冻结法在隧道工程中的应用

张祖德

（湖南工业大学土木学院 湖南株洲 412000）

1 冻结法的发展历史

冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水冻结，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隧道、竖井和地下工程的开挖与衬砌施工的特殊施工技术。其实质是利用人工制冷技术临时改变岩土的状态以固结地层。

在矿井建设、地基基础、水利工程、河底隧道、地下铁道和其它地下工程中，遇到不稳定地层或含水量丰富的裂隙岩层，只要其地下水含盐量不大，而且流速较小（小于6m/d），采用冻结法阻断地下水、固结地层，容易获得成功。

2 冻结法的方法及技术特点

2.1 冻土法的特点

我国城市地下工程常采用注浆、深层搅拌桩、地下连续墙等加固方法，冻结法与这些方法相比，具有如下特点：

（1）冻结法适应复杂的地质条件。冻土强度高，阻水效果好。上海灰色淤泥质粘土的单轴抗压强度为0.02MPa，冻结以后，淤泥温度为-25℃时，其抗压强度5.28MPa，满足地下工程对土体强度的要求。

（2）冻结施工方法灵活，形式多样。冻结加固体形状可根据需要灵活设计，既可形成圆柱形加固体，又可形成棚拱形加固体。冻结范围大至整个街区，小至局部抢险工程。

（3）冻结加固均匀，完整。注浆法和深层搅拌桩，只是对土体局部加固，加固范围不易控制，加固体强度不均匀，而冻结技术可以把设计的土体全部冻成冻土，冻结加固体均匀，整体性好，可形成城市地下工程帷幕。

（4）封水效果好。可以保证开挖工作面在不渗、不漏的无水条件下作业。

2.2 岩土冻结方法

2.2.1 间接冻结法——低温盐水法

其原理是：以氨、氟利昂或其它物质作为制冷工质，经过制冷压缩机对制冷工质进行压缩、节流膨胀的反复循环做功，将盐水降至负温，由负温盐水作为传递冷量的媒介，将冷量传递给需要冻结的岩土层，达到冻结局部岩土的目的。这种冻结方法由三大循环系统构成：

（1）氟利昂（或氨）循环系统；

（2）盐水循环系统；

（3）冷却水循环。

采用这种制冷方法通常可获得20℃～35℃左右的低温盐水，用来冻结岩土。

2.2.2 直接冻结法——液氮法

此法常用的冷源物质有液氮和干冰（但干冰在工程上的应用极少）。液氮在1个标准大气压下的蒸发温度为-196℃，干冰在1个标准大气压下的升华温度为-32℃。在要冻的土体不大或抢险堵水的紧急情况下，用液氮冻结有快速和便利的优点。

上述两种常用的方法既可独立应用，也可组合应用，达到快速和经济的施工效果。

3 冻结法的应用

3.1 盾构隧道中盾构机进出洞土体加固

盾构推出预留工作井时，需拆除原工作井井壁封门（或临时墙）。当井壁封门拆除后，如封门后土体不能自立，这时井内洞圈的密封装置还不能阻挡洞外的土体，在复杂应力作用下，极易产生大量土体涌入工作井，造成洞口周围大面积地表下沉，危及地下管线及附近建筑物；如在地下水位下出洞而不采取措施，井外泥水还将不断从洞圈与盾构或隧道之间的间隙涌入井内，导致工作井受淹。

3.2 盾构隧道对接时土体加固

近年来，世界上许多国家的盾构隧道采用对头掘进，以缩短工期，除采用立井对接方式外，还采用不开凿立井而在地下或海底直接对接。

3.3 建筑基坑加固

1862年英国人首先利用冻结技术对建筑物的基坑进行加固。基坑冻结加固具有加固均匀，强度高，阻水性好，加固深度大等优点，因而，城市房屋建筑基坑开挖土体加固采用冻结技术越来越受到重视。

4 冻结法应用中的若干问题

4.1 冻胀

人工冻结工程中的土体冻胀现象影响范围广、持续时间长，是目前人工冻土理论研究和工程实践中的重要问题之一。具体表现为土体冻结后体积发生膨胀，使周边地层受到挤压和抬升。研究表明，冻结法施工过程中冻土内部发生的剧烈相变会造成相当大的冻胀力和变形，可能会对冻结工程周边地层环境造成严重影响，导致地下建筑、隧道、管线、基础工程和地表建、构筑物稳定性降低甚至发生破坏性变形。

4.2 融沉

冻结法施工是利用人工制冷技术加固土体，具有强度高、止水性好、不受支护范围和深度的限制等优点，近年来被广泛应用于地铁联络通道土体加固工程。然而人工冻结法施工后，地基土经历冻融循环作用后，其工程力学性质将发生显著变化，导致工后地基土不均匀沉降过大。实测数据表明，人工冻结法施工区域的地基土长期沉降较为显著，如杭州地铁1号线自2012年11月正式运营以来，代表性区间采用冻结法施工的地铁道床（近联络通道处）6个月内最大沉降量分别达到9.7和23.6mm，使地铁运营安全受到影响。因此，对地铁循环荷载作用下人工冻融土动力特性的研究，建立相应的孔压模型对控制冻结法施工的工后沉降，保障地铁运营安全具有重要意义。

4.3 地下管线的保护

地下管线受到冻胀和融降产生较大的拉应力和剪切作用，导致地下管线过大的位移，从而对管线产生严重的破坏。城市地下管线和市民生活息息相关，所以地下工程施工要对地下管线进行暴露悬吊、包扎保温材料等处理，尽可能减小冻胀力和冻胀、融降量，以确保地下管线的安全。

4.4 冻结系统的改造升级

城市交通繁忙，建筑密布，施工场地狭小，用水、用电受到一定限制，所以城市地下工程冻结施工首先要对冻结系统进行改造。上海延安东路越江隧道江西路段冻结加固工程，选用可移动的螺杆冷冻机组，辅机基础6178m×2m，主机基础214m×2m，采用冷却水塔，和煤矿冻结站相比，冻结场地减少90%以上，冷却水节约80～90%，耗电量节约30～40%，降低工程造价。

5 结语

21世纪建筑工程已开始步入地下空间的世纪。各种地下工程——地下电站、地下铁道、越江、越海隧道及地下市政工程正在兴建或计划建设之中。由于人工土层冻结法的支后护、隔水作用，以及几乎不受深度限制，将会受到越来越多的重视，并将在各种地下工程中发挥其特有的作用及优势。