浅谈城市地下工程冻结法施工技术

浅谈城市地下工程冻结法施工技术

城市地下工程冻结法施工是通过运用人工制冷的技术手段，将待施工区域周边的不稳定含水岩土层冻结，将其变成封闭的冻结墙壁，从而将地下水隔绝，提高岩土的稳定性和强度，有效避免地下水给地下工程施工带来的不利影响，从而保证地下工程施工的安全性，对于城市地下工程的建设有着重要意义。

一、城市地下工程冻结法施工技术概述

（一）冻结法施工技术的基本原理

在地下工程中，天然土体受其自身性质影响，在强度、稳定性以及隔水能力等方面都会或多或少的存在一定不足，冻结法施工技术能够在很大程度上对这些问题进行改善，其基本原理是通过在地下工程周边的土层上开挖钻孔，然后通过人工制冷技术，利用开挖的钻孔来对土层制冷，将土体中的自由水变为结晶水并与土体颗粒发生胶结，使其成为一个封闭的结构，把地下水隔绝在外的同时，提高土体的强度和稳定性，提高对周边岩土压力的抵抗能力，从而保证地下工程开挖施工的安全[1]。

冻结法施工技术是一个物理力学变化的过程，其冻土结构的形成可分为5个阶段，具体内容为：（1）冷却阶段：在冷冻开始阶段，土体温度由正常向冰点逐渐降低；（2）过冷阶段：土体的温度降低到0℃以下，自由水表现出过冷现象，但没有结冰；（3）突变阶段：在过冷后，自由水发生结晶而产生散热升温现象；（4）冻结阶段：土体的温度上升并稳定在0℃附近，水体开始结冰并与土壤颗粒胶结，最终形成冻土；（5）强化阶段：在制冷条件下，冻土持续冷却，其强度不断提高。

（二）冻结法施工技术的优缺点

1.冻结法施工技术的优点

首先，冻结法施工可以提高土体的抗渗透能力，有效将地下水隔绝在外，对于含水率过高、松散和稳定性差的地下土层施工有着重要作用；其次，污染性小，冻结法施工仅是通过降温来改变土体的强度，在此过程中并没有杂物进入土壤，也没有改变地层的成分，不会对周围环境形成污染，且施工过程噪音较小，在施工完成后冻土融化也不会给地下工程结构造成影响；第三，在地下工程的桩基础或者其他平行工艺施工过程当中，利用冻结施工技术，能够有效缩短施工周期。

2.冻结法施工技术的缺点

首先，相对于其他的旋喷、搅拌等地层加固方法，冻结法施工需要的施工机械较多，整体造价相对较高；其次，在冻结法施工过程中，地层受冻胀、融沉作用影响，可能发生地面隆起问题，给地下工程施工带来不良影响。

（三）冻结法施工技术的类型

1.水平冻结技术

水平冻结技术是指沿着地下工程施工的水平或近似水平方向开挖冻结孔，在冻结后形成多个水平或近似水平的冻结柱，交圈连接形成一个完整的冻结壁，其断面形式主要包括城门形和圆形。

水平冻结技术在城市地下工程中的应用主要是在公路或地铁隧洞的上下行线联络通道施工方面。联络通道的施工是在上下行线隧道完成后开始的，其形状具有不规则的特点，增加了加固帷幕的施工难度，而利用水平冻结施工技术，就可以形成一个与隧道外观相适应、整体均匀的不规则加固帷幕[2]。

2.竖向冻结技术

竖向冻结技术是指沿着地下工程施工的竖直或近似竖直方向开挖冻结孔，在冻结后形成多个竖直或近似竖直的冻结柱，交圈连接形成一个完整的冻结壁，主要包括城圆形墙、重力式挡土墙和锚拉式挡土墙等。

在城市地下工程中，竖向冻结技术主要被应用于公路或地铁隧道盾构进出洞施工、隧道底部泵站地层加固方面。由于盾构进出洞和底部泵站直接关系到隧道施工的后续环节与整个隧道的安全，所以对于加固帷幕的强度、抗渗性都有着较高要求，竖向冻结施工技术能够的实现这两点。

3.特殊工程冻结技术

在一些特殊地下工程中，其它土层加固方法并无法使用或者对于精度要求较高，此時就可以采取冻结法施工技术，比如穿越线段较长、施工风险性较高的隧道工程，除了要保证加固施工安全外，还要尽力避免施工给地层造成扰动，使用其它方面都会有较大的失败概率，施工过程较为困难，在此种条件下，就可以使用冻结法施工。

二、城市地下工程冻结法施工技术的实际应用

（一）冻结法施工技术的施工流程

1.开挖冻结孔

首先，在开挖冻结孔时，需要先使用仪器对开孔位进行精确，保证冻结孔间距误差在20mm以内，提高定位精准度；其次，对钻杆深度进行准确测量，严格控制冻结孔钻进深度；第三，在钻进过程中，需要严格按照相关要求进行灯光测斜，如果发生偏斜现象，则需要即可纠正，其措施有调整钻孔角度和钻进参数等，若是纠正后依然与设计不符，则需要补孔。

2.安装冻结管

首先，控制冻结管安装的质量，选用无缝钢管作为冻结管，利用丝扣进行连接，必要时还需要焊接，在端部采用盖板和底锥进行密封；其次，在安装完冻结管后，需要进行水压试漏试验，在固定水压下运行30分钟没有降压现象发生为合格，若是出现降压，则需要重新钻孔安装冻结管。

3.安装调试冻结系统

首先，在冻结试运转阶段，对盐水的流量、温度和冻土帷幕扩展等信息进行定时检测，以及时发现相关问题，对冻结系统运行参数进行合理调整，保证最佳冻结效率，在确认冻结系统运行正常合理后，转为积极冻结。

其次，在积极冻结阶段，对冻结系统运行过程的温度进行实时测量，以确定冻土帷幕的厚度是否达到设计要求，是否发生交圈等，在满足工程需求后再进行探孔试挖，确定冻土帷幕内流动水冻结后，最后进行地下工程的开挖[3]。

4.工程监测

冻结法施工技术贯穿于整个地下工程的施工过程中，需要对其进行持续监测，以保证地下工程施工安全，其监测对象主要有：（1）冻结孔：包括钻进深度、偏斜率以及冻结管的耐压度和长度等；（2）冻结帷幕：冻结壁温度、冻结壁与隧道胶结以及开挖后冻结壁温度等；（3）地下工程：地表沉降、隧道变形以及冻土压力等。

（二）冻结法施工技术的注意事项

在冻结法施工中，还容易发生地面冻胀和融沉等现象，给地下工程施工造成负面影响，所以，在施工中还要对此进行注意，采取相应的防治措施。

首先，在冻胀防治上，可以通过局部冻结法来降低冻土体积，减少冻土冻胀量，进而减小其对地面土层的影响；也可以通过设置热水循环孔，来防止冻土冻胀给周边地下管线和建筑物造成的不良影响。

其次，在融沉防治上，可以通过局部冻结来缩减冻土墙的范围，达到控制融沉量的效果；同时，也可以采取快速冻结法，缩短冻结所需的时间，避免冻结过程中发生的融沉现象。

结语：

冻结法施工技术是城市地下工程施工的重要技术之一，具有抗渗性高、污染性小和周期短等优点，对于保障城市地下工程施工安全有着重要意义。在城市地下工程建设当中，需要根据实际情况的不同，选择合理的冻结土施工技术，严格按照施工工艺流程规定进行施工，做好相应的保护措施，来有效提高城市地下工程施工水平。

参考文献：

[1]王忠伟.地下建筑工程冻结法等特殊开挖施工方法探讨[J].科技与企业，2012，07：255.