一种地下暗河溶洞冻结囊筑堰成桩方法与流程

本发明涉及地下基础施工，具体为一种地下暗河溶洞冻结囊筑堰成桩方法。

背景技术：

1、在岩溶地质区进行桥梁或大型建筑的深基础施工时，经常遭遇发育有地下暗河的溶洞。在常规的静水或无水溶洞环境中，通常采用下放钢护筒结合水下混凝土灌注的方式进行成桩。然而，当暗河水流速度快、动水压力大时，传统的金属护筒难以与起伏不规则的溶洞底板形成严密贴合。水流会从护筒底部的间隙直接涌入作业区，在浇筑过程中对尚未初凝的混凝土造成强烈冲刷，导致水泥浆液大量流失与粗细骨料离析，最终成型的桩体常出现夹泥、缩径或断桩现象，无法满足设计承载力要求。

2、为了应对强动水冲刷，工程实践中会尝试采用预先注浆或常规的人工冻结法进行外围封堵。但在高流速水流环境中，常规注浆材料在完成水化固化前往往已被水流稀释并带走，难以形成有效的挡水围堰。若采用常规直接插管冻结，由于地下水的快速流动会产生强烈的热对流，带走制冷系统释放的大量冷能，导致冻结壁生长缓慢甚至无法交圈闭合。

3、此外，即便在前期勉强形成了隔水围堰，进入主体成桩阶段后，大体积混凝土在凝结过程中会释放大量的水化热。这部分热量向外围扩散，会不可避免地造成周边冻结体局部升温并融化失效，进而引发暗河水流的二次突涌。同时，在施工收尾阶段，冻结区域自然解冻产生的体积收缩以及临时施工管柱拔出后留下的孔隙，会导致成型桩体与溶洞底板及周边围岩之间存在缝隙，削弱了桩基与地层间的摩擦力及受力连续性，对整体结构的长期稳定性造成负面影响。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种地下暗河溶洞冻结囊筑堰成桩方法，解决了地下暗河溶洞环境水流速度快、动水压力大且空间不规则。传统筑堰或灌注桩施工方法在此类强水动力条件下，存在注浆材料易被冲刷流失、挡水结构难以成型、混凝土浇筑过程中离析严重以及无法有效封底等技术缺陷，导致成桩质量难以保障的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种地下暗河溶洞冻结囊筑堰成桩方法，包括：

3、采集目标岩溶区域的物理数据及地下暗河的水动力参数；

4、根据所述物理数据和所述水动力参数，提供包含主冻结囊和阻流子囊的复合囊体系统；

5、将所述主冻结囊沿钻孔下放至溶洞并与底板基岩贴合；

6、向所述阻流子囊内泵入膨胀浆液使所述阻流子囊膨胀固化形成局部挡水结构，通过制冷机组向所述主冻结囊内部输出冷媒介质进行制冷，使所述主冻结囊达到小于0℃的预设负温标准形成复合冻结隔水堰体，即冻结壁；

7、排空所述主冻结囊围合形成的中心作业孔内的残留水体，经插入所述中心作业孔内的中心抗压灌注导管浇筑混凝土并维持保冷状态；

8、待浇筑的混凝土强度达到设计强度的80%至100%的预设比例后，对所述主冻结囊执行受控解冻，向解冻留存的孔隙内泵入微膨胀浆料完成封堵密实。

9、本发明技术方案的原理在于：

10、利用阻流子囊的先期膨胀消耗暗河局部动水能量，降低主冻结囊迎水面的流速；

11、随后通过囊内制冷使边界水体发生相变，形成抵抗动水冲刷的复合冻结隔水堰体。该堰体将溶洞流水区与内部浇筑区物理隔离，使混凝土灌注在无水且低温的中心作业孔内进行，避免水泥浆液离析；

12、最后通过解冻并置换微膨胀浆料，消除相变卸荷产生的孔隙，使桩体与原岩结合密实。

13、优选的，所述根据所述物理数据和所述水动力参数，提供包含主冻结囊和阻流子囊的复合囊体系统，具体包括：

14、根据所述物理数据建立三维流场数字模型，计算复合囊体系统所在深度处的静水压力和地下暗河水流作用于所述主冻结囊迎水面产生的动水压力，并将两者叠加获取综合水压力；

15、测算溶洞目标封堵区域的三维容积，将所述主冻结囊展开后的外包络封堵体积设定为所述三维容积的1.15倍至1.20倍，并依此确定内部有效充液容积；

16、选择在-30℃下不发生脆性断裂且本体抗拉强度大于或等于由所述动水压力换算得到的囊壁等效设计拉应力3倍的高分子复合涂层织物作为所述主冻结囊的材料，从而确定所述复合囊体系统的尺寸及材料。

17、该步骤通过三维流场建模获取水动力荷载，反推囊体材料的力学参数并设定体积余量，避免囊体在深水大流速环境下发生断裂或破损。

18、优选的，所述将所述主冻结囊沿钻孔下放至溶洞并与底板基岩贴合的过程，具体包括：

19、提供外侧开设有连续定位滑道的多个锚固桩作为导轨锚桩群；

20、将所述主冻结囊套设在所述导轨锚桩群上形成一体化装配结构，并将预设于所述主冻结囊外周的多个滑移套环分别穿套在对应锚固桩的定位滑道内进行滑动连接，采用临时环向约束将所述主冻结囊折叠收拢；

21、驱动所述锚固桩克服水流侧向推力垂直下入溶洞底板并钻进嵌岩锁定；

22、向所述主冻结囊封闭的环形换热囊腔内泵入体积占所述主冻结囊总设计容积25%至35%的防冻液作为液态配重介质，使所述主冻结囊在重力作用下沉底并向外扩展形变贴合孔壁及基岩。

23、该步骤利用嵌岩导轨锚桩群抵抗水流侧向推力，结合防冻液作为液态配重，实现柔性囊体在暗河水流中的垂直下沉与定位。

24、优选的，所述向所述阻流子囊内泵入膨胀浆液使所述阻流子囊膨胀固化形成局部挡水结构的过程，具体包括：

25、通过双液并行管路向预先固定于所述主冻结囊外部迎水面的阻流子囊内泵送双组份聚氨酯发泡注浆材料，双组分材料在阻流子囊内汇合交联发泡；

26、控制注浆压力高出外部水压力0.2mpa至0.5mpa，使所述阻流子囊向外展开并变硬；

27、监测所述主冻结囊外表面的局部流速，当局部流速降至0.5m/s以下时，停止注浆并判定局部挡水结构成型。该步骤利用聚氨酯材料的发泡特性在囊内固化，形成局部挡水结构以降低迎水面流速，为后续制冷相变提供热力学边界条件。

28、优选的，所述通过制冷机组向所述主冻结囊内部输出冷媒介质进行制冷的过程，执行分级梯度制冷工艺，具体包括：

29、在制冷初期阶段，将冷媒循环温度设定为-30℃至-28℃的第一温度阈值进行满负荷深冷挂冰，使所述主冻结囊外壁边界水体发生相变生成初始冰壳；

30、当监测到冷媒进出口温差降至初始最大温差的15%至20%或绝对温差小于2℃时，将冷媒循环温度上调至-20℃至-15℃的第二温度阈值，进入恒温维持加厚阶段，直至光纤测温节点温度连续稳定在-5℃以下超过24小时，判定复合冻结隔水堰体交圈成型。

31、该梯度制冷工艺前期通过低温使水体快速相变生成初始冰壳，后期调高循环温度以减缓内部热应力，保持冻结隔水堰体的结构完整。

32、优选的，在所述主冻结囊外侧形成初始冰壳后，还包括短纤维复合增强工序，具体包括：

33、将聚丙烯、聚乙烯醇或玄武岩微细短纤维与纯水按0.5%至2.0%的质量比混合制备出短纤维悬浮液；

34、通过预设于所述主冻结囊外表面且端头具有伴热电阻丝和单向破冰阀的微孔释放管，向冰水界面处持续泵入所述短纤维悬浮液；

35、泵出的短纤维在冷量作用下结冰并嵌入相变冰层中，形成微观桥接网络以提升交圈冰壳的抗剪切强度。该工序将短纤维作为结晶晶核引入水体相变过程，通过纤维间的机械桥接作用改善纯水结冰后的脆性，提升冰壳抗剪切及抗冲刷性能。

36、优选的，在制冷及浇筑期间，还包括高流速自适应调节工序：

37、实时采集暗河的局部流速序列、冷媒回流温度序列和冰层厚度序列并进行归一化处理；

38、将处理后的特征向量输入预先训练的自适应冷量调节模型，所述自适应冷量调节模型基于长短期记忆网络或混合卷积神经网络结构，输出下一个控制周期的目标冷媒循环流速及目标冷媒供液温度；

39、根据输出结果实时调整所述制冷机组中变频压缩机的运行频率与冷媒循环泵的转速，动态抵消动水冲刷导致的对流换热量增幅。

40、该工序利用神经网络模型处理动态监测数据，提前调整制冷设备的运行参数，抵消外部流速变化带来的热量冲击，防止冻结壁局部融化。

41、优选的，所述排空所述主冻结囊围合形成的中心作业孔内的残留水体，经插入所述中心作业孔内的中心抗压灌注导管浇筑混凝土并维持保冷状态的过程，具体包括：

42、控制所述中心作业孔内的降水水位下降速率不超过0.5m/h，并在径向收敛变形量达到复合冻结隔水堰体有效厚度1.0%至1.5%的预设警报阈值时暂停抽排；

43、在所述中心作业孔内下放钢筋笼，灌注预冷至5℃至8℃的低水化热混凝土，基于所述中心作业孔内布设的三维立体测温网络，实时计算水化热由桩基中心向主冻结囊边界传递的瞬时热流密度；

44、控制所述制冷机组提供的单位面积有效冷通量动态大于或等于所述瞬时热流密度，并在推算出的热波前锋高能区距离所述主冻结囊内壁小于0.5m至0.8m时，触发超前降温指令优先增大冷媒流量。

45、该工序根据水化热传递的瞬时热流密度动态调节制冷量，实现冷热量平衡，防止中心作业孔内大体积混凝土水化放热导致冻结堰体内壁融蚀。

46、优选的，所述对所述主冻结囊执行受控解冻，向解冻留存的孔隙内泵入微膨胀浆料完成封堵密实的过程具体包括：

47、停止制冷并切换至梯度升温模式，利用所述主冻结囊内留存的冷媒作为加热介质，控制加热介质升温速率为0.5℃/h至1.5℃/h，并约束桩体中心与表层的温差不超过25℃，直至边界温度回升至本底水温以上完成解冻，排出相变产生的液态水；

48、将所述中心抗压灌注导管的可回收内管向上拔出，通过管路向所述解冻留存的孔隙内注入限制膨胀率为万分之二至万分之四的微膨胀浆料，所述孔隙包括冰体融化产生的环状卸荷空隙及留置通道；

49、当泵送压力达到终止注浆压力并在10min至15min的预设稳压时间内无衰减时，判定充填密实并反向吹扫回收内部冷媒；

50、其中终止注浆压力等于当前位置暗河静水压力与0.2mpa至0.5mpa的设定有效压实附加压强之和。

51、该工序采用受控升温避免初凝桩基产生温度裂缝，并利用微膨胀浆料置换固液相变及解冻产生的卸荷孔隙，保障桩基的封堵密实度。

52、优选的，在筑堰成桩周期内，还包括基于多维动态感知网络的闭环防失稳控制机制：

53、采集囊外边界的局部水温、孔隙水压及瞬态动水流速，输入至长短期记忆与注意力机制融合神经网络模型，预测下一个控制周期的复合冻结隔水堰体有效厚度及失稳风险概率；

54、根据实时测算的综合水压力及对应温度下复合冻结隔水堰体的许用环向承载应力，动态计算维持结构不发生失稳变形的临界最低安全厚度阈值；

55、当预测的有效厚度低于所述临界最低安全厚度阈值时，自动将冷媒循环流速及制冷负荷调至设备安全上限，若风险概率在连续两个控制周期内未下降，则联动预埋管路注入速凝浆液在外部形成物理阻水帷幕。

56、该机制通过神经网络评估堰体失稳风险概率，在有效厚度不足时自动加大制冷负荷或启动外部注浆，保障施工周期内整体结构的安全。

57、本发明提供了一种地下暗河溶洞冻结囊筑堰成桩方法。具备以下有益效果：

58、1、本发明采用主冻结囊和阻流子囊构成的复合囊体系统，配合基于长短期记忆网络的供冷控制策略，能够在地下暗河的高流速动水环境中构建稳定的隔水屏障。阻流子囊的膨胀固化能够初步削弱水流冲击，主冻结囊通过动态调整冷媒参数在外部形成冻结冰层，有效隔离了外部水体对中心作业孔的冲刷，为后续的混凝土浇筑提供了无水扰动的施工环境。

59、2、本发明在混凝土浇筑过程中，利用外壁设有弹性扶正器的中心抗压灌注导管维持浇筑通道的同轴度，保证了混凝土上返充填空间的均匀性。同时，通过分布的温度传感器获取实时数据并计算瞬时热流密度，以提前增加制冷量的方式抵消混凝土水化热的影响，防止内部热量向外传递导致冻结屏障局部解冻失效，保障了成桩质量并避免了混凝土离析。

60、3、本发明在成桩后期采用梯度升温解冻与微膨胀浆液注浆相结合的处理方式。在拔出导管内管并使外部冰层解冻后，向遗留的孔隙内泵入微膨胀水泥浆液，并以计算得出的终止注浆压力和稳压时间作为密实充填的判定依据，有效填补了因冰体融化及管柱抽离所产生的体积收缩空间，实现了桩体与溶洞底板及围岩间的密实封堵与受力连续。