一种冻结支护装置及施工方法与流程

1.本发明涉及基坑冻结支护技术领域，具体涉及一种冻结支护装置及施工方法。


背景技术：

2.近年来，随着我国城市化进程不断加快，地下工程建设的规模也在逐步扩大，与此同时基坑工程也在向着深、广两个方面发展，还要面临基坑周围环境愈加复杂以及环境保护越来越严苛等问题。故深基坑支护方式所面临的技术挑战与施工风险越来越大，尤其是在我国东部沿海地区分布较广的富水软弱地层，土体天然含水率高，强度低，自身承载力差，防水难度大，这对深基坑支护提出了更高的要求。常见的深基坑支护方式有钻孔灌注桩、地下连续墙、土钉墙、压入式型桩 旋喷止水帷幕等，但各自都有其局限性：例如钻孔灌注桩易造成水土流失，造价高，止水性能差；地下连续墙封水和支护能力良好，但造价过高；土钉墙只适用于含水量低且土质较好的地区；压入式型桩 旋喷止水帷幕对施工场地要求大，工序复杂，添加入土体的水泥、止水材料对地下水土有一定的危害。
3.另外还有人工冻结支护，但是现有的基坑支护规范并未考虑冻胀因素的影响，依照现有规范施工可能会造成支护结构与基坑变形过大，严重时会导致基坑失稳。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种冻结支护装置及施工方法，考虑到冻胀因素，通过围板的内部结构使得冻土膨胀不会对支护装置造成较大破坏。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种冻结支护装置，包括排列设置的围板、相邻围板间的连接件以及位于围板上且穿入土层的冻结管，所述围板包括上层的硬质壳体以及硬质壳体下表面设置的支撑部，所述支撑部下表面设置凹槽，所述硬质壳体的边缘与连接件固定连接。
6.进一步的，所述硬质壳体为矩形，所述硬质壳体下表面向内凹陷形成容纳腔，所述支撑部固定设置在容纳腔内，所述硬质壳体的边缘向外设置矩形的连接环，所述连接环的四角对应连接件设置固定穿孔，所述硬质壳体和连接环一体成型。
7.进一步的，所述支撑部采用轻质泡沫混凝土制件，所述凹槽为弧形。
8.进一步的，所述冻结管包括管体、位于管体前端的锥形头以及位于管体后端的推板，所述管体内部沿轴向设置隔板，所述隔板两侧分别为第一腔室和第二腔室，所述隔板的前端设置通孔，所述管体的后部靠近推板处设置与第一腔室连通的第一连接管以及与第二腔室连通的第二连接管，所述第一连接管和第二连接管与制冷系统连通。
9.进一步的，所述硬质壳体的中部设置供冻结管进入的第一插入孔，所述支撑部对应第一插入孔设置第二插入孔，所述硬质壳体上对应第一插入孔设置导向套管，所述导向套管突出硬质壳体的上表面，所述导向套管的内径与第一插入孔相适配，所述导向套管与硬质壳体一体铸造，所述导向套筒上设置供第一连接管和第二连接管穿过的避空槽。
10.进一步的，所述连接件包括底板，所述底板的下表面设置若干个固定刺体，所述底
板的上表面排列设置四个与固定穿孔配合的连接柱，所述底板的中部设置桩基孔，所述固定穿孔套设在连接柱上，所述桩基孔内插入紧固锚桩，所述连接环的顶角对应紧固锚桩设置弧形缺口，所述紧固锚桩的后端设置顶板，所述顶板的四角对应连接柱设置套孔，所述顶板对固定穿孔所在的连接环压紧固定，所述连接柱的上端对应顶板设置锁紧件。
11.进一步的，所述锁紧件包括内螺纹套筒，所述连接柱的上部设置与内螺纹套筒配合的外螺纹，所述内螺纹套筒下端粘接弹性垫片，每个连接件上的其中一侧内螺纹套筒的上端设置配合制冷系统的夹持件。
12.进一步的，所述制冷系统包括制冷装置主体以及与制冷装置主体连通的供液主管道和回液主管道，所述供液主管道通过第一分水器与若干供液分支管连通，所述回液主管道通过第二分水器与若干回液分支管连通，每个连接件下侧的夹持件固定供液分支管，上侧的夹持件固定回液分支管，所述第一连接管与位于硬质壳体上侧的供液分支管连接，所述第二连接管与位于硬质壳体下侧的回液分支管连通。
13.进一步的，所述夹持件包括设置在内螺纹套筒端部的半环形托板，所述半环形托板的一端铰接设置半环形盖板，所述半环形托板和半环形盖板另一端螺栓固定，所述供液分支管或回液分支管穿过半环形托板和半环形盖板组成的撑环内，所述撑环的内径大于供液分支管或回液分支管的外径。
14.进一步的，所述硬质壳体上设置测温机构，所述测温机构包括硬质壳体以及支撑部围绕冻结管设置的多个测温孔，所述测温孔内选择性插入测温杆或封堵块，所述测温杆包括插杆主体，所述插杆主体内部中空为设备腔，所述设备腔的底部设置温度传感器，所述插杆为导热性能好的材质做成。
15.上述冻结支护装置的施工方法，包括如下步骤：
16.采用台阶法逐层挖掘基坑，每层台阶挖掘完毕后，首先确定连接件位置并进行安装，通过连接件固定围板后插入冻结管，并将冻结管与该层的供液分支管和回液分支管连通，启动制冷装置主体对土层进行冻结，该层冻结完毕后对下一层施工，直至基坑施工完成。
17.进一步的，冻结操作时，制冷装置主体采用间歇式制冷供液。
18.进一步的，每层台阶挖掘完毕，平整支护面，定位连接件位置，通过固定刺体插入土层固定连接件，将围板上的固定穿孔与连接柱对应，使得围板固定在连接件上，通过砸入紧固锚桩对围板进行锁紧，并对连接件进一步固定，然后将锁紧件套入连接柱上端，并在围板中心插入冻结管，锁紧件旋转至合适位置，使得夹持件对供液分支管或回液分支管进行支撑，架设制冷系统，冻结管与制冷系统连通后开始冻结作业。
19.本发明的上述技术方案的有益效果如下：
20.围板通过硬质壳体和支撑部组成，通过支撑部的凹槽结构，在冻结作业时如果发生冻胀现场，使得冻土可以在凹槽内膨胀，吸收一部分的膨胀，这样冻胀不会对整个支护装置造成较大的破坏。同时支撑部采用轻质泡沫混凝土，这样支撑部虽然拥有较大的厚度，但是由于材料问题，其重量并不大，且结构强度也不差，使得围板的整体强度不至于降低的同时，大大的降低了围板的质量，对于基坑侧壁施加的重力会更小。
21.另外，冻结管未采用上下打管的方式，上下打管的冻胀无法吸收，且本技术通过横向插入式的冻结管，这样在冻土形成之后，首先会存在竖向的一层冻结层，另外沿着冻结管
插入的方向，会出现较多的向土层伸出延伸的冻结柱，冻结柱的表面不规则，可以增加冻结层与土层的摩擦力，使得冻结层支护力度更大。
22.另外，通过该支护装置，在施工的时候属于台阶法逐层挖掘，挖掘一层的同时安装支护，直至最终基坑施工完成，安全性更高。
附图说明
23.图1为本发明冻结支护装置的侧面剖视图；
24.图2为本发明冻结支护装置的正面结构示意图；
25.图3为本发明冻结管的结构示意图；
26.图4为本发明图1中a处的结构放大图；
27.图5为本发明夹持件的结构示意图；
28.图6为本发明围板上设置测温机构的结构示意图；
29.图7为本发明测温杆的结构示意图；
30.图8为本发明安装一层围板后基坑的结构示意图；
31.图9为本发明安装两层围板后基坑的结构示意图；
32.图10为本发明安装四层围板后基坑的结构示意图；
33.图11为本发明制冷系统的结构示意图。
34.1、连接件；2、围板；3、冻结管；4、推板；5、导向套管；6、硬质壳体；7、支撑部；8、连接环；9、凹槽；10、第二插入孔；11、夹持件；12、第二连接管；13、回液分支管；14、供液分支管；15、第一连接管；16、第一腔室；17、第二腔室；18、隔板；19、通孔；20、第一插入孔；21、内螺纹套筒；22、连接柱；23、弹性垫片；24、顶板；25、套孔；26、固定穿孔；27、弧形缺口；28、温度传感器；29、底板；30、桩基孔；31、固定刺体；32、紧固锚桩；33、半环形盖板；34、半环形托板；35、撑环；36、测温杆；37、封堵块；38、测温孔；39、设备腔；40、插杆主体；41、制冷装置主体；42、供液主管道；43、回液主管道；44、第一分水器；45、第二分水器。
具体实施方式
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图1
‑
11，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.实施例一
37.如图1
‑
11所示：
38.本实施例提供了一种冻结支护装置，包括排列设置的围板2、相邻围板2间的连接件1以及位于围板2上且穿入土层的冻结管3，所述围板2包括上层的硬质壳体6以及硬质壳体6下表面设置的支撑部7，所述支撑部7下表面设置凹槽9，所述硬质壳体6的边缘与连接件1固定连接。
39.所述硬质壳体6为矩形，所述硬质壳体6下表面向内凹陷形成容纳腔，所述支撑部7固定设置在容纳腔内，所述硬质壳体6的边缘向外设置矩形的连接环8，所述连接环8的四角对应连接件1设置固定穿孔26，所述硬质壳体6和连接环8一体成型。
40.所述支撑部7采用轻质泡沫混凝土制件，所述凹槽9为弧形。
41.具体而言，围板2结构优先正方形，其大小在一米到两米之间，容纳腔形成的结构为矩形，硬质壳体6内侧可以有不规则凸起，浇筑轻质泡沫混凝土后结合度更好。连接环8与硬质壳体6一体浇铸成型，连接环8在硬质壳体6的外侧，与连接件1配合，将围板2固定在基坑侧壁。另外，支撑部7采用轻质泡沫混凝土在减重保持结构强度的同时，可以降低围板2的热传递速度，使得冻结过程可以加快，对于土层的冻结强度更高。
42.根据本发明的一个实施例，如图1
‑
3所示，
43.所述冻结管3包括管体、位于管体前端的锥形头以及位于管体后端的推板4，所述管体内部沿轴向设置隔板18，所述隔板18两侧分别为第一腔室16和第二腔室17，所述隔板18的前端设置通孔19，所述管体的后部靠近推板4处设置与第一腔室16连通的第一连接管15以及与第二腔室17连通的第二连接管12，所述第一连接管15和第二连接管12与制冷系统连通。
44.冻结管3内部流通低温盐水，因此冻结管3内部中空，其前端为锥形头方便破入土层。管体内通过隔板18分为第一腔室16和第二腔室17，且在隔板18的前端设置通孔19供低温盐水流动。连接管与制冷系统连通后，低温盐水可以在两个腔室内流通并排出，对冻结管3进行降温，从而对土壤进行降温，实现对土层的冻结。
45.根据本发明的一个实施例，如图1和图2所示，
46.所述硬质壳体6的中部设置供冻结管3进入的第一插入孔20，所述支撑部7对应第一插入孔20设置第二插入孔10，所述硬质壳体6上对应第一插入孔20设置导向套管5，所述导向套管5突出硬质壳体6的上表面，所述导向套管5的内径与第一插入孔20相适配，所述导向套管5与硬质壳体6一体铸造，所述导向套筒上设置供第一连接管15和第二连接管12穿过的避空槽。硬质壳体6和支撑部7的中部配合设置第一插入孔20和第二插入孔10，具体为支撑部7浇筑时放置模具制作第二插入孔10。硬质壳体6一体浇铸成型的还有与第一插入孔20配合的导向套管5，冻结管3通过导向套管5进入围板2并最终进入到土层内。冻结管3端部的推板4被设备推动向土层内插入，最终推板4与导向套管5端部接触，这样第一连接管15和第二连接管12需要进入到导向套管5的避空槽内，避空槽的结构就是两个简单的槽体，槽体在导向套管5端部有开口，冻结管3插入的过程中，该避空槽与第一连接管15和第二连接管12对应，最终两个连接管从避空槽伸出与制冷系统连通。
47.根据本发明的一个实施例，如图1、图2和图3所示，
48.所述连接件1包括底板29，所述底板29的下表面设置若干个固定刺体31，所述底板29的上表面排列设置四个与固定穿孔26配合的连接柱22，所述底板29的中部设置桩基孔30，所述固定穿孔26套设在连接柱22上，所述桩基孔30内插入紧固锚桩32，所述连接环8的顶角对应紧固锚桩32设置弧形缺口27，所述紧固锚桩32的后端设置顶板24，所述顶板24的四角对应连接柱22设置套孔25，所述顶板24对固定穿孔26所在的连接环8压紧固定，所述连接柱22的上端对应顶板24设置锁紧件。
49.连接件1负责将围板2拼装连接并固定在基坑侧壁，连接板包括底板29、固定刺体31，其中固定刺体31起到预支撑的作用，在安装时先通过固定刺体31将底板29固定在基坑侧壁，然后将围板2一一安装，之后再底板29的桩基孔30插入紧固锚桩32，并通过紧固锚桩32端部的顶板24对围板2边缘的连接环8进行按压固定，使得连接环8不会从底板29的连接
柱22上脱落。连接环8四角的固定穿孔26可以为锥形结构，这样围板2往连接柱22上固定的时候存在误差的情况下也容易安装上去。由于底板29的中部要插入紧固锚桩32，因此在连接环8的四角需要对应紧固锚桩32的位置设置弧形缺口27，避免连接环8四角对接后，将桩基孔30遮盖，使得紧固锚桩32无法插入。在紧固锚桩32插入后，连接柱22的上端还有锁紧件，将紧固锚桩32的顶板24进行锁紧，使得连接件1组成一个牢固的整体，不会松散，效果更好。
50.在本发明的一个实施例中，如图1
‑
5所示，
51.所述锁紧件包括内螺纹套筒21，所述连接柱22的上部设置与内螺纹套筒21配合的外螺纹，所述内螺纹套筒21下端粘接弹性垫片23，每个连接件1上的其中一侧内螺纹套筒21的上端设置配合制冷系统的夹持件11。
52.所述夹持件11包括设置在内螺纹套筒21端部的半环形托板34，所述半环形托板34的一端铰接设置半环形盖板33，所述半环形托板34和半环形盖板33另一端螺栓固定，所述供液分支管14或回液分支管13穿过半环形托板34和半环形盖板33组成的撑环35内，所述撑环35的内径大于供液分支管14或回液分支管13的外径。
53.锁紧件采用了内螺纹套筒21，连接柱22上设置外螺纹，在紧固锚桩32插入后，拧入内螺纹套筒21使得内螺纹套筒21底部压紧顶板24实现固定。且内螺纹套筒21下端有弹性垫片23，其固定效果更好，同时方便锁紧件调整最终旋转完成后的角度，方便夹持件11保持竖向。夹持件11对供液分支管14和回液分支管13进行支撑，夹持件11包括与内螺纹套筒21端部固定连接的半环形托板34以及旋转设置在半环形托板34上的半环形盖板33，将分支管放置在半环形托板34上后，将半环形盖板33与半环形托板34通过螺栓进行锁死，便可以对分支管进行很好的支撑固定。
54.在本发明的一个实施例中，如图2和图11所示，
55.所述制冷系统包括制冷装置主体41以及与制冷装置主体41连通的供液主管道42和回液主管道43，所述供液主管道42通过第一分水器44与若干供液分支管14连通，所述回液主管道43通过第二分水器45与若干回液分支管13连通，每个连接件1下侧的夹持件11固定供液分支管14，上侧的夹持件11固定回液分支管13，所述第一连接管15与位于硬质壳体6上侧的供液分支管14连接，所述第二连接管12与位于硬质壳体6下侧的回液分支管13连通。
56.制冷系统采用现有的制冷装置即可，其中制冷装置主体41将盐水降温后，提供动力使得低温盐水进入到供液主管道42内，供液主管道42通过第一分水器44将低温盐水送入每一根供液分支管14内，低温盐水进入冻结管3出来后进入到回液分支管13内，并通过第二分水器45进入回液主管道43，并最终进入到制冷装置主体41，完成循环。其中两个分水器与分支管连接时，连接部需要采用软管过渡，方便将分支管放置在基坑侧壁不同高度处。另外对于每一层的围板2来说，围板2上方的夹持件11固定供液分支管14，下方的夹持件11固定回液分支管13。
57.在本发明的一个实施例中，如图6和图7所示，
58.所述硬质壳体6上设置测温机构，所述测温机构包括硬质壳体6以及支撑部7围绕冻结管3设置的多个测温孔38，所述测温孔38内选择性插入测温杆36或封堵块37，所述测温杆36包括插杆主体40，所述插杆主体40内部中空为设备腔39，所述设备腔39的底部设置温度传感器28，所述插杆为导热性能好的材质做成。该测温机构可以检测基坑侧壁内的冻结
情况，测温孔38围绕硬质壳体6的中心设置多个且可以设置多层，在没有检测需求的时候，可以通过封堵块37对其封堵，在需要检测时取下封堵块37将测温杆36插入进行测温。测温杆36采用插杆，插杆内部中空放入温度传感器28，温度传感器28位于插入内部的设备腔39深处，温度传感器28的线路在设备腔39引出，这样通过不同方位的测温孔38插入便可以对土层内的冻结情况进行检测。
59.在本发明的一个实施例中，如图8
‑
10所示，
60.上述冻结支护装置的施工方法，包括如下步骤：
61.采用台阶法逐层挖掘基坑，每层台阶挖掘完毕后，首先确定连接件1位置并进行安装，通过连接件1固定围板2后插入冻结管3，并将冻结管3与该层的供液分支管14和回液分支管13连通，启动制冷装置主体41对土层进行冻结，该层冻结完毕后对下一层施工，直至基坑施工完成。
62.冻结操作时，制冷装置主体41采用间歇式制冷供液。
63.每层台阶挖掘完毕，平整支护面，定位连接件1位置，通过固定刺体31插入土层固定连接件1，将围板2上的固定穿孔26与连接柱22对应，使得围板2固定在连接件1上，通过砸入紧固锚桩32对围板2进行锁紧，并对连接件1进一步固定，然后将锁紧件套入连接柱22上端，并在围板2中心插入冻结管3，锁紧件旋转至合适位置，使得夹持件11对供液分支管14或回液分支管13进行支撑，架设制冷系统，冻结管3与制冷系统连通后开始冻结作业。
64.冻结操作时采用间歇式冻结，可以减缓其冻胀情况，且可以增大冻结区域面积，最终支撑力度更大。
65.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，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，除非另有明确的限定，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。
66.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。