專利名稱：一種多年凍土區(qū)用于降低凍土溫度和阻止向基坑內(nèi)匯水的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多年凍土區(qū)暖季工程建筑基坑開挖過程中，用于開挖基坑凍土凍結(jié)和阻止地下水的方法。
背景技術(shù)：
我國多年凍土分布面積約215萬平方公里，約占國土面積的22%，占世界第三位，主要分布在青藏高原，東北大、小興安嶺和天山、阿爾泰山等地區(qū)。隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷加快，在這些特殊地區(qū)不斷進(jìn)行著青藏公路、青藏鐵路、青藏輸電線路、東北哈大高速、中俄輸油管道等國家重大項(xiàng)目的建設(shè)。這些工程在建設(shè)過程中，特別是于2010年至2011年在青藏高原進(jìn)行的青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程輸電線路重大工程的建設(shè)，不可避免進(jìn)行了大量的基坑開挖工作，由此導(dǎo)致ー些重要工程問題的產(chǎn)生，主要包括開挖基坑的積水問題，以及開挖過程導(dǎo)致多年凍土上限附近凍土溫度升高而導(dǎo)致基坑和凍土基礎(chǔ)穩(wěn)定性下降等問題。I、對于開挖基坑的積水問題分析在多年凍土區(qū)，由于年平均氣溫低于0°C，在長年的凍融循環(huán)過程中，會在地下一定深度形成長年不化的凍土層，被稱為多年凍土。在季節(jié)變化過程中，夏天土體的融化只能到達(dá)一定深度，而以下長年不化凍土的頂部在凍土學(xué)中被稱為“多年凍土頂板、或多年凍土上限”，一般為深度為2m左右，且在年際變化過程中基本維持穩(wěn)定。正是由于多年凍土的存在，導(dǎo)致了地下水空間分布特征與一般地區(qū)存在根本的差異。由于多年凍土對水分的隔水作用，夏季降水、或地表的徑流下滲的水分只能到達(dá)多年凍土層的頂部，并在此大量匯集，而難以向凍土內(nèi)部擴(kuò)散。因此，多年凍土區(qū)的地下水只能以層狀，存在于多年凍土頂部、地下較淺的位置，而在凍土學(xué)中被稱為“凍結(jié)層上水”。在多年凍土區(qū)，由于凍融循環(huán)的反復(fù)作用、以及水分遷移作用，多年凍土頂板以上附近，即地下水的持水層，土質(zhì)顆粒一般較細(xì)，多為細(xì)顆粒土。因此，由于細(xì)顆粒土對水分的吸附和阻擋作用，當(dāng)基坑開挖后，地下水不會很快涌出，但隨著時(shí)間的持續(xù)，地下水在壓差的作用下會攜帯大量的細(xì)顆粒土逐漸開始流動(dòng)，井隨著流動(dòng)過程逐漸形成水利通道，過水量會持續(xù)、大量増加。因此，基坑開挖后，極易導(dǎo)致周邊凍結(jié)層上水大量持續(xù)地向基坑內(nèi)部涌水和積水，會導(dǎo)致地下冰的不斷融化，以致基坑坑壁的大量坍塌和不斷失穩(wěn)，對施工人員安全、建設(shè)周期、建設(shè)成本、施工質(zhì)量等造成重大影響。地下冰的融化，以及下部凍土受到的熱擾動(dòng)，也會危及工程完工后凍土基礎(chǔ)的長期熱穩(wěn)定。因此如何有效避免凍結(jié)層上水對凍土基坑施工過程的影響是凍土基坑施工的一大難題。由于凍結(jié)層上水的大量涌入基坑，嚴(yán)重影響了青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程在多年凍土區(qū)的正常施工。為避免這種影響，許多エ地施工エ期被迫推遲至冬季以后才開始施工。在一般常規(guī)地區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)基坑開挖施工時(shí)，常采用的止水措施包括I、在開挖基坑附近打孔并進(jìn)行排水，降低開挖處的地下水位，如真空井點(diǎn)、管井法等；2、在基坑內(nèi)修建集水井，再用水泵將水抽走排走，即井點(diǎn)排水法；3、打孔后用高壓泥漿泵，向周圍土體注入固化漿液，凝固后便在土體中形成具有一定性能和形狀的固結(jié)體，由多個(gè)高壓噴射注漿固結(jié)體形成帷幕，以達(dá)到止水效果，此法為高壓噴射注漿法。上述這些方法在常規(guī)地區(qū)對地下水涌入基坑發(fā)揮了良好的作用，但是多年凍土區(qū)，由于地下水空間分布特殊的特性，使得這些方法難以發(fā)揮有效作用。其原因在于，這些方法主要通過排水孔的大量抽水，大幅降低周圍水位，而避免地下水向開挖基坑內(nèi)部的匯集。但在多年凍土區(qū)，由于凍土隔水作用的存在，地下水難以穿過凍土層、其水位難以發(fā)生大的改變，難以向排水孔匯集，由此造成常規(guī)方法的失效。其次，高壓噴射注漿法凝固過程產(chǎn)生的大量的熱量而導(dǎo)致凍土表層頂板下部凍土的融化，會對凍土產(chǎn)生嚴(yán)重的熱擾動(dòng)，使其在基坑開挖施工中也難以發(fā)揮有效作用。正是上述各種原因的存在，也就導(dǎo)致多年凍土區(qū)基坑阻水、凍土融化、基礎(chǔ)穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響等難題的存在和亟待解決。2、對于凍土溫度升高問題分析受工程施工的要求影響，一些凍土工程需要在暖季進(jìn)行施工。在暖季，降水和氣溫 都會較其它時(shí)段高出很多。受此影響，地下水不僅會大量聚集在多年凍土的頂部，而且會造成凍土上限附近凍土溫度的升高?；娱_挖后極易導(dǎo)致大量的涌水、凍土的融化、基坑的坍塌。因此，暖季施工不僅地下水的隔水更為困難，其涌水也會導(dǎo)致更為嚴(yán)重的后果。因此，在施工過程中在有效消除凍結(jié)層上水影響的同時(shí)，如何有效保證基坑周邊多年凍土上限附近的凍土溫度，并維持穩(wěn)定，是凍土工程建設(shè)中亟待解決的重要難題之一。

發(fā)明內(nèi)容
針對多年凍土區(qū)基坑暖季開挖施工過程中凍土的融化、以及地下水涌水和積水對施工造成的影響，本發(fā)明提供ー種阻止凍結(jié)層上水向開挖基坑匯水的方法，通過致冷和隔水的有效組合在有效阻止凍結(jié)層上水涌水的同時(shí)，對周圍的凍土起到降溫和有效保護(hù)作用。本發(fā)明的目的是通過如下措施來達(dá)到ー種在多年凍土區(qū)用于降溫周圍凍土、阻止向開挖基坑內(nèi)匯水的方法其特征是在距離設(shè)計(jì)基坑周邊間距為O. 5-5m開挖ー坑槽，在坑槽地下多年凍土上限O-IOOcm的深度鋪設(shè)冷卻管，然后，在冷卻管上面和溝槽底部、并沿坑壁鋪設(shè)隔水膜至地表，用填土回填并夯實(shí)；注有循環(huán)冷凍液冷卻管通過軟管與地表制冷機(jī)相連。上述冷卻管為招塑管,或?yàn)榻饘俟?或?yàn)镻VC塑料管。上述冷凍液為鹽水、或不凍液、或液氮。上述的隔水膜為PVC薄膜，或?yàn)橥凉げ迹驗(yàn)椴蕳l布。上述開挖的窄形坑槽側(cè)壁與擬開挖基坑邊緣的間距為O. 5_5m。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和產(chǎn)生的有益效果是I、本發(fā)明針對多年凍土區(qū)進(jìn)行基坑開挖過程中有凍土上限層水涌入基坑，影響施エ，延誤エ期等問題。在充分考慮暖季施工多年凍土、凍結(jié)上限表層水的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和相互關(guān)系，提供了ー種阻止凍土上限表層水向基坑內(nèi)涌流和積水的方法，降低凍土上限附近凍土溫度，增強(qiáng)基坑穩(wěn)定性，保證輸電線路工程在多年凍土區(qū)的正常施工和基礎(chǔ)。有效地解決了不同季節(jié)，特別是暖季多年凍土區(qū)基坑阻水的工程難題。
2、本發(fā)明利用致冷設(shè)備，通過致冷凍結(jié)，使得隔水膜與周圍的凍土凍結(jié)為一體，徹底切斷了地下水向開挖基坑流動(dòng)過程的水利通道，有效地阻止凍結(jié)上限表層水向基坑內(nèi)匯水，有效保證了工程施工的順利進(jìn)行和施工エ期的完成。避免了匯水造成基坑坑壁坍塌，同時(shí)，確保了基坑內(nèi)部施工人員的安全性；在保證基坑處于干燥狀態(tài)的同時(shí)，保證了澆筑混凝土樁基的質(zhì)量穩(wěn)定性。3、基坑的開挖不受環(huán)境溫度的限制，特別是針對暖季難以施工的季節(jié)，可以保證工程的正常進(jìn)行。4、本發(fā)明在有效阻止凍結(jié)層上水向基坑內(nèi)匯水的同時(shí)，消除了凍結(jié)上限表層水向基坑內(nèi)匯水和對基坑周邊和下部凍土的熱擾動(dòng)。同時(shí)對下部凍土起到了進(jìn)ー步降溫和増加穩(wěn)定性的作用。5、本發(fā)明設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，可在現(xiàn)場進(jìn)行快速實(shí)施，且成本低廉，便于推廣。


圖I為本發(fā)明隔水膜和冷卻管安裝及回填土回填斷面示意圖。圖2為本發(fā)明隔水和冷卻管安裝完成后剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明冷卻系統(tǒng)安裝完成后整體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案再作進(jìn)ー步的說明實(shí)施例Iー種阻止凍土上限層向開挖基坑內(nèi)匯水的方法，在暖季施工過程中，在距離擬開挖基坑邊緣外側(cè)3. 5m位置，用窄斗小型挖掘機(jī)開挖ー窄形坑槽I，開挖深度至地下多年凍土上限4以下30cm的深度。在挖掘過程中，挖掘機(jī)ー邊挖掘、一邊在開挖坑槽I底部布設(shè)鋁塑管5，ー邊從坑底、沿坑槽內(nèi)偏向基坑的側(cè)壁、至地表鋪放PVC薄膜；同時(shí)ー邊對坑槽I進(jìn)行填土 3回填，并夯實(shí)。其中，鋁塑管通過軟管與地表制冷設(shè)機(jī)6相連，鋁塑管置于PVC薄膜的下面，為避免PVC薄膜對環(huán)境造成的影響，在填土 3回填過程中，可將PVC薄膜全部埋置于土體中，結(jié)構(gòu)如圖2所示。挖掘機(jī)開挖溝槽較窄、較短，且深度不深，不會發(fā)生坑壁坍塌。由于多年凍土上限表層附近細(xì)顆粒土的持水性，挖掘過程中暫時(shí)不會出現(xiàn)涌水。待一切安裝完畢后，向冷卻管5內(nèi)注入鹽水，并進(jìn)行密封，再開啟致冷機(jī)6，促使冷凍液循環(huán)流動(dòng)和降溫。為保證對上限附近凍土的良好降溫和對周圍地下水的有效隔水，可以待坑槽填土工作結(jié)束后一到兩天，再進(jìn)行基坑的開挖。為避免周圍環(huán)境溫度、或日照對基坑壁凍土的熱影響，在基坑開挖的過程中，應(yīng)及時(shí)對已經(jīng)開挖基坑的坑壁進(jìn)行溫度的保護(hù)，如鋪設(shè)彩條布、草簾等進(jìn)行坑壁的保溫和隔熱。為保證施工過程中，冷卻措施效果有效發(fā)揮，基坑的施工時(shí)間也應(yīng)控制在幾天時(shí)間內(nèi)完成。
權(quán)利要求
1.一種在多年凍土區(qū)用于降溫周圍凍土、阻止向開挖基坑內(nèi)匯水的方法其特征是在距離設(shè)計(jì)基坑周邊間距為O. 5-5m開挖一坑槽(1)，坑槽(I)深度至地下多年凍土上限(4)以下O-lOOcm，在坑槽(I)鋪設(shè)冷卻管(5)，然后，在冷卻管上面和溝槽底部、并沿坑壁鋪設(shè)隔水膜(2)至地表，用填土(3)回填并夯實(shí)；注有循環(huán)冷凍液冷卻管通過軟管與地表制冷機(jī)(6)相連。
2.如權(quán)利要求I所述一種在多年凍土區(qū)用于降溫周圍凍土、阻止向開挖基坑內(nèi)匯水的方法，其特征是所述冷卻管為鋁塑管，或?yàn)榻饘俟?，或?yàn)镻VC塑料管。
3.如權(quán)利要求I所述一種在多年凍土區(qū)用于降溫周圍凍土、阻止向開挖基坑內(nèi)匯水的方法，其特征是所述循環(huán)冷凍液為鹽水、或?yàn)椴粌鲆?、或?yàn)橐旱?br> 4.如權(quán)利要求I所述一種在多年凍土區(qū)用于降溫周圍凍土、阻止向開挖基坑內(nèi)匯水的方法，其特征是所述的隔水膜為PVC薄膜，或?yàn)橥凉げ?，或?yàn)椴蕳l布。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在多年凍土區(qū)用于降溫周圍凍土、阻止向開挖基坑內(nèi)匯水的方法，其特征是在距離設(shè)計(jì)基坑周邊間距為0.5-5m開挖一坑槽，槽深度至地下多年凍土上限以下0-100cm的深度；在坑槽底部鋪設(shè)冷卻管，然后，在冷卻管上面和溝槽底部、并沿坑壁鋪設(shè)隔水膜至地表，用填土回填并夯實(shí)；注有循環(huán)冷凍液冷卻管通過軟管與地表制冷機(jī)相連。實(shí)踐證明本發(fā)明通過致冷和隔水的有效組合解決了暖季施工過程中凍土和開挖基坑的凍土融化、失穩(wěn)，以及地下水的滲水和積水問題，有效保護(hù)了多年凍土的穩(wěn)定，保證了青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程在多年凍土區(qū)的正常施工和長期穩(wěn)定。
文檔編號E02D31/02GK102733405SQ20121004268
公開日2012年10月17日 申請日期2012年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月24日
發(fā)明者俞祁浩, 游艷輝, 潘喜才, 王國尚, 胡俊, 郭磊, 錢進(jìn) 申請人:中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所, 甘肅電力科學(xué)研究院