垂直冷冻施工技术

3-2-8垂直冷冻施工技术

1刖言

1.1冻结法概述

1.1.1冻结法

冻结法是利用人工制冷技术，在地下开挖体周围需加固的含水软弱地层中钻孔铺管，安装冷冻器，然后利用制冷压缩机提供冷气，通过低温盐水在冻结器中循环，带走地层热量，使地层中的水结冰，将天然岩土变成冻土，形成完整、密闭、高强度的临时加固体，从而达到加固地层、隔绝地下水与地下工程联系的目的。然后，在冻结体的保护下进行地下工程的开挖施工，待衬砌支护完成后，冻结地层逐步解冻，最终恢复到原始状态。

1.1.2地层冻结技术的特点

同其它土体加固方法相比，冻结法具有以下优点：

1、冻结加固使土体中的大部分水分结冰，提高了土的强度，而且强度均匀。

2、整体支护性能好，冻结帷幕形成后，冻结帷幕不会存在任何缝隙，是一个完整的支护体；封水效果好，可保证开挖工作面在无水条件下作业。

3、能适应不同的地质条件，冻结深度不受限制，而注浆、地下连续墙等方法对地质条件的适应能力差，而且其加固深度有一定的限制。

4、适应各种结构形状地下工程的施工。冻结加固体的形状、大小，可以根据需要灵活设计。

5、环保型工法。由于冻结法是一种临时措施，所冻地层最终要恢复到原始状况，因而能够保护城市地层地质结构和地下水不受污染。

6、施工方便，简单，经济上合理。国外的工程实例表明，冻结工程成本与其它施工（如注浆和旋喷）处于相同的数量级，而且随着加固深度的加大，冻结工法的经济性越来越来明显。

基于以上优点，冻结法在城市地下工程越来越受到重视，已经被广泛应用于地基基础工程、城市地铁、隧道工程、水利工程等市政工程中。

1.2冻结法的适用条件

根据相关资料及《建井工程手册》规定，冻结法主要适用于含水量超过10%地下水速度不大

于10m/d的软弱围岩隧道预加固工程中，遇有流砂、淤泥、卵石、砂砾等含水不稳定冲击层或裂隙中含水的岩层时都可采用。

目前冻结法在城市隧道工程中主要应用于：

1. 盾构法隧道施工中，盾构进出洞土体加固。盾构进出洞时，承受着工作井附近土体产生的巨大地压和水压，可能导致涌水和土体坍塌。目前常用旋喷技术和注浆法加固土体，效果不够理想，常遇到注浆不均匀和盾构刀盘切削浆液结石体等困难，而冻结技术能有效地解决这些问题。

2. 盾构法隧道施工中，地下或海底对接时土体加固。近年来，世界上许多国家的盾构隧道采用对头掘进，以缩短工期，除采用立井对接方式外，还采用不开凿立井而在地下或海底直接对接。

3. 城市地铁泵房、旁通道和急转弯部分根据地铁设计要求，间距1km左右需在并排隧道间设立

泵站。地下工程经常遇到旁通道和急转弯部分，因其施工距离短、形状不规整，采用盾构施工困难，且经济上不合理，各国常采用冻结法对周围土层加固，然后用矿山法掘进。

4. 建筑基坑加固。基坑冻结加固具有加固体均匀，强度高，阻水性好，加固深度大等优点，因而，采用冻结技术加固基坑越来越受到重视。

5. 地下工程涌水、坍塌事故的抢险修复。

6. 地下隧道交叉处施工。

1.3冻结法的发展历史

人工地层冻结技术起源于天然冻结现象，在土木工程中的应用是随19世纪制冷机械设备的发

展开始的。

冻结法的第一次应用是1862年在南威尔士（South Wales）的一个矿山竖井施工中，使用人工地层冻结技术加固基坑。该竖井穿越了含水地层，采用由SiebeGorman有限公司提供的乙醚制冷设备

冷却盐水，盐水在埋设于地层中的冻结管路系统里循环。早期冻结法主要应用于采矿行业。1880年，德国的F.H.Poetch 首先提出冻结法原理，并应用于煤矿开凿立井，1883年，F.H.Poetell 在

Schn eidli ngen 开发煤矿，采用冻结法施工深103m的立井，并以此获得德国人工地层冻结法凿井专

利。此后，该技术广泛应用于各国地下工程建设中。1885年在比利时，1888年，在美国Michigan ,

1892年在法国，1896年在奥地利，1900年在荷兰相继应用了冻结法。在这些工程中，开始仅冻结岩石顶部以上的表层饱和含水层，以使竖井达到下部的矿床。

冻结法初期应用得最多的领域是矿山工程，随着技术的成熟，逐步引入至城市隧道工程中。1886

年瑞典一个长24m的人行隧道采用冻结法施工。1906年法国把冻结法应用于横穿河底地铁工程中。

前苏联在70年代前，采用冻结法构筑了70个地铁斜井隧道。同矿山垂直孔冻结法相比，水平冻结

或斜孔冻结的难度更大。瑞士苏黎士Milachounek公路隧道一段断面达146n i，宽度达15m,用每冻

结段长度达35m共10段构筑了总长度达350m的隧道。80年代中期维也纳一段双轨地下隧道，水平冻结长度64m,采用相向钻35m水平冻结孔的方法安全建成。德国杜塞尔道夫一个115m的隧道单向

钻冻结孔的方法进行了水平冻结。日本1962年首次在大阪市应用冻结法安全建成一个过河隧道，至今大约有340多项冻结工程，主要用于隧道、地铁、污水道工程等困难和特殊条件下的各类工程，其中最大的一项工程是80年代建设的东京地铁10号线和11号线冻结工程，在日本桥川河下施工，

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其冻结改良土体达37000m，水平冻结长度47m共计水平冻结管总长度达13750m。大阪交通局在该

市地铁5号线工程中，也采用了冻结法确保盾构顺利出洞；日本东京湾隧道施工期间，川崎、木更津人工岛及浮岛八个盾构出洞工程都成功使用了冻结法，该隧道已于1998顺利通车。

我国于1955年开始应用冻结法凿井技术，迄今，应用冻结法共建造立井450多个，累计冻结

长度70km之多，冻结法凿井所通过的第四纪地层最厚为383.1m（全桥煤矿副井）；穿过最厚表土层374.5m，最大冻结深度435m（永夏矿区四楼矿副井）；最大成井净直径8m；冻结深度超过300m的立井有50多个，其规模仅次于原苏联。1998年在北京地铁国贸站隧道进行的45m水平冻结加固的成

功标志我国水平地层冻结施工进入城市地下工程的一个新阶段；1998年上海地铁2号线5个区间联

络通道中有4个采用冻结法施工；2000年地铁1号线纪越区间过清泉街断层采用水平冻结，隧道长距离64m冻结取得成功，之后、等地铁旁通道也相继使用了地层冻结法。地层冻结技术已全面进入我国城市地下工程领域。

2冻结设计

2.1确定冻结类型和冻结方法

按制冷原理，冻结法采用的冻结方式一般可分为直接冻结方式（直接冻结法）和间接冻结方式（间接冻结法）两类。