(冷冻法施工)解析

地铁施工技术交流材料
冷冻法联络通道施工技术及风险控制措施
一、冻结法的基本原理与特点
采用冻结法对地层土体进行加固，是指利用人工制冷技术,使地层中的水结冰,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地下工程掘砌施工的特殊施工技术。

其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。

1、岩土冻结实质
岩土冻结性质的改变，即将含水地层（松散土层或裂隙岩层）冷却至结冰温度下，使土中孔隙水或岩石裂隙水变成冰，岩土的性质发生重要变化，形成一种新的工程材料——“冻土”。

2、冻土结构特点
而冻土结构具有较高的强度和绝对的封水性。

3、冻土结构功能
冻土结构的承载功能和封水的不承载功能。

4、制冷方法
其制冷技术方法，通常使用制冷设备，利用物质由液态变为气态,即气化过程的吸热现象来完成的。

4.1、有两种类型：⑴、冷媒剂(盐水)吸热：氨 (-33.4℃)；干冰(-78.5℃)；⑵、直接气化吸热：液氮(-19
5.8℃)；干冰(-78.5℃)
4.2、冻结系统常有两种类型：⑴、封闭系统（盐水冻结）；⑵、开放系统（液氮冻结）
5、冻结法的适应性
冻结法加固与其它加固方法相比，其适应性更强，能够适应粘土、粉土、砂层以及砾石、卵石等任何地层。

6、冻结法的特点
6.1、冻土帷幕的变化性：⑴、冻土范围可变；⑵、冻土温度可变；⑶、冻土强度可变（强度是温度的函数）
6.2、冻土帷幕的连续性：水在负温下结冰的必然性；
6.3、冻土帷幕的可知性：通过温度测试可判断冻结范围、冻土强度
7、冻结法施工的优点
7.1、安全性好：⑴、冻土强度较高；⑵、冻土连续性可靠、封水性好
7.2、适用性强：⑴、适用于几乎所有具有一定含水量的松散地层（包括岩石）；
⑵、复杂地质条件可行（流砂、大深度、高水压）
7.3、灵活性高：⑴、冻土帷幕性状（范围、形状、温度、强度）可控
8、冻结法施工缺点
由于冻结法所形成的冻土帷幕其范围、温度、强度具有变化性，其冻结范围、强度随温度的变化而变化，如果供冷不足或外部热源可导致冻土帷幕性能（范围、强度）退化，安全性能降低，施工风险增大。

众所周知，上海地铁4号线联络通道施工时，其冻结帷幕失效，发生重大工程风险事故，给国家造成严重的经济损失。

8.1、冻胀融沉：⑴、对环境有一定的影响，严重时具有一定的破坏力；
⑵、融沉控制不当可导致结构差异沉降和长期沉降；
8.2、风险性：⑴、供冷不足或外部热源可导致冻土帷幕性能退化（范围、强度）；
⑵、流水作用下冻土可快速消融
8.3、局限性：⑴、地下水流速影响冻结效果；⑵、地层含盐影响冻结效果；
⑶、含气地层可影响冻结效果
9、冻结法的应用
通过冻结法加固所形成的冻土帷幕，其形状、范围、温度、强度完全可以受控，且通过温度测试可判断冻结范围、冻土强度。

因此，人工冻结地层加固方法被广泛用于需要进行地层加固和封水（冻土帷幕）要求工程施工领域。

特别是随着我国城市地铁轨道交通的发展，软土隧道盾构的进出洞、联络通道等风险性较高的工程项目，常
采用冻结法加固 进行施工。

9.1、土木工程和岩土工程如：⑴、矿山凿井：竖井、斜井；⑵、隧道施工：隧道掘进；盾构、顶管进出洞、联络通道；⑶、隧道扩建；⑷、基坑工程；⑸、穿越；⑹、地下对接；⑺、事故处理；⑻、管线工程；⑼、基础加固；⑽、边坡加固
9.2、土工试验：原状土取样
二、冻结法的理论与工程问题
1、热力学性质
1.1、主要参数：比热、热传导系数、潜热、结冰温度等；
1.2、最主要影响因素：含水量
1.3、特点：冻土与未冻土的热力学参数有明显区别
2、物理力学性质
2.1、强度：
⑴、单轴抗压；
同等条件下，冻土强度是温度的函数：
n －随土性变化的参数， 砂性土n →0.5黏性土n →1；
a ,
b －与冻土的孔隙度、含水量相关的系数。

在相同温度下，含水量对冻土极限强度影响很大。

在非饱和时，强度随含水量增长；过饱和时，强度随含水量降低。

其中，未冻水含量对冻土强度影响也很显著。

未冻水含量越高，强度越低。

⑵、抗拉、抗剪强度；
冻土抗拉强度规律与抗压强度相同。

强度随着温度的降低增长，同时取决于土的成分、含水量等因素。

数值上，抗拉强度比抗压强度低2~6倍
3、热传导与温度场：
3.1、导热形态：a 、冻结管冻结过程是非稳态导热问题；b 、冻结后期，热交换趋于平衡，可近似看作稳态导热问题；c 、温度场分析时一般看作稳态导热问题 n
bt a +＝σ
3.2冻结发展动态过程：
单排冻结管冻结过程三阶段：单管冻结、管间影响冻结和管间冻土相接后冻结 a 、单管冻结：管间独立冻结，冻土呈圆柱状发展；b 、管间影响冻结：管间相互影响，冻土在冻结管之间（轴向）发展快，两侧慢，冻土呈椭圆柱形；c 、管间冻土相接后冻结：冻土相接（“交圈”）后，形成波浪形冻土墙，但凹陷部位（界面）发展快，凸出部位（主面）发展慢，凹陷部位将很快填满，冻土墙两侧呈直线形。

之后冻土直墙继续向两侧发展。

3.3、温度场与平均温度
现在国内计算冻土的平均温度的公式：
其中：tcp ＝冻土平均温度 ℃
tp ＝盐水温度
S ＝孔间距，
δ＝冻土厚度，
t ＝开挖面温度，
4、冻胀与融沉
4.1、冻胀机理
⑴、冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀。

孔隙水原位冻结体积增大9%（原位冻胀），外来迁移水分则体积增大1.09%（分凝冻胀）。

所以开放系统饱水土中的分凝冻胀是构成土体冻胀的主要分量。

原位冻胀量非常小，土体冻胀量主要取决于水分迁移通量。

因此，冻胀量的主要影响因素是冻土的导湿系数和土水势梯度。

土水势梯度由重力势、压力势、渗压势、温度势、电力势和磁力势梯度中的某一项或几项之和组成。

而影响这些量的外观因素可表现为：
a 、内因：土的粒径、组织构造、透水系数、盐分浓度等；
b 、外因：约束应力、冻结速度、冻结历时、孔隙水压等。

总之，冻胀是一个非常复杂的问题。

p cp t S S t t 25,0466,0266,0875,0352,0135,13+-⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+--=δδ
⑵、土壤的冻胀敏感性
土的粒径是影响冻胀敏感性的一个重要因素，颗粒越小冻胀性越强。

砂性土冻胀不敏感，黏性土冻胀敏感。

⑶、冻结参数对冻胀量的影响
a、冻结速度：在一定范围内，冻胀量与冻结速度成正比。

b、冻结历时：冻结时间越长，冻胀冻胀量越大。

c、冻结温度：冻结温度越低，冻胀冻胀量越大。

⑷、衡量冻胀的主要指标是冻胀率。

a、冻胀率指冻土单向冻结方向上的尺寸与冻结前的比值。

b、一般按冻胀率大小来划分土壤冻胀等级。

4.2、冻胀力是冻胀受到约束时产生的力。

由于约束条件的差异，冻胀力数值的可比性很差。

标准试验可测试冻胀力，但主要用于不同土壤之间的比较，工程实际意义不大。

工程上关心的冻胀力是因冻胀结构上受到的力，这个力不是单纯的冻胀力，因此也称“冻结压力”。

由于不同工程的差异性，实测冻胀力之值离散性很明显。

因此，准确估计结构上受到的冻结压力是非常困难的。

⑴、封闭式冻土帷幕的冻结过程中，交圈前几乎不显现冻胀力，开始交圈时冻胀力开始显现，在冻土帷幕形成闭合体后，冻胀力急剧增长几乎达到最大值。

后续的冻结过程中，冻胀力变化不明显，有的略有增长，有的略有降低
4.3、融沉机理
冻土融化后产生融沉，它由融化沉降和压缩沉降两部分组成。

⑴、冻土融化时，冰变成水体积缩小产生融化沉降。

融化区域排水固结，导致土体压缩沉降。

融化沉降量与压力无关，压缩沉降与压力成正比。

⑵、工程上用融沉系数As来描述融化沉降，用压缩系数Ar来描述压缩沉降。

通常，融沉量大于冻胀量。

⑶、与冻胀类似，融沉的影响因素有：
a、内因：土的热学、物理、力学性质等。

b、外因：温度、温度梯度、压力等。

4.4、冻土融沉性，可用融沉率表示。

工程上融沉量的估算可以简单地用融沉率与冻土高度的乘积来计算。

4.5 冻胀抑制措施
抑制冻胀的措施主要有：
⑴、间歇冻结法：降低冻结速度，减小水分迁移
⑵、快速冻结法：足够高的冻结速度使得大量水分迁移来不及，无法形成大量冰晶体
⑶、减小冻胀力的措施主要有：a、避免采用封闭式冻土帷幕；b、限制冻结范围；c、卸压孔；d、冻胀释放管
4.6、冻胀、融沉综合控制措施
融沉与冻胀密切相关。

通常，控制冻胀就间接控制了融沉。

冻胀融沉综合控制措施主要有：
⑴、强制解冻，跟踪注浆。

尽快固结土体，避免长期沉降
⑵、先注浆，后冻结。

降低土壤透水系数，阻止水分迁移；加强土体强度，减小压缩沉降。

⑶、预注CMC。

增加土体黏性，降低透水系数，阻碍水分迁移。

5、人工冻土解冻
人工冻土的解冻有三种情况：中断或终止冻结时的自然解冻；盐水泄漏导致的解
冻；强制解冻。

5.1、自然解冻
自然解冻速度与冻土量、冻土温度、环境温度及周围供热量相关。

停止冻结后，每日解冻量与原先冻结时间成反比。

冻结时间越长，解冻速度越低。

一般情况下，冻土厚度1米以上时，中断1~2天的冻结，冻土帷幕解冻厚度基本上可以忽略不计，可以认为是安全的。

但是，必须注意，如果有较大流速的地下水作用时，解冻速度会加速。

5.2、盐水泄漏解冻
盐水泄漏解冻是盐水扩散引起的，解冻厚度主要与冻土温度相关，当然与时间也有关。

当冻土帷幕足够厚，盐水包不与外界沟通时，盐水温度被保持低温，对冻土帷幕功能影响不大。

例如，当冻土温度保持-20℃时，在泄漏后2个月内不采取任何措施的情况下，冻土帷幕解冻厚度才6cm，其安全性不必担心。

但是，必须注意，在砂性冻土中，盐水扩散快，解冻速度会加速。

此外，如果盐水泄漏发生在早期，冻土温度不够低，冻土厚度不够大，盐水易与外界沟通，会带来安全威胁。

5.3、强制解冻
强制解冻是指通过冻结管循环热盐水进行的积极解冻，其解冻速度主要与盐水温度相关，当然与冻土温度、环境温度也有关。

自然解冻与强制解冻效果的比较：冻土厚度1.8m，强制解冻和自然解冻共同作用需要70，而单纯自然解冻则需要约6倍的时间。

日本鹿岛试验：冻土半径1.5米（厚度3m）。

自然解冻需要200-300天，用60℃热水循环需要约60天，如用温度90℃，解冻时间减半（60天减到30天)。

三、冻结法联络通道施工重大风险源控制措施
1、从结构内向外钻孔
在冻结孔施工过程中，针对可能出现的水土涌入情况，我们采取二次开孔，同时安装孔口防喷装置（BOP）措施，从结构内向结构外钻孔。

1.1开孔
经过精确测量确定孔位后，在孔位处管片上开直径为130mm，深度约250-300mm （管片厚度为350 mm）的小孔，以不钻穿管片为宜。

取出岩芯，打入加工好的φ127mm 孔口管，并用钢筋焊接（至少有4个固定点）固定在管片上，然后安装球阀和孔口密封装置（如下图所示）。

用Φ89×8mm冻结管作钻杆，冻结管之间采用套管丝扣连接，将接头螺纹紧固后再用手工电弧焊焊接，应确保冻结管的同心度和焊接强度，做好这些工作后，开始进行二次开孔。

孔口器
膨胀螺栓
大球阀
连接杆
钻杆
密封装置旁通球阀
隧道管片
冻结孔开孔密封装置示意图
1.2钻进防水土涌入控制
刚开始钻进时采用轻压缓慢钻进，通过密封装置（即密封盒）控制钻进时的出泥量，防止水土涌入。

2、隧道变形控制
为防止联络通道附近成型隧道的变形，在积极冻结之前，应安装隧道预应力支撑，如图2-1所示。

支撑共4榀，分别安装在联络通道的预留口两侧的第一条隧道管片环缝处。

图2-1预应力支撑
2.1、隧道支撑安装偏离管片环缝处截面应不大于20mm；
2.2、安装好隧道支撑后顶实千斤顶，但每个千斤顶的顶力不得大于100KN,且每个千斤顶的顶力要基本均匀；
2.3、根据实测隧道的收敛变形调整每个千斤顶的顶力，收敛大的部位要求千斤顶顶力大，不收敛的部位不加力。

隧道收敛达到报警值10mm时，千斤顶顶力达到设计值500KN；
2.4、当如千斤顶顶力达到设计值后隧道仍继续收敛，则应采取其它措施加强隧道支撑。

3、防淹门装置
为防止帷幕发生大量砂、水涌出，或位移变形超值，其它措施抢救无效的情况下，为确保通道开挖的安全，钢管片拆除前须按图
图3-1
图3-2应急防护门安装实物图
4、钢管片拆除施工
管片拆除时的风险极大，所以管片拆除前应做好以下几点：
4.1、在拆除钢管片开洞前，利用扭矩扳手将联络通道前后各10～15环管片的纵向和环向连接螺栓全部进行复紧，包括钢管片和砼管片间的连接螺栓；
4.2、此外将未拆除钢管片的环、纵缝进行焊接连接，提高钢管片门架结构的刚度和整体稳定性。

焊接前应首先对拼装缝进行除锈除垢处理，避免虚焊。

4.3、应急防护门必须装好，且完成密闭试验；
4.4、必须探明冻结效果；
5、联络通道开挖
由于土体采用冻结法加固，冻土强度较高，冻结帷幕承载能力大，因而开挖时可以采用分上下台阶法开挖，其开挖及内部结构施工就不熬述，就冻结法联络通道开挖步序做一介绍，如图5-1所示先挖1区导洞，然后依次开挖2区、3区、4区、5区、6区
图5-1联络通道开挖施工次序示意图
6、冻结孔封孔
冻结孔封堵施工也是一个比较关键的工序，如封孔质量控制不好，将后患无穷，尤其在含具腐蚀性的地下水地层中。

上海某已运营的地铁隧道从联络通道冻结孔处涌沙的现象也存出现过。

7、融沉注浆
融沉注浆分充填注浆和融沉注浆两部分
7.1、填充注浆
根据施工经验填充注浆在停止冻结前施工完成较好：
原因：在冻结体与结构间形成一个密闭的腔体，注浆效果好，如果按设计停止冻结2-3天后注浆，冻结薄弱的管片与冻结体接触部位已经融化，形成通道，达不到填充效果。

7.2、融沉控制
为了控制冻融沉降和失水固结沉降，融沉注浆应少量多次进行。

四、冻结法联络通道施工应急材料准备
冻结法联络通道施工期间其应急设备及物资的准备一定要有正对性。

1、冻结孔施工期间
冻结孔孔径大3~5cm的圆木楔子10个，双快水泥0.5t，普通水泥1t，棉纱50kg，8磅大锤一把，单液注浆机一台；
2、通道开挖期间
小木楔子50个，双快水泥0.5t，普通水泥10t，棉纱50kg，8磅大锤一把，单液注浆机一台，碎石5方，沙5方；
五、冻结法联络通道信息化施工
冷冻法联络通道施工风险大，将施工中及时反馈并处理的每一变化信息可以起到规避风险，降低事故发生率，所以必须做好以下几点：
1、加强面沉降监测；
2、加强隧道及通道的变形监测；
3、加强冻结系统温度变化的监测；
4、加强循环盐水的监测；
5、及时对各数据进行分析；
6、确保洞内外通讯的畅通
六、冻结法联络通道施工管理
针对冷冻法联络通道施工风险大的特点，施工管理中我们必须做到：
1、现场主管工程师必须认真审阅设计图纸，清楚的了解施工图中的每一个细节；
2、施工技术交底由主管工程师编写，项目总工审核，确保交底的可操作性，同时交底必须交到每一位现场管理人员和作业人员；
3、在联络通道冻结孔和开挖施工期间现场派有经验的技术人员或领工24小时值班，做好每一道施工工序，且严格实施交接班制；
4、其他每一项制度的落实；
七、结束语
回顾2003年上海四号线董家渡隧道联络通道施工引起的震惊全国的隧道坍塌事故。

我用“恶小止之，善小为之”（意思是：施工中在小的问题在发现后都必须制止，否则将会给我们带来灾难性的后果；小到一个被丢的螺丝钉，在发现后必须拾起，因为成本控制从细小做起，同时也消除了一个风险源）结束我今天与同仁的交流。

总之，工程本身就是一门艺术，我们必须端正态度、精雕细琢、用心去做，这样才能做好。

谢谢！
中铁一局无锡轨道交通1号线17标项目部
2011年6月24日
汪远平。