专利名称：一种利用自然冷能阻止多年冻土层上水向开挖基坑涌水的方法
技术领域：
本发明涉及多年冻土区寒冷季节工程建筑基坑开挖过程中，利用自然冷能阻隔地下水向基坑涌水的新方法。
背景技术：
在我国多年冻土分布面积约215万平方公里，约占国土面积的22%，占世界第三位，主要分布在青藏高原，东北大、小兴安岭和天山、阿尔泰山等地区。随着国家经济建设的不断加快，在这些特殊地区不断进行着青藏公路、青藏铁路、青藏输电线路、东北哈大高速、中俄输油管道等国家重大项目的建设。在进行这些工程建设过程中，特别是于2010年至2011年在青藏高原进行的青藏直流联网工程输电线路重大工程的建设，不可避免的要进行 大量基坑的开挖工作，并由此导致一些重要的工程问题亟待解决。在多年冻土区，由于冻土的存在导致了地下水空间分布特征与一般地区存在根本性的差异。多年冻土长年的冻结及其对水分的阻隔作用，夏季降水、或地表的径流的下渗水分，即地下水只能到达地下一定深度，即多年冻土层的顶部(在冻土学中被称为“多年冻土上限”，其深度一般为距离地表约2m)，并在冻结层以上大量汇集，在冻土学中被称为“冻结层上水”，而无法再继续下渗。因此，基坑开挖后，极易导致周边大量冻结层上水向基坑内部的涌水，在导致基坑内部大量积水、软化坑壁和基底的同时，冻结层上水的流动过程导致基坑坑壁的大量坍塌，以致失稳，对施工安全性、建设周期、建设成本，特别是施工质量和施工人员安全造成重大影响。同时，在建设完成后由于涌水所携带的热量对冻土的热扰动，对基础周围多年冻土的热稳定性也会受到重要影响。因此，如何有效避免冻结层上水对冻土基坑施工过程的不利影响是冻土基坑施工的重要难题。在一般常规地区进行基础基坑开挖施工时，常采用的止水措施包括1、在开挖基坑附近打孔并进行排水，降低开挖处的地下水位，如真空井点、管井法等；2、在基坑内修建集水井，再用水泵将水抽走排走，即井点排水法；3、打孔后用高压泥浆泵，向周围土体注入固化浆液，凝固后便在土体中形成具有一定性能和形状的固结体，由多个高压喷射注浆固结体形成帷幕，以达到止水效果，此法为高压喷射注浆法。上述这些方法在常规地区对地下水涌入基坑发挥了良好的作用，但是多年冻土区，由于地下水空间分布特殊的特性，使得这些方法难以发挥有效作用。其原因在于，这些方法主要通过排水孔的大量抽水，大幅降低周围水位，而避免地下水向开挖基坑内部的汇集。但在多年冻土区，由于冻土隔水作用的存在，地下水难以穿过冻土层、其水位难以发生大的改变，难以向排水孔汇集，由此造成常规方法的失效。其次，高压喷射注浆法凝固过程产生的大量的热量而导致冻土上限下部冻土的融化，会对冻土产生严重的热扰动，使其在基坑开挖施工中也难以发挥有效作用。因此，如何有效解决多年冻土区施工过程中，基坑的涌水问题的输电线路施工过程中亟待解决的难题。
发明内容
针对多年冻土区基坑开挖过程中，冻结层上水向基坑汇水的难题，本发明提供一种利用自然冷能和具有冷却效能的隔水箱阻止地下水向基坑汇水的方法。本发明充分结合青藏直流线路等工程冬季施工的特点和自然界的寒冷条件，在埋设空心隔水箱的基础上，通过其内部与外界的寒冷空气的对流换热，在快速冻结隔水箱周边土体和有效阻隔地下水的同时，也可以不断减低底部冻土的温度，以保证施工的正常进行和冻土的稳定。本发明的目的是这样完成的—种具有冷却效能的隔水箱阻止多年冻土上限层向基坑汇水的方法，其特征是在设计基坑周边开挖坑槽，埋设中空隔水箱，中空隔水箱的结构是其上端开放，与外界相通，四周封闭；中空隔水箱的底部深度到达多年冻土上限以下10-50cm的位置，填土夯实，埋设平面位置距离拟开挖基坑的边缘的间距为0. 5_5m。上述中空隔水箱用钢材、铝合金、或塑料材料制成。 基于设计本发明技术要点有两点I、在青藏高原多年冻土区，为避免基坑开挖过程对冻土热稳定性的影响，施工季节一般选择冬季施工，如青藏直流400kV输电线路联网工程，大量的基坑开挖工作都是在10月气温低于o°c以后进行。因此该种气候条件为本发明的实施提供了良好的自然环境条件。2、本发明通过充分利用环境温度低于0°C和冻结层上水埋深较浅的特点，在拟开挖基坑周边预先埋设到达多年冻土上限、且为中空并与外界相通的隔水箱。通过利用隔水箱中空内空气与外界的强迫对流过程就可以达到隔水箱周边和底部土体被冻结的目的，由此达到隔水的目的。保证施工过程的正常进行。本发明的优点和产生的有益效果是I、首次提出在多年冻土区利用自然冷能进行止水的新方法，通过中空隔水箱与外界环境的自然对流、换热和冻结，可以有效切断冻结层上水向开挖基坑内流动的水利通道，避免冻结层上水向基坑内大量汇集，有效地解决多年冻土区常规技术难以解决的基坑汇水的关键技术难题。2、通过本方法在阻止地下水向基坑汇水的同时，有效保证了工程施工的顺利进行和施工工期完成。在避免汇水造成基坑坑壁坍塌的同时，确保了基坑内部施工人员的安全。保证了浇筑混凝土桩基的质量稳定性。3、冻土热稳定性是冻土基础稳定性的根本，通过本方法有效避免了冻结层上水向基坑内部大量汇水过程导致的对基础周边和下部冻土的热扰动。同时也由于隔水箱的冷却作用，使得基础周围冻土进一步降温，并增加其稳定性。4、在青藏高原多年冻土区，生态环境极为脆弱，通过本发明的实施在很大程度上减小了对周围生态环境的破坏，保护多年冻土长期稳定。5、本发明施工简单快捷，在基坑开挖及后续施工完成后，中空隔水箱等设备可以重复使用，节省材料。
图I为本发明断面示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实例，对本发明技术方案再做进一步的说明为验证利用隔水箱阻止多年冻土上限层向基坑汇水的方法的有效性，2010年10月15日在青藏直流线路工程建设工地进行了现场实地试验。实验场地选择在青藏高原清水河段，该段多年冻土、地下冰发育、且不稳定。通过测定，冻土层上限在2. Im左右，是青藏高原常见的典型的冻土类型。在此段区域，输电线路塔基开挖后冻土上限层水丰富，尽管施工人员采用了水泵等排水措施，仍无法及时将基坑中的水排尽，严重影响施工进度，而被迫推迟施工工期。为解决上述问题，本发明采用和进行了如下试验。
为此,本试验在距基坑周边4m处用挖掘机一边开挖坑槽I,坑槽深2. 3m,宽I. 5m,一边向坑槽I埋设钢材中空隔水箱，再向钢材中空隔水箱两侧填土 3夯实。钢材中空隔水箱结构是其上端开放，与外界相通，四周封闭，其底部至多年冻土上限4以下20cm处。钢材中空隔水箱在开挖成型的坑槽中相互组合，构成围绕拟开挖基坑的隔水墙。由于多年冻土上限附近细颗粒土的持水性，挖掘过程中暂时不会出现涌水，同时由于沟槽较窄、较短，且深度不深，不会发生坑壁坍塌。为增强隔水墙的隔水能力，在隔水墙施工中可在隔水墙外侧铺设一层土工布防水材料，然后回填土。由于空气的比重会随温度而发生变化，在夜间、或白天环境温度较低的时候，钢材中空隔水箱内的温度相对较高、密度相对较小的空气就会上升，与外界温度相对较低、密度较大的空气发生对流交换，而使钢材中空隔水箱内的温度不断降低。在白天、或环境温度高于中空隔水箱内的温度的时候，该种自然对流过程则不会发生。由此循环使得隔水箱底部周围的土体快速冻结。为加快钢材中空隔水箱底部周围土体的冻结过程、缩短冻结时间，还可以根据环境气温的条件，通过使用鼓风机，进行隔水箱内部空气的强迫对流过程。在实验期间场地的白天的最高气温为4°C，17:00左右气温开始低于0°C，夜间最低气温达到-7. 5°C。为加快现场的试验过程，现场使用了鼓风机，通过强迫对流换热，加速外界冷空气与箱子内部空气的对流换热在实验期间，场地的白天的最高气温为4°C ,17:00左右气温开始低于0°C，夜间最低气温达到-7. 5°C。为加快现场的试验过程，现场使用了鼓风机，通过强迫对流换热，加速外界冷空气与钢材中空隔水箱内部空气的对流换热。第一天下午钢材中空隔水箱完成安装，待17:00气温开始低于0°C开始使用鼓风机通风降温，24:00完成通风降温过程。历时5小时。以后时间由其自行进行自然对流过程的降温、冷却过程。第二天中午进行11:00，通过检查，钢材中空隔水箱体底部、隔水箱体围成的场地内部地面均完全冻结、且没有积水。场地内在隔水箱边缘处已经冻结的土块。通过测定，钢材中空隔水箱内外水位差为1.5m。当天及以后由钢材中空箱体进行自然对流降温，不再利用鼓风机进行强迫对流降温。第三天、第四天通过检查，隔水场地内部依然没有进水，底部依然保持冻结状态。试验结果证明本发明利用钢材中空隔水箱完全阻止了冻土上线层水向坑槽内部的渗入。然后再在进行设计基坑的开挖，保证了工程施工的 顺利进行和施工工期完成。
权利要求
1.一种具有冷却效能的隔水箱阻止多年冻土上限层向基坑汇水的方法，其特征是在设计基坑周边开挖坑槽(I)，埋设中空隔水箱(2)，中空隔水箱(2)的结构是其上端开放，与外界相通，四周封闭；中空隔水箱(2)的底部深度到达多年冻土上限(4)以下10-50cm的位置，填土(3)夯实，埋设平面位置距离拟开挖基坑的边缘的间距为O. 5-5m。
2.如权利I所述的一种具有冷却效能的隔水箱阻止多年冻土上限层向基坑汇水的方法，其特征是中空隔水箱(2)用钢材、或铝合金、或塑料材料做成。
全文摘要
本发明涉及一种具有冷却效能的隔水箱阻止多年冻土上限层向基坑汇水的方法，其特征是在设计基坑周边开挖坑槽，埋设中空隔水箱，中空隔水箱的结构是其上端开放，与外界相通，四周封闭；中空隔水箱的底部深度到达多年冻土上限以下10-50cm的位置，填土夯实，埋设平面位置距离拟开挖基坑的边缘的间距为0.5-5m。本发明通过多年冻土区冬季施工过程自然冷能的充分利用，发挥基坑四周中空隔水箱构筑的冻结壁有效作用，避免冻结层上水向基坑内大量汇集，有效保证了工程施工的顺利进行和施工工期完成的同时，降低基了坑周边冻土温度的不断，进一步保证了冻土工程的稳定性。
文档编号E02D27/35GK102733404SQ20121004242
公开日2012年10月17日 申请日期2012年2月24日 优先权日2012年2月24日
发明者俞祁浩, 游艳辉, 潘喜才, 胡俊, 郭磊, 钱进 申请人:中国科学院寒区旱区环境与工程研究所