2019年地层冻结法

地层冻结法及风险预控
2019.11 深圳
目录
一、前言
二、人工地层冻结法关键要素
三、典型工程实例
四、工程事故及分析
五、结语与建议
空间结构复杂
隧道群大型综合枢纽
开挖深、空间规模超大
超大规模地下空间 我国城市化发展使地下空间进入到快速发展时代。

其特点表现为深、大和复杂。

由此遇到了一系列的工程难题和生命财产损失事故。

严重地制约了发展。

其中最主要的是水害和塌方（变形失控导致）。

我国城市化发展使地下空间进入到快速发展时代。

其特点表现为深、大和复杂。

由此遇到了一系列的工程难题和生命财产损失事故。

严重地制约了发展。

其中最主要的是水害和塌方（变形失控导致）。

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1%1%11%
地铁工程事故主要诱因
水害塌方火灾
机械伤害物体打击
爆炸中毒
触电其他
地铁等地下工程经常遇到砂土交错、淤泥等地下水极为丰富的软弱地层施工难题。

常规的地层加固方法很难彻底防控水害和变形失控塌方等难题。

因此，潜在风险高，事故损失多，社会影响大。

水害和软弱地层塌方事故
1. 地下工程面对三大难题：
A.（地下）水
B.（地层）软
C.（被开挖围岩）变形难以预测
2. 解决地下工程索面的三大难题途径
A.治“水”采取的措施“排”（小水量时，降水）或（和）“堵”（注浆等）、
“隔”（排桩（管幕）、地连墙、护筒（盾构）等等）。

B.抗“软”采取各种围岩“加固”（依靠围岩承载：注浆、锚杆（索）等）、“初
支+围岩（或加固的围岩）”、上面A.中各种“隔”水措施同时也可以“抗”软。

C.对付“被开挖围岩变形难以预测”，用若干计算等预测手段、根据工程类比和现
场信息化手段，选择上述多项措施中合适的手段来解决解决。

上面任何一种方法都会或多或少对地层产生环境影响（污染、地层内加入其他材料）。

而地层冻结法相对来说是地下工程解决这三大难题的一种准绿色技术。

3. 人工地层冻结法
地层冻结法源于天然冻结现象。

1850年代蒸汽压缩式冷冻机发明后，人类第一次使用地层冻结法是1862年在Wales基坑中；1880年德国工程师Poetch首先提出地层冻结法原理，并于1883年在德国阿尔巴里德煤矿成功地采用冻结工法建造103m深的竖井。

我国第一次应用地层冻结法是1955年开滦煤矿林西风井（直径5m，冻深105m）。

3. 人工地层冻结法
与常规方法不同的是，地层冻结技术通过人工制冷使土壤均匀降温，将土壤内的水冻结成冰，从而形成冻土。

可极大提高地层整体强度，保证施工安全。

因此，它是富水软弱地层工程防控水害和变形失控塌方的最佳技术。

地层
3. 人工地层冻结法（续）
地层冻结的核心是把地层里几乎“没有强度”的水变成“强度极高且可以粘结土颗粒”的冰，而且冰的强度和弹性模量随负温度降低而增大。

由此可以根据对冻土结构要求而随时调节冻结温度来确保冻土结构的稳定。

必须了解水冻成冰的要素：地层里水的冰点、含盐、地层温度、水力联系和周边影响温度的边界条件等，还有冻土结构相关连影响稳定的边界条件。

在设计冻土结构时，要充分了解其受力状态、简化的受力模型、需要的力学指标等。

还有土壤的冻胀和融沉特性。

3. 人工地层冻结法（续，优点和特点）
①高强度和大弹性模量
②完整不透水的密封性。

③不同地层交互也可形成连续一体的冻结结构。

④与其相邻构造物具有很好密结性。

⑤安全性高。

⑥施工的确定性好。

⑦对地层没有公害。

⑧复原性好。

⑨施工管理确定性好。

3. 人工地层冻结法（续，注意事项和安全风险）
①地层里含水量不宜低于5%，
②地层里水的冰点不能太低（如含盐等），
③地层内水的流速不能太大，
④地层内的水位变化冻结效果不好，甚至无法形成冻土墙，
⑤要有条件可以进行冻结孔的施工。

⑥同样负温的冻结砂性土（非过饱和）的强度（无侧限抗压、直接剪切或
三轴剪切、抗拉强度等）大于冻结粘性土的。

3. 人工地层冻结法（续，注意事项和安全风险）
⑦一般情况下冻土墙的平均温度为-8～-20℃,取决于所承受外载。

⑧形成隔水封闭体的关联结构（隔水地层、已有结构或其他工法即将
形成的结构）与冻土之间的结合紧密程度和可靠性。

⑨开挖体内的水文观测孔设计好；
⑩土壤冻结致直接冻胀融沉。

⑪冻土发展和冻土封闭体形成的检测和监控是冻结法成功的关键之一。

因此，信息化系统在冻结工法中极为重要。

3. 人工地层冻结法（续，注意事项和安全风险）
①全面了解地层物理力学性质；
②全面掌握所在地层的工程地质和水文地质详细情况，；
③充分认知所要冻结地层的冻土物理力学性质；
④选取最恰当冻土结构的设计模型；
⑤使用最合适钻机和钻孔纠偏与测斜仪；
⑥信息化检测监控系统包括全方位的冻土结构形成的检测等；
⑦务必进行全过程的信息化施工；
⑧涉及到人生安全和重大财产时必须有应急措施（如液氮槽车等抢险设备）；
⑨在信息化施工基础上对融化过程跟踪注浆弥补地层融沉量；
⑩冻融地层工后变形和永久结构稳定性跟踪。

四大要素
1.工程地质和水文地质及关键物理力学指标（客观的）
2.设计要素（主观的：模型和手段）
3.施工要素（主观与客观对接）
4.管理等关联要素（主观与客观对接的调节）
1、工程地质和水文地质及关键物理力学指标
1）.施工范围内及关联的地层分布、水位（含气?）含水层及水力联系、流速流向、含盐量、隔水层、土的基本力学性质、比热、热传导系数、潜热、结冰温度等
2）.土壤冻胀和融沉（冻土解冻）；单轴抗压、抗拉、抗剪(粘聚力、
内摩擦角)、三轴强度、变形模量、泊淞比（受温度、含水量、未冻水含
量、粒径、孔隙率、荷载、时间等影响）
1、工程地质和水文地质及关键物理力学指标
1）.施工范围内及关联的地层分布、水位（含气?）含水层及水力联系、流速流向、含盐量、隔水层、土的基本力学性质、比热、热传导系数、潜热、结冰温度等
2）.土壤冻胀和融沉（冻土解冻）；单轴抗压、抗拉、抗剪(粘聚力、
内摩擦角)、三轴强度、变形模量、泊淞比（受温度、含水量、未冻水含
量、粒径、孔隙率、荷载、时间等影响）
2、设计要素
首先是建立冻土结构受力模型（纯冻土结构、和其它结构共同承载、作为其它结构承载的封水等）
其次是在所选结构模型下全面考量全过程可能影响冻土强度、冻土结构本身可能影响周边环境或者影响维护结构本身稳定和安全的可能性再次是按所选冻土结构受力模型进行对应的冻土力学性能试验而获得必要的计算参数、并对冻土结构的冻胀融沉进行量化、针对计算结构进行措施补充（包括所有检测监控）
最后就是实施这一设计进行施工组织设计。