基于水平冻结法的软土地区深大基坑土体超前加固方法与流程

1.本发明属于基坑加固的技术领域，特别是涉及一种基于水平冻结法的软土地区深大基坑土体超前加固方法。


背景技术：

2.在软土地区的基坑工程中，为了增强基坑支护体系的稳定性，有效控制基坑开挖过程中基坑支护体系及临近道路、管线和建(构)筑物的变形，同时给现场施工和土方开挖创造条件，通常需要考虑进行基坑土体加固。通常采用水泥土搅拌桩、高压旋喷桩、注浆和降水等方式，其中降水仅适用于粉性土或砂性土地层中。在基坑土体加固中，较为常见的做法是对基坑底部的土体进行原位加固，使基坑底软土形成强度更高、模量更大的水泥土，提高基坑底土体抵抗水平变形的能力，保障基坑开挖安全。然而，对于需要采用多道水平支撑的软土地区深大基坑工程，仅对基坑底土体进行加固经常无法满足基坑支护结构的变形控制要求：当上一层土体已开挖完成，而下一道水平支撑尚未形成时，在此期间基坑支护结构已经产生了超过允许值的变形。因此，也需要对开挖深度范围内的基坑土体进行超前加固。
3.基坑土体加固是在基坑开挖施工期间发挥作用的临时性地基处理措施，位于开挖深度范围内的土体仅在水平支撑尚未形成之前发挥作用，随后即被挖除外运。采用传统的水泥土搅拌桩、高压旋喷桩等地基处理措施均需要消耗大量的水泥、石灰等固化材料，而水泥、石灰均属于高能耗建筑材料，其生产过程会产生大量的碳排放。在碳达峰碳中和大背景下，对基坑工程超前加固方法也提出了更加绿色节能、生态环保的要求，传统处理措施将面临越来越多的限制。同时，基坑土体加固通常是在主体结构工程桩、周边围护结构、坑内立柱桩等结构施工完成之后且基坑开挖前进行施工，并应在基坑开挖到相应标高前达到设计强度要求。因此，基坑土体加固的施工效率和固化效果，将直接影响到工程施工的总工期，为能尽快进行基坑土体开挖，同时确保施工安全，需研发适用于软土地区深大基坑土体超前加固的低碳环保方法。
4.冻结法加固地层的原理是利用人工制冷技术，使软土地层中的水冻结，增强其强度和稳定性。若将冻结管以适当间距理设，则相邻的冻土柱不断扩大而连接形成连续的冻土墙或闭合的冻土结构。国内外大量的冻结工程实践表明，冻结法具有安全可靠性好、适应面广、可控性好、污染性小且经济合理等优点，且随着加固深度的加大，相比于搅拌法或旋喷法，冻结法的经济性越明显。特别的，冻结施工最大的污染是钻孔埋设冻结管时的少量泥浆排出，冻结过程中不向地层中注入任何有害物质，工程完毕后，地层自然融化恢复至原有状态，不会在地层中留下任何有碍于其他工程施工的地下障碍物。作为一种绿色的施工方法，非常符合低碳环保的岩土工程发展趋势。


技术实现要素：

5.为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于水平冻结法的软土地区深大基坑土体超前加固方法，解决现有技术中的软土地区深大基坑开挖过程中，
基坑支护结构易变形，且基坑土体加固施工效率低，容易对环境造成不利影响的问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种基于水平冻结法的软土地区深大基坑土体超前加固方法，包括以下步骤：
8.步骤一：先对施工场地进行平整，施工基坑四周的围护结构，进行竖井支护结构施工，竖井内土体开挖；
9.步骤二：开挖至第一层冻结加固区设计底面时，向第一层冻结加固区设计底面两侧水平打入冻结管直至基坑围护结构处，布置好冻结设备，继续开挖；
10.步骤三：重复上述步骤二，并在开挖至最后一层冻结加固区底面后，布置冻结管和冻结设备，开始进行土层冻结，同时施工基坑的第一道水平支撑；
11.s01：待第一道水平支撑设置完成且第二道水平支撑的下部地基土达到设计冻结厚度和冻结强度后，进行基坑内第一道水平支撑的下部土体开挖，然后施工基坑的第二道水平支撑；
12.s02：待第二道水平支撑设置完成后，对其下部的第一层冻结加固区土体进行解冻，拔出冻结管；
13.s03：待第三道水平支撑的下部地基土达到设计冻结厚度和冻结强度后，继续进行基坑内第二道水平支撑的下部土体开挖，然后施工基坑的第三道水平支撑；
14.s04：循环上述步骤s02至步骤s03，直至基坑开挖到底部；
15.s05：解冻坑底以下冻结加固区土体，取出冻结管和冻结设备，将竖井回填密实，完成基坑底板施工。
16.可选的，竖井支护结构施工根据开挖深度和地基土条件，采用水泥土重力式围护墙、型钢水泥土搅拌墙、排桩中的任意一种或多种。竖井的平面尺寸应满足水平冻结孔钻的钻机架设和操作空间要求，一般不宜小于2m。竖井施工宜避开立柱桩桩位，在主体结构工程桩施工完成后进行。
17.可选的，水平冻结法施工包括三个阶段：冻结站安装、水平冻结管施工、地层冻结。冻结站包括压缩机、与压缩机相连接的冷凝器和蒸发器、装设在冷凝器上的节流阀、装设在冷凝器和蒸发器之间的冷却器、盐水循环系统。
18.可选的，盐水循环系统包括盐水箱、与盐水箱相连接的盐水泵、装设在盐水泵上的去路盐水干管，去路盐水干管上装设有配液圈、冻结器和集液圈，盐水箱一侧装设有回路盐水干管。去路盐水干管、回路盐水干管和冻结器进出口处应安装流量计。
19.可选的，冻结器包括冻结管、与冻结管相连接的供液管和回液管。
20.水平冻结管施工的工序依次为：水平冻结孔钻进
→
在冻结孔内设置冻结器
→
将不同冻结孔内的冻结器连成一个系统，并与冻结站连接。水平冻结管施工应与竖井开挖和竖井支护结构施工交替进行，合理进行施工组织设计。
21.水平冻结孔钻进采用跟管钻进施工技术。水平冻结孔开孔时，应采用罗盘和经纬仪找倾角和方位角。水平冻结孔钻进过程中必须进行测斜和纠偏，以保证冻结孔成孔质量。全部钻孔应经验收合格后，方可拆除钻机。
22.可选的，冻结管应选用导热和低温性能好的材质，冻结管的外直径为89-127mm，管壁厚度大于等于5mm。
23.可选的，冻结管配置应根据所需冻结土层的厚度及地基土条件和工期确定，单排
冻结管之间的间距为1.0-2.5m，双排及双排以上的辅助冻结管之间的间距为3m。对于高含水量的软弱地基且工期紧时，冻结管间距宜相应缩小。
24.可选的，排间冻结管布设宜呈梅花状。
25.可选的，地层冻结期间，应定时检测、监测循环盐水的温度和流量、冻土区域的温度、地面冻胀量和基坑支护结构变形等。
26.可选的，第一道水平支撑设置完成后，基坑开挖应在第二道水平支撑的下部地基土达到设计冻结厚度和冻结强度后进行。基坑开挖应严格按照分层开挖、严禁超挖的要求进行，注意对冻结管路的保护。基坑开挖到第二道水平支撑位置后，应及时进行第二道水平支撑设置，同时对地面采取适当的保温措施。
27.可选的，第二道水平支撑设置完成后，对于混凝土水平支撑，可根据混凝土强度增长规律，合理确定冻结设备停止运转时间，并自然解冻。解冻过程中，应适当加密基坑支护结构内力和变形的监测频率，必要时可在支撑内部设置轴力监测传感器，发现异常情况时及时采取处理措施。
28.可选的，基坑四周的围护结构可为咬合桩、型钢水泥土搅拌墙、钢板桩、地下连续墙、冻结墙等多种型式。基坑坑底被动区(无需开挖)加固也可采用常规的水泥土搅拌法或高压旋喷法等原位搅拌加固技术，配合开挖段的水平冻结法超前加固，或两种工法灵活组合使用。
29.本发明的实施例具有以下有益效果：
30.本发明通过在基坑内设置竖井的方法，1)将常规的竖向冻结法转变为水平冻结法，使冻结管可在不同地层深度处沿水平向钻进，形成不同深度处的水平连续冻结体，发挥冻结加固区对基坑支护结构的超前加固作用，防止软土地区深大基坑支护体系发生过大变形；2)将水平冻结法应用于基坑超前加固领域，并可随基坑开挖进程逐层解冻，尤其适用于开挖段的加固，对原位土体扰动小，对开挖施工无不利影响，同时减少了大量水泥、石灰等高能耗建材的消耗，适应面广、可控性好、污染小且经济合理，较深层水泥搅拌桩等工法具有明显优势。
附图说明
31.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
32.图1为本发明一实施例的格栅式加固平面示意图；
33.图2为本发明一实施例的抽条式加固平面示意图；
34.图3为本发明一实施例的加固区平面示意图；
35.图4为本发明一实施例的加固区结构示意图；
36.图5为本发明一实施例的基坑土体超前加固平面示意图；
37.图6为本发明一实施例的支撑示意图；
38.图7为本发明一实施例的支撑剖面结构示意图；
39.图8为本发明一实施例的基坑底结构示意图；
40.图9为本发明一实施例的基坑土体超前加固剖面示意图。
41.其中，上述附图包括以下附图标记：
42.1-围护结构，2-加固区，3-冻结加固区，4-竖井，5-基坑底，6-混凝土水平支撑，7-第一道水平支撑，8-第二道水平支撑，9-第三道水平支撑。
具体实施方式
43.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
44.为了保持本发明实施例的以下说明清楚且简明，本发明省略了已知功能和已知部件的详细说明。
45.请参阅图1-9所示，在本实施例中提供了一种基于水平冻结法的软土地区深大基坑土体超前加固方法，包括：包括如下步骤：
46.步骤一：先对施工场地进行平整，施工基坑四周的围护结构1，进行竖井4支护结构施工，竖井4内土体开挖。竖井4支护结构施工根据开挖深度和地基土条件，采用水泥土重力式围护墙、型钢水泥土搅拌墙、排桩中的任意一种或多种，竖井4的平面形状可为矩形或圆形，其平面尺寸应满足水平冻结孔钻的钻机架设和操作空间要求，一般不宜小于2m。竖井4施工宜避开立柱桩桩位，在主体结构工程桩施工完成后进行；
47.通过竖井4，可在软土地区不同深度位置水平设置冻结管，在水平向形成条块状的冻结土连续体，在基坑支护结构的被动区形成格栅式或抽条式的加固区2，从而在基坑开挖时起到控制变形的作用；
48.步骤二：开挖至第一层冻结加固区3设计底面时，向第一层冻结加固区3设计底面两侧水平打入冻结管直至基坑围护结构1处，布置好冻结设备，继续开挖；
49.步骤三：重复上述步骤二，并在开挖至最后一层冻结加固区3底面后，布置冻结管和冻结设备，开始进行土层冻结，同时施工基坑的第一道水平支撑7；
50.s01：待第一道水平支撑7设置完成且第二道水平支撑8的下部地基土达到设计冻结厚度和冻结强度后，进行基坑内第一道水平支撑7的下部土体开挖，然后施工基坑的第二道水平支撑8；
51.s02：待第二道水平支撑8设置完成后，对其下部的第一层冻结加固区3土体进行解冻，拔出冻结管；
52.s03：待第三道水平支撑9的下部地基土达到设计冻结厚度和冻结强度后，继续进行基坑内第二道水平支撑的下部土体开挖，然后施工基坑的第三道水平支撑9；
53.s04：循环上述步骤s02至步骤s03，直至基坑开挖到底部；
54.s05：解冻坑底以下冻结加固区土体，取出冻结管和冻结设备，将竖井4回填密实，完成基坑底板施工。
55.本发明通过在基坑内设置竖井4的方法，将常规的竖向冻结法转变为水平冻结法，用于软土地区深大基坑土体的超前加固中，能提高了基坑土体超前加固效率，提高基坑的加固效果，实现了绿色低碳施工，并减小了冻结管对基坑挖土作业的影响。
56.本实施例的水平冻结法施工包括三个阶段：冻结站安装、水平冻结管施工、地层冻结。冻结站包括压缩机、与压缩机相连接的冷凝器和蒸发器、装设在冷凝器上的节流阀、装
设在冷凝器和蒸发器之间的冷却器、盐水循环系统；盐水循环系统包括盐水箱、与盐水箱相连接的盐水泵、装设在盐水泵上的去路盐水干管，去路盐水干管上装设有配液圈、冻结器和集液圈，盐水箱一侧装设有回路盐水干管，其中，路盐水干管、回路盐水干管和冻结器进出口处均安装流量计，能观察盐水在冻结管中是否渗漏。
57.本实施例的冻结器包括冻结管、与冻结管相连接的供液管和回液管。能实现低温盐水与地层进行热交换的功能。水平冻结管施工的工序依次为：水平冻结孔钻进
→
在冻结孔内设置冻结器
→
将不同冻结孔内的冻结器连成一个系统，并与冻结站连接。水平冻结管施工应与竖井4开挖和竖井支护结构施工交替进行，合理进行施工组织设计。
58.水平冻结孔钻进采用跟管钻进施工技术。水平冻结孔开孔时，应采用罗盘和经纬仪找倾角和方位角。水平冻结孔钻进过程中必须进行测斜和纠偏，以保证冻结孔成孔质量。全部钻孔应经验收合格后，方可拆除钻机。
59.本实施例的冻结管的外直径为89-127mm，管壁厚度大于等于5mm，其中，冻结管应选用导热和低温性能好的材质，宜采用20号低碳钢无缝钢管。冻结管采用对焊或丝扣连接，冻结管安装完成后要按相关规程进行压力试验，确保不渗漏盐水。
60.冻结管配置应根据所需冻结土层的厚度及地基土条件和工期确定，本实施例的单排冻结管之间的间距为1.0-2.5m，双排及双排以上的辅助冻结管之间的间距为3m；排间冻结管布设呈梅花状。对于高含水量的软弱地基且工期紧时，冻结管间距宜相应缩小。
61.地层冻结期间，应定时检测、监测循环盐水的温度和流量、冻土区域的温度、地面冻胀量和基坑支护结构变形等。
62.本实施例的第一道水平支撑7设置完成后，基坑开挖应在第二道水平支撑8的下部地基土达到设计冻结厚度和冻结强度后进行。基坑开挖应严格按照分层开挖、严禁超挖的要求进行，注意对冻结管路的保护。基坑开挖到第二道水平支撑8位置后，应及时进行第二道水平支撑8设置，同时对地面采取适当的保温措施。
63.第二道水平支撑8设置完成后，对于混凝土水平支撑6，可根据混凝土强度增长规律，合理确定冻结设备停止运转时间，并自然解冻。解冻过程中，应适当加密基坑支护结构内力和变形的监测频率，必要时可在混凝土水平支撑6内部设置轴力监测传感器，发现异常情况时及时采取处理措施。
64.具体的，以软土地区采用“咬合桩 内支撑 水平冻结超前加固”的某深大基坑为例进行说明，基坑土体超前加固形式设计为抽条加固。具体施工过程如下：
65.首先进行场地平整，施工基坑四周的围护结构1咬合桩，同步交叉进行竖井4支护结构施工、竖井4内土体开挖。开挖至第一层冻结加固区3设计底面时，向两侧水平打入冻结管直至基坑围护结构1处，布置好冻结设备，然后继续开挖。如此顺序，开挖至最后一层冻结加固区3底面并布置好冻结管和冻结设备后，开始进行土层冻结，同时施工基坑的第一道水平支撑7。
66.待第一道水平支撑7设置完成且第二道水平支撑8的下部地基土达到设计冻结厚度和冻结强度后，进行基坑内第一道水平支撑7的下部土体开挖，然后施工基坑的第二道水平支撑8。待第二道水平支撑8设置完成后，对其下部的第一层冻结加固区3土体进行解冻，拔出冻结管。然后待第三道水平支撑9的下部地基土达到设计冻结厚度和冻结强度后，继续进行基坑内第二道水平支撑8的下部土体开挖，然后施工基坑的第三道水平支撑9。如此循
环，直至基坑开挖到底。最后解冻基坑底5以下冻结加固区土体，取出冻结管等冻结设备，将竖井4回填密实，完成基坑的底板施工，基坑冻结加固及开挖支护至此结束。
67.通过基坑内设置竖井4的方式，将常规的竖向冻结法转变为水平冻结法，使冻结管可在不同地层深度处沿水平向钻进，形成不同深度处的水平连续冻结体，发挥冻结加固区3对基坑支护结构的超前加固作用，防止软土地区深大基坑支护体系发生过大变形。
68.将水平冻结法应用于基坑超前加固领域，并可随基坑开挖进程逐层解冻，尤其适用于开挖段的加固，对原位土体扰动小，对开挖施工无不利影响，同时减少了大量水泥、石灰等高能耗建材的消耗，适应面广、可控性好、污染小且经济合理，较深层水泥搅拌桩等工法具有明显优势。
69.对于形成抽条式、格栅式的加固土，水平冻结法可根据设计要求进行任意深度平面处的水平冻结加固，较竖向加固工法，可使各层抽条格栅加固土更为均匀、连续、灵活，加固质量更加可靠。
70.本发明不局限于以上特定支护方案。具体地，基坑四周的围护结构可为咬合桩、型钢水泥土搅拌墙、钢板桩、地下连续墙、冻结墙等多种型式。基坑坑底被动区(无需开挖)加固也可采用常规的水泥土搅拌法或高压旋喷法等原位搅拌加固技术，配合开挖段的水平冻结法超前加固，或两种工法灵活组合使用。
71.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
72.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。