人工冻结法在岩土工程中的应用

中国矿业大学力学与建筑工程学院

2012~2013学年度第一学期

《岩土工程冻结法》课程报告

学号10094680

班级土木09-8班

姓名何鹏鹏

力学与建筑工程学院教学管理办公室

人工冻结法在岩土工程中的应用

（中国矿业大学力学与建筑工程学院地下09-2班何鹏鹏）

摘要：目前在进行矿井建设工程、城市地下空间开发以及城市市政工程中遇到许多传统岩土工程方法难以解决的问题。而人工冻土墙围护结构以其对周围结构形状适应性强，隔水性能极好，对地层污染小等优点在岩土工程中得到广泛的应用。尤其是在矿井建设中和城市地下工程施工的过程中得到有效的应用，矿井的冻结封水和城市地下工程的人工冻结应用已经非常普遍。

关键词：人工冻结法；矿井建设；地下工程

1 概述

根据国内外冻结法应用的现状，人工冻结法的应用领域及范围主要在以下几个方面：（1）煤矿井筒施工的冻结封水及临时支护；（2）市政工程地下结构施工封水及临时支护；（3）地铁车站及街区明挖施工的冻结临时支护和封水；（4）地下水泵站施工的冻结临时支护和封水；（5）水平隧道的冻结支护和封水；（6）其他各类地下建筑基坑的冻结加固；(7)交通建筑中水下基坑及桥梁基础施工的冻结支护[ 1 ]。

人工冻结技术是指采用人工制冷方法将低温冷媒剂送入具有一定含水量和地下水流速的软弱地层中，通过热交换冻结土层，从而形成强度高、弹模大和抗渗性好的冻结壁，封闭冻土壁则可以起到支护、隔水的作用，可以在冻土壁的维护下进行地下空间施工。冻结地层具有复原性，施工结束土层恢复原状，对土层破坏小，不会影响日后建筑物管线的埋设[ 2 ]。

2 人工冻结法在矿井建设中的应用

我国煤矿于1955年在开滦林西风井首次使用冻结法凿井，井筒净直径5m，冻结深度105m。此后，冻结法凿井技术逐渐推广到东北、华北、华东、中南地区。截止到2006年，我国采用冻结法已经成功凿井500余个，总延米达80km[ 1 ]。2004- 2005年间，仅山东省在超过400m的深厚表土层中采用冻结法凿井达到17个，其中6个井筒顺利通过450m的深厚表土层。

虽然人工冻结法在井筒掘进的过程中发挥很大的作用，而且技术已经非常成熟，但是在井筒施工过程中一般存在以下问题：（1）冻结管断裂问题；（2）掘进段高的确定[ 3 ]；（3）冻结井壁破裂问题；（4）冻结壁变形问题；（5）风动机具的冻结堵塞问题；(6) 工作面底鼓问题等。

现在，深厚冲积层冻结凿井技术一直是我国建井行业的重要研究课题。在许多冲积层厚度超过400m的井筒冻结工程中，采用冻结壁厚度与冲积层厚度基本成正比的经验方法计算冻结壁厚度，实践证明是可行的[ 4 ]。采用多圈孔冻结方

式，满足了形成大厚度、高承载力冻结壁的需要，从而大大拓展了冻结法在深厚冲积层井筒施工中的应用范围。

而且由于现在矿井开挖深度越来越大，冻结深度超过600米的超深岩土冻结越来越具有挑战性。目前国内外对中浅井的冻结设计，几乎都采用厚壁圆筒第三、第四强度理论得出的拉麦或多姆克公式，而对深井的冻结则没有具体公式可以依据。随着开挖表土层厚度地增大，冻结深度增加，地压加大，造成冻结管断裂、井壁开裂漏水等事故频频发生[ 5 ]。实践证明，传统的浅表土冻结技术理论，已不适用深厚表土冻结壁设计的需要。因此，必须加快开展对深厚表土地层冻结法凿井关键理论和技术的深入研究，为工程施工提供正确指导。

3 人工冻结法在城市地下工程中的应用

由于人工冻结法具有的优点，使得其在各种含水松软地层的隧道、地铁和地铁车站、排水泵房、地铁主干道间的联系通道的施工中具有广阔的应用前景。从我国1955年首次使用人工冻结法凿井成功，到目前为止人工地层冻结法在我国已有了50余年的实践。这50年中它在人工冻结凿井中得到了广泛应用，在城市地下建筑以及隧道、土体加固等工程中的应用逐步增多[ 6 ]。人工冻结法因其基本不受支护范围深度的限制，并能有效地防止地下水等优势而受到越来越多的重视。

3.1 水平冻结技术

水平冻结技术是指施工水平向(近似水平向)冻结孔，最终的冻结壁由多个水平冻结柱(近似斜柱)交圈连接而成的一种冻结技术[ 7 ]。

目前在城市地下工程中水平向冻结技术主要用于地铁(公路)隧道上下行线之间联络通道的施工中。联络通道是在上下行线两条隧道施工即将完成时或已经完成后建造的，加固土体与两条隧道必须连成一个与外界周围地层隔绝的整体，因此其形状是不规则的，这为加固帷幕的施工带来了一定的难度。而冻结法可以形成均匀、又能适应周围隧道的外观形状并与其紧密联结成一个整体的不规则加固帷幕，因此这是其它加固方法所不可替代的。

使用水平冻结技术的，上海地区的工程案例有很多。比如大连路过江隧道近25m长的联络通道[ 6 ]、复兴东路双层越江隧道上部和下部各两个联络通道，以及M8线双圆盾构黄兴绿地翔殷路区间旁边泵房工程等。上海已建和在建的地铁线路中,区间隧道联络通道及泵站90%以上工程均采用人工冻结技术施工，大部分联络通道埋深都在-13— -20m，所在土层为灰色淤泥质粘土、灰色粘土、灰色矿质粉土、灰色粉质粘土。

3.2 竖向冻结技术

竖向冻结技术是指施工竖向(近似斜向)冻结孔，最终的冻结壁由多个垂直冻结柱(近似斜柱)交圈连接而成的一种冻结技术[ 8 ]。

目前在城市地下工程中竖向冻结技术主要用于地铁(公路)隧道盾构施工中盾构进出洞以及隧道施工完成后隧道底部泵站周围地层的加固。盾构进洞关系到盾构基坑的安全以及盾构后序施工的顺利进行；盾构出洞关系到已建隧道的安全;

而隧道底部建立泵站更是隧道最终成败与否的关键所在。冻结壁的高强度和高抗渗性正是竖向冻结技术最为突出2个优点，目前在上海软土地区已经有许多成功案例：大连路过江隧道盾构进出洞、明珠线一期浦东大道站盾构进出洞、复兴东路双层越江隧道盾构进出洞、翔殷路越江隧道盾构进出洞以及M8线曲阳路站盾构进出洞等。

垂直冻结法一般在地面情况比较理想的情况下使用，拔管较为容易，对盾构掘进不会产生大的影响。水平冻结法一般在地面情况较差或者地面无法放置冻结器材的时候使用[ 9 ]。另外在用拱形顶棚加固的时候，为了加固盾构底部的地基，也可以采用水平冻结法。水平冻结在盾构出洞时使用，风险较大。当盾构向洞门推进时，盾构前方的冻结管必须与盾构行进同步逐渐拔出，但由于工作竖井空间有限，拔管工作将十分困难。由于井壁圆弧状、空间狭小，水平孔钻孔较为困难，无法保证靠近两侧的冻结管与隧道平行。

3.3 应用中存在的问题

（1）冻结孔布置问题。目前对于冻结孔布置的依据主要是单孔冻结柱直径，对于平行布孔模式误差不大，对于发散型模式所带来的差异却是不可忽视的。

（2）施工前期冻结引起的冻胀现象。冻胀会对附近地下已建结构产生冻胀力作用，轻则使结构产生变形，重则会导致结构破坏，此外还可能引起地面隆起，虽然目前可以通过施工卸压孔来减小冻胀力，但是这种方法纯属经验，且不十分有效[ 10 ]。

（3）施工完成后冻土融化会产生融沉现象。如果冻土体积过大会引起地面沉降，最严重的是地面沉降可能导致地面建筑结构的开裂、地下各种相关管线变形、开裂等现象，这是绝对不允许的，目前通常采用后期跟踪注浆来控制融沉，但是与控制地面隆起相似，控制融沉方案也基本上以经验为主。

4 结语

本文首先对冻结法的产生、发展和目前研究进展情况进行了叙述，然后对目前人工冻结法在矿井建设和城市地下工程中的应用情况。对于在城市地下工程中的应用，从水平冻结技术、竖向冻结技术等几方面展开了讨论，最后讨论了虽然目前冻结技术已经在各大城市地下工程建设中得到了广泛的应用。[ 11 ]但是冻结法施工中仍然存在很多亟待解决的问题，而且诸多方面的研究还远远落后于工程实践，需要继续进行大量深入的研究，而且在施工方面也要加强信息化的科学管理。

完善和发展人工冻结理论和技术，不仅具有重要的社会效益，而且具有良好的经济前景。近年来，地铁建设项目越来越多，在地铁施工过程中联络通道施工以及盾构进出洞，深基坑开挖等中都越来越重视人工冻结法的使用，而且随着煤矿立井建设, 井筒需穿过的表层厚度急剧增大。随着厚度和冻结深度的加大,冻结法的应用也越来越受到重视。