冻结法论文

中国矿业大学力学与建筑工程学院
2014~2015学年度第一学期
《岩土工程冻结法》课程报告
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力学与建筑工程学院教学管理办公室
冻结法在城市地下施工中的技术及应用
（中国矿业大学力学与建筑学院矿建）
摘要：冻结法是城市地下空间开挖中一种重要的辅助工法,已越来越被设计和施工单位所重视,掌握冻结法施工技术己成为城市地下工程生产发展和社会竞争的需要。

本文首先对人工冻结法施工的基本原理和施工工艺进行了简单的介绍, 列举了冻结法施工的一个应用实例, 并对冻结法设计和施工中的问题进行了总结, 最后对冻结法的前景进行了展望。

关键字：冻结法施工技术应用展望
近三四十年, 冻结法技术发展更是突飞猛进, 除了理论上的完善和提高外, 在施工工艺和监测控制手段方面也有较大的改进。

我国的冻结法施工技术经历了引进、推广、改进和发展几个阶段。

如今冻结法施工除了在矿井建设中的应用外, 还成功应用于市政工程的地下结构、地铁车站及街区明挖施工、地下水泵站施工、水平隧道、桥梁基础等的临时支护和封水。

1 冻结法的基本原理
冻结法是用人工制冷的方法，将待开挖地下空间周围的土体中的水冻结为冰并与土体胶结在一起，形成一个按照设计轮廓的冻土墙或密闭的冻土体，用以抵抗土压力，隔绝地下水，并在冻土墙的保护下，进行地下工程施工的一种岩土特殊施工方法，常用于竖井工程。

冻结技术是利用人工制冷技术，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。

冻结壁是一种临时支护结构，永久支护形成后，停止冻结，冻结壁融化。

岩土工程冻结制冷技术通常利用物质由液态变为气态，即汽化过程的吸热现象来完成的。

其制冷系统多以氨作为制冷工质，
为了使氨由液态变为气态，再由气态变为液态，如此循环进行，整个制冷系统由氨循环系统、盐水循环系统和冷却水循环系统3 大循环构成。

2 冻结法在施工过程中的应用
2.1 概况
上海市轨道交通明珠线二期工程浦东大道——杨树浦路区间隧道采用盾构施工, 隧道主体结构埋深约 16 m, 盾构出洞口Φ16 . 7 m, 盾构工作井采用0 . 8m 厚砼, 地下连续墙 (槽壁 )支护。

槽壁外侧有两层 0. 2m厚的钢筋混凝土导墙, 从地表向下每 2m一层。

隧道采用 16. 7m 土压平衡盾构施工。

盾构出洞段土层为杂填土、灰色淤泥粉质粘土灰色淤泥质粘土、灰色粘土、灰色粉质粘土等, 局部夹有薄层粉砂。

土层含水量较高, 稳定性差, 暴露扰动时, 易产生液化流动, 地下水位埋深约 1 . 5m。

2．2 施工方案
( 1) 冻结设计原则。

保障冻土墙的厚度、强度及封水性能满足盾构出洞时土体的稳定要求; 在保障强度的前提下, 尽量减少冻土墙体积, 以减小冻结对周围环境的影响; 对可能受影响的构筑物采取有效的保护措施。

( 2) 冻结方案。

为尽量减少冻结冻胀与融沉对周围环境的影响, 采用了垂直局部冻结方案, 即在槽壁外侧布置一定数量的冻结孔, 向冻结孔局部供冷。

冻结深度: 靠近槽壁一排为19 m,14个冻结孔; 向外2排为18 m, 分别有13个、12个冻结孔; 地面向下6m不冻, 冻结孔采用梅花布置, 冻结孔布置宽度为10 .4 m。

2．3 施工技术措施
( 1) 冻胀防治措施。

采用局部冻结方案, 减少冻土体积, 从而有效减少冻土的冻胀量, 使冻胀对表土层的影响较小; 在冻土墙边缘布置一定数量热水循环孔, 防止冻胀对周围建筑物及地下管线的影响。

( 2) 融沉防治措施。

采用局部冻结, 减小冻土墙体积, 从而减少融沉量; 冻结管拔除后, 管孔内要充填密实; 解冻后, 进行适当的跟踪注浆; 冻结孔施工时, 要保证粘土浆的质量, 减少水土流失; 采用快速冻结方法, 缩短冻结时间。

2．4 冻结工程施工
冻结工程共施工 43个钻孔, 其中39个主排孔,4个测压孔 ( 其中3个兼测温孔 )。

为保证钻孔质量, 减少水土流失, 必须严格控制泥浆质量。

工程使用膨润土加烧碱进行人工造浆, 泥浆比重控制在1.1~ 1.2 g /c m3 , 不允许清水打钻。

( 1) 冻结站的安装。

在冻结站安装 1台 W -YSLGF300II螺杆机组, 设计工况制冷量为 8 . 75 107 cal/h , 机组安装在距出洞口 60 m外。

其它施工设备有冷却水塔 1台, 清水泵 1台, 盐水泵 1台。

( 2) 冻结制冷。

冻结 6 d , 盐水温度达 - 28C° ;冻结 9 d , 盐水温度低于设计温度达 - 28 . 5C° ; 冻结11 d, 盐水温度达 - 30C° ; 冻结 13 d , 盐水温度达到- 31C° ; 冻结 16 d, 盐水温度达 - 32C° ; 冻结 20d , 盐水温度达 - 33C°; 冻结 22 d , 盐水温度达 - 33 . 5C°;以后盐水温度一直保持 - 33 . 5C° ; 冻结 24 d , 达到完全破壁效果为止。

3 有关冻结法的几个技术问题
3.1 冻胀融沉
城市地下工程冻结法施工存在冻胀融沉问题，过量的冻胀融沉量会对地表建筑物、交通和地下管线产生破坏作用，抑制冻胀防止冻融下沉是冻结法用于地铁以及城市岩土工程的主要课题之一。

冻胀机理是土体中的水结冰时体积增大，产生的水压导致地下水向冻结峰面迁移，致使冻胀现象越来越显著。

当冻土融化时，体积减小，又产生较大的土层沉降。

不同地质条件下冻胀和融沉量也不相同，粘土变形大，粉土、砂土次之，融沉量一般大于冻胀量。

一般可实施的抑制冻胀措
施有：
(1)降低冷却温度，增大冻结速度，例如采用二级压缩制冷、适当加大冻结管的直径；
(2)把冻结范围控制在必要的最小限度，例如采用局部冻结器；
(3)研究冻结管的布置，使冻结膨胀变形和热的传递方向一致；
(4)利用钻孔使地基产生沉降和松动，以抵消部分变形；
(5)研究冻土形成的顺序，尽量用横向位移吸收膨胀；
(6)通过增加孔隙水的粘性来控制向冻结面的水分迁移量。

另外，压力施放孔、注浆冲填、工作面释放水和强制解冻等措施，也可有效地解决冻胀融沉问题。

3.2 缩短工期的措施
冻结施工工期主要由冻结设备安装时间、打钻布管时间、积极冻结时间和挖掘或推进时间组成，其中积极冻结时间占50%左右，冻结设备安装时间占25%左右，因此如何减少积极冻结和设备安装时间成为关键，合理选择冷冻机组、冻结孔间距以及最佳盐水温度是至关重要的。

4 对人工冻结法的展望
人工冻结法还在街区明挖施下、地下水泵站施工以及其他领域，这充分表明人工冻结法具有很强的拓展性。

系统总结和发展已取得的理论研究成果和施工实践经验，对推动冻结法更加经济安全可靠的应用，拓宽冻结法应用领域具有长远的意义。

随着我国经济建设的发展, 富含水困难地质条件下的城市地下工程将日益增多, 为冻结法的应用提供了广阔的空间。

人工冻结法适宜于以及松软地层的隧道、地铁和地铁车站、排水泵房、地铁主干道间的联系通道、盾构施工的端头井施工，有着广阔的应用经济前景。

特别是近年来，我国北京、上海、广州、天津、南京、深圳等多个大城市地下快速交通线路建设，地铁建设已经
延伸到二线城市，为人工冻结开辟了广阔的前景。

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