冻结法施工技术

冻结法施工技术

冻结法施工技术，即是利用人工制冷的方法把土壤中的水冻结成冰形成冻土帷幕，用人工冻土帷幕结构体来抵抗水土压力，以保证人工开挖工作顺利进行。作为一种成熟的施工方法，冻结法施工技术在国际上被广泛应用于城市建设和煤矿建设中，已有100多年的历史，我用冻结法施工技术至今也已有40多年的历史，主要用于煤矿井筒开挖施工，其中冻结最大深度达435m，冻结表土层最大厚度达375m。经过多年来国外施工的实践经验证明冻结法施工有以下特点：

1可有效隔绝地下水，其抗渗透性能是其它任何方法不能相比的，对于含水量大于10%的任何含水、松散，不稳定地层均可采用冻结法施工技术；

2冻土帷幕的形状和强度可视施工现场条件，地质条件灵活布置和调整，冻土强度可达5-10Mpa，能有效提高工效；

3冻结法施工对周围环境无污染，无异物进入土壤，噪音小，冻结结束后，冻土墙融化，不影响建筑物周围地下结构；

4冻结施工用于桩基施工或其它工艺平行作业，能有效缩短施工工期。

人工冻结法在地铁府园车站的应用

摘要：地铁一期工程府园车站南隧道盾构法施工时，洞门两侧出现大量流砂，附近区域的沉降量较大，为了确保地下管线和地面交通的正常使用和安全运行，在首次实施了地下工程的人工冻结法施工。本文论述了冻结法在该工程中的冻结设计、施工工艺及对周围环境影响等问题和实际取得的效果。

关键词：冻结法,地铁,盾构

引言

我国冻结法现已成为成熟的凿井施工技术，但在城市岩土工程中的应用还不多。冻结技术可在地面城市地下工程中的应用围包括：盾构隧道盾构进墙、深层搅拌桩以及压密注浆对土体进行加固，在凿除洞门钢筋混凝土时发现洞门中心处东、西两侧有流砂涌入，迅速采用双液注浆堵水，过了两天又在有大量流砂涌入，对周围环境产生较大的影响，其中端头井东侧的沉降量增大，东部20 平方米区域下陷1.5 m 左右(图1)。在这种情况下施工单位及时出洞土体加固、盾构隧道地下或海底对接时土体加采取措施，以保证施工以及周围环境的安全。固、城市地铁泵房、旁通道和急转弯部分、建筑基根据管线及房屋调查结果显示，在府园车站坑加固、地下工程涌水、坍塌事故的抢险修复、地南端头井的东侧沿南路方向15 m 围有下隧道交叉处土体加固、桥墩基础施工等。地380 V 的电缆一根，直径约900 mm 的下水管一根，铁南北线一期工程TA7 标府园车站端头井洞门南侧沿建邺路方向15 m 围有380 V 的电缆一补充加固时中煤矿山工程采用冻结法

根，直径约1 200 mm 以及150 mm 的上水管一根。施工，取得了良好的施工效果。这些管线距加固区域距离均在8～15 m 围之。

2 工程概况

3 加固方案的比选

府园车站南端头井洞门区域采用地下连续墙。我国城市地下工程常采用旋喷、深层搅拌、注浆、地下连续墙及冻结法等加固方法。由于府园车站南端头井地质条件较为复杂，容易产生流沙，经过压密注浆检测加固效果不太明显，有些土质吃浆量低；旋喷对淤泥、粉土、砂土等软弱地基处理有良好的效果，但当地层存在动水时，旋喷桩养护时间需要延长，有潜在不能成桩的危险，且难于发现，若出现部分旋喷桩不能成桩，必须再次加固，这就增加加固的难度。

冻结法可在极其复杂的地质条件和水文条件下形成冻土壁，试验结果表明，在粉土及粉砂层中冻结，冻融土的压缩模量降低不大，即冻融沉陷不会太大[1~3] ，显然是一种安全可靠的方法。经过方案比选，府园盾构出洞采用了人工冻结技术。冻结法与其他加固方法相比，具有如下的特点[2]：

冻结法适用复杂的地质条件。几乎不受地基土的地质条件影响，可形成任意深度、任意形状的冻土墙，可成为某些工程唯一可用的辅助工法；隔水性能好。其隔水性能是其它施工方法无法相比的；冻土墙的连续性和均匀性得到保证。注浆法和深层搅拌桩只是对土体局部加固，加固围不易控制，加固体强度不均匀，而冻结技术可以把涉及的

土体全部冻成冻土，冻结加固体均匀，整体性好，可形成城市地下工程的帷幕；冻结壁具有足够的强度。当冻结壁的厚度和强度达到设计要求足以抵抗开挖时的水土压力时，即可在冻结壁的保护下开凿洞门；随着工程规模加大，经济上有一定竞争性。

据情况估算，冻土墙与其他加固方法经济比较见表1[3]，从表中，随着加固工程规模的加大，冻结法加固单位土体造价不断降低，当加固体体积＞5 000 m3 时，在经济上接近地下连续墙，当加固体体积＞20 000 m3 时，具有竞争性[3]。

4 冻结方案设计

4.1 冻土墙设计

采用在盾构出洞口周围土层中布置垂直冻结孔冻结的方法，在洞口外侧形成一道与工作井地连墙紧贴的冻土墙，其作用主要是抵抗洞口周围的水压力。由于冻结加固区外侧已有搅拌桩，可以承受土压力，所以，仅按封水要求设计冻土墙，冻土墙的厚度按搅拌桩加固区与地连墙之间的距离确定，有效厚度为0.5 m 。由于地连墙混凝土的导热性好，冻土墙与地连墙之间不易冻结，所以，要求冻结管靠近地连墙，并对盾构出洞口附近工作井表面进行保温。

冻结孔布置与冻土墙形成设计见图2。共布置冻结孔21 个，冻结孔深度18.5 m，开孔间距450 mm, 冻结孔与工作井地连墙之间的间距为250 mm，设测温孔2 个，深度18.5 m 。取冻结孔允许偏斜率5 ‰。冻土墙的扩展速度取26 mm/d。设计冻结15 d 后开始破盾构出洞口，

此时，冻土墙厚度达到0.64 m，宽度达到8.8 m，均能满足上述设计计算要求。设计最低盐水温度为-24 -28 ℃，并要求冻结7 d 盐水温度达到-22 ℃；冻土墙平均温度不高于-9 ℃。打开隧道出洞口时冻土墙与工作井地连墙交界面附近温度低于-3 ℃。冻结管外径为108 mm；冻结15 d 后开始打开盾构出洞口；拔除冻结管2 d。

4.2 施工工艺

冻结法的工艺过程为：在盾构出洞方向沿工作井地连墙外侧布置冻结孔，并在冻结孔中循环低温盐水，使冻结孔附近的含水地层结冰形成冻土墙，并在冻土墙的保护下打开盾构出洞口和推进盾构机。冻结法加固地层的主要施工工序为：施工准备→冻结孔施工，同时安装冻结制冷系统→安装冻结盐水系统和检测系统→冻结运转→探孔检验→打开盾构出洞口→停止冻结，拔冻结管→盾构推进。

5 施工过程中检测结果分析

5.1 冻结过程温度场分析

描述了冻结过程中不同深度处土体与温度的关系，从该关系曲线图可以看出，不同深度土体的温度变化很相似，在0 °以上,温度下降速率较快，接近线性分布，0 °以下，温度降低较为缓慢，这主要是因为该温度段土体中水分结冰，发生相变并且放出大量潜热;随着时间的增长,温度不断下降, 在土体中逐渐形成坚实的冻土壁,达到承载、堵水的效果。

5.2 冻结过程位移变化分析