一种地层中存在流水时的预控冻结方法与流程

1.本发明涉及一种预控冻结方法，尤其适用于地下施工技术领域中使用的一种地层中存在流水时的预控冻结方法。


背景技术：

2.地下工程建设时，若遇富水软土层，常常采用人工冻结技术，通过在所需开挖土体周围布置冻结管，向冻结管中通入低温冷媒来冻结土层，形成封闭的冻结帷幕，用以加固土体并阻隔地下水，从而创造良好的开挖施工环境。若需冻结的土层中存在流水时，流水会带走低温冷媒向土体内传输的冷量，从而导致某一区域内形成的冻结壁出现薄弱，甚至无法形成封闭的冻结帷幕。受到冻结法形成冻结壁特点的影响，当冻结范围内形成部分冻结壁后，水流断面的减小会提高地层中流水的流速，进一步影响到冻结效果，使冻结壁很难封闭，冻结壁内一直存在缺口，影响后续的开挖及结构构筑施工，更为重要的是，冻结壁内缺口的位置受到先形成冻结壁位置的影响，很难准确确定具体的位置。在施工中需要临时停止冻结，通过冻结管内测温的方式来确定冻结壁内缺口的位置，并在该位置补充施工冻结管，减小冻结管的间距后重新进行冻结，使冻结壁封闭后满足冻结设计的要求。而冻结区域内钻孔施工的泥浆护壁的难度较大，所以大大提高了钻孔施工难度，而且补充冻结管后需要冻结的时间较长，影响整体的施工工期。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足之处，提供一种地层中存在流水时的预控冻结方法，当冻结区域截取到部分地层水流道时，通过在冻结壁形成过程中预留缺口位置的方法，先将地层水流道外的区域进行冻结并形成足够的厚度，之后再快速在除了缺口以外的其他区域形成设计要求的冻结壁，控制冻结过程中的地层水流向，减小流水的影响范围，其施工时间短，降低钻孔施工难度，缩短施工时间，节约施工成本。
4.为实现上述技术目的，本发明一种地层中存在流水时的预控冻结方法，当地表下规划出的待开挖土体中存在贯穿待开挖土体区域的地层水流时，在工作井向包含贯穿水流的规划待开挖土体范围外侧布置一圈冻结孔，然后利用冻结孔检测地层水流的流水方向，从而获得地层水流通过待开挖土体的流水通道入口和出口位置，在冻结孔中布置冷接管，然后在流水通道入口和出口位置的冷冻钻孔外侧增设补强冻结孔并放入补强冻结管，向流水通道入口和出口位置附近的冷接管以外的其余冻结管内通入冷媒进行地层冻结，从而使位置相近的其余冻结管之间形成冻结帷幕，冻结过程中地层水流继续从流水通道中通过，最后向流水通道入口及出口位置处的冻结管以及补强冻结管内注入冷量封闭冻结帷幕形成完整包裹待开挖土体的冻结壁，在冻结壁内部的待开挖土体中进行预期的开挖施工。
5.具体步骤如下：
6.a.当地层预备开挖区域中存在流水的情况下，首先在预备开挖区域周围施工一圈包围待开挖土体的冻结孔，一圈冻结孔截取了地层水流，利用冻结孔获取被截取的地层水
流的流水方向以及流速信息；
7.b.根据地层水流的信息，从而判断地层水流穿过待开挖土体的入口和出口位置，向所有冻结孔中安装冻结管，之后在地层水流穿过待开挖土体的入口和出口位置处的冻结管外侧土体中再增设用以增加冻结效果的补强冻结管；
8.c.向地层水流穿过待开挖土体的入口和出口位置处冻结管以外的其余冻结管注入冷媒进行冻结施工，其余冻结管中相邻的冻结管之间冻结连接从而形成冻结壁，未注入冷媒的冷冻管处形成冻结壁预留缺口，入口和出口的冻结壁预留缺口之间即为流水通道，冻结过程中地层水流沿着流水通道通过冻结壁预留缺口继续流动，实现对地层流水方向的控制，减小对冻结壁形成过程的影响；
9.d.待冻结壁冻结厚度满足设计需要后，向地层水流流道的入口和出口位置处的冻结管以及补强冻结管中注入低温冷媒进行快速冻结，封闭冻结壁预留缺口，从而在待开挖土体周围形成完整冻结帷幕；
10.e.待封闭的完整冻结壁满足设计要求后，即可进行内部土体的开挖及后续构筑施工。
11.进一步，当流水通道的流水方向的出口位置处土性较差，冻结效果慢，通过后期补强冻结也很难在规定时间内堵住缺口，或者流水方向出口外侧有重要建构筑物或其他不允许水流流过的管线、设备时，则必须在环形冻结壁的其他位置预留出口，从而与入口形成夹角，所述夹角不应大于90
°
。
12.进一步，根据需要在冷冻壁预设一个进水口、多个出水口，通过控制分流方式减缓流速从而控制地下水的流速和方向，其中地下水的临界流速为5m/d，超过该值则冻结壁无法封闭。
13.进一步，通过采取在冻结壁预留缺口位置增设补强冻结管、扩大冻结管直径、在冻结管中通入低温液氮的措施，能够在大流速地下水条件下快速封闭冻结壁，缩短形成设计厚度冻结壁的时间。
14.有益效果：当冻结区域截取到部分地层水流道时，通过在冻结壁形成过程中预留缺口位置的方法，先将地层水流道外的区域进行冻结并形成足够的厚度，控制了地层中流水路径，减小对冻结过程的影响，之后再快速在除了缺口以外的其他区域形成设计要求的冻结壁，控制冻结过程中的地层水流向，减小流水的影响范围，通过提前预留冻结壁内的缺口，有利于快速形成冻结帷幕，而缺口位置的方便确定，为采取针对性快速冻结措施提供了基础，从而可以方便施工组织，提高冻结效率，缩短施工工期。降低钻孔施工难度，节约施工成本。
附图说明
15.图1为本发明实施例的地层中存在流水时的预控冻结方法的断面结构示意图。
16.图2为本发明实施例的地层中存在流水时的预控冻结方法的主视结构示意图。
17.图中：1-流水方向；2-流水通道；3-待开挖土体；d1～d15-冻结管；b1～b2-补强冻结管
具体实施方式
18.下面结合附图中图1对本发明做详细说明。
19.如图1和图2所示，本发明的一种地层中存在流水时的预控冻结方法，当地表下规划出的待开挖土体3中存在贯穿待开挖土体3区域的地层水流时，在工作井向包含贯穿水流的规划待开挖土体3范围外侧布置一圈冻结孔，然后利用冻结孔检测地层水流的流水方向1，从而获得地层水流通过待开挖土体3的流水通道2入口和出口位置，在冻结孔中布置冷接管，然后在流水通道2入口和出口位置的冷冻钻孔外侧增设补强冻结孔并放入补强冻结管，向流水通道2入口和出口位置附近的冷接管以外的其余冻结管内通入冷媒进行地层冻结，从而使位置相近的其余冻结管之间形成冻结帷幕，冻结过程中地层水流继续从流水通道2中通过，最后向流水通道2入口及出口位置处的冻结管以及补强冻结管内注入冷量封闭冻结帷幕形成完整包裹待开挖土体3的冻结壁，在冻结壁内部的待开挖土体3中进行预期的开挖施工。
20.于具体步骤如下：
21.a.当地层预备开挖区域中存在流水的情况下，首先在预备开挖区域周围施工一圈包围待开挖土体3的冻结孔，一圈冻结孔截取了地层水流，利用冻结孔获取被截取的地层水流的流水方向1以及流速信息；
22.b.根据地层水流的信息，从而判断地层水流穿过待开挖土体3的入口和出口位置，向所有冻结孔中安装冻结管，之后在地层水流穿过待开挖土体3的入口和出口位置处的冻结管外侧土体中再增设用以增加冻结效果的补强冻结管；
23.c.向地层水流穿过待开挖土体3的入口和出口位置处冻结管以外的其余冻结管注入冷媒进行冻结施工，其余冻结管中相邻的冻结管之间冻结连接从而形成冻结壁，未注入冷媒的冷冻管处形成冻结壁预留缺口，入口和出口的冻结壁预留缺口之间即为流水通道2，冻结过程中地层水流沿着流水通道2通过冻结壁预留缺口继续流动，实现对地层流水方向的控制，减小对冻结壁形成过程的影响；通过采取在冻结壁预留缺口位置增设补强冻结管、扩大冻结管直径、在冻结管中通入低温液氮的措施，能够在大流速地下水条件下快速封闭冻结壁，缩短形成设计厚度冻结壁的时间；
24.d.待冻结壁冻结厚度满足设计需要后，向地层水流流道的入口和出口位置处的冻结管以及补强冻结管中注入低温冷媒进行快速冻结，封闭冻结壁预留缺口，从而在待开挖土体3周围形成完整冻结帷幕；
25.e.待封闭的完整冻结壁满足设计要求后，即可进行内部土体的开挖及后续构筑施工。
26.当流水通道2的流水方向1的出口位置处土性较差，冻结效果慢，通过后期补强冻结也很难在规定时间内堵住缺口，或者流水方向1出口外侧有重要建构筑物或其他不允许水流流过的管线、设备时，则必须在环形冻结壁的其他位置预留出口，从而与入口形成夹角，所述夹角不应大于90
°
，根据需要在冷冻壁预设一个进水口、多个出水口，通过控制分流方式减缓流速从而控制地下水的流速和方向，其中地下水的临界流速为5m/d，超过该值则冻结壁无法封闭。
27.实施例一、
28.在地层中存在流水的情况下，使用人工冻结法来加固土体，为开挖后周围土体提
供维护作用的过程中，如图1所示：
29.a.在所需开挖土体周围施工一圈冻结孔d1～d15，并在钻孔中布置冻结管，冻结孔的布置圈径、布置间距根据冻结设计来进行确定。
30.b.利用冻结孔施工过程中的钻孔，进行地层中流水方向和流速的测试，获得流水的基本参数。
31.c.根据流水流向和流速等参数的测试结果，确定冻结过程中流水方向1。如果流水的流速较大，可以确定其它的水流方向，比如下游分叉的多条水流路径等。
32.d.根据确定的流水方向，确定在冻结壁的d7和d15管位置预留冻结壁的缺口，并在两个冻结管外面或者周圈位增加布置补强冻结管b1、b2。
33.e.向d1～d6、d8～d14冻结管中通入低温盐水或其它冷媒进行地层冻结，在d1～d6、d8～d14冻结管周围形成冻结帷幕，冻结过程中地层中的流水从预留的冻结过程中的流水通道2中通过，而形成冻结壁的过程不会受到流水影响，实现对流水影响区域的预控。
34.f.待d1～d6、d8～d14冻结孔周围形成一定厚度的冻结帷幕后，在预留缺口位置的冻结管d15和d7，以及补强冻结管b1和b2中循环低温盐水，较小的冻结管间距和加强冻结作用，可以快速的在冻结壁缺口位置形成封闭的冻结帷幕，继续进行冻结以形成设计要求的冻结壁。
35.g.如果地层中流水的流速大，或者冻结工期要求时间紧，可以将冻结管d15和d7以及补强冻结管b1和b2更换为较大直径的冻结管，以提升冻结效果，或者在d15、d7冻结管以及b1、b2不强冻结管内循环液氮，充分发挥低温快速冻结的优势，将冻结壁封闭，形成完整的冻结帷幕。
36.h.待封闭的完整冻结帷幕满足设计要求后，即可进行内部土体3开挖及后续结构构筑施工。
37.以上所述的施工方法仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。