CN112431189A - 地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法，包括步骤：一、热交换装置布设；二、冻结加固、三、地下连续墙施工。本发明在开挖前对地下连续墙待开挖槽壁两侧粉砂土层进行积极冻结形成加固桩墙，然后对加固桩墙进行维护冻结，使形成的加固桩墙具有足够的强度，加固桩墙上部间距宽、下部间距窄，不仅能对预开挖槽壁侧壁进行加固，还能对底部进行更有效的冻结加固，防止涌水等工程事故的发生，有效地降低地下连续墙开挖过程中槽壁坍塌的可能，适用于有粉土夹砂层及高地下水位开挖的情况，确保后续开挖施工安全、可靠、顺利开展，可实施性强，也能起到减少污染的效果，便于推广使用。

Description

地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法

技术领域

本发明属于富水粉砂地层冻结加固技术领域，具体涉及一种地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法。

背景技术

基坑开挖过程中，地下连续墙施工作为不可或缺的一环会对施工总体安全与质量产生巨大的影响。特别是在地下连续墙开槽过程中，因为地下水位水头差或存在粉砂性较重的土层会对槽壁稳定性产生影响，甚至引起塌槽等危害施工质量的事故。现有的施工技术中，一是考虑利用泥浆护壁的附着压力平衡槽壁土体压力，但在地下水位较高的复杂地层下可能无法完全平衡。二是使用水泥搅拌桩加固周围土体，但也存在施工周期长、环境污染大等问题。在现有的同类技术中，技术方案多集中在水平冻结法开挖联络通道等地下隧道，或在盾构机进出洞等关键工序中加固土体，竖向冻结法开挖井筒或盾构隧道开挖也较多见，但是竖向冻结法控制过程中易导致开挖区域大面积被封冻，造成后续开挖困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法，该方法在开挖前对地下连续墙待开挖槽壁两侧粉砂土层进行积极冻结形成加固桩墙，然后对加固桩墙进行维护冻结，形成倾斜加固桩墙，使其有足够的强度，加固桩墙上部间距宽、下部间距窄，不仅能对预开挖槽壁侧壁进行加固，还能对底部进行更有效的冻结加固，使其有足够的强度，防止涌水等工程事故的发生，能有效地降低地下连续墙开挖过程中槽壁坍塌的可能性，适用于有粉土夹砂层及高地下水位开挖的情况，确保后续开挖施工安全、可靠、顺利开展，可实施性强，也能起到减少污染的效果，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、热交换装置布设：在待加固区域布设热交换装置，所述待加固区域位于富水粉砂地层内且其横截面为矩形；所述待加固区域为所施工地下连续墙所处施工区域地层且其沿所施工地下连续墙的长度方向布设，所施工地下连续墙为呈水平布设的平直墙体且其沿长度方向由后向前分为n个连续墙节段，n个所述连续墙节段的长度均相同，其中n为正整数且n≥3；所述待加固区域由后向前分为n个待加固节段，每个所述连续墙节段均位于一个所述待加固节段上；

所述热交换装置包括两列对称布设于所述待加固区域左右两侧的冻结管和两列分别布设于所述待加固区域左右两侧地层内的测温管，每列所述冻结管均包括n个呈均匀布设的冻结管，每个所述冻结管均为平直管且其均由上至下逐渐向所述待加固区域一侧倾斜，每列所述冻结管中所有冻结管均布设于同一倾斜面上且其沿所述待加固区域纵向长度方向由后向前布设；每个所述冻结管均通过供液管道和回液管道与用于提供冻结液的冻结站连接，每个所述冻结管均由上至下插入富水粉砂地层内且其底部与富水粉砂地层的底面相平齐；每列所述测温管均包括多个沿所述待加固区域纵向长度方向由后向前布设的测温管，每个所述测温管均呈竖直布设，每个所述冻结节段内均设置至少一个所述测温管；每个所述冻结管均与其所连接的供液管道和回液管道组成一个冻结器；

所述热交换装置中所有冻结管由后向前分n排布设，每排所述冻结管均包括左右两个布设于所施工地下连续墙同一横断面上的冻结管，每排所述冻结管中的两个所述冻结管均组成一个对所处待加固节段进行冻结加固的冻结加固机构，每个所述冻结加固机构均位于所冻结的待加固节段中部；

步骤二、冻结加固：沿纵向长度方向由后向前对n个所述冻结节段分别进行冻结加固，n个所述冻结节段的冻结加固方法均相同；

对任一个所述冻结节段进行冻结加固时，过程如下：

步骤201、积极冻结：采用所述冻结加固机构对当前冻结节段的左右两侧地层分别进行热交换，并使当前冻结节段的左右两侧地层经冻结后均形成一个呈倾斜布设且沿所述待加固区域纵向长度方向布设的加固桩墙；待当前冻结节段中所述冻结加固机构连接的所有回液管道内冻结液温度均在T1～T2范围内时，完成当前冻结节段的积极冻结过程，此时当前冻结节段处于冻结加固状态；其中，T1＝T-1℃，T2＝T+1℃；T为预先设定的积极冻结终止温度，T的取值范围为－26℃～－32℃；并且，所述待加固区域的底部深度H越大，T的取值越低；

步骤一中每个所述测温管均为对所处位置处加固桩墙的温度进行实时监测的测温机构；

步骤202、维护冻结判断：步骤201中完成当前冻结节段的积极冻结过程后，采用测温管对当前冻结节段中加固桩墙的温度进行实时监测，并根据监测结果对判断是否需对当前冻结节段进行维护冻结：当当前冻结节段中任一个所述加固桩墙的温度高于T3时，判断为需对当前冻结节段进行维护冻结，进入步骤203；否则，判断为无需对当前冻结节段进行维护冻结；其中，T3为预先设定的维护冻结起始温度，T3的取值范围为－6℃～－10℃；并且，所述待加固区域的底部深度H越大，T3的取值越低；

步骤203、维护冻结：采用步骤201中所述冻结加固机构对当前冻结节段左右两侧的地层分别进行热交换，直至当前冻结节段中所述冻结加固机构连接的所有回液管内冻结液温度均低于T4且当前冻结节段内所有冻结器中供液管道内与回液管道内的冻结液温差均小于2℃时，完成当前冻结节段的一次维护冻结过程，使当前冻结节段始终处于冻结加固状态；其中，T4为预先设定的维护冻结终止温度，T4的取值范围为－21℃～－23℃；

步骤三、地下连续墙施工：步骤二中由后向前对n个所述冻结节段分别进行冻结加固过程中，同步由后向前对n个所述连续墙节段分别进行施工；

对任一个所述连续墙节段进行施工之前，均先完成当前连续墙节段所处冻结节段的积极冻结过程。

上述地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法，其特征是：步骤201中进行积极冻结之前，先根据所述待加固区域的底部深度H，对积极冻结终止温度T进行确定：当H＜12m时，T的取值范围为－26℃～－28℃；当12m≤H≤30m时，T的取值范围为－28℃～－30℃；当H＞30m时，T的取值范围为－30℃～－32℃。

上述地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法，其特征是：步骤202中进行维护冻结判断之前，先根据所述待加固区域的底部深度H，对维护冻结起始温度T3进行确定：当H＜12m时，T3的取值范围为－6℃～－8℃；当12m≤H≤30m时，T3的取值范围为－8℃～－10℃；当H＞30m时，T3的取值范围为－10℃～－11℃。

上述地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法，其特征是：所述热交换装置中所有冻结管的倾斜角度均相同；两个所述加固桩墙的横截面均为矩形且二者的倾斜角度均与冻结管的倾斜角度相同；

每个所述冻结管的倾斜角度均为ε；其中，

式中，h为冻结管所处位置处富水粉砂地层的厚度；b为加固桩墙的厚度，L为一列所述冻结管中前后相邻两个所述冻结管的间距。

上述地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法，其特征是：所述富水粉砂地层位于上部地层和下部地层之间，富水粉砂地层与位于其上方的上部地层组成上地层，所述上部地层和下部地层均为弱透水层；

所述热交换装置中的每个所述冻结管均由上至下插入所述上地层内，每个所述冻结管均分为埋设于富水粉砂地层内且底部密封的冻结段和埋设于上部地层内的连接段；

每个所述加固桩墙的底部均伸入至下部地层内且其顶部均伸入至上部地层内。

上述地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法，其特征是：所述供液管道还包括与供液管连接且用于输送冻结液的输送支管，所述供液管经输送主管与冻结站连接；

所述回液管道还包括与回液管连接且用于输送冻结液的回流支管，所述回液管经回流支管与冻结站连接；

所述输送支管和回流支管均位于所述待加固区域上方且二者均位于所述待加固区域外侧；

所述输送支管和回流支管外侧均包覆有保温层。

上述地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法，其特征是：每个所述测温管均布设于一列所述冻结管中前后相邻两个所述冻结管之间；

每列所述测温管中的多个所述测温管呈均匀布设，每列所述测温管中的多个所述测温管均布设于同一竖直面上，两列所述测温管中的测温管呈交错布设；每个所述测温管均布设于一列所述冻结管中前后相邻两个所述冻结管之间中部，每列所述测温管中前后相邻两个所述测温管的间距为一列所述冻结管中前后相邻两个所述冻结管间距的2倍。

上述地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法，其特征是：所述待加固区域为由上至下对富水粉砂地层进行开挖的待开挖区域；

所述富水粉砂地层位于上部地层和下部地层之间，所述待加固区域为下部开挖区域，所述下部开挖区域与位于其正上方的上部开挖区域组成立方体开挖区域，所述上部开挖区域位于上部地层内；所述立方体开挖区域的底面与富水粉砂地层的底面相平齐。

上述地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法，其特征是：所述待加固区域中部由后向前布设有多个泄压管，多个所述泄压管呈均匀布设且其沿所述待加固区域的纵向长度方向布设；多个所述泄压管均呈竖直向布设且其由上至下埋设于所述待加固区域内；

步骤二中进行积极冻结过程中和步骤三中进行维护冻结过程中，当所述待加固区域内的土压力大于P时，通过一个或多个所述泄压管进行泄压；其中，P为预先设计的泄压阈值且P的取值范围为1MPa～2MPa。

上述地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法，其特征是：所述加固桩墙的长度不小于所述待加固区域的长度，两个所述加固桩墙之间的净距由上至下逐渐缩小，两个所述加固桩墙在所述待加固区域底部的净距小于所述待加固区域的宽度。

综上所述，本发明的有益效果是，方法步骤简单，在开挖前对待开挖槽壁两侧的粉砂土层进行积极冻结形成加固桩墙，根据待加固区域的底部深度H，对积极冻结终止温度T进行确定，通过在待加固区域的底部深度H逐渐增大的过程中，使冻结液具有更低的温度，保证了在开挖深度更深的条件下形成的加固桩墙均具有更低的平均温度，从而使加固桩墙具有更高的强度和加固效果，能有效地降低地下连续墙开挖过程中，随着深度的增加槽壁坍塌的可能，然后根据待加固区域的底部深度H，对维护冻结起始温度T3进行确定对加固桩墙进行维护冻结，使加固桩墙具有更高的结构强度，提高了加固效果，避免了提供更低温度时的资源浪费和提供更高温度时达不到加固效果的不足，不仅能对预开挖槽壁侧壁进行加固，还能对底部进行更有效的冻结加固，使其有足够的强度，防止涌水等工程事故的发生，能有效地降低地下连续墙开挖过程中槽壁坍塌的可能性，适用于有粉土夹砂层及高地下水位开挖的情况，确保后续开挖施工安全、可靠、顺利开展，可实施性强，也能起到减少污染的效果，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明冻结管、测温管和泄压管的平面布设位置示意图。

图2为本发明热交换装置的平面布设位置示意图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为本发明冻结管的内部结构示意图。

图5为本发明加固桩墙在富水粉砂地层中的布设位置示意图。

图6为图5的B-B剖视图。

图7为图5的C-C剖视图。

图8为本发明的方法流程框图。

附图标记说明：

1—上部地层；2—上部开挖区域；3—冻结管；

4—测温管；5—泄压管；6-1—富水粉砂地层维持段；

6-2—富水粉砂地层槽壁段；7—加固桩墙；

8—冻结段；9—连接段；11—输送支管；

12—输送主管；13—冻结站；14—供液管；

15—回液管；16—保温层；17—富水粉砂地层；

18—下部地层；20—下部开挖区域。

具体实施方式

如图8所示的一种的地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法，包括以下步骤：

步骤一、热交换装置布设：结合图1、图2、图3及图4，在待加固区域布设热交换装置，所述待加固区域位于富水粉砂地层17内且其横截面为矩形；所述待加固区域为所施工地下连续墙所处施工区域地层且其沿所施工地下连续墙的长度方向布设，所施工地下连续墙为呈水平布设的平直墙体且其沿长度方向由后向前分为n个连续墙节段，n个所述连续墙节段的长度均相同，其中n为正整数且n≥3；所述待加固区域由后向前分为n个待加固节段，每个所述连续墙节段均位于一个所述待加固节段上；

所述热交换装置包括两列对称布设于所述待加固区域左右两侧的冻结管3和两列分别布设于所述待加固区域左右两侧地层内的测温管4，每列所述冻结管3均包括n个呈均匀布设的冻结管3，每个所述冻结管3均为平直管且其均由上至下逐渐向所述待加固区域一侧倾斜，每列所述冻结管3中所有冻结管3均布设于同一倾斜面上且其沿所述待加固区域纵向长度方向由后向前布设；每个所述冻结管3均通过供液管道和回液管道与用于提供冻结液的冻结站13连接，每个所述冻结管3均由上至下插入富水粉砂地层17内且其底部与富水粉砂地层17的底面相平齐；每列所述测温管4均包括多个沿所述待加固区域纵向长度方向由后向前布设的测温管4，每个所述测温管4均呈竖直布设，每个所述冻结节段内均设置至少一个所述测温管4；每个所述冻结管3均与其所连接的供液管道和回液管道组成一个冻结器；

所述热交换装置中所有冻结管3由后向前分n排布设，每排所述冻结管3均包括左右两个布设于所施工地下连续墙同一横断面上的冻结管3，每排所述冻结管3中的两个所述冻结管3均组成一个对所处待加固节段进行冻结加固的冻结加固机构，每个所述冻结加固机构均位于所冻结的待加固节段中部；

步骤二、冻结加固：沿纵向长度方向由后向前对n个所述冻结节段分别进行冻结加固，n个所述冻结节段的冻结加固方法均相同；

对任一个所述冻结节段进行冻结加固时，过程如下：

步骤201、积极冻结：采用所述冻结加固机构对当前冻结节段的左右两侧地层分别进行热交换，并使当前冻结节段的左右两侧地层经冻结后均形成一个呈倾斜布设且沿所述待加固区域纵向长度方向布设的加固桩墙7，详见图5、图6和图7；待当前冻结节段中所述冻结加固机构连接的所有回液管道内冻结液温度均在T1～T2范围内时，完成当前冻结节段的积极冻结过程，此时当前冻结节段处于冻结加固状态；其中，T1＝T-1℃，T2＝T+1℃；T为预先设定的积极冻结终止温度，T的取值范围为－26℃～－32℃；并且，所述待加固区域的底部深度H越大，T的取值越低；

步骤一中每个所述测温管4均为对所处位置处加固桩墙7的温度进行实时监测的测温机构；

步骤202、维护冻结判断：步骤201中完成当前冻结节段的积极冻结过程后，采用测温管4对当前冻结节段中加固桩墙7的温度进行实时监测，并根据监测结果对判断是否需对当前冻结节段进行维护冻结：当当前冻结节段中任一个所述加固桩墙7的温度高于T3时，判断为需对当前冻结节段进行维护冻结，进入步骤203；否则，判断为无需对当前冻结节段进行维护冻结；其中，T3为预先设定的维护冻结起始温度，T3的取值范围为－6℃～－10℃；并且，所述待加固区域的底部深度H越大，T3的取值越低；

步骤203、维护冻结：采用步骤201中所述冻结加固机构对当前冻结节段左右两侧的地层分别进行热交换，直至当前冻结节段中所述冻结加固机构连接的所有回液管内冻结液温度均低于T4且当前冻结节段内所有冻结器中供液管道内与回液管道内的冻结液温差均小于2℃时，完成当前冻结节段的一次维护冻结过程，使当前冻结节段始终处于冻结加固状态；其中，T4为预先设定的维护冻结终止温度，T4的取值范围为－21℃～－23℃；

步骤三、地下连续墙施工：步骤二中由后向前对n个所述冻结节段分别进行冻结加固过程中，同步由后向前对n个所述连续墙节段分别进行施工；

对任一个所述连续墙节段进行施工之前，均先完成当前连续墙节段所处冻结节段的积极冻结过程。

实际施工时，所施工地下连续墙为钢筋混凝土墙，n个所述连续墙节段的施工方法均相同。

实际施工过程中，对任一个所述冻结节段进行冻结加固时，先对所述当前冻结节段左右两侧的地层分别进行热交换，以便将当前冻结节段左右两侧地层进行快速冻结，并进入冻结加固状态；之后，采用测温管4对当前冻结节段中加固桩墙7的温度进行实时监测，并根据监测结果对当前冻结节段进行维护冻结，使当前冻结节段左右两侧地层始终处于冻结加固状态，确保整个施工过程安全、可靠。

每个所述冻结节段的长度均为一个所述连续墙节段的长度相同。

所述待加固区域的底部深度H指的是所述待加固区域底部至地面的竖向高度。

本实施例中，T4＝－22℃。

本实施例中，步骤一中对冻结管3和测温管4进行布设时，均采用跟管钻进法进行布设。

其中，所述冻结站13也称为制冷站，制冷站是指集中安设制冷设施的场所。所述冻结液也称为冷媒剂。本实施例中，所述冻结液为质量分数24％～27％的氯化钙溶液。

需要说明的是，通过控制冻结液的成分和质量分数，保证了冻结液在提供本发明所需的低温时不会凝固，同时使冻结液具有合适的密度，避免对冻结管3造成影响，保证了冻结过程的顺利进行，避免了氯化钙质量分数过低导致的冻结液凝固点过高的不足，避免了氯化钙质量分数过高导致的造成氯化钙浪费的不足。

所述富水粉砂地层17的质量含水量为28.3％～39.0％。

需要说明的是，在富水粉砂地层17形成加固桩墙7时，加固桩墙7的强度随着富水粉砂地层17的含水量的增加而提高，在富水粉砂地层17的含水量较高时，采用较高的冻结液温度和较高的加固桩墙7的平均温度即可满足加固桩墙7的强度要求，在富水粉砂地层17的含水量较低时，采用较低的冻结液温度和较低的加固桩墙7的平均温度，即可满足加固桩墙7的强度要求。

本实施例中，步骤201中进行积极冻结之前，先根据所述待加固区域的底部深度H，对积极冻结终止温度T进行确定：当H＜12m时，T的取值范围为－26℃～－28℃；当12m≤H≤30m时，T的取值范围为－28℃～－30℃；当H＞30m时，T的取值范围为－30℃～－32℃。

本实施例中，当H＜12m时，T＝－27℃；当12m≤H≤30m时，T＝－29℃；当H＞30m时，T＝－31℃。

本实施例中，步骤202中进行维护冻结判断之前，先根据所述待加固区域的底部深度H，对维护冻结起始温度T3进行确定：当H＜12m时，T3的取值范围为－6℃～－8℃；当12m≤H≤30m时，T3的取值范围为－8℃～－10℃；当H＞30m时，T3的取值范围为－10℃～－11℃。

本实施例中，当H＜12m时，T3＝－7℃；当12m≤H≤30m时，T3＝－9℃；当H＞30m时，T3的取值范围为－10℃。

本实施例中，所述热交换装置中所有冻结管3的倾斜角度均相同；两个所述加固桩墙7的横截面均为矩形且二者的倾斜角度均与冻结管3的倾斜角度相同；

每个所述冻结管3的倾斜角度均为ε；其中，

式中，h为冻结管3所处位置处富水粉砂地层17的厚度；b为加固桩墙7的厚度，L为一列所述冻结管3中前后相邻两个所述冻结管3的间距。

其中，b的取值范围为2m～3m，L＜b。

本实施例中，L的取值范围为1m～2m。

本实施例中，所述测温管4与所述待加固区域的净距为0.8m～1.2m。本实施例中，所述测温管4与所述待加固区域的净距为1m。

本实施例中，所述富水粉砂地层17位于上部地层1和下部地层18之间，富水粉砂地层17与位于其上方的上部地层1组成上地层，所述上部地层1和下部地层18均为弱透水层；

所述热交换装置中的每个所述冻结管3均由上至下插入所述上地层内，每个所述冻结管3均分为埋设于富水粉砂地层17内且底部密封的冻结段8和埋设于上部地层1内的连接段9；

每个所述加固桩墙7的底部均伸入至下部地层18内且其顶部均伸入至上部地层1内。

本实施例中，所述供液管道包括由上至下插装入冻结段8内侧底部的供液管14，所述回液管道包括由上至下插装入连接段9内侧底部的回液管15。

本实施例中，所述供液管道还包括与供液管14连接且用于输送冻结液的输送支管11，所述供液管14经输送主管12与冻结站13连接；

所述回液管道还包括与回液管15连接且用于输送冻结液的回流支管，所述回液管15经回流支管与冻结站13连接；

所述输送支管11和回流支管均位于所述待加固区域上方且二者均位于所述待加固区域外侧。

本实施例中，所述输送支管11和回流支管外侧均包覆有保温层16。

需要说明的是，输送支管11和回流支管外侧均包覆有保温层16的目的是避免热量的提前流失，减少输送管路中热量的损失，优选的保温层16采用聚氯乙烯保温层。

本实施例中，每个所述输送支管11上均安装有流量控制阀和对该输送支管11内的冻结液温度进行实时监测的测温单元，每个所述回流支管上均安装有流量控制阀和对该回流支管内的冻结液温度进行实时监测的测温单元。

本实施例中，所述热交换装置还包括输送主管12和回流主管，所述冻结站13通过输送主管12与所述热交换装置中的所有输送支管11连接，所述冻结站13通过回流主管与所述热交换装置中的所有回流支管连接。

本实施例中，所述输送主管12和回流主管上均安装有流量控制阀。

本实施例中，所述输送主管12和回流主管均位于所述待加固区域上方且二者均位于所述待加固区域外侧。

本实施例中，所述输送主管12和回流主管外侧均包覆有保温层16。

需要说明的是，输送主管12和回流主管外侧均包覆有保温层16的目的是避免热量的提前流失，减少输送管路中热量的损失，优选的保温层16采用聚氯乙烯保温层。

本实施例中，每个所述测温管4均布设于一列所述冻结管3中前后相邻两个所述冻结管3之间。

本实施例中，每列所述测温管4中的多个所述测温管4呈均匀布设，每列所述测温管4中的多个所述测温管4均布设于同一竖直面上，两列所述测温管4中的测温管4呈交错布设；每个所述测温管4均布设于一列所述冻结管3中前后相邻两个所述冻结管3之间中部，每列所述测温管4中前后相邻两个所述测温管4的间距为一列所述冻结管3中前后相邻两个所述冻结管3间距的2倍。

因而，前后相邻两个所述测温管4的间距为2L。每个所述测温管4均位于前后相邻两个所述冻结节段之间的连接处。本实施例中，步骤202中采用测温管4对当前冻结节段中加固桩墙7的温度进行实时监测时，采用位于当前冻结节段前端或后端的测温管4进行监测。

本实施例中，所述待加固区域为由上至下对富水粉砂地层17进行开挖的待开挖区域；

所述富水粉砂地层17位于上部地层1和下部地层18之间，所述待加固区域为下部开挖区域20，所述下部开挖区域20与位于其正上方的上部开挖区域2组成立方体开挖区域，所述上部开挖区域2位于上部地层1内；所述立方体开挖区域的底面与富水粉砂地层17的底面相平齐。

本实施例中，所述立方体开挖区域为所施工地下连续墙的开槽区，所述开槽区为立方槽。

本实施例中，所述上部地层1和下部地层18均为弱透水层且二者均为土层。

本实施例中，所述待加固区域呈水平布设。

需要说明的是，待开挖槽位置处的富水粉砂地层17为下部开挖区域20，非开挖槽位置处的富水粉砂地层17为富水粉砂地层非开挖段，加固桩墙7将富水粉砂地层非开挖段分为富水粉砂地层维持段6-1和富水粉砂地层槽壁段6-2，加固桩墙7的墙底伸入至非开挖土体1位于富水粉砂地层17下侧的土层中，所述加固桩墙7的墙顶伸入至上部地层1中，实现相邻的富水粉砂地层维持段6-1和富水粉砂地层槽壁段6-2被一个加固桩墙7完全分割，避免富水粉砂地层维持段6-1中的富水涌入富水粉砂地层槽壁段6-2。

本实施例中，步骤203中每个所述加固桩墙7均与该加固桩墙7所处区域内布设的冻结管3呈平行布设。

本实施例中，所述待加固区域中部由后向前布设有多个泄压管5，多个所述泄压管5呈均匀布设且其沿所述待加固区域的纵向长度方向布设；多个所述泄压管5均呈竖直向布设且其由上至下埋设于所述待加固区域内；

步骤201中进行积极冻结过程中和步骤203中进行维护冻结过程中，当所述待加固区域内的土压力大于P时，通过一个或多个所述泄压管5进行泄压；其中，P为预先设计的泄压阈值且P的取值范围为1MPa～2MPa。

需要说明的是，泄压管5伸入至富水粉砂地层17顶部的上部地层1中，且不能伸入至富水粉砂地层17中，避免泄压管5端头结冰导致压力无法释放，泄压管5既可以起到释放冻胀压力的作用，也可以起到判断加固桩墙7交圈的作用，冻胀是由于冻结管3吸收土体内热量使土体降温，而当土体温度低于起始冻结温度时，土体中的水分结冰会导致体积膨胀。由于积极冻结持续时间较长，土体冻结产生水分偏移在加固桩墙7交壁后会使加固桩墙7内部压力升高，此时便需要泄压管5来减小冻胀产生的压力，交圈后特别关注地表面隆起，可根据实际情况增加或减少泄压管5位置。根据实际施工情况若在施工场地附近有需要保护的地下管线或其他既有隧道，可适当在其附近增加泄压管5并时刻关注加固桩墙7变化速率及管线位移情况。泄压管5内必须备有冻胀压力测量装置以配合测温管4来判断冻结交圈的情况，若是泄压管5不再有泥水涌出，说明加固桩墙7交圈完成，冻胀压力亦释放完成。

本实施例中，所述加固桩墙7的长度不小于所述待加固区域的长度，两个所述加固桩墙7之间的净距由上至下逐渐缩小，两个所述加固桩墙7在所述待加固区域底部的净距小于所述待加固区域的宽度。

需要说明的是，加固桩墙7的长度不小于待开挖槽的长度的目的是避免富水粉砂从端部间隙涌入坑槽，两个所述加固桩墙7在所述待加固区域底部的净距小于所述待加固区域的宽度目的是使待开挖槽段的富水粉砂地层17底部被封冻或部分封冻，进行加固防止流砂破坏。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、热交换装置布设：在待加固区域布设热交换装置，所述待加固区域位于富水粉砂地层(17)内且其横截面为矩形；所述待加固区域为所施工地下连续墙所处施工区域地层且其沿所施工地下连续墙的长度方向布设，所施工地下连续墙为呈水平布设的平直墙体且其沿长度方向由后向前分为n个连续墙节段，n个所述连续墙节段的长度均相同，其中n为正整数且n≥3；所述待加固区域由后向前分为n个待加固节段，每个所述连续墙节段均位于一个所述待加固节段上；

所述热交换装置包括两列对称布设于所述待加固区域左右两侧的冻结管(3)和两列分别布设于所述待加固区域左右两侧地层内的测温管(4)，每列所述冻结管(3)均包括n个呈均匀布设的冻结管(3)，每个所述冻结管(3)均为平直管且其均由上至下逐渐向所述待加固区域一侧倾斜，每列所述冻结管(3)中所有冻结管(3)均布设于同一倾斜面上且其沿所述待加固区域纵向长度方向由后向前布设；每个所述冻结管(3)均通过供液管道和回液管道与用于提供冻结液的冻结站(13)连接，每个所述冻结管(3)均由上至下插入富水粉砂地层(17)内且其底部与富水粉砂地层(17)的底面相平齐；每列所述测温管(4)均包括多个沿所述待加固区域纵向长度方向由后向前布设的测温管(4)，每个所述测温管(4)均呈竖直布设，每个所述冻结节段内均设置至少一个所述测温管(4)；每个所述冻结管(3)均与其所连接的供液管道和回液管道组成一个冻结器；

所述热交换装置中所有冻结管(3)由后向前分n排布设，每排所述冻结管(3)均包括左右两个布设于所施工地下连续墙同一横断面上的冻结管(3)，每排所述冻结管(3)中的两个所述冻结管(3)均组成一个对所处待加固节段进行冻结加固的冻结加固机构，每个所述冻结加固机构均位于所冻结的待加固节段中部；

步骤二、冻结加固：沿纵向长度方向由后向前对n个所述冻结节段分别进行冻结加固，n个所述冻结节段的冻结加固方法均相同；

对任一个所述冻结节段进行冻结加固时，过程如下：

步骤201、积极冻结：采用所述冻结加固机构对当前冻结节段的左右两侧地层分别进行热交换，并使当前冻结节段的左右两侧地层经冻结后均形成一个呈倾斜布设且沿所述待加固区域纵向长度方向布设的加固桩墙(7)；待当前冻结节段中所述冻结加固机构连接的所有回液管道内冻结液温度均在T1～T2范围内时，完成当前冻结节段的积极冻结过程，此时当前冻结节段处于冻结加固状态；其中，T1＝T-1℃，T2＝T+1℃；T为预先设定的积极冻结终止温度，T的取值范围为－26℃～－32℃；并且，所述待加固区域的底部深度H越大，T的取值越低；

步骤一中每个所述测温管(4)均为对所处位置处加固桩墙(7)的温度进行实时监测的测温机构；

步骤202、维护冻结判断：步骤201中完成当前冻结节段的积极冻结过程后，采用测温管(4)对当前冻结节段中加固桩墙(7)的温度进行实时监测，并根据监测结果对判断是否需对当前冻结节段进行维护冻结：当当前冻结节段中任一个所述加固桩墙(7)的温度高于T3时，判断为需对当前冻结节段进行维护冻结，进入步骤203；否则，判断为无需对当前冻结节段进行维护冻结；其中，T3为预先设定的维护冻结起始温度，T3的取值范围为－6℃～－10℃；并且，所述待加固区域的底部深度H越大，T3的取值越低；

步骤203、维护冻结：采用步骤201中所述冻结加固机构对当前冻结节段左右两侧的地层分别进行热交换，直至当前冻结节段中所述冻结加固机构连接的所有回液管内冻结液温度均低于T4且当前冻结节段内所有冻结器中供液管道内与回液管道内的冻结液温差均小于2℃时，完成当前冻结节段的一次维护冻结过程，使当前冻结节段始终处于冻结加固状态；其中，T4为预先设定的维护冻结终止温度，T4的取值范围为－21℃～－23℃；

步骤三、地下连续墙施工：步骤二中由后向前对n个所述冻结节段分别进行冻结加固过程中，同步由后向前对n个所述连续墙节段分别进行施工；

对任一个所述连续墙节段进行施工之前，均先完成当前连续墙节段所处冻结节段的积极冻结过程。

2.按照权利要求1所述的地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法，其特征在于：步骤201中进行积极冻结之前，先根据所述待加固区域的底部深度H，对积极冻结终止温度T进行确定：当H＜12m时，T的取值范围为－26℃～－28℃；当12m≤H≤30m时，T的取值范围为－28℃～－30℃；当H＞30m时，T的取值范围为－30℃～－32℃。

3.按照权利要求1或2所述的地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法，其特征在于：步骤202中进行维护冻结判断之前，先根据所述待加固区域的底部深度H，对维护冻结起始温度T3进行确定：当H＜12m时，T3的取值范围为－6℃～－8℃；当12m≤H≤30m时，T3的取值范围为－8℃～－10℃；当H＞30m时，T3的取值范围为－10℃～－11℃。

4.按照权利要求1或2所述的地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法，其特征在于：所述热交换装置中所有冻结管(3)的倾斜角度均相同；两个所述加固桩墙(7)的横截面均为矩形且二者的倾斜角度均与冻结管(3)的倾斜角度相同；

每个所述冻结管(3)的倾斜角度均为ε；其中，

式中，h为冻结管(3)所处位置处富水粉砂地层(17)的厚度；b为加固桩墙(7)的厚度，L为一列所述冻结管(3)中前后相邻两个所述冻结管(3)的间距。

5.按照权利要求1或2所述的地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法，其特征在于：所述富水粉砂地层(17)位于上部地层(1)和下部地层(18)之间，富水粉砂地层(17)与位于其上方的上部地层(1)组成上地层，所述上部地层(1)和下部地层(18)均为弱透水层；

所述热交换装置中的每个所述冻结管(3)均由上至下插入所述上地层内，每个所述冻结管(3)均分为埋设于富水粉砂地层(17)内且底部密封的冻结段(8)和埋设于上部地层(1)内的连接段(9)；

每个所述加固桩墙(7)的底部均伸入至下部地层(18)内且其顶部均伸入至上部地层(1)内。

6.按照权利要求1或2所述的地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法，其特征在于：所述供液管道还包括与供液管(14)连接且用于输送冻结液的输送支管(11)，所述供液管(14)经输送主管(12)与冻结站(13)连接；

所述回液管道还包括与回液管(15)连接且用于输送冻结液的回流支管，所述回液管(15)经回流支管与冻结站(13)连接；

所述输送支管(11)和回流支管均位于所述待加固区域上方且二者均位于所述待加固区域外侧；

所述输送支管(11)和回流支管外侧均包覆有保温层(16)。

7.按照权利要求1或2所述的地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法，其特征在于：每个所述测温管(4)均布设于一列所述冻结管(3)中前后相邻两个所述冻结管(3)之间；

每列所述测温管(4)中的多个所述测温管(4)呈均匀布设，每列所述测温管(4)中的多个所述测温管(4)均布设于同一竖直面上，两列所述测温管(4)中的测温管(4)呈交错布设；每个所述测温管(4)均布设于一列所述冻结管(3)中前后相邻两个所述冻结管(3)之间中部，每列所述测温管(4)中前后相邻两个所述测温管(4)的间距为一列所述冻结管(3)中前后相邻两个所述冻结管(3)间距的2倍。

8.按照权利要求1或2所述的地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法，其特征在于：所述待加固区域为由上至下对富水粉砂地层(17)进行开挖的待开挖区域；

所述富水粉砂地层(17)位于上部地层(1)和下部地层(18)之间，所述待加固区域为下部开挖区域(20)，所述下部开挖区域(20)与位于其正上方的上部开挖区域(2)组成立方体开挖区域，所述上部开挖区域(2)位于上部地层(1)内；所述立方体开挖区域的底面与富水粉砂地层(17)的底面相平齐。

9.按照权利要求1或2所述的地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法，其特征在于：所述待加固区域中部由后向前布设有多个泄压管(5)，多个所述泄压管(5)呈均匀布设且其沿所述待加固区域的纵向长度方向布设；多个所述泄压管(5)均呈竖直向布设且其由上至下埋设于所述待加固区域内；

步骤二中进行积极冻结过程中和步骤三中进行维护冻结过程中，当所述待加固区域内的土压力大于P时，通过一个或多个所述泄压管(5)进行泄压；其中，P为预先设计的泄压阈值且P的取值范围为1MPa～2MPa。

10.按照权利要求1或2所述的地下连续墙施工用富水粉砂地层超前冻结加固方法，其特征在于：所述加固桩墙(7)的长度不小于所述待加固区域的长度，两个所述加固桩墙(7)之间的净距由上至下逐渐缩小，两个所述加固桩墙(7)在所述待加固区域底部的净距小于所述待加固区域的宽度。

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