冷冻法施工解析

地铁施工技术交流材料

冷冻法联络通道施工技术及风险控制措施

一、冻结法的基本原理与特点

采用冻结法对地层土体进行加固，是指利用人工制冷技术,使地层中的水结冰,把天然岩土变成冻土,增加其强度和稳定性,隔绝地下水与地下工程的联系,以便在冻结壁的保护下进行地下工程掘砌施工的特殊施工技术。其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。

1、岩土冻结实质

岩土冻结性质的改变，即将含水地层（松散土层或裂隙岩层）冷却至结冰温度下，使土中孔隙水或岩石裂隙水变成冰，岩土的性质发生重要变化，形成一种新的工程材料——“冻土”。

2、冻土结构特点

而冻土结构具有较高的强度和绝对的封水性。

3、冻土结构功能

冻土结构的承载功能和封水的不承载功能。

4、制冷方法

其制冷技术方法，通常使用制冷设备，利用物质由液态变为气态,即气化过程的吸热现象来完成的。

4.1、有两种类型：⑴、冷媒剂(盐水)吸热：氨 (-33.4℃)；干冰(-78.5℃)；⑵、直接气化吸热：液氮(-19

5.8℃)；干冰(-78.5℃)

4.2、冻结系统常有两种类型：⑴、封闭系统（盐水冻结）；⑵、开放系统（液氮冻结）

5、冻结法的适应性

冻结法加固与其它加固方法相比，其适应性更强，能够适应粘土、粉土、砂层以及砾石、卵石等任何地层。

6、冻结法的特点

6.1、冻土帷幕的变化性：⑴、冻土范围可变；⑵、冻土温度可变；⑶、冻土强度可变（强度是温度的函数）

6.2、冻土帷幕的连续性：水在负温下结冰的必然性；

6.3、冻土帷幕的可知性：通过温度测试可判断冻结范围、冻土强度

7、冻结法施工的优点

7.1、安全性好：⑴、冻土强度较高；⑵、冻土连续性可靠、封水性好

7.2、适用性强：⑴、适用于几乎所有具有一定含水量的松散地层（包括岩石）；

⑵、复杂地质条件可行（流砂、大深度、高水压）

7.3、灵活性高：⑴、冻土帷幕性状（范围、形状、温度、强度）可控

8、冻结法施工缺点

由于冻结法所形成的冻土帷幕其范围、温度、强度具有变化性，其冻结范围、强度随温度的变化而变化，如果供冷不足或外部热源可导致冻土帷幕性能（范围、强度）退化，安全性能降低，施工风险增大。众所周知，上海地铁4号线联络通道施工时，其冻结帷幕失效，发生重大工程风险事故，给国家造成严重的经济损失。

8.1、冻胀融沉：⑴、对环境有一定的影响，严重时具有一定的破坏力；

⑵、融沉控制不当可导致结构差异沉降和长期沉降；

8.2、风险性：⑴、供冷不足或外部热源可导致冻土帷幕性能退化（范围、强度）；

⑵、流水作用下冻土可快速消融

8.3、局限性：⑴、地下水流速影响冻结效果；⑵、地层含盐影响冻结效果；

⑶、含气地层可影响冻结效果

9、冻结法的应用

通过冻结法加固所形成的冻土帷幕，其形状、范围、温度、强度完全可以受控，且通过温度测试可判断冻结范围、冻土强度。因此，人工冻结地层加固方法被广泛用于需要进行地层加固和封水（冻土帷幕）要求工程施工领域。特别是随着我国城市地铁轨道交通的发展，软土隧道盾构的进出洞、联络通道等风险性较高的工程项目，常采用冻结法加固进行施工。

9.1、土木工程和岩土工程如：⑴、矿山凿井：竖井、斜井；⑵、隧道施工：隧道掘进；盾构、顶管进出洞、联络通道；⑶、隧道扩建；⑷、基坑工程；⑸、穿越；⑹、地下对接；⑺、事故处理；⑻、管线工程；⑼、基础加固；⑽、边坡加固

9.2、土工试验：原状土取样

二、冻结法的理论与工程问题

1、热力学性质

1.1、主要参数：比热、热传导系数、潜热、结冰温度等；

1.2、最主要影响因素：含水量

1.3、特点：冻土与未冻土的热力学参数有明显区别

2、物理力学性质

2.1、强度：

⑴、单轴抗压；

同等条件下，冻土强度是温度的函数：

n －随土性变化的参数， 砂性土n →0.5黏性土n →1；

a ,

b －与冻土的孔隙度、含水量相关的系数。

在相同温度下，含水量对冻土极限强度影响很大。在非饱和时，强度随含水量增长；过饱和时，强度随含水量降低。其中，未冻水含量对冻土强度影响也很显著。未冻水含量越高，强度越低。

⑵、抗拉、抗剪强度；

冻土抗拉强度规律与抗压强度相同。强度随着温度的降低增长，同时取决于土的成分、含水量等因素。数值上，抗拉强度比抗压强度低2~6倍

3、热传导与温度场：

3.1、导热形态：a 、冻结管冻结过程是非稳态导热问题；b 、冻结后期，热交换趋于平衡，可近似看作稳态导热问题；c 、温度场分析时一般看作稳态导热问题

3.2冻结发展动态过程：

n

bt a +＝σ

单排冻结管冻结过程三阶段：单管冻结、管间影响冻结和管间冻土相接后冻结 a 、单管冻结：管间独立冻结，冻土呈圆柱状发展；b 、管间影响冻结：管间相互影响，冻土在冻结管之间（轴向）发展快，两侧慢，冻土呈椭圆柱形；c 、管间冻土相接后冻结：冻土相接（“交圈”）后，形成波浪形冻土墙，但凹陷部位（界面）发展快，凸出部位（主面）发展慢，凹陷部位将很快填满，冻土墙两侧呈直线形。之后冻土直墙继续向两侧发展。

3.3、温度场与平均温度

现在国内计算冻土的平均温度的公式：

其中：tcp ＝冻土平均温度 ℃

tp ＝盐水温度

S ＝孔间距，

δ＝冻土厚度，

t ＝开挖面温度，

4、冻胀与融沉

4.1、冻胀机理

⑴、冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀。孔隙水原位冻结体积增大9%（原位冻胀），外来迁移水分则体积增大1.09%（分凝冻胀）。所以开放系统饱水土中的分凝冻胀是构成土体冻胀的主要分量。原位冻胀量非常小，土体冻胀量主要取决于水分迁移通量。 因此，冻胀量的主要影响因素是冻土的导湿系数和土水势梯度。

土水势梯度由重力势、压力势、渗压势、温度势、电力势和磁力势梯度中的某一项或几项之和组成。而影响这些量的外观因素可表现为：

a 、内因：土的粒径、组织构造、透水系数、盐分浓度等；

b 、外因：约束应力、冻结速度、冻结历时、孔隙水压等。

总之，冻胀是一个非常复杂的问题。

⑵、土壤的冻胀敏感性

p cp t S S t t 25,0466,0266,0875,0352,0135,13+-⎪⎪⎭

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