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浅谈冻结技术在地铁施工中的应用摘要：关键词：冻结技术，基本原理，城市地下，矿山建设正文：1.前言冻结技术最初起源于天然冻结,随着人工制冷技术的出现才逐渐用于工程,经过100多年的发展,到今天已经形成了一项专门的工程冻结施工技术。人工冻结技术是指采用人工制冷方法将低温冷媒送入具有一定含水量和地下水流速的软弱地层中,使地层中的水与周围土颗粒发生冻结,从而形成强度高、弹模大和抗渗性好的冻结壁,在冻结壁的保护下进行内部开挖和永久支护结构施工的一种特殊地层加固方法。此法可以隔绝地下水与结构的联系,从而在冻结壁的保护下进行通道开挖和结构施工。所以,冻结法与搅拌、旋喷等其他地层加固方法相比具有以下优点:(1)对周围结构形状适应性强。只要冻结孔的布置位置准确,并保持足够的冻结时间,就可以形成不同形状且均匀性好的冻结壁。(2)隔水性能极好。交圈以后冻结壁连续性好、强度高,因而隔水性能非常之好。可有效隔绝地下水，其抗渗透性能是其它任何方法不能相比的，对于含水量大于10%的任何含水、松散，不稳定地层均可采用。(3)对地层污染小。冻结法是一种环保型工法由于冻结法只是通过降低温度来提高原位土体的强度,并不改变地层成分,对周围环境无污染，无异物进入土壤，噪音小，冻结结束后，冻土墙融化，不影响建筑物周围地下结构，因而对地层污染程度很小。（4）冻结施工用于桩基施工或其它工艺平行作业，能有效缩短施工工期。2.人工冻结法基本原理在岩土工程中,冻结制冷技术通常是根据物理学中的汽化原理,即利用物质由液态变为气态的过程要吸收热量来实现的。通常在进行开挖以前,在孔洞周围钻造一圈或数圈钻孔,并在钻孔内下放冻结管(冻结器),利用人工制冷的方法,降低盐水(冷媒介)温度,通过低温盐水在冻结管内循环吸收地层热量,使地层形成一个连续、封闭的冻土结构---冻结壁(冻土墙),以抵抗地层的水土压力,隔绝地下水与开挖工作面的联系,在冻结壁的保护下进行施工。冻结法的实质是将天然岩土中的水结成冰,使天然岩土变成冻土,实现可靠的隔水目的,从而大大提高了土体自身的强度和稳定性,为施工提供一个安全、干燥和方便的环境,并把对邻近构筑物影响降低到最小程度。人工冻结法施工工艺包括以下几个阶段:（1)冻结站安装。冻结站通常由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀、中间冷却系统、盐水循环系统等组成。（2)冻结管的施工。首先钻冻结孔,在冻结孔内设冻结器,将不同冻结孔内的冻结器连成一个系统,再与冻结站连接。（3)冻结。冻结通常包括积极冻结期和维护冻结期。4)解冻。指在地层开挖和永久结构施工完成后,停止冻结,拔除冻结管,让地层解冻。3.冻结技术在城市地下工程中的应用冻结法是城市地下工程施工方法中的一种重要手段,冻结法在正常的开挖支护中已经在北京地铁、上海地铁、南京地铁、广州地铁和深圳地铁等得到广泛的应用应用,并解决了一些关键的技术难题,如水平冻结超长孔的成孔、测斜和纠偏技术;冻结管的安装、铺设;冻土检测及冻融控制等。其在京津唐、沪宁杭等松软含水地区有比盾构等技术更为优越的条件，应用起来极为方便。不仅是正常的开挖，当遇到涌水、流沙淤泥等复杂不稳定地质条件的情况时,经技术经济分析比较,也可以采用技术可靠的冻结法进行施工,以保证安全穿过该段底层。同时冻结法也可以用于处理某些工程事故,上海轨道交通四号线修复工程,专家对修复方案进行过多次的论证和比选后,采用了冻结加固与暗挖对接的原位修复施工方案,确保了工程的顺利实施。例如，广州地铁二号线海珠广场站到公园前站区间隧道暗挖施工中遇到了硬塑粉质粘土层,地面发生塌陷,后来采用冻结施工工法才使隧道顺利通过不良地层,并保证了地面建筑物的安全。对于某些非常紧急工程常采用直接冻结法(制冷剂常为液态氮),直接冻结法是将液氮溶入酒精后形成制冷介质,用泵把这种液体泵入地层中的冻结管内,另一端排出已同地层发生过热交换的尾气。这种方法冻结管内温度较低,形成冻土帷幕的速度非常快,几小时就可以形成强度高、抗渗性好的帷幕。缺点是造价太高,只有在非常紧急又必须确保安全时才使用。意大利波太兹的某一输水隧道工程在采有盾构施工过程中,当施工到2630m时,发生了严重的涌砂事故,涌入大量泥砂将盾构完全淹没,事故发生后在其它加固方法无法奏效的情况下采用了液氮冻结获得了成功,同时也付出了较大代价,每立方米土体消耗液氮200L。由此可见，人工冻结技术在城市地下工程中已经得到广泛应用。4.冻结技术在矿山建设中的应用冻结技术在矿井建设中多用于立井的开凿,也用于其它地下工程的不稳定地层或含水极丰富的裂隙岩层施工。通常,当地下水含盐量不大,且地下水流速较小时，均可使用冻结法,井筒直径大小和深度基本不受限制。立井冻结凿井是利用传统的氨循环制冷技术来完成的。它是在井筒开挖之前,用人工制冷的方法,将井筒周围含水地层冻结成一个封闭的不透水的帷幕——冻结壁,用于抵抗地压、水压,隔绝地下水与井筒之间的联系。而后,在其保护下进行掘砌施工。为形成冻结壁,首先在欲开挖井筒的周围打一定数量的冻结孔,孔内安装冻结器。低温盐水在冻结器中流动,吸收其周围地层之热量,形成冻结圆柱。冻结圆柱逐渐扩大并连接成封闭的冻结壁,直至达到其设计厚度和强度为止。然后在其保护下进行掘砌施工,以便安全穿过含水地层。冻结法凿井主要工艺过程包括:冷冻站安装、钻孔施工、井筒冻结和井筒掘砌四大内容。我国煤矿于1955年在开滦林西风井首次使用冻结法凿井,井筒净直径5m,冻结深度105m。此后,冻结法凿井技术逐渐推广到东北、华北、华东、中南地区。我国已是世界上用冻结法凿井穿过表土层最厚的国家之一。5.存在的问题经过老师讲解及翻阅资料，我发现人工冻结法在施工及应用过程中也不是什么都好，也存在一些问题。以下是我认为比较重要的方面：(1)冻土模型问题。目前在进行冻土结构受力分析时仍然沿用常规的弹性或弹塑性模型,实际上冻土的强度与变形都是随温度而变化的,简单进行模拟会带来一定误差。这个问题需要专家们努力研究，尽早找到更加合理的方案。(2)冻结孔布置问题。目前对于冻结孔布置的依据主要是单孔冻结柱直径,对于平行布孔模式误差不大,对于发散型模式所带来的差异却是不可忽视的。(3)冻结壁厚度问题。一定温度下的冻结壁厚代表着冻土强度,而冻土强度的确定与其模型有关,因此冻结壁厚度的确定最终要归结到冻土模型上,这也更要求对冻土模型进行深入研究。(4)施工前期冻结引起的冻胀现象。冻胀会对附近地下已建结构产生冻胀力作用,轻则使结构产生变形,重则会导致结构破坏,此外还可能引起地面隆起,虽然目前可以通过施工卸压孔来减小冻胀力,但是这种方法纯属经验,且不十分有效。影响冻胀的因素除含水量的多少外,还与冻土压力大小、冻结速度快慢、冻结温度高低、冻土中水量补给状况等因素有关。冻土的融沉是相对冻胀产生的,因为冻土融化后,土中水分因自重作用渐小,融土在围岩压力及土颗粒自重作用下,压缩体积引起融沉。冻胀及融沉的主要预防措施有:加强冻结壁温度、厚度监测,及时调节冻结盐水温度和冻结时间,并尽可能采用间隔制冷冻结措施。在开挖断面内外,视地层情况开挖泄压孔,减少冻胀压力,控制冻胀影响范围和方向。加快盐水降温速度,加大盐水流量,以利加快冻土发展进度,减少冻土的水分迁移。(5)施工完成后冻土融化会产生融沉现象。如果冻土体积过大会引起地面沉降,最严重的是地面沉降可能导致地面建筑结构的开裂、地下各种相关管线变形、开裂等现象,这是绝对不允许的,目前通常采用后期跟踪注浆来控制融沉,但是与控制地面隆起相似,控制融沉方案也基本上以经验为主。还有就是在隧道开挖过程中,根据揭露地层情况,在软土、黏土中预埋或预留注浆孔。在冻结壁融化时,视融沉发展情况,及时跟踪压密,注浆控制融沉。在开挖隧道断面内布设测点,跟踪监测地面及冻结壁的位移情况,及时分析、处理。(6)冻结施工过程管理问题。就冻结方法本身来说冻结施工工艺已经十分成熟,但是对于城市地下工程来说,冻结法的难点主要在施工中各个环节的衔接上,任何一个环节出现问题都可能导致整个工程的失败,例如联络通道施工一般分为以下几个过程:加固拟建通道四周土体形成加固帷幕;打开隧道管片；分段开挖加固帷幕内土体；分段建造通道临时支护以及永久支护；通道建造完成后关闭隧道管片。在通道建造过程中,从打开隧道管片时起直到关闭管片,已建隧道就一直面临可能发生的危险,方案设计和施工管理等任何一个环节的疏忽大意都可能导致已建隧道发生灾难性的破坏,特别是在饱和软粘土地区施工,上海地铁4号线黄浦江底冻结法联络通道就是一个惨痛的教训。复兴东路隧道也因为风险太大而取消了原定建造江中泵站的计划。以上这几方面说明冻结法还有待于进一步深入研究及加强科学管理。6.展望随着我国经济建设的发展,在各类地下工程中冻结技术有着广阔的应用前景,但它在各类地下工程中的应用还远远没有达到普及。除了一定的社会原因如工程部门的观望态度等,主要是理论和技术储备还很欠缺。关于冻结技术的诸多方面的研究还远远落后于工程实践,需要业内学者继续进行大量深入的研究,而且在施工方面也要加强信息化的科学管理。不过我们完全可以乐观地看待冻结技术的发展前景，可以预测在当今这个崭新的世纪里,人工冻结法技术将在我国的地下工程建设领域中发挥更大的作用,为我国的现代化建设做出更大的贡献。参考文献：[1]余占奎.人工冻结技术在上海地铁施工中的应用[J].冰川冻土,2005(8):77-78.[2]余占奎,黄宏伟,王如路,徐凌,李文婷.人工冻结技术在上海地铁施工中的应用[J].冰川冻土,2005,(4).[3]张经双.人工水平冻结法隧道施工理论与试验研究[D].安徽理工大学学报，2006（6).[4]张玉娟.人工土冻结法在天津地铁工程中的应用[D].天津大学学报,2006.[5]白云,汤竞.上海地下工程建设中的经验和教训[J].土木工程学报,2007,40(5).[6]翁家杰,陈明雄.冻结技术在城市地下工程中的应用[J].煤炭科技技术,1997,25(7).[7]曹光保,周芳.冻结法施工软土深基坑的可行性研究[J].淮南工业学院学报,2000,20(2).