【摘 要】凍結(jié)法作為一種重要的輔助工法，已越來越被設(shè)計(jì)和施工單位所重視，掌握凍結(jié)法施工技術(shù)已成為城市地下工程生產(chǎn)發(fā)展和社會競爭的需要。本文從凍結(jié)法在城市地下工程中應(yīng)用的基本技術(shù)特點(diǎn)和凍結(jié)方法入手，介紹了凍結(jié)法施工的原理和工藝要點(diǎn)，以及掌握和運(yùn)用凍結(jié)法施工技術(shù)的現(xiàn)實(shí)途徑等問題。進(jìn)一步指出了凍結(jié)法在施工過程中需要注意的若干問題，以促進(jìn)凍結(jié)法在城市地下工程中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】凍結(jié)法；施工技術(shù)；城市地下工程；原理；應(yīng)用

0.前言

凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，使地層中的水凍結(jié)，把天然巖土變成凍土，增加其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系，以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行隧道、豎井和地下工程的開挖與襯砌施工的特殊施工技術(shù)。其實(shí)質(zhì)是利用人工制冷技術(shù)臨時(shí)改變巖土的狀態(tài)以固結(jié)地層。

在礦井建設(shè)、地基基礎(chǔ)、水利工程、河底隧道、地下鐵道和其它地下工程中，遇到不穩(wěn)定地層或含水量豐富的裂隙巖層，只要其地下水含鹽量不大，而且流速較小（小于6m/d），采用凍結(jié)法阻斷地下水、固結(jié)地層，容易獲得成功。

凍結(jié)法源于天然凍結(jié)，隨人工制冷技術(shù)的發(fā)展，逐漸用于工程，形成了工程凍結(jié)技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)達(dá)國家都有較早應(yīng)用凍結(jié)法技術(shù)的先例。人工凍結(jié)技術(shù)在我國也已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用：1955年我國首次在開灤煤礦成功地應(yīng)用凍結(jié)法進(jìn)行豎井施工。截止到1999年，我國煤炭系統(tǒng)已用凍結(jié)法建成豎井近500個，總長度超過70km，我國的水平孔凍結(jié)技術(shù)和斜井凍結(jié)技術(shù)也已經(jīng)取得了很大的成功。

近些年來，隨著城市地下工程的日益增多，特別是隨著地下鐵道建設(shè)的興起，凍結(jié)技術(shù)已開始應(yīng)用于城市地下鐵道的隧道施工。在北京市、上海市、廣州市的地下鐵道建設(shè)過程中，已經(jīng)分別采用了垂直孔凍結(jié)技術(shù)、水平孔凍結(jié)技術(shù)，并取得良好的效果。

1. 凍結(jié)法施工的原理和工藝要點(diǎn)

1.1 原理

采用人工凍結(jié)技術(shù)，首先需要在準(zhǔn)備凍結(jié)的地層中鉆孔鋪管，安裝凍結(jié)器和鹽水循環(huán)系統(tǒng)，然后利用人工制冷手段（低溫鹽水，液氮或干冰）提供冷量，通過低溫在凍結(jié)器中循環(huán)，帶走巖土熱量，使巖土中的水結(jié)冰，將天然巖土變成凍土，形成整體性好、強(qiáng)度高、不透水的臨時(shí)固結(jié)體，達(dá)到加固和穩(wěn)定地層、隔絕地下水與地下工程開挖面的聯(lián)系，達(dá)到安全、無水的施工環(huán)境的目的。地層局部凍結(jié)完成后，在凍結(jié)體的保護(hù)下可以按部就班地進(jìn)行豎井或隧道的開挖施工，待襯砌支護(hù)完成后，即可停止制冷，凍結(jié)地層逐步解凍，最后恢復(fù)巖土的原始狀態(tài)。

凍土的形成過程，是土中自由水結(jié)冰，并將固體顆粒膠結(jié)成整體的物理狀態(tài)與特性變化的過程，也是消耗冷量最多的過程。

1.2 凍結(jié)過程

土中自由水的凍結(jié)過程可劃分為5個時(shí)間段（圖1）：

圖1 巖土中自由水凍結(jié)過程曲線

（1）冷卻段：開始向土層供冷，土體溫度逐漸降到冰點(diǎn)；

（2） 過冷段：土體溫度達(dá)到0℃以下，但土層中的自由水尚未結(jié)冰，呈現(xiàn)出過冷現(xiàn)象；

（3） 突變段：水過冷后，一旦結(jié)晶就立即放出結(jié)冰潛熱，出現(xiàn)升溫現(xiàn)象；

（4） 凍結(jié)段：溫度上升到接近0℃時(shí)穩(wěn)定下來，土體中的自由水結(jié)冰過程，將礦物質(zhì)顆粒膠結(jié)成整體，形成凍土；

（5） 繼續(xù)冷卻段：隨著溫度的降低，凍土的強(qiáng)度逐漸增大。

土壤凍結(jié)是隨時(shí)間變化而變化的復(fù)雜的熱過程。土中孔隙水是逐漸凍結(jié)的，實(shí)際上在任何負(fù)溫下的凍土內(nèi)部總有土顆粒薄膜水保持未凍狀態(tài)與冰共存。在一定的溫度范圍內(nèi)，土壤處于由融土經(jīng)塑性過渡到堅(jiān)硬的凍土的中間狀態(tài)，而不同土壤的過渡狀態(tài)的溫度是不同的。

1.3 工藝

凍結(jié)法的施工一般可分為三個階段：

（1） 積極凍結(jié)階段：在施工地層中開展冷凍作業(yè)，并將地層中的凍結(jié)壁擴(kuò)展到設(shè)計(jì)厚度的階段；

（2） 維護(hù)凍結(jié)階段：維護(hù)施工所需要的凍結(jié)壁厚度，進(jìn)行地下工程正常施工操作的階段；

（3） 解凍（恢復(fù)）階段：地下結(jié)構(gòu)工程施工完成，停止制冷，地溫恢復(fù)原狀的階段。

凍結(jié)法施工的一般分為一下四大工序：

（1） 凍結(jié)站安裝

凍結(jié)站的位置以供冷、供電、供水、排水方便為原則，同時(shí)也要兼顧施工豎井的井口布置和進(jìn)出材料、器材的方便。常把凍結(jié)站設(shè)在距井30m～50m的位置。

（2） 鉆孔施工

為縮短施工周期，鉆孔可與凍結(jié)站的安裝同時(shí)進(jìn)行。鉆孔可分為凍結(jié)孔和觀測孔兩類。凍結(jié)孔大多分布在凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)中心線上，用來安裝凍結(jié)管；觀測孔用于安裝溫度傳感器、土壓傳感器、土層位移傳感器等。

（3） 地層凍結(jié)

從開始凍結(jié)到凍結(jié)壁達(dá)到設(shè)計(jì)厚度為積極凍結(jié)期。在此期間應(yīng)保證凍結(jié)站正常運(yùn)行，以期盡快形成凍結(jié)壁，給后續(xù)的開挖和結(jié)構(gòu)物施工創(chuàng)造條件。積極凍結(jié)期最好選在冬季，以便充分利用自然低溫環(huán)境降低能耗、提高凍結(jié)站的制冷效率。

（4） 地下工程掘進(jìn)施工

凍結(jié)法是地下工程施工方法中一種特殊的輔助工法，和常用的降、排水輔助工法不同，施工階段特別需要注意控制地層含水率和地下水流速對凍結(jié)效果的影響、地層凍脹融沉對環(huán)境的影響、低溫環(huán)境對混凝土澆筑施工的影響以及凍土壁蠕變的影響。

施工工藝流程如圖2所示。了解了凍結(jié)法的施工要素，便可更有效地控制凍結(jié)法的實(shí)施。

2. 凍結(jié)法施工方案的確定

為保證凍結(jié)施工工程的順利進(jìn)行，施工前必須要進(jìn)行多方面的細(xì)致調(diào)查。在確定凍結(jié)方案時(shí)所需要進(jìn)行的工作主要包括：

2.1 水文地質(zhì)條件調(diào)查

主要是了解施工場地及附近地區(qū)的地層分布、地層的土質(zhì)情況、含水率、地下水的流速和合鹽量等水文地質(zhì)參數(shù)，確認(rèn)凍結(jié)法是該工程的適用工法。

圖2：凍結(jié)法施工的工藝流程

2.2 凍結(jié)壁的形式選擇

根據(jù)地下構(gòu)筑物的埋深、走向和形式，選擇凍結(jié)壁的形式。常用凍結(jié)壁的形式有立式凍結(jié)、水平凍結(jié)和斜式凍結(jié)三種，它們的適用范圍和特點(diǎn)見表1。

2.位于埋深較淺的含水地層中的水平隧道或傾斜度不大的隧道

水平凍結(jié) 凍結(jié)管在地層中圍繞著隧道的前進(jìn)方向水平排列，在含水的軟弱地層中凍結(jié)形成水平的凍結(jié)體，覆蓋或環(huán)繞待施隧道 適用于含水軟弱地層中的水平隧道

斜式凍結(jié) 冷凍管在地層中圍繞傾斜隧道前進(jìn)的方向排列，在含水地層中形成傾斜的凍結(jié)體 適用于含水軟弱地層中傾斜隧道

2.3 制冷系統(tǒng)的選用

除了在特殊的小型搶險(xiǎn)工程中采用液氮凍結(jié)法速凍外，一般情況下均選用鹽水制冷設(shè)備進(jìn)行凍結(jié)施工。

2.4 鉆孔孔位的配置

地層中的鉆孔主要是為安裝凍結(jié)管。凍結(jié)管的作用是：管體置于地層鉆孔內(nèi)，用來輸送低溫鹽水與地層直接進(jìn)行熱交換，使凍結(jié)管周圍的土體溫度降低，自由水凍結(jié)，形成有足夠強(qiáng)度的凍結(jié)壁。凍結(jié)管一般選用直徑φ127～139mm，壁厚5～10mm的鋼管。目前常選用φ127×7.5mm的無縫鋼管，也可以根據(jù)城市地下工程的實(shí)際情況減小凍結(jié)管的直徑。在城市淺層土體中進(jìn)行施工，特別是在水平凍結(jié)的情況下，為保證所施工的地下構(gòu)筑物的尺寸，避免對相鄰建筑物造成損害和減少地面沉降，對孔的允許偏斜率的要求較高，鉆孔的偏斜率一般小于5‰。

2.5 凍結(jié)時(shí)間的確定

凍結(jié)壁的交圈時(shí)間主要與凍結(jié)孔的間距、鹽水溫度、土層性質(zhì)、凍結(jié)管直徑、地層原始溫度等因素有關(guān)。凍結(jié)時(shí)間隨凍結(jié)方法的不同而不同，常用的凍結(jié)方法有恒溫連續(xù)凍結(jié)、間隔凍結(jié)和溫差連續(xù)凍結(jié)。

2.6 銜接工序安排

綜上所述在城市地下工程中，積極凍結(jié)往往需要1個月以上的時(shí)間；維護(hù)凍結(jié)時(shí)間又需根據(jù)開挖和襯砌的施工時(shí)間來確定，所以無論是積極凍結(jié)還是維護(hù)凍結(jié)，每天的電能消耗都是可觀的，因此銜接工序的合理安排顯得尤為重要。因此凍結(jié)施工組織中就充分考慮了各工序的有機(jī)銜接，以充分利用現(xiàn)有設(shè)備和條件，既快又省地完成施工任務(wù)。

3. 城市地下工程凍結(jié)技術(shù)遇到的若干問題

3.1 凍脹和融降

城市地下工程凍結(jié)施工存在凍脹和融降問題，過量的凍脹和融降量會對地表建筑、交通和地下管線產(chǎn)生破壞作用。凍脹機(jī)理是土體中的水結(jié)冰時(shí)體積增大9%，土體中產(chǎn)生的水壓差導(dǎo)致地下水向凍結(jié)峰面遷移，致使凍脹現(xiàn)象越來越顯著。當(dāng)凍土融化時(shí)，體積減小，又產(chǎn)生較大的土層沉降。不同土質(zhì)條件凍脹和融降量也不同，粘土變形量大，粉砂、砂土次之，融降量一般大于凍脹量。雖然凍脹和融降對工程影響很大，但并不是不能控制的。實(shí)踐證明，壓力釋放孔、注漿充填、工作面釋放水和強(qiáng)制解凍等措施，可有效地解決凍脹和融降問題。

3.2 地下管線的保護(hù)

地下管線受到凍脹和融降產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力和剪切作用，導(dǎo)致地下管線過大的位移，從而對管線產(chǎn)生產(chǎn)重的破壞。

城市地下管線和市民生活息息相關(guān)，所以地下工程施工要對地下管線進(jìn)行暴露懸吊、包扎保溫材料等處理，盡可能減小凍脹力和凍脹、融降量，以確保地下管線的安全。

3.3 凍結(jié)系統(tǒng)的改造

城市交通繁忙，建筑密布，施工場地狹小，用水、用電受到一定限制，所以城市地下工程凍結(jié)施工首先要對凍結(jié)系統(tǒng)進(jìn)行改造。上海延安東路越江隧道江西路段凍結(jié)加固工程，選用可移動的螺桿冷凍機(jī)組，輔機(jī)基礎(chǔ)6.78m×2m，主機(jī)基礎(chǔ)2.4m×2m，采用冷卻水塔，和煤礦凍結(jié)站相比，凍結(jié)場地減少90%以上，冷卻水節(jié)約80%～90%，耗電量節(jié)約30%～40%，降低了工程造價(jià)。

4.小結(jié)

綜上所述，起源于煤礦的凍結(jié)法由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在城市地下工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。隨著我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入快速持續(xù)發(fā)展時(shí)期，城市地下鐵道、城市輕軌交通和其它重要地下構(gòu)筑物的建設(shè)對地下工程的設(shè)計(jì)和施工都已提出了更高的要求。從事城市地下工程設(shè)計(jì)和施工的單位必須要掌握更先進(jìn)的地下施工的理論和技術(shù)，才能適應(yīng)新要求，迎接新挑戰(zhàn)。因此，掌握凍結(jié)法技術(shù)已成為生產(chǎn)發(fā)展的需要和社會競爭的需要。

參考文獻(xiàn)

[1]井巷特殊施工[S]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，1994.

[2]建井工程手冊[S]. 北京：煤炭工業(yè)處版社，1986.

[3]劉建航，候?qū)W淵. 盾構(gòu)法隧道[M]. 北京：鐵道出版社，1990.

[4]翁家杰. 凍結(jié)技術(shù)在城市地下工程中的應(yīng)用[M]. 北京：煤炭科學(xué)出版社，1997.

[5]陳敏. 凍結(jié)井管的發(fā)展. 鋼管[J]，1994（4）.

[6]孫翔. 凍結(jié)施工技術(shù)分析. 建井技術(shù)[J]，1998.

[7]蕭延. 城市地下工程凍結(jié)法施工技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 市政技術(shù)，2002（3）.

[8]陳湘生，陳朝輝，羅小剛. 巖土工程技術(shù)最新進(jìn)展——全向凍結(jié)施工技術(shù)[J]. 地下空間. 1999，19（4）.

[9]周曉敏，王夢恕. 人工地層凍結(jié)技術(shù)在我國城市地下工程中的興起[J]. 都市快軌交通. 2004，17（S1）.

作者簡介：

辛銘，男，漢族，黑龍江齊齊哈爾市人。2002年7月本科畢業(yè)于東北林業(yè)大學(xué)土木水利工程學(xué)院。2002年至今在中鐵十三局第四工程公司工作。