冻结法施工在深基坑中的应用

冻结法施工在深基坑中的应用

摘要：冻结排桩法的基本思路是以含水地层冻结形成的冻结惟幕墙为基坑的封水结构，以排桩及内支撑系统为抵抗水土压力的受力结构，充分发挥各自的优势特点。在施工深、大基坑时，采用排桩作为结构支撑体系工艺成熟，冻结帷幕具有良好的封水性能，两种技术的结合不仅解决了基础维护结构的受力间题而且解决了封水间题，施工可操作性强。两种技术的结合既是优势互补，又是一种大胆的技术创新。

关键词：深基坑；冻结排桩；围护结构

1 引言

土层冻结技术源于天然冻结现象，是人工制冷使地层中的水结冰，将天然含水土层变成冻结，形成冻结帷幕，增加强度和稳定性并隔绝地下水，方便地下工程开挖掘砌。1862年英国威尔士的建筑基础施工中首次成功使用人工制冷加固土壤；1880年德国工程师F. H. Poetch提出人工冻结法原理，并于1883年在德国阿尔巴里煤矿中采用冻结法建造井筒，随后该方法被广泛应用到世界许多国家的地铁隧道、基坑边坡、矿井市政等工程中，成为岩土工程施工的重要方法之一。我国冻结法应用也有50多年历史，主要是用人工制冷技术暂时加固不稳定地层和隔绝地下水，目前也用于一些深基坑工程和地铁隧道工程。

目前，国内外冻结围护技术在基坑支护工程中的应用大致可分为以下5种方式。

(1)冻结围护技术作为服务于其他主工法的措施性工程的应用：冻结法具有封水性能好、适应性强、与混凝土壁等有极好的粘结性。冻结法优良的防水性能使得它既可以作为主工法应用也可以作为其他工法的辅助工法的应用。

(2)冻结围护技术同其他工法的配合应用方式：冻结技术可以和旋喷法、注浆法、排桩法、地下连续墙技术等结合应用，使各种工法的优势互补，扬长避短。

(3)冻结围护技术作为预防已有建筑地基变形的预防性工程的应用：主要是在地层中形成密封的冻结壁，使土层的局部区域得到预加固，土层强度和刚度得以提高，可大大减少基坑开挖过程中已有建筑物地基基础的变形。

(4)冻结壁作为基坑工程的主要围护和承载结构的应用方式：其特点是所设计的冻结壁作为主要的承载结构物，要求在整个施工期都必须满足强度和变形的要求，在实际工程中多采用逆作法。

(5)冻结围护技术也可以作为事故处理方法的应用，尤其是在防水方面具有独特的优势。

2 深基坑冻结排桩技术

在现代深基坑工程中，围护结构体系的成败关系整个工程的命脉。冻结排桩围护结构体系是一种全新的深基坑维护结构技术，其设计思想是：排桩加内支撑作为受力围护结构，同时人工冻结排

桩外侧四周土层形成冻结壁用于止水。其工法特点是：充分利用人工冻结壁良好的封水性能、钻孔灌注桩易于嵌岩施工、内支撑结构受力体系明确易控制等优点，排桩的外荷载为水土压力和冻胀力，整体围护结构体系清晰明了、封水性能好、易于施工和保证质量。充分发挥两种技术优势，是排桩内撑围护结构与冻结工法的有机结合，也是岩土工程领域的一项技术创新。

2.1 冻结排桩技术施工工序

排桩冻结工法的原理是利用排桩支护结构挡土，人工冻结帷幕挡水形成临时支护结构保护基坑开挖。即在基坑开挖之前，根据基坑开挖深度利用钻孔灌注桩技术超前施工一排灌注桩，并用现浇钢筋混凝土梁把排桩顶端固定在一起使排桩形成支撑结构体系，同时在排桩外侧施工一排冻结孔，利用人工冻结技术形成冻结围护结构帷幕封堵基坑侧面来水。为了预防冻结帷幕底部不因坑底绕流水冲刷而破坏，可视地层情况采取局部注浆、延伸冻结帷幕深度等保护措施。冻结帷幕形成后，可在排桩支撑结构和冻结帷幕的保护下进行基坑开挖。

为了保护冻结墙体，增加封水深度减少基底涌水量和压力，通过冻结孔外侧设置的多个注浆孔在一定标高范围内形成注浆帷幕。同时考虑到冻结过程中冻结体积膨胀会产生一定的冻胀力，为降低冻胀力对排桩结构的影响，在冻结孔外侧距其中心一定位置处插花布设多个卸压孔。其施工工序见图1。

2.2 冻结排桩技术的特点深基坑冻结排桩技术是排桩内支撑围护结构与冻结工法的有机结合，其特点为：

(1)排桩作为结构支撑体系，冻结帷幕作为封水结构，分工明确。

(2)冻结帷幕封水严密可靠，确保基坑干挖施工。

(3)排桩加内支撑结构施工简单，结构受力清楚，实施过程中质量容易控制。

(4)冻结围护结构厚度与强度可以控制，可以形成任意的连续冻结围护结构，具有灵活性。

(5)比其他地层加固方法可靠，对地层的污染小。

2.3 冻结围护结构的变形分析冻结围护结构的两种变形方式：

(1)冻结围护结构的竖直方向变形特点冻结围护结构竖向位移场主要呈斜直线，下部位移小，上部位移大，因此抗倾覆稳定性是冻结围护结构设计的主要依据，当坑底以卜土层为软粘土时，冻结深度应深入坑底0.5~1h以下。冻结围护结构具有一定的刚性，其变形主要受控于倾覆力矩。图2的实测曲线反映了竖直方向上的变形特点。

(2) 冻结围护结构的水平方向变形特点冻结围护结构跨中部位的位移最大，在拐角处位移基本为零，向两侧逐渐减小。冻结围护结构水平位移场曲线从上向下逐渐平缓，整个墙体的变形呈曲面形状，最大位移发生在墙跨中的上端。图3表示冻结围护结构上端表面水平位移变形的曲线。

2.4 冻结排桩技术的施工要点

在深基坑冻结排桩施工中需要注意的要点：

(1)在冻结过程中土的体积膨胀将对排桩产生较大的水平冻胀压力，对周边的建筑物也有一定的影响。

(2)排桩靠基坑内侧在基坑开挖过程中与空气接触后，温度将急剧上升；而另外一侧与冻结围护结构体接触温度非常低，排桩因两侧巨大温差将产生的温度应力。

(3)冻结围护结构体达到设计厚度后，如何对其进行有效控制从而避免产生更大的冻胀力。

(4) 基坑开挖暴露后，冻结围护结构在夏季易融化，需要较大功率电源供电，并需采取保温措施。

(5)岩土力学基本理论的不成熟，设计计算所采用的数学力学模型岩土体的实际应力—应变状态常存在着较大的差距，必须加强工程监测，通过信息化施工及时发现间题，保证工程安全。

3 深基坑冻结排桩工程实例

润扬长江大桥于2000年10月20日开工建设，跨江连岛，北起扬州，南接镇江，全长35.66公里，主线采用双向6车道高速公路标准，设计时速100公里，工程总投资约53亿元，工期5年，2005年10月1日前建成通车。润扬大桥连接京沪、宁沪、宁杭三条高速公路，并使这三条高速公路和312国道、同三国道主干线、上海至成都国道主干线互连互通，成为长三角地区又一重要的路网枢纽。

鉴于地质水文条件复杂，该项工程经过专家组对众多投标方案如沉井、地下连续墙、冻结、地下连续墙加冻结、排桩加冻结等方案的反复论证，最终确定采用排桩冻结基坑围护方案进行基坑施工。排桩冻结法施工方案基本思路是以人工制冷冻结含水地层，形成冻结帷幕墙体作为基坑的封水防渗结构，以排桩及内支撑系统抵抗水土压力。冻结排桩法是一种全新的基坑施工工法，应用于桥梁基础工程，在国内属于首次，尚未检索到国外使用该工法进行敞开式、大面积、深基坑施工的实例。

润扬长江公路大桥南锚旋基础工程的基坑平面为矩形，尺寸为70.5mc×52.5m×29m，采用冻结排桩围护结构，冻结帷幕封水，排桩内支撑结构挡土受力，解决基坑围护的挡土止水间题。围护结构采用直径为1.50m钻孔灌注桩排桩，桩长35m，横桥向间距为1.70m，纵桥向为1.725m，嵌入基岩约6m。排桩外侧布设冻结孔、注浆孔和卸压孔。

冻结孔形成等效厚度为1.3m的冻结帷幕，平均温度为零下7摄氏度，距离排桩中心1.4m，冻结管长40m。注浆孔布置在冻结孔外侧，距离冻结孔中心0.6m。卸压孔直径为0.25 m，深度为25 m距冻结孔中心为1.30 m，每个冻结孔对应布置两个卸压孔，横向间距为0.85 m，纵向间距为0.86 m，布置在注浆孔外侧，降低冻结帷幕产生的冻胀力。