冻结法加固在盾构隧道施工中应用

冻结法加固应用于盾构隧道施工浙江大成建设集团有限公司章履远由于搅拌桩、注浆、高压旋喷等土体加固方法存在土体加固不均，可能存在局部薄弱带而不能封堵具有压力的地下水。

而采用冻结土形成的冻结帷幕，其冻土墙均匀性好、强度高（大于3MPa）。

尤其是冻结体与井壁能做到无缝对接，可保证滴水不漏。

因此，大直径的泥水平衡盾构大多采用冻结法加固技术。

大直径泥水平衡盾构使用最多的是日本，其进出洞土体加固大多采用冻结法。

1995年，上海延安东路南线隧道，11.22m泥水盾构，当时始发井采用水泥土搅拌桩加固，盾构出洞始发，因覆土浅产生冒浆而不能建立泥水平衡，影响了3个月工期后，最后改用冻洁法加固土体取得成功（国内第一次）。

从2001年以来，上海的泥水平衡越江隧道，如大连路隧道、复兴东路隧道、翔殷路隧道、上中路隧道等都采用了冻结法加固取得成功。

因此，掌握冻结法施工技术对隧道工作者来说，也是必不可少的工作。

然而，冻结法施工最大缺点是施工成本高，冻融隆沉大，应该懂得采取相应技术措施。

下面就来谈一谈冻结法的施工和用冻结法施工的成功案例。

一、冻结法施工技术1、概况：冻结法是利用人工制冷技术使地层中的水冻结，把天然岩土变成冻土，从而增加岩土的强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁保护下进行隧道、竖井、地下联络通道和其他地下工程的开挖与施工的一种特殊施工技术。

其实质是人工制冷技术临时性改变岩土的状态以固结地层。

冻结法施工技术在矿井建设、地基基础工程、水利工程、河底隧道、地下铁道和其他地下工程中，当遇到不稳定地层或含水量丰富地层、裂隙岩层等，只要是地下水含盐量不大，且流速慢（6m/d）都可以采用冻结法固结地层，完成地下工程施工。

英国人和德国人早在1862年、1883年利用冻结技术完成建筑基础、煤矿深井施工。

1886年、1906年瑞典和法国用冻结法施工人行隧道，穿越河底地铁工程。

前苏联、日本也在20世纪70年代用冻结法施工地铁隧道，排水管等。

据不完全统计已有数百项工程用冻结法来完成工程施工。

我国从1955年～1999年在煤炭系统，利用冻结技术，建设煤矿竖井近500个，总长达70Km，最大冻结深度达435m。

随着冻结技术不断发展，水平冻结、斜井冻结也取得成功。

近年来，随着地下工程日益增多，特别是地下铁道建设兴起，冻结技术开始应用于城市地铁工程的隧道施工。

北京、上海、广州已分别采用了垂直冻结、水平冻结技术完成了多项地下工程。

岩土冻结常采用方法叫间接冻结法—低温盐水法。

其原理是以氨、氟利昂等制冷工质，经过压缩机对工质压缩成高温液态，经冷却后到蒸发器膨胀汽化，在交换器中吸收盐水中热量，负温盐水作为传递冷量的媒介。

把冷量传递给需要冻结的岩土层，达到冻结局部岩土目的。

这种冻结方法由三大循环系统构成。

①氟利昂（或氨）循环系统②盐水循环系统③冷却水循环系统从而获得－20ｏC～－35ｏC左右的低温盐水，用以冻结岩土。

还有一种方法为直接冻结法—液氮法。

液氮在1个大气压下的蒸发温度为－196ｏC。

当要冻结的土体不大，或抢险堵水的紧急情况下，可用液氮冻结技术，达到快速便利的优点。

且液氮冻结设备简单，只要液氮槽车输送液氮到液氮储罐内，再通过液氮输送管输送到冻结器（冻结管），再把汽化氮气排出，即达到冻结目的。

该法施工简单，唯施工成本高于盐水法。

（图1）2、盐水法冻结的原理和工艺：·自由水冻结过程：岩土中的自由水的冻结过程可划分为5个时间段（图2）①冷却段：开始向土层供冷，土体温度逐渐降到冰点；②过冷段：土体温度达到0ｏC以下，但土中自由水尚未结冰，呈现出过冷现象；③突变段：水过冷后，一旦结晶就立即放出结冰潜热，出现升温现象；④冻结段：温度上升到接近0ｏC时稳定下来，自由水开始结冰过程，将土体颗粒胶结成整体，形成冻土；⑤继续冷却段：随着温度降低，冻土的强度逐渐增大。

·冻结加固岩土的特点：①强度高：冻结后地层的抗压强度明显提高，可达到2～10Mpa。

各种土层其强度是不一样的；冻土瞬时极限抗压强度参考值（MPa）一般而言，土体中含水量越高，其冻土强度越高②封水效果好：可保证不漏、不渗，在无水条件下工作；③适应性强：适用于一切含水、尤其是含水量大的地层。

无论是砂土、粘土、软粘土，以及其他方法无法施工地层；④支护性能好：冻结体为一完整的支护体；⑤安全性好：由于冻结体为一个整体，在冻结体的遮护下，可保证隧道掘进的安全施工；⑥灵活性好：可人为冻结任意需要的形状，可绕过障碍物进行冻结；⑦环境保护好：因为冻结是一个临时措施，先将水结成冰，工程完成后又恢复到原来状态，对环境不造成污染。

·冻结工艺：①冻结施工的三个阶段：a、积极冻结阶段—在施工地层中开始冷冻，并将地层中的冻结壁扩展到设计厚度的工作阶段；b、维护冻结阶段—维护施工需要的冻结壁厚度，以满足地下结构施工的正常操作；c、解冻阶段—地下结构施工完成，停止制冷，地温恢复原状阶段。

②冻结施工的四大工序：a、冻结站安装：冻结站的位置必须满足供冷、供电、供水、排水都比较方便的地方，还要兼顾到井口、洞口施工时材料，施工器材进出方便。

一般而言，冻结站设在距井口30～50m距离为好。

冻结站安装工序见图3。

b、钻孔施工：即冻结孔的钻孔和观察孔的钻孔。

冻结孔是用来安装冻结管的。

冻结管的作用是：管体置于地层钻孔内，用来输送低温盐水与地层直接进行热交换，使冻结管周围的土体温度降低，自由水冻结，形成有足够强度的冻结壁。

冻结孔采用钻机完成。

过去，钻孔完成后需撤出钻杆，换装冻结管。

现在，采用特别的专利技术可以做到不必取出钻杆，钻杆直接用作冻结管。

冻结管一般选用直径Φ127mm～Φ139mm，壁厚5～10mm的钢管，目前常采用Φ127mm×7.5mm 的无缝钢管，也可以根据地下工程实际情况减小冻结管的直径。

冻结管的构造可见图4所示：冻结孔大多分布在冻结壁的设计中心线上，用来安装冻结管，其孔径、间距和设计倾角依地层的土质、水文条件、工程要求而定。

钻孔容易发生偏斜，特别是水平钻孔和斜向钻孔，发生偏斜，对冻结效果影响很大，对地下工程的施工也有一定的影响。

为保证施工质量，避免对相邻建筑物造成损害和减少地面沉降，对孔的允许偏斜率要求较高，钻孔的偏斜率一般小于5‰。

除了冻结孔之外，还要安设计要求钻观察孔，用于安装温度传感器、土压传感器、土层位移传感器和孔隙水压力传感器等。

c、地层冻结：一挨地层开始冻结，就要求以最快速度达到设计所要求的冻结厚度，称为积极冻结期。

在此期间应保证冻结站正常工作。

最好选在冬季，以求提高冻结站的制冷效率。

当然要勤观察冻结温度，注意盐水循环是否正常。

冻结壁的厚度既要满足强度要求，又要满足变形条件要求。

通常由计算确定。

根据已有的工程经验，在城市浅土层下施工时，冻结壁厚度主要受埋深和地面荷载状况的影响，常在1.2m～2.0m之间选用。

冻结前，同一深度的地层具有相同的原始温度。

冻结开始以后，在冻结管周围产生降温区，形成以冻结管为中心的冻结圆柱，并逐渐扩大直至与相邻的冻结圆柱连接成封闭的冻结壁。

冻结壁的交圈时间主要与冻结孔的间距、盐水温度、土层性质、冻结管直径、地层原始温度等因素有关。

根据试验资料看出：交圈时间随着冻结孔间距的增大而延长，随着地层土体颗粒的直径的增大和冻结管直径的加大而缩短。

下表可作为参考：冻结壁交圈时间参考表冻结壁交圈以后，相邻冻结圆柱体的相交界面的温度会在冻结的过程中继续降低，该部分的冻结壁厚度会逐渐增大。

冻结管中心温度最低，逐渐向冻结壁边缘升高，见图5所示。

d、地下工程掘进施工：积极冻结阶段完成后应立即进入地下工程的掘进施工。

掘进施工应注意各工序的合理衔接，以最快的速度完成地下结构的施工。

因为无论是积极冻结还是维护冻结，每天的电能消耗是可观的。

经过积极冻结、维护冻结两个阶段，完成地下结构物的施工以后，冻结站可以停止工作。

冷量的供应停止后，地层温度会自然升高，冻结壁会自然解冻。

根据试验资料，砂性土体由停冻到冻结壁开始解冻的时间约为80～90天，而粘性土层从停冻到冻结壁开始解冻的时间为90～110天。

3、冻结法施工的设备：·制冷设备：①制冷压缩机：我国冻结法施工所使用的制冷压缩机主要有活塞式和螺杆式两种。

以氨为制冷工质的制冷机常采用活塞式压缩机。

活塞式压缩机按制冷能力可分为：小型机：功率小于60KW；中型机：功率介于60KW至600KW之间；大型机：功率大于600KW。

活塞式压缩机按其气缸中心线的位置又可以分为卧式机、立式机、V型机和扇型机等。

②冷凝器和蒸发器：冷凝器和蒸发器是完成制冷循环所必须的辅助设备。

它们的换热效率直接影响冻结站的技术经济指标。

蒸发器由置于盐水箱中的多组金属管组成。

在制冷循环中，压缩后的液态工质（液态氟利昂或液态氨）在蒸发器中蒸发，变为饱和蒸气，同时吸收周围管路中盐水热量，形成低温盐水。

冷凝器是一个装有多组冷却水管的密闭筒体，高约2m～3m，直径1m～2m。

冷凝水从筒体内的冷却管通过，使筒内的过热氟利昂或氨的蒸气冷却而形成气态和液态混合物。

③盐水循环设备：盐水循环系统的作用是将通过蒸发器得到冷量的低温盐水输送到需要冻结的地层中的冻结器，并将吸收了地层热量的升温盐水通过管路回到蒸发器，以完成利用盐水作介质的热交换循环。

盐水循环系统主要设备有盐水泵、盐水干管、配液及集液环、冻结器等。

在一般保温情况下，冷量损失约占冻结站总制冷量的20％～25％，所以为降低能量消耗、盐水循环系统应有良好的保温措施。

配液器和集液环设在冻结工作面附近，使去、回盐水管路阻力相等，配液均匀。

冻结器由冻结管、供液管、回液管组成，冻结管常用直径127mm或139mm的无缝钢管制成。

而供液管可采用直径50mm～60mm塑料管或橡胶管。

（图4）移动式制冷机组：随着城市地下工程中采用冻结法施工越来越多，在每个工作现场建立冻结站相当繁锁。

为方便工程使用，近来，已研制了可移动制冷机组。

将制冷机、冷凝器、蒸发器、盐水泵、电控柜等配置在一个底盘上。

只要用平板车拖到现场，只需在现场增设盐水箱，安装盐水循环泵，接上电源、冷却水源后即可投入运行。

大大方便了现场施工。

4、冻结法施工的监测：冻结法施工是包含多工种的复杂施工过程，地层温度场控制、制冷量控制、现场水文地质条件的不确定性、以及暗挖工程自身所包含的信息化施工因素等，都使量测监控工作成为冻结法施工中不可缺少的重要环节。

冻结法施工过程中，有以下几方面量测监控工作：①钻孔质量检测：钻孔的平面位置或垂直距离（斜向或水平钻孔）及钻孔的垂直度或水平夹角（斜向或水平钻孔）。

用激光定位法确定孔位，用陀螺议检测孔的倾角。

这一工作相当重要，要随时纠偏；②冻结设备工作情况监测：冻结设备在冻结施工期间必须安全正常运行。