冻结法在地下施工中的运用

【摘 要】冻结法作为一种重要的辅助工法，已越来越被设计和施工单位所重视，掌握冻结法施工技术已成为城市地下工程生产发展和社会竞争的需要。本文从冻结法在城市地下工程中应用的基本技术特点和冻结方法入手，介绍了冻结法施工的原理和工艺要点，以及掌握和运用冻结法施工技术的现实途径等问题。进一步指出了冻结法在施工过程中需要注意的若干问题，以促进冻结法在城市地下工程中的应用。

【关键词】冻结法；施工技术；城市地下工程；原理；应用

0.前言

冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水冻结，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行隧道、竖井和地下工程的开挖与衬砌施工的特殊施工技术。其实质是利用人工制冷技术临时改变岩土的状态以固结地层。

在矿井建设、地基基础、水利工程、河底隧道、地下铁道和其它地下工程中，遇到不稳定地层或含水量丰富的裂隙岩层，只要其地下水含盐量不大，而且流速较小（小于6m/d），采用冻结法阻断地下水、固结地层，容易获得成功。

冻结法源于天然冻结，随人工制冷技术的发展，逐渐用于工程，形成了工程冻结技术。据统计，发达国家都有较早应用冻结法技术的先例。人工冻结技术在我国也已经得到了成功的应用：1955年我国首次在开滦煤矿成功地应用冻结法进行竖井施工。截止到1999年，我国煤炭系统已用冻结法建成竖井近500个，总长度超过70km，我国的水平孔冻结技术和斜井冻结技术也已经取得了很大的成功。

近些年来，随着城市地下工程的日益增多，特别是随着地下铁道建设的兴起，冻结技术已开始应用于城市地下铁道的隧道施工。在北京市、上海市、广州市的地下铁道建设过程中，已经分别采用了垂直孔冻结技术、水平孔冻结技术，并取得良好的效果。

1. 冻结法施工的原理和工艺要点

1.1 原理

采用人工冻结技术，首先需要在准备冻结的地层中钻孔铺管，安装冻结器和盐水循环系统，然后利用人工制冷手段（低温盐水，液氮或干冰）提供冷量，通过低温在冻结器中循环，带走岩土热量，使岩土中的水结冰，将天然岩土变成冻土，形成整体性好、强度高、不透水的临时固结体，达到加固和稳定地层、隔绝地下水与地下工程开挖面的联系，达到安全、无水的施工环境的目的。地层局部冻结完成后，在冻结体的保护下可以按部就班地进行竖井或隧道的开挖施工，待衬砌支护完成后，即可停止制冷，冻结地层逐步解冻，最后恢复岩土的原始状态。

冻土的形成过程，是土中自由水结冰，并将固体颗粒胶结成整体的物理状态与特性变化的过程，也是消耗冷量最多的过程。

1.2 冻结过程

土中自由水的冻结过程可划分为5个时间段（图1）：

图1 岩土中自由水冻结过程曲线

（1）冷却段：开始向土层供冷，土体温度逐渐降到冰点；

（2） 过冷段：土体温度达到0℃以下，但土层中的自由水尚未结冰，呈现出过冷现象；

（3） 突变段：水过冷后，一旦结晶就立即放出结冰潜热，出现升温现象；

（4） 冻结段：温度上升到接近0℃时稳定下来，土体中的自由水结冰过程，将矿物质颗粒胶结成整体，形成冻土；

（5） 继续冷却段：随着温度的降低，冻土的强度逐渐增大。

土壤冻结是随时间变化而变化的复杂的热过程。土中孔隙水是逐渐冻结的，实际上在任何负温下的冻土内部总有土颗粒薄膜水保持未冻状态与冰共存。在一定的温度范围内，土壤处于由融土经塑性过渡到坚硬的冻土的中间状态，而不同土壤的过渡状态的温度是不同的。

1.3 工艺

冻结法的施工一般可分为三个阶段：

（1） 积极冻结阶段：在施工地层中开展冷冻作业，并将地层中的冻结壁扩展到设计厚度的阶段；

（2） 维护冻结阶段：维护施工所需要的冻结壁厚度，进行地下工程正常施工操作的阶段；

（3） 解冻（恢复）阶段：地下结构工程施工完成，停止制冷，地温恢复原状的阶段。

冻结法施工的一般分为一下四大工序：

（1） 冻结站安装

冻结站的位置以供冷、供电、供水、排水方便为原则，同时也要兼顾施工竖井的井口布置和进出材料、器材的方便。常把冻结站设在距井30m～50m的位置。

（2） 钻孔施工

为缩短施工周期，钻孔可与冻结站的安装同时进行。钻孔可分为冻结孔和观测孔两类。冻结孔大多分布在冻结壁的设计中心线上，用来安装冻结管；观测孔用于安装温度传感器、土压传感器、土层位移传感器等。

（3） 地层冻结

从开始冻结到冻结壁达到设计厚度为积极冻结期。在此期间应保证冻结站正常运行，以期尽快形成冻结壁，给后续的开挖和结构物施工创造条件。积极冻结期最好选在冬季，以便充分利用自然低温环境降低能耗、提高冻结站的制冷效率。

（4） 地下工程掘进施工

冻结法是地下工程施工方法中一种特殊的辅助工法，和常用的降、排水辅助工法不同，施工阶段特别需要注意控制地层含水率和地下水流速对冻结效果的影响、地层冻胀融沉对环境的影响、低温环境对混凝土浇筑施工的影响以及冻土壁蠕变的影响。

施工工艺流程如图2所示。了解了冻结法的施工要素，便可更有效地控制冻结法的实施。

2. 冻结法施工方案的确定

为保证冻结施工工程的顺利进行，施工前必须要进行多方面的细致调查。在确定冻结方案时所需要进行的工作主要包括：

2.1 水文地质条件调查

主要是了解施工场地及附近地区的地层分布、地层的土质情况、含水率、地下水的流速和合盐量等水文地质参数，确认冻结法是该工程的适用工法。

图2：冻结法施工的工艺流程

2.2 冻结壁的形式选择

根据地下构筑物的埋深、走向和形式，选择冻结壁的形式。常用冻结壁的形式有立式冻结、水平冻结和斜式冻结三种，它们的适用范围和特点见表1。

2.位于埋深较浅的含水地层中的水平隧道或倾斜度不大的隧道

水平冻结 冻结管在地层中围绕着隧道的前进方向水平排列，在含水的软弱地层中冻结形成水平的冻结体，覆盖或环绕待施隧道 适用于含水软弱地层中的水平隧道

斜式冻结 冷冻管在地层中围绕倾斜隧道前进的方向排列，在含水地层中形成倾斜的冻结体 适用于含水软弱地层中倾斜隧道

2.3 制冷系统的选用

除了在特殊的小型抢险工程中采用液氮冻结法速冻外，一般情况下均选用盐水制冷设备进行冻结施工。

2.4 钻孔孔位的配置

地层中的钻孔主要是为安装冻结管。冻结管的作用是：管体置于地层钻孔内，用来输送低温盐水与地层直接进行热交换，使冻结管周围的土体温度降低，自由水冻结，形成有足够强度的冻结壁。冻结管一般选用直径φ127～139mm，壁厚5～10mm的钢管。目前常选用φ127×7.5mm的无缝钢管，也可以根据城市地下工程的实际情况减小冻结管的直径。在城市浅层土体中进行施工，特别是在水平冻结的情况下，为保证所施工的地下构筑物的尺寸，避免对相邻建筑物造成损害和减少地面沉降，对孔的允许偏斜率的要求较高，钻孔的偏斜率一般小于5‰。

2.5 冻结时间的确定

冻结壁的交圈时间主要与冻结孔的间距、盐水温度、土层性质、冻结管直径、地层原始温度等因素有关。冻结时间随冻结方法的不同而不同，常用的冻结方法有恒温连续冻结、间隔冻结和温差连续冻结。

2.6 衔接工序安排

综上所述在城市地下工程中，积极冻结往往需要1个月以上的时间；维护冻结时间又需根据开挖和衬砌的施工时间来确定，所以无论是积极冻结还是维护冻结，每天的电能消耗都是可观的，因此衔接工序的合理安排显得尤为重要。因此冻结施工组织中就充分考虑了各工序的有机衔接，以充分利用现有设备和条件，既快又省地完成施工任务。

3. 城市地下工程冻结技术遇到的若干问题

3.1 冻胀和融降

城市地下工程冻结施工存在冻胀和融降问题，过量的冻胀和融降量会对地表建筑、交通和地下管线产生破坏作用。冻胀机理是土体中的水结冰时体积增大9%，土体中产生的水压差导致地下水向冻结峰面迁移，致使冻胀现象越来越显著。当冻土融化时，体积减小，又产生较大的土层沉降。不同土质条件冻胀和融降量也不同，粘土变形量大，粉砂、砂土次之，融降量一般大于冻胀量。虽然冻胀和融降对工程影响很大，但并不是不能控制的。实践证明，压力释放孔、注浆充填、工作面释放水和强制解冻等措施，可有效地解决冻胀和融降问题。

3.2 地下管线的保护

地下管线受到冻胀和融降产生较大的拉应力和剪切作用，导致地下管线过大的位移，从而对管线产生产重的破坏。

城市地下管线和市民生活息息相关，所以地下工程施工要对地下管线进行暴露悬吊、包扎保温材料等处理，尽可能减小冻胀力和冻胀、融降量，以确保地下管线的安全。

3.3 冻结系统的改造

城市交通繁忙，建筑密布，施工场地狭小，用水、用电受到一定限制，所以城市地下工程冻结施工首先要对冻结系统进行改造。上海延安东路越江隧道江西路段冻结加固工程，选用可移动的螺杆冷冻机组，辅机基础6.78m×2m，主机基础2.4m×2m，采用冷却水塔，和煤矿冻结站相比，冻结场地减少90%以上，冷却水节约80%～90%，耗电量节约30%～40%，降低了工程造价。

4.小结

综上所述，起源于煤矿的冻结法由于其独特的优点，在城市地下工程中得到了越来越广泛的应用。随着我国经济进入快速持续发展时期，城市地下铁道、城市轻轨交通和其它重要地下构筑物的建设对地下工程的设计和施工都已提出了更高的要求。从事城市地下工程设计和施工的单位必须要掌握更先进的地下施工的理论和技术，才能适应新要求，迎接新挑战。因此，掌握冻结法技术已成为生产发展的需要和社会竞争的需要。

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作者简介：

辛铭，男，汉族，黑龙江齐齐哈尔市人。2002年7月本科毕业于东北林业大学土木水利工程学院。2002年至今在中铁十三局第四工程公司工作。