人工冻结法施工原理分析

王国珍 刘 兴

(山东科技大学土木工程与建筑学院 山东青岛 266590)

人工冻结法施工原理分析

王国珍 刘 兴

(山东科技大学土木工程与建筑学院 山东青岛 266590)

对比分析人工冻结法施工的优缺点，确定冻结法的施工工艺，对设计方法不断优化，对平均温度、冻结孔布置间距、冻结壁厚度、冷冻系统设计、冻结时间、冻结方式等参数进行设计，使设计达到最优。通过对人工冻结法施工原理分析，阐述了人工冻结法施工的在施工技术中的优越性。

人工冻结法；冻结壁；冻胀；地铁隧道

前言

冻结法施工在地下工程建设中被广泛运用，随着城市的建设的不断发展，冻结法利用人工制冷技术，将松散的含水层冻结成封闭的冻结壁，形成强度高、完整性好且不透水性非常好的临时加固体，从而避免了地下水对地下工程的影响，同时达到加固地层的目的。增加了岩土体的强度和自身稳定性。人工水平冻结法封水性好，对周围环境扰动小并且适用性强，能够增加施工的全面信息化，保证施工的安全。

1 人工冻结法的优缺点

冻结法在地下工程开挖过程作为一种辅助施工法，起到临时支护作用，优点如下：

（1）人工冻结法适用性强，特别是在富水软弱层及复杂的水文地质条件下，由于冻结法的灵活多变，使其在地下工程施工中被广泛运用。

（2）人工冻结壁强度高，并且连续性好，具有较好的均匀性。冻结温度不断减低，则冻结壁的强度不断增大，有些软弱土层冻结后的强度可达原始状态的100倍，并且冻结均匀，无薄弱点。

（3）冻结壁隔水好，并且冻结孔可根据工程需求，灵活布置，也经常被用于抢险救灾工程中。

（4）冻结壁的形成，避免了大开挖，并且无烟尘，施工期间不影响正常交通，有利于保护环境，施工结束后岩土体还能恢复原状，不影响日后地下管线的埋设。

但是人工冻结法也存在诸多问题，施工期间岩土体不可避免的发生冻胀融沉，可能会引起地面的隆起和沉降，对地下的管道建设有一定的影响，并且周期长耗资大。

2 人工冻结法的施工工艺

人工冻结法施工主要分为安装冻结站、铺设冻结器、积极冻结期、维护冻结期以及解冻期。

（1）安装冻结站：冻结站包括蒸发器、冷凝器、节流阀、压缩机、中间冷却器、盐水循环系统设备等。

（2）铺设冻结器：根据相关的设计要求，对土体进行钻冻结孔，并在冻结孔内将冻结器铺设好，然后再把各个冻结孔内的冻结器连接起来，使其形成一个完整的系统，再与冻结站相连接。

（3）积极冻结期：在冻结开始初期，在冻结管的周围形成各自的冻结圆柱，随着冻结时间的不断增加，随着冻结的不断发展，每个冻结圆柱之间相连，之后会形成一片冻土墙，冻土的强度随温度的不断降低而增加，不断减低温度，达到目标强度为止。

（4）维护冻结期：补充土体损失的冷量是这个阶段的主要目的，将地层温度控制在设计温度范围内。

（5）解冻期：在地层开挖之后，永久结构施工完成后，冻结停止，解冻土层，拆除设备。

3 人工冻结法设计及厚度计算理论

（1）冻土墙的结构设计

根据地质水文资料、经济条件以及工程经验来确定施工方案，合理的冻结壁形式决定着施工方案的是否达到预计效果。

冻结壁的主要形式有圆形和椭圆形帷幕、直墙和重力连续墙、连拱型冻土连续墙。大多矿井以及隧道工程的断面都近似于圆形，因此帷幕选用圆形或者椭圆形，这样能够极大程度的发挥其防水和支撑能力。直墙冻帷幕在施工过程中会产生拉应力，而且直墙冻帷幕也不均匀受力，为弥补其结构受力性能差的弱点，常采用内支撑配合其使用。

（2）设计方法

冻土帷幕能否抵挡未冻土的作用，来判断设计方法是否可靠。判断是否能够保证开挖面的稳定。设计步骤：（1）先假设帷幕为理想弹性体，计算强度随时间和温度的变化；（2）根据实际荷载情况，计算帷幕的内力，分析弯矩分布情况，然后对比分析，确定冻土设计参数，借助有限元法进行热交换、位移和稳定性分析。

（3）冻土参数的设计

主要参数设计包括平均温度、冻结孔布置间距、冻结壁厚度、冷冻系统设计、冻结时间、冻结方式等。

①冻结平均温度。为了从整体上来评估冻结壁的性能，在工程中将平均温度作为评估标准，我们一般取值-7℃～-10℃。

②冻结厚度。根据初步计算，初选出冻结壁厚度，然后根据地压以及帷幕的强度对初选的冻结壁厚度进行验算，通过不断调整冻结参数达到资金技术的安全可靠、工期短的优化目标。

③冻结孔布孔间距。根据地层的地质水文情况、冻结体厚度及形状，在施工中，冻结孔间距以0.5～1m为宜。

④冻结时间。

冻结时间主要考虑冻结孔交圈和达到设计冻结壁的时间，需要根据盐水温度和冻土扩展速度来确定。

⑥冻结方式。间接冻结以及直接冻结两种。

（4）冻土墙厚度计算

冻结壁厚度设计要综合考虑冻土强度与变形特征、外部压力和地层的地质水文情况、、冻土的温度场、冻结壁暴露时间和应力场以及开挖断面的大小和步距等诸多因素。工程上人们对冻结壁厚度的取值偏于保守，为克服这种现状，国内外学者运用模型试验、解析方法、有限元方法等手段，对冻结壁厚度计算方法进行了大量研究。目前，有效计算冻结壁厚度的方法主要有三种：一是根据数学力学模型推导出的经验公式；二是数理统计的经验法；三是根据温度孔实测温度变化来推算冻结壁厚度。

4 人工冻结法信息化施工技术

由于人工冻结法施工一般都是一个持续的、动态复杂过程，其过程不容易控制。人工冻结法施工过程中，施工工况、制冷系统运行状况、边界条件、地质条件等因素都会对施工带来影响，并且帷幕强度随温度的变化而不断变化。通过不断调整各种相关参数，来确保冻土帷幕施工快捷、安全有效。目前，我们一般采用现代传感器技术以及软件技术、计算机数据通讯原理，来监测冻结法施工过程，通过反馈的数据，对出现的问题及时解决以保障施工的顺利进行。

信息化施工的主要内容：

（1）监测冻结过程中土体的温度。通过在冻结土体中的不同位置按要求预埋传感器，连续、定时的读取每个测点的温度值，并绘出温度-时间曲线以及温度空间分布图，形象直观的观察冻土帷幕发展趋势，研究冻土帷幕的发展规律，为进一步确定冻结系统参数提供可靠依据。

（2）监测盐水温度。由于冻结法施工工序比较多，并且技术性强，如果冻结施工过程中的一个任何环节出现问题，将导致整个帷幕的质量问题，严重是还会引起重大安全事故，盐水温度可以直接反应出系统是否存在异常。因此，实时监测盐水温度，可以有效判断系统是否正常运作。

（3）监测冻结土体冻胀力。冻土的体积会随着冻结时间的不断增加而增大，由于土体膨胀，因此土体就会产生冻胀力，由于冻胀力的存在，会对周围土体环境产生影响，所以在冻结过程中，必须实时观测冻胀力的大小，保证其在相应的允许范围内，以保证施工安全有效的进行。

5 结语

（1）通过对比分析冻结法施工优缺点，进一步阐述人工冻结法施工在地下工程支护中的优越性。

（2）确定施工工艺，对设计方法不断优化，对平均温度、冻结孔布置间距、冻结壁厚度、冷冻系统设计、冻结时间、冻结方式等参数进行设计，使设计达到最优。

（3）通过人工冻结法信息化施工技术进行分析，信息化施工的主要内容是监测冻结过程中土体的温度、监测盐水温度、监测冻结土体冻胀力。

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