持水平，要求支柱与基面垂直，各基面高差不超过±1mm。中心距允许差为±2mm。

塔体拼装时，螺栓应对称紧固，不允许强行扭曲安装，拼装后不得漏水。

冷却塔塔脚与基础固定牢固。

冷却塔零部件在运输、存放过程中，其上不允许压重物，不得暴晒，且注意明火。

冷却塔进、出水管及补充水管应单独设置管道支架，避免将管道重量传递塔体。

风机叶片应妥善保管，防止变形。电机及传动件应上油，在室内存放。

为避免杂物进入喷嘴、孔口，组装前应仔细清理。

冷却塔安装完毕后，应清理管道、填料表面、集水盘等污垢及塔内遗物，并进行系统冲洗。

(7)冻结机组调试

在制冷系统调试前，一定要做好系统内部的清洁和干燥工作。

1)制冷剂的充注

现场安装后，外观检查如果未发现意外损伤，如果发现制冷剂已经漏完或者不足，应首先找出泄漏点并排除泄漏现象，然后加入制冷剂。

充注时，可直接从专用充液阀门充入。制冷剂充注量不足.会导致冷量不足。制冷剂充注量过多，不但会增加费用，而且对运行能耗等可能带来不利影响。

2)调试

正式开机前可以对主要电控系统做模拟动作检侧，即机组主机不通电，控制系统通电，然后通过机组内部设定，对机组的电控系统进行检测，组件是否运行正常。如果电控系统出现什么问题，可以及时解决。最后再通上主机电源，进行调试。

在调试过程中，应特别注意以下几点：

检查制冷系统中的各处阀门是否处在正常的开启状态，特别是排气截止阀，切勿关闭。

打开冷凝器的冷却水阀门和蒸发器的冷水阀门，冷水和冷却水的流量应符合机组技术要求。

启动前应注意观察机组的供电电压是否正常。

3)运行

按照冷冻机操作规程要求，启动机组。

当机组启动后，根据机组说明书要求，查看机组的各项参数是否正常。

对机组的各项数据进行记录，特别是一些主要参数一定要记录清楚。

在机组运行过程中，应注意压缩机的增、减载机构是否正常工作。

应正确使用制冷系统中安装的安全保护装置，如高低压保护装置、冷水和冷却水断水流量开关、安全阀等设备，如有损坏应及时更换。

4)异常监测

螺杆式冷水机组如出现异常情况，应立即停机检查。

螺杆式制冷压缩机正常运行的标志为：

压缩机排气压力为0.8～。.5MPa(表压)；

压缩机排气温度为45～90℃；

压缩机的油温为40～55℃左右；

压缩机的油压为0.2～0.3MPa(表压)；

压缩机运行过程中声音应均匀、平稳，无异常声音；

机组的冷凝温度应比冷却水温度高3～5℃；冷凝温度一般应控制在40℃左右，冷凝器进水温度应在32℃以下；

机组的蒸发温度应比冷媒水的出水温度低3～4℃，冷媒水出水温度一般为5～7℃左右。

(8)清水泵、盐水泵的调试

检查泵及管路及结合处有无松动现象。用手转动泵，试看泵轴转动是否灵活。

向轴承体内加入轴承润滑机油，观察油位应在油标的中心线处，润滑油应及时更换或补充。

点动电机，试看电机转向是否正确。

开动电机，当泵正常运转后，打开出口压力表和，视其显示出适当压力后，逐渐打开闸阀，同时检查电机负荷情况。

观察泵体及管路是否振动过大，过大时要停车检查原因并进行处理。

尽量控制泵的流量和扬程在标牌上注明的范围内，以保证泵在最高效率点运转，才能获得最大的节能效果。

泵在运行过程中，轴承温度不能超过环境温度35℃，最高温度不得超过80℃。

如发现泵有异常声音应立即停车检查原因。

(9)其它

冻机油选用N46冷冻机油；

制冷剂选用氟立昂R-22；

冷媒剂选用氯化钙溶液。

四、积极冻结形成坑底冻结加固结构

采用盐水冻结法对基坑3坑底位置的冻结加固，冻结过程中随时通过插入测温孔的测温管检测冻结情况调整低温盐水的流速和温度，保持对冻结速度和冻结范围的控制。

五、基坑3开挖到底，底板浇筑

在坑底冻结加固结构形成后，在围护结构6中开挖基坑3，直至冻结帷幕4，并浇筑底板。

六、水平冻结管1拔除工艺

(1)强制解冻

采用人工局部解冻的方案，利用热盐水在冻结器里循环，使冻结管周围的冻土融化。

(2)盐水加热

用一只3m3左右的盐水箱储存盐水，用6组20kw的电热丝进行加热盐水，温度控制在75±10℃。

(3)盐水循环

利用盐水泵循环盐水，水泵型号为IS150-125-315，每个冻结孔的盐水循环流量控制在5－7m3/h。

(4)解冻测量

利用冻结帷幕4内的测温孔，每天定时测量帷幕温度的变化，直至冻结帷幕4上升至正温为止，则停止解冻作业。

(5)冻结管起拔

冻结管解冻后，用压缩空气将管内盐水排出。采用吊车进行试拔，拔起0.5m左右时，确保无异常后，快速拔出冻结管。拔管注意冻结管与挂钩要成一线，冻结管不能蹩劲，拔管时要常微转动冻结管，冻结管不能硬拔，如拔不动时，要继续循环热盐水解冻，直至能拔起冻结管为止。

除上述过程中还需以一定方式减少冻胀与融沉，因此本施工工艺还包括冻胀与融沉控制。

七、冻胀与融沉控制

冻胀是因土体冻结时水结冰而引起的土体膨胀，施工过程中采取如下措施控制冻胀和融沉：

(1)在冻结管拔出后，要及时地将冻结孔洞用黄砂充填密实。

(2)在冻土体的融化阶段，可利用基坑3底板的注浆孔向冻结加固区进行注浆压密加固冻融土体。因冻土体的自然融化过程缓慢，宜采取小压力、多注次的方式进行注浆，注浆压力一般为0.2～0.5MPa，浆液宜选用单液水泥浆。

(3)为了预防冻胀和融沉,设计选用标准制冷量较大的冻结机组,在短时间内把盐水温度降到设计值,以加快冻土发展,提高冻土强度,减少冻胀和融沉量。

(4)掌握和调整盐水温度和盐水流量,必要时可采取间歇式冻结,控制冻土发展量，以减少冻胀和融沉。

实施例2

本实施例与实施例1相比区别在于冻结系统的改变，本方案中冻结系统为液氮冻结系统。结构和施工工艺的具体区别如下：

水平冻结管1为液氮冻结管，选用Ф108×8mm低碳不锈钢管，测温管选用Ф89×5mm不锈钢钢管，供液管2及系统连接管路选用Ф32×3.0mmR304不锈钢管。上述材质均为钢材。但各个管道也可以采用PVC、PPR、ABS、PE等塑料材质，选用塑料材质时，最后无需第六步拔除冻结管。

设置冻结系统具体施工过程为将液氮供应槽车设置在离供液管2较近位置，与供液管2连接的管路用不锈钢软管连接，并用低温液氮阀门控制，所有暴露冻结管路用保温泡沫板或棉胎保温，并在附近设置容积不小于20方的槽车，作为冻结期间液氮的储备，以防液氮供应出现中断。

液氮冻结的关键环节为温度控制，液氮储罐出口的温度控制在-150℃～-170℃，压力控制在0.10MPa～0.15MPa为宜，冻结管出口温度控制在-50℃～-70℃，压力控制在0.05MPa～0.1MPa为宜，压力调节可使用液氮储罐上的散热板，温度调节使用每组进路中截止阀。

进行液氮冻结法进行冻结施工时需要注意一下问题：

液氮冻结由于温度极低，冻土的发展速度也较快，根据液氮在冻结管中单位时间的蒸发量不同，冻土的发展速度约在1～5cm/h，根据以往工程的施工经验，取冻土的发展速度为10cm/天。液氮冻土墙厚度一般要达到1.6m，需要冻土的发展半径约为1100mm，按冻土的发展速度为10cm/天，距此推算冻结时间为:

T＝950/10＝9.5天

为确保效果，需冻结11天，再通过测温孔的测温判断，方可进行后继施工。

积极冻结每天每立方米冻土约需液氮200Kg，考虑25％损耗，为250Kg。

维护冻结视后续基坑3开挖以及土钉墙的施工时间而定，每方每天约125Kg。

液氮总需求量为积极冻结和维护冻结所需的液氮总和。

液氮冻结法的安全技术要点：

(1)冻结系统管路首次充入液氮时，要使液氮以气体形式进入冻结系统管路，维持3-4小时的预冷时间，以避免各道焊缝因急冷造成脆裂渗漏，如果渗漏严重要及时停氮补焊处理，防止施工场地液氮浓度过高，造成人身伤害。

(2)液氮冻结需要检查各回路温度，调节阀门使各回路温度相近，保证各个液氮孔冻结发展速度均匀，厚度和强度均匀。但也要根据冻结需要进行重点冻结。

(3)液氮正常冻结后每天对测温孔温度进行监测，判断冻结帷幕4发展速度。

(4)因液氮温度极低，所以值班人员在调节液氮阀门时要带保温棉手套，以免冻伤人手。

(5)液氮车出口压力控制由液氮车司机控制，液氮出口压力保持在0.10MPa～0.15MPa。

(6)为保证液氮供液冻结的持续进行，每次要提前通知下一车提前到达现场。

(7)一旦液氮冻结开始后，要避免出现液氮中断及停冻现象产生(换车情况除外)。

本发明先在设定基坑3坑底底部位置设置水平冻结管1，在通过水平冻结管1对该区域土体实现冻结固化。冻结固化具有施工效果容易控制的优点，因此本方案也因此具有施工实用性强、施工质量控制方便、加固效果特别是止水效果好且安全可靠等突出优点，能最大限度保证开挖过程中基坑3内深厚软土工程桩的安全。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的发明构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基坑坑底水平冻结加固结构，其特征在于：包括基坑(3)、围护结构(6)、水平冻结管(1)和冻结帷幕(4)，所述水平冻结管(1)通过水平定向钻孔方式穿过所述围护结构(6)在所述基坑(3)底部水平设置，所述水平冻结管(1)有若干个并沿水平方向均匀排布在所述基坑(3)底部的土层中，所述水平冻结管(1)将所述基坑(3)底部的土层冻结形成所述冻结帷幕(4)，所述基坑(3)在所述冻结帷幕(4)形成后开挖并以所述冻结帷幕(4)顶部为基坑(3)底部。

2.根据权利要求1所述的一种基坑坑底水平冻结加固结构，其特征在于：所述水平冻结管(1)平行于基坑(3)宽度方向设置，相邻所述水平冻结管(1)之间的间距为1-3m，所述冻结帷幕(4)的厚度为1m，水平冻结管(1)端通过不起冻结作用的供液管(2)连接到制冷系统。

3.根据权利要求1或2所述的一种基坑坑底水平冻结加固结构的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步、施工准备；第二步、基坑(3)围护结构(6)施工；第三步、水平定向钻孔施工布置水平冻结管(1)及冻结系统安装；第四步、积极冻结形成坑底冻结加固结构；第五步、基坑(3)开挖到底，底板浇筑。

4.根据权利要求3所述的一种基坑坑底水平冻结加固结构的施工方法，其特征在于：所述水平冻结管(1)为无缝低碳钢管，还包括第六步、拔除水平冻结管(1)。

5.根据权利要求4所述的一种基坑坑底水平冻结加固结构的施工方法，其特征在于：所述第三步具体包括如下步骤：

3-1、根据基坑(3)的要求设计水平冻结管(1)的设置曲线；

3-2、按照设计曲线通过水平定向钻机(5)钻出一个导向孔，所述导向孔倾斜延伸至设定钻孔深度，再水平穿过所述围护结构(6)和基坑(3)坑底位置，而后向上穿出地面；

3-3、然后钻机对所述导向孔进行来回扩孔；

3-4、将水平冻结管(1)和供液管(2)组装成管线，将待铺的管线沿着扩大了的导向孔放入进行拖拉，完成管线穿越工作，执行本步骤时同时对下一个管线进行钻导向孔和扩孔的步骤；

3-5、组装设置制冷系统并布置测温管。

6.根据权利要求5所述的一种基坑坑底水平冻结加固结构的施工方法，其特征在于：所述第三步中设有两个工作场地，一个是钻机设置场地，位于设置曲线的钻进入土点工作区，另一个是管线预制场地，位于钻孔出土点工作区；

所述钻机设置场地的施工过程如下：先测量放线，进行三通一平，所述水平定向钻机(5)进场，对所述水平定向钻机(5)组装调试，对水平定向钻机(5)的控向系统调试，根据设置曲线钻导向孔，预扩孔，回拖钻头，设备退场，最后恢复场地地貌；

管线预制场地的施工过程如下：先测量放线，进行三通一平，所述组装焊接和布管用的设备进场，运入水平冻结管(1)和供液管(2)进行布置，将水平冻结管(1)和供液管(2)组装焊接成完整的管线，在扩大了的导向孔中铺设管线，设备退场，最后恢复场地地貌。

7.根据权利要求5所述的一种基坑坑底水平冻结加固结构的施工方法，其特征在于：所述制冷系统为盐水冻结系统，所述步骤3-5中组装设置制冷系统具体过程为：冻结施工设备进场，设置冻结站，在冻结站中并联安装两台冻结机组，盐水管路与清水管路与冻结机组相连，安装清水泵和盐水泵，安装冷却塔，调试冻结机组、清水泵和盐水泵。

8.根据权利要求5所述的一种基坑坑底水平冻结加固结构的施工方法，其特征在于：所述制冷系统为液氮制冷系统，所述步骤3-5中组装设置制冷系统具体过程为液氮供应槽车设置在离供液管(2)较近位置，与供液管(2)连接的管路用不锈钢软管连接，并用低温液氮阀门控制，所有暴露冻结管路用保温泡沫板或棉胎保温，并在附近设置容积不小于20方的槽车，作为冻结期间液氮的储备，以防液氮供应出现中断。

9.根据权利要求5所述的一种基坑坑底水平冻结加固结构的施工方法，其特征在于：所述水平冻结管(1)实行定向局部冻结，即只在坑底土体加固厚度内实施冻结，坑底以外不冻结。

10.根据权利要求5所述的一种基坑坑底水平冻结加固结构的施工方法，其特征在于：所述水平定向钻机(5)设有钻机系统、动力系统、导向系统、泥浆系统、钻具及附助机具，所述水平定向钻机(5)为小型钻机，配有柴油机发动机和液压驱动系统，用于口径50-350mm的管线铺设作业，铺管长度最大300m。