冻结法在隧道加固中的应用

杨涛

中煤第三建设（集团）有限责任公司

【摘 要】在深井冻结凿井中，合理地确定冻结壁的整体强度和稳定性（也就是合理地控制冻结壁的变形），不仅能保证工程安全，还能带来可观的经济效益。冻结壁的允许变形除了受外载、土性、温度和厚度的影响外，还受冻结管变形能力和井壁支护抗力的影响。在人工冻结工程实践及实测中，发现冻结粘土强度低、变形大。因此在工程中须对深部特性最差的粘土层中冻结井壁的允许变形进行控制。

【关键词】冻结法；隧道加固；应用

随着中国城镇化的不断推进，城市人口不断增长，随之而来的是个人的生存空间不断被压缩，地下空间的开发成为国家扩大城市人口生存空间的最为重要的手段。我国各大城市正在进行如火如荼的隧道建设，同时其他地下工程也在不断地投入兴建计划。隧道建设不仅仅可以扩展人的生存空间，还对缓解城市交通压力起着重要的作用，被认为是发展城市交通的有效手段。

为了保证工程的安全与获得良好的经济效益。具体措施有：

一、强化冻结，提高冻结壁自身强度

对于有深部钻土层的情况。一般通过合理布置冻结孔、降低盐水温度和增大供冷量来提高冻结壁的自身强度。在此情况下，冻结过程分为积极冻结期——形成开挖条件；强化冻结期——冻深厚粘土使之可安全开挖；维护冻结期——维护过粘土层之后掘砌所需冻结壁冷量，适当加大冻结孔布置圈径，一方面可以使冻结管离井帮远一些，以减小并帮位移对冻结管弯曲变形的影响。提高冻结管的安全性；另一方面因为在冻结时间较长的情况下，冻结壁向外扩展的最大厚度基本是一定的（一般在4m左右），冻结壁的有效厚度主要取决于冻结7L离开井帮的距离，并且冻结孔布置困内侧的冻结壁温度比外侧的要容易降低，所以可以显著增大冻结壁的有效厚度和降低凉结壁的平均温度；但这样会影响开挖时间，必须强化冻结供冷工艺。当冻结深度较大时，强化冻结一般合将井心冻实。这样，在短段倔砌施上中，冻结壁在上、下端均受到较强的约束，底鼓和超前变形均大大减小甚至没有，冻结壁的变形主要决定于段高的大小与暴露时间。

（一）强化冻结的实质

1.增加冻结壁的有效厚度和降低陈结壁的平均温度，提高冻结壁的整体强度。

2.使冻土更多地扩展进入荒径，改善冻结壁下部的支撑条件。

（二）强化冻结的效果

1.有可能使冻结壁处于弹粘性甚至弹性状态，减小其变形量，提高其稳定性。

2.施工中的超挖与欠挖量均易控制在《井巷施工与验收规范》规定的范围内。

3.减小外层井壁受到的变形压力。

4.减小冻结管的变形。

二、适时进行合理支护

（一） 控制段高和井帮暴露时间

段高大时，冻结壁的变形大，但能给施工带来一定的方便。冻结壁是流变体，暴露时间越长，变形越大。因此应在保证冻结壁、井壁和冻结管安全的条件下。根据土性、地压、冻结壁的强度、掘砌速度等因素合理确定段高。尽量减小冻结壁的暴露时间。

（二）采用合理的井壁结构和合适的井壁材料

冻结壁—井壁间的相互作用规律与巷道支护中支架与围岩间的相互作用规律相似。对于冻结壁的粘塑性变形，过早支护且支护无可缩性时，井壁受到的冻结压力过大，易被压坏；过晚支护，冻结壁变形过大，冻结管变形过大，易断管。我国目前常用现浇混凝土外壁。—服采用在混凝土中加早强剂和减水剂、提高混凝土的人模温度等方法来提高混凝土的早期强度和养护温度，并在外壁与冻结壁间铺泡沫塑料板来减缓冻结压力。并起隔热、隔水和保温作用。

三、提高冻结管（接头）的变形能力

所有冻结管的抗弯刚度之和与冻结壁的抗弯刚度相比极小，冻结管的变形主要取决于冻结壁的变形，因此提高冻结管的强度与壁厚是无益的。目前冻结管断裂一般发生在接头部分（管体断开，管体螺纹纵向拉开，螺纹脱扣捡开，接头焊缝处断开）。接头的强度低于管体，接头部位存在因连接而产生的残余应力，而且接头部位有应力集中现象，因此管接头是冻结管的薄弱环节。研究表明，内衬管接头比外接箍冻结管接头的变形能力提高一倍，在冻结管产生严重塑性变形时才会破坏，而外箍接頭在弹性变形阶段即破坏。另外采用低温塑性好的普通无缝钢管可使冻结管的整体变形能力提高，能满足冻结凿井需要。

四、加强掘砌与冻结的配合

加强冻结施工单位与掘砌施工单位的配合，根据冻结情况决定掘砌速度，根据掘砌情况调整盐水温度和供冷量，保证掘进工作面处的冻结壁强度与稳定性能达到安全要求，同时又不浪费冷量。

五、加强监测

监测去回路盐水流量和盐水箱水位，能及时发现断管和盐水漏失，切断盐水供应，采取应急措施；监测冻结器温度和测温孔温度，能及时发现堵孔和冻结壁发展情况，发现问题，及时予以排除。

六、根据目前国内的经验和实践，实施冻结法还需要掌握一定的技术要点

1.在设计隧道的冻结壁时应尽量与隧道开挖的轮廓相一致，形状是要相同，这样在进行隧道开挖时更加方便，同时也有利于冻结壁的承载。同时在布置冻结孔时应尽量地将其安排为放射状，这样可以有效地避免冻结段的前半部分因为时间过长而使得冻结壁进入开挖区太多。

2.在选择冻结时需要用到的制冷系统时，应该考虑到其降温速度、对于盐水温度的控制以及系统的自动化程度高低，新型的氟利昂盐水螺杆冷冻机组在这方面具有极大的优势，可以作为考虑对象之一。该系统的管路上还安装有温度、压力和流量的检测表，并有专门的控制阀门，这样可以及时地监控冷冻系统，也让控制、维护施工时的冻结管路系统变得更加方便。

3.在设置冻结孔时应及时地在布置圈周围安排测温孔，这样可以测量地层温度的变化，再结合相关温度场的模拟与计算，便可以对冻结壁的具体情况进行预报和判断。

4.在冻结壁内壁应该设置一些水文观测点和泄压孔，这样可以通过检测冻结壁内部的水压变化对冻结壁是否出现交圈现象做出准确判断。如果发现问题就应该及时地采取补救措施，以免为后面的施工步骤埋下隐患。

七、结束语

以上的几点强化措施，是我参加工作这几年，从冻结的老师和前辈那学来的，各位前辈和老师是我永远学习的榜样，希望在你们的培养和教育下，我能学到更多的知识和技能，能在本职岗位给单位创造更大的贡献。

参考文献：

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