文档介绍：国家大剧院台仓基坑封水冻结
施工方案
北京中煤矿山工程公司
二零零零年一月
1 地层冻结法简介
地层冻结法是兼有封水与加固地层双重作用的特殊施工工法。它的工作原理为:在拟封水(或加固)的地层中安装冻结器,并在冻结器中循环低温冷媒剂,使周围土层冷却冻结,形成一个冻土帷幕,然后可以在冻土帷幕的围护之下安全地进行隧道、基坑等的开挖与构筑施工。
在国外,地层冻结法是富水地层中深基坑围护施工的重要工法之一,如前苏联60年代就完成了直径40m、深20m大基坑的冻结围护工程,。
在我国,冻结法是冲积层中矿山立井施工的主要方法。单井冻结冲积层厚度已接近400m。在市政工程中,70年代北京地铁隧道建设工程中也曾用冻结法进行深基坑的围护加固,基坑的开挖深度达28m,围堰冻结加固长度达90m。1986年,北京中煤矿山工程公司在东海拉尔水泥厂的卸矿室及长皮带走廊施工中应用冻结法进行基坑地层加固。×,深14米;长皮带走廊长为31m,,倾角14度。 ~ ,地下3m ~ 30m内为卵石和砂层,透水性好。由于采用大开挖施工,冻结壁按挡土墙设计,冻土平均温度为-5℃,,~。采用人式开挖,掘、砌工期为二个半月。1996年,在紧挨黄浦江的上海杨树浦水厂地下泵房施工中,用冻结法进行基坑维护,基坑开挖深度15米,边长26m,冻结段土层为抛石、填土、淤泥和粉质粘土。应用表明,冻结法在富水深基坑围护施工中具有很好的适应性,极为安全可靠,且对地层和环境污染较小。
2 冻结施工方案设计原则
1、国家大剧院工程对施工技术的可靠性与施工工期有着严格的要求。其中剧院台仓是目前国内最深的基坑,其施工工作面又远在静水位以下,施工难度极大。因此,要求对基坑四周和基底地层进行封水加固。
2、封水加固方案考虑二个。方案一为台仓四周用连续墙围护,仓底地层用冻结法加固,连续墙的优点是可以用作永久支护的一部分;方案二是台仓四周与底部均用冻结法施工,此法的优点是围墙与底部形成一个整体,无论是施工工艺与封水(加固)的效果还是总施工工期都要优于前者,因此,本设计推荐第二种方案。
3、由于基坑深,穿过的地层复杂,承受水压大,对冻结壁设计必须进行严格计算与科学论证。并从打钻(冻结孔施工)与冻结运转二方面进行综合优化,以求取得最佳效果。为保证冻结底部的安全性,将冻结底板设计成锅底形(参见冻结壁剖面图),使其受力状态得到改善(设计中仍按平板验算,这样相当于增加了安全系数)。
4、大基坑挖到深31m后进行冻结系统安装与冻结运转。一方面为减小钻孔工程量,另一方面为避免静水位以下钻孔施工承压水会冒出钻孔,所以,在大基坑挖到静水位时开始施工冻结孔。冻结孔施工与大基坑开挖平行进行。
5、为了避免冻结钻孔穿透-40m隔水层,使得隔水层上下的含水层通过钻孔导水,在下冻结管时要进行固管。方法是冻结孔钻进到设计深度后用水泥浆置换孔内泥浆,使得冻结管与钻孔之间的孔隙得以充填密实和隔水。
6、基坑底板采取局部冻结。开挖时关闭大部分冻结器,仅留少量冻结孔进行围护冻结,以利于开挖施工。
7、通过基坑冻结底板上下的水压检测与抽水试验,判断冻结壁是否交圈。判明冻结壁绝不透水后再行开挖。
8、冻结施工时定期进行地层温度的量测,随时掌握冻结壁的发展速度,并对
其进行预测。根据监测结果及时调整冻结施工参数。
9、采用先进的制冷机组,以利于冻结控制和减小冻结站占地。采用冷却塔提高冷却水的利用率,节约水资源。针对北京地区水硬度比较大的情况,在循环水系统安装除垢设备,提高冷凝器的传热效率。
10、在基坑开挖过程中,对开挖工作面的冻结壁温度和变形进行监测,发现问题,及时调整冻结与开挖施工参数,必要时可采取加强支撑,增加冻结供冷,并对冻结壁表面进行适当保温等措施。
3 冻结壁形式与设计厚度
方案一:台仓基坑四面用连续墙,底部用冻结封底。
冻结底板主要承受自重、地层侧压力、四周冻结壁的约束力、下层承压水的的浮力和下层土的底鼓压力等。其中下层土的底鼓压力很小,只有下层承压水水压的千分之几,因此可以忽略不计。
取冻结底板厚度H=7m,据计算, MPa,, MPa,分别小于表1中对应的冻土强度指标,其安全性满足强度要求。
方案二:基坑四周地层与底板均采用冻结加固。冻结底板的强度计算与方案一相同。
基坑四周冻结壁的计算模型见图1。,,在基顶以下3m处用钢筋混凝土圈梁加土锚杆加固,水平方向土锚杆间距为1m,土锚杆的最大锚固力为28t。