冷冻法

1 冷冻法施工工艺

冷冻法施工工艺最早出现在欧洲，在矿井施工中广泛使用，，适用于涌水、流沙淤泥等松散含水复杂地层条件的施工，其工艺就是利用冷冻机对冷冻液进行降温，并通过循环管路输送到需要冷冻的区域，并保持温度，使温度向外扩散产生冻结效果。近年来，广州、上海、南京、天津等城市轨道交通迅猛发展，在地铁区间联络通道施工中，冷冻法工艺被广泛运用。

其冷冻原理和电冰箱差不多，先用氟利昂降低盐水温度，冷盐水通过一根根打入土层的管道进入土层，不断循环，把土层中的热量带出来，土层慢慢降温，最后被冻得硬邦邦的，就跟一根冰棍一样，这时就可以凿洞开挖了。

按照测算，冻结时间一般需要45到50天，最后土层温度可降到零下28℃到零下30℃。

2冷冻法工艺实施联络通道流程

开孔钻进、埋设冻结管(20天)一冷冻系统安装一积极冻结(45天)一围护冻结、开挖构筑(25天)一停冻一注浆

3工程实例

上海明珠线二期某工程，覆土深度12．8m，区间上下行线中心距离12．204m，通道开挖区域处于②3—2层土和⑤2层土，含水率在33％～34％，空隙率0．95～0．98，采用W-YSLGF30011冷冻机组一套，最大总需冷量51 560kcal／h，冻结孔设计间距0．5～1．0m，孔数58个，另外设置8个测温孔，2个泄压孔，冷冻液采用氯化钙溶液，用电功率200kW，冻结线路循环长度695m，冻结孔布置图，见图1。

图1 冻结孔布置图

施工周期一般控制在90～100天，在这期间还要进行地表沉降观测，下面就说说这些工序的施工要点：

3．1 开孔钻进施工

开孔前在布孔范围内打若干小孔，探测地层稳定情况，若发现砂层，立即进行双液注浆，以提高孔口附近土体稳定性，然后进行开孔，采用双层特殊孔口管(见图2)。在冻结管跟进钻进中采用强力水平钻机钻杆角度严格按照施工组织设计图进行，确保冻结范围。

图2 孔口管示意图

3．2 冻结系统安装

选用W-YSLGF30011冷冻机组，在安装系统时尽量缩短冷冻管长度，使冻结能量尽量少损失。在系统安装完成后，先检查冻结管的密封情况，出现渗漏立即补救，检渗完成后，安装保温层，并在上下行线安装冻结板，此时可以进行冻结。

3．3 积极冻结

注意每天溶液温度变化和气温变化(见图3)，一般前7天温度下降明显由大气温度降至-20℃。在-20℃度左右会有一段时间温度会小幅波动，这时外侧土体已经开始冻结并慢慢扩散(这时对泄压孔进行观察会发现水压会上下波动，读数一般在0．1MPa左右，在开挖前达到0．3MPa，开挖前必须泄压)。这一阶段7～8天，以后温度每天下降0．5℃～1．5℃，到-30℃左右基本稳定，冻结到第45天后可以进行开挖前准备工作。

注：冻结开始第25天开始记录土体温度，第45天开始开挖

图3 温度变化曲线

3．4 开挖构筑

联络通道分上下两层，上层为通道，下层为集水井，开挖构筑流程：开挖通道一挂网喷射混凝土一防水层布设一通道钢筋混凝土浇筑一开挖集水井一挂网喷射混凝土一防水层布设一集水井钢筋混凝土浇筑。开挖通道时冷冻处于围护冻结状态，冷冻机正常运行，开挖集水井时冷冻机停止。

(1)开挖前对泄压孔水压力进行释放，对测温孔温度进行收集汇总，并开孔实测温度，数量不得少于4处(正面2处，背面2处)，两侧都要开孔实测。冻土平均温度在—10．6℃，通过测沮孔推测冻土帷幕厚度达到1．82m，可以开挖，但应准备紧急预案及抢险材料到位。

(2)拆除钢管片后，开挖断面中心有土体流出形成一0．5m*0．3m深度为0．8m的孔洞，开挖时对冻土进行回弹实验，冻土强度最大1．5MPa，实际测量冻土层至冻结管距离1．1m，推算冻土帷幕实际厚度2．2m(大于根据温度推算的1．82m)。开挖步距50cm，支撑30～50cm，注意及时支撑，并预留板后注浆管。

(3)挖通后挂网喷射混凝土必须要求表面平整、密实，为防水层施工做好基础。

(4)拱顶混凝土浇筑，通道顶混凝土浇筑采用模板逐步延伸连续浇筑，但要保证拱定部位混凝土密实性难度较大。

(5)上下层混凝土浇筑施工缝处理，必须预留水平环形水膨胀橡胶圈(腻子)或预埋注浆管。

3．5 停止冻结

一般在开挖集水井时由于许多冻结管在开挖范围内，因此需要停止冻结，由于冻土的蠕变性较好，冻土帏幕破坏前会出现较大蠕变过程，因此结合监测数据观察冻土变形能够判定冻土是否安全。

3．6 注浆

由于冷冻法施工土体受冻会膨胀，在融化中会沉降，注浆要及时，一般在拱顶部位放设三根注浆管(两头加中间)，两侧墙身各一根，集水井底板放置一根。注浆管分板后注浆及壁后注浆两种，板后注浆管要在冻土融化前进行，填充冻土到支撑模板的空隙，从而控制土体沉降，而壁后注浆管应在混凝土强度达到85％以上进行，填充拱顶混凝土与模板间的空隙。

4沉降观测

在冻结实施20天以后，地表会出现小幅度的隆起，而在停冻后15～20天开始会出现较为明显的沉降，地面沉降将持续很长时间，而在开挖过程中地表变化的量不是很大(以联络通道地面沉降观测中心点D3、D4数据为例图表说明)，见图4、5、6。

(注：第20天开始冻结)

图4 钻孔～开挖地表沉降

图5 开挖时地表沉降

图6 停冻后地表沉降

5结语

冷冻法施工工艺作为成熟工艺应用到地铁区间联络通道施工必须要注意以下几点：

(1)必须确保冻结时间，在开挖实施中，必须保证冷冻设备正常运转。

(2)施工监测点位布设及监测频率根据施工进程调整，并且随时反馈用以指导施工。

(3)在开挖前准备工作必须落实，应急措施到位(水泥、小型液氮及喷洒装置)。

(4)在开挖构筑施工中必须组织好人员、机械、材料从而确保施工流程能够顺利进行，混凝土浇筑中重视对施工缝的处理，提高混凝土自身的防水能力。

(5)在施工结束后，保证注浆质量，控制地面沉降。