冻结法加固在盾构隧道施工中应用讲解

冻结法加固应用于盾构隧道施工

浙江大成建设集团有限公司章履远

由于搅拌桩、注浆、高压旋喷等土体加固方法存在土体加固不均，可能存在局部薄弱带而不能封堵具有压力的地下水。而采用冻结土形成的冻结帷幕，其冻土墙均匀性好、强度高（大于3MPa）。尤其是冻结体与井壁能做到无缝对接，可保证滴水不漏。因此，大直径的泥水平衡盾构大多采用冻结法加固技术。大直径泥水平衡盾构使用最多的是日本，其进出洞土体加固大多采用冻结法。

1995年，上海延安东路南线隧道，11.22m泥水盾构，当时始发井采用水泥土搅拌桩加固，盾构出洞始发，因覆土浅产生冒浆而不能建立泥水平衡，影响了3个月工期后，最后改用冻洁法加固土体取得成功（国内第一次）。从2001年以来，上海的泥水平衡越江隧道，如大连路隧道、复兴东路隧道、翔殷路隧道、上中路隧道等都采用了冻结法加固取得成功。因此，掌握冻结法施工技术对隧道工作者来说，也是必不可少的工作。

然而，冻结法施工最大缺点是施工成本高，冻融隆沉大，应该懂得采取相应技术措施。下面就来谈一谈冻结法的施工和用冻结法施工的成功案例。

一、冻结法施工技术

1、概况：

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，从而增加岩土的强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁保护下进行隧道、竖井、地下联络通道和其他地下工程的开挖与施工的一种特殊施工技术。其实质是人工制冷技术临时性改变岩土的状态以固结地层。

冻结法施工技术在矿井建设、地基基础工程、水利工程、河底隧道、地下铁道和其他地下工程中，当遇到不稳定地层或含水量丰富地层、裂隙岩层等，只要是地下水含盐量不大，且流速慢（6m/d）都可以采用冻结法固结地层，完成地下工程施工。

英国人和德国人早在1862年、1883年利用冻结技术完成建筑基础、煤矿深井施工。1886年、1906年瑞典和法国用冻结法施工人行隧道，穿越河底地铁工程。前苏联、日本也在20世纪70年代用冻结法施工地铁隧道，排水管等。据不完全统计已有数百项工程用冻结法来完成工程施工。

我国从1955年～1999年在煤炭系统，利用冻结技术，建设煤矿竖井近500个，总长达70Km，最大冻结深度达435m。随着冻结技术不断发展，水平冻结、斜井冻结也取得成功。近年来，随着地下工程日益增多，特别是地下铁道建设兴起，冻结技术开始应用于城市地铁工程的隧道施工。北京、上海、广州已分别采用了垂直冻结、水平冻结技术完成了多

项地下工程。

岩土冻结常采用方法叫间接冻结法—低温盐水法。其原理是以氨、氟利昂等制冷工质，经过压缩机对工质压缩成高温液态，经冷却后到蒸发器膨胀汽化，在交换器中吸收盐水中热量，负温盐水作为传递冷量的媒介。把冷量传递给需要冻结的岩土层，达到冻结局部岩土目的。这种冻结方法由三大循环系统构成。

①氟利昂（或氨）循环系统

②盐水循环系统

③冷却水循环系统

从而获得－20ｏC～－35ｏC左右的低温盐水，用以冻结岩土。

还有一种方法为直接冻结法—液氮法。

液氮在1个大气压下的蒸发温度为－196ｏC。当要冻结的土体不大，或抢险堵水的紧急情况下，可用液氮冻结技术，达到快速便利的优点。

且液氮冻结设备简单，只要液氮槽车输送液氮到液氮储罐内，再通过液氮输送管输送到冻结器（冻结管），再把汽化氮气排出，即达到冻结目的。该法施工简单，唯施工成本高于盐水法。（图1）

2、盐水法冻结的原理和工艺：

·自由水冻结过程：岩土中的自由水的冻结过程可划分为

5个时间段（图2）

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0ｏC以下，但土中自由水尚未结

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0ｏC时稳定下来，自由水开始

结冰过程，将土体颗粒胶结成整体，形成冻土；

⑤继续冷却段：随着温度降低，冻土的强度逐渐增大。·冻结加固岩土的特点：

①强度高：冻结后地层的抗压强度明显提高，可达到2～10Mpa。各种土层其强度是不一样的；

冻土瞬时极限抗压强度参考值（MPa）

一般而言，土体中含水量越高，其冻土强度越高

②封水效果好：可保证不漏、不渗，在无水条件下工作；

③适应性强：适用于一切含水、尤其是含水量大的地层。无论是砂土、粘土、软粘土，以及其他方法无法施工地层；

④支护性能好：冻结体为一完整的支护体；

⑤安全性好：由于冻结体为一个整体，在冻结体的遮护下，可保证隧道掘进的安全施工；

⑥灵活性好：可人为冻结任意需要的形状，可绕过障碍物进行冻结；

⑦环境保护好：因为冻结是一个临时措施，先将水结成冰，工程完成后又恢复到原来状态，对环境不造成污染。

·冻结工艺：

①冻结施工的三个阶段：

a、积极冻结阶段—在施工地层中开始冷冻，并将地层中的冻结壁扩展到设计厚度的工作阶段；

b、维护冻结阶段—维护施工需要的冻结壁厚度，以满足地下结构施工的正常操作；

c、解冻阶段—地下结构施工完成，停止制冷，地温恢复原状阶段。

②冻结施工的四大工序：

a、冻结站安装：冻结站的位置必须满足供冷、供电、供水、排水都比较方便的地方，还要兼顾到井口、洞口施工时材料，施工器材进出方便。一般而言，冻结站设在距井口30～

50m距离为好。冻结站安装工序见图3。

b、钻孔施工：即冻结孔的钻孔和观察孔的钻孔。冻结孔是用来安装冻结管的。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。冻结孔采用钻机完成。过去，钻孔完成后需撤出钻杆，换装冻结管。现在，采用特别的专利技术可以做到不必取出钻杆，钻杆直接用作冻结管。冻结管一般选用直径Φ127m m～Φ139mm，壁厚5～10mm的钢管，目前常采用Φ127mm×7.5mm 的无缝钢管，也可以根据地下工程实际情况减小冻结管的直径。冻结管的构造可见图4所示：

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，其孔径、间距和设计倾角依地层的土质、水文条件、工程要求而定。钻孔容易发生偏斜，特别是水平钻孔和斜向钻孔，发生偏斜，对冻结效果影响很大，对地下工程的施工也有一定的影响。为保证施工质量，避免对相邻建筑物造成损害和减少地面沉降，对孔的允许偏斜率要求较高，钻孔的偏斜率一般小于5‰。

除了冻结孔之外，还要安设计要求钻观察孔，用于安装温度传感器、土压传感器、土层位移传感器和孔隙水压力传感器等。

c、地层冻结：一挨地层开始冻结，就要求以最快速度达