作者：周华群
【关键词】快速强化冻结动态设计 设计程序 实时监测 冻强壁
【摘 要】结合我国冻结工程技术现状及发展趋势，阐述了快速强化冻结设计目标及原则，详细介绍了快速强化冻结设计程序和设计内容。指出了只要遵循强化冻结设计程序进行冻结设计，就能很好地满足深厚冲积层冻结井筒凿井施工要求，确保井筒掘砌施工安全顺利地进行。快速强化冻结设计方法可为地下工程冻结设计提供有益的参考。
岩土工程中，当遇到涌水、流砂、淤泥等复杂不稳定地层条件时，常采用冻结法施工。冻结法自1955年在我国首次获得实际应用以来，经过多年的发展，现已成为我国矿井通过深厚冲积层的主要施工方法之一。我国将冻结法应用于地下基础工程始于1987年。近年来，冻结法在上海、北京、广州等城市的地铁和市政基础设施等工程项目中得到了越来越广泛的应用。经过多年的实践，我国工程技术人员基本掌握了近水平冻结设计、施工方法以及地层变形控制方法，并积累了大量的第一手资料和丰富的工程经验。目前，我国已成为世界上冻结法应用较多的国家之一口I。]。实践证明，冻结法是在松散含水土层中施工地下结构工程的一种较为安全可靠的工法。但随着冻结深度的不断加大，原有的设计方法已不能适应冻结法施工发展趋势，研究快速强化冻结的动态设计方法势在必行。
1快速强化冻结设计目标及设计原则
快速强化冻结设计目标与安全、优质、快速、高效施工的工程总目标是一致的。从价值工程的观点来讲，就是要用最少的资源投入来实现最佳的地层冻结加固效果。但在实际工程中，由于地层和施工条件的不同，对冻结设计与施工的要求也不同。如深厚粘土层应重点解决冻结管断裂和外层井壁压坏等疑难技术问题；地层条件较好时，应重点解决降低冻结施工费用和提高井筒掘砌速度等问题。对于一个冻结井筒工程项目来说，冻结设计的最佳目标就是将解决冻结施工技术难题与降低冻结施工费用和提高井筒掘砌速度更好地统一起来。为实现这一目标，井筒快速强化冻结设计需遵循以下原则：
(1)冻结设计必须以实现工程总目标为核心，既要确保工程施工安全，满足工程质量和工期要求，又要采用经济合理的工艺技术，降低施工成本。
(2)根据不同的地层条件与施工要求，采用不同的冻结施工工艺。由于井筒地层条件差异很大，施工要求各不相同，冻结施工工艺也应有所区别。如在没有深厚粘土层的冻结井筒中，一般就没有必要采取强化冻结措施。
(3)根据系统工程观点，冻结设计要考虑井壁结构情况，并对井筒掘砌速度、掘进段高与井帮暴露时间、井壁变形特性参数等提出要求；或者根据掘砌施工要求，对冻结设计参数进行调整。在井筒冻结设计中，为便于操作，可先按合同规定的掘砌速度和有关规范对掘进段高的要求进行冻结施工参数设计；而后在井筒施工中，再根据冻结壁稳定性和掘砌施工能力，合理调整掘砌施工速度和掘进段高。
(4)根据动态控制观点，结合掘砌施工进度，考虑冻结壁发展规律来布置冻结孔和评价冻结壁的安全性。在整个井筒冻结施工过程中，冻结壁厚度和温度都是变化的；掘进到某一层位时，需要根据该层位的土层特性和当时的冻结壁发展状况来判断施工是否安全。这是优化冻结施工参数以降低施工成本和缩短工期的基础，也是快速强化冻结设计方法区别于传统冻结设计方法的根本点之一。
(5)深厚粘土层中经常遇到的冻结管断裂和外层井壁被压坏的问题主要与冻结壁变形有关。因此，在设计冻结壁时，应将控制冻结壁变形作为主要依据。但由于冻结壁变形是难以从理论上进行正确计算的，因此在冻结设计中，只能根据以往施工经验，将冻结管与井帮距离、冻土进入荒径量和掘进时的井帮温度作为布置冻结孔和设计冻结壁的重要指标。
(6)由于地层条件和施工情况的复杂多变，目前要对冻结壁进行精确设计计算是不现实的，需要借助于工程类比法来评价设计方案的可靠性。同时工程类比应与理论分析相结合，以工程实测规律为依据。
(7)要做好实时监测和预测预报工作，实现对施工过程的有效监控。通过实时监测和预测预报，可实现对施工过程的有效监控，从而可使冻结凿井施工更加安全可靠，施工工艺参数更趋合理。
2快速强化冻结设计程序和设计内容
根据快速强化冻结设计原则，结合深厚冲积层冻结凿井工程设计与施工经验，提出了有别于常规的快速强化冻结动态设计方法；其设计程序和设计内容如下：
(I)收集和分析设计基础资料。包括井筒地质资料，井筒设计参数，冻结和掘砌工期要求，以及地层条件类似的冻结井筒施工经验等。
(2)分析冻结设计需要解决的主要问题，制定冻结施工方案总体设计思路，选择关键冻结工艺。
(3)确定冻结设计基本参数。主要包括冻结深度，冻结方式，供冷方式，冻结管直径，盐水温度，盐水流量，冻结壁设计控制层位，井筒开挖时间，掘砌施工至控制层所需时间，掘砌施工段高和井帮暴露时间等。
(4)按有关规定和施工经验，初步确定控制层位的井帮温度、井帮位移和冻结孔钻进精度等指标。对于砂性地层，可以不给出井帮位移控制值，但应给出冻结壁允许出现的塑性区范围。同时为防止发生严重片帮，对井筒浅部井帮温度也要提出控制值。
(5)计算深部主要控制层的冻结壁有效厚度。在冻结孔未布置前，按盐水温度、井帮温度、冻结孔最大间距、冻结时间等设计控制参数，初步确定冻结壁平均温度。
(6)布置冻结孑L，包括冻结孔布置圈径、各层位冻结孑L设计最大孔间距和向内及向其他方向的允许偏斜等。其中主冻结孔布置参数主要应依据深部控制层的冻结壁有效厚度、冻结孔向内偏斜距离、掘砌至控制层的冻结时间，以及冻结壁扩展速度来加以确定；如有防片帮加强冻结孔，则可按允许偏斜距离、井帮温度要求和冻结壁向内发展速度来加以确定。
(7)冻结壁形成的动态校验。包括冻结壁交圈时问，冻土进入荒径时间，不同掘进深度或冻结时间的冻结壁平均温度、井帮温度和冻土进入荒径位置等。如计算出的井帮温度等与控制值不符，则应返回到上一步，对冻结孔布置参数进行调整。必要时可返回到第2步，改变冻结工艺，调整基本冻结参数；在条件允许的情况下，还可改变冻结时间。如冻结壁平均温度与计算冻结壁有效厚度时初步取定的值不符，则需返回到第5步，重新进行计算。
(8)按冻结壁形成的动态过程分层验算冻结壁的强度和稳定性。如不符合控制要求，则需返回到第5步，重新布置冻结孔；或返回到第2步，改变冻结工艺，调整基本冻结参数。
(9)供冷系统设计。按照冻结孑L数量和单孔盐水流量来计算总盐水流量，按照冻结管散热面积来计算冻结系统总需冷量，根据盐水温度及制冷设备特性参数来确定冷冻机装机容量，最后确定出冷却水用量和进行冻结系统配套设备选型。
(10)监测与预测系统设计。监测内容主要包括冻结系统供冷量、冻结器工作状况、冻结壁温度变化、井帮温度，以及冻土进入荒径位置、井帮位移和底鼓量等。预测内容主要包括试挖预测、正式开挖预测和掘进过程预测等j。
(11)冻结施工方案经济分析与设计优化。根据冻结施工方案优化结果，可以对井筒掘砌施工方法等提出建议。一般来说，同一个井筒工程，可以有多个技术可行的冻结施工方案}冻结施工方案优化应从调整关键冻结工艺和设计基础参数人手。
3结语
通过以上步骤的反复设计计算，不但可使冻结设计能满足冻结工期、井帮温度、冻结壁强度和稳定性要求，而且可使冻结施工费用降到最低。冻结设计中，将井帮温度作为一个重要的控制指标，是为了弥补冻结壁强度和稳定性计算正确性方面所存在的不足，为掘砌创造良好的施工条件。
此外，由于地层条件和施工情况的复杂多变，井筒冻结设计不可能完全符合施工实际情况。因此在井筒施工中，应根据实时监测情况，及时对设计参数进行修正和对冻结壁状态进行预测预报；必要时可调整冻结和掘砌施工参数，以确保井筒施工顺利进行。
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