应用技术 啊Ｉ 岩土工程冻结法的应用 边［摘磊 ０３１３０２） （山西汾西矿业（集团）有限责任公司河东煤矿要］由于岩土工程冻结施工方法适应性强，可与许多边界条件及要求相适应；封水可靠，可实现人工干挖施工，有利于保证各类结构的施工质量；对环 境保护有利，无异物进入土壤，对周围环境扰动小等的优点，所以它广泛用于矿山、地铁、隧道、基坑、边坡等工程建设中。本文就这几个方面论述冻结技术在岩土工 程领域的应用。 ［关键词］基本原理；应用领域 中图分类号：ＴＰ４２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—９１４Ｘ（２０１４）３９—０２５５一Ｏ１ １、岩土工程冻结法的基本原理 冻结法的原理是利用人工制冷的方法，将低温冷媒送入地层，把要开挖体 周围的地层冻结成封闭的连续冻土墙，以抵抗土压力，并隔绝地下水与开挖体 之间的联系；然后在这封闭的连续冻土墙的保护下，进行开挖和做永久支护的 一种地层特殊加固方法。 这样使冻结管周围地层由近向远不断降温，逐渐使地层中的水变成冰，把 原来松散或有空隙的地层通过冰胶结在一起，形成不透水的冻土柱。若干个这 样的冻结管排列起来，通过冻结管内的冷媒不断循环，使这些冻结管周围土都 冻成冻土柱。随着冻土柱半径不断扩展，相邻冻土柱就会相连，彼此通过冰紧密 结合在一起，形成密封连续墙。 ２ 岩土工程冻结法的应用领域 ２．１冻结法在煤矿井简施工的应用 冻结法凿井在我国煤矿事业中占有相当重要的地位，它的应用使井筒掘砌 速度加快，并且加强冻、掘配合不仅提高了安全系数、降低了工程成本，而且缩 短了建井工期 冻结在方案设计和施工过程中为掘砌提供上部不片帮、深部少挖冻土的有 利条件；掘砌采用大抓出土减少井帮暴露时间、采用高强混凝土井壁以减小井 筒掘砌荒直径、采用早强剂等手段提高外壁的早期强度以减少冻结壁变形。 随着冻结法凿井向更深、更广开拓的同时，井壁安全问题显得尤其重要。因 此应采取以下措施： （１）对冻结壁实时进行冻结温度场信息化分析，对冻结壁发展情况进行不 间断地预测预报，准确掌握它的发展状况，为冻结站合理地调控盐水温度和盐 水流量提供了决策依据； （２）通过冻结温度场信息化分析，预测冻结壁平均温度、平均厚度和井帮温 度，为井筒掘砌安全、快速、连续施工提供技术保障。 ２．２冻结法在地铁车站的应用 在地铁施工中，冻结法主要应用于盾构进洞、出洞加固，旁通道构筑和地铁 修筑中薄弱地段加固。这几个方面的应用如下： （１）隧道盾构进出工作井时将面临较大的水压和土压变化，可能出现土 体坍塌和涌水。若用冻结技术加固，则可靠快捷，抑制了事故的发生， （２）局部冻结法在大直径泥水平衡盾构出洞工程中成功应用，解决了以往 采用搅拌桩、注浆、旋喷法等方法加固的土体不均匀，而且局部薄弱带不能封堵 压力泥水的弱点。冻结法形成的冻土墙均匀性好、强度高，可保证滴水不漏。 采用局部冻结法，同时采用板块加拱棚冻结技术，使盾构开挖面泥水保持 压力平衡，确保盾构安全出洞；另外局部冻结工艺可有效的防止冻胀和融沉现 象对工程的不利影响，减少制冷量和有效地保护周边环境。 （３）城市地铁往往由于条件限制，无法从地面开凿工作井，此时，两对头掘 进的盾构隧道，其对接区采用冻结技术加固，不仅可使土体强度提高，还可起到 阻水作用。例如日本大阪东南部的排水隧道，直径６．５ｍ，长８．５ｋｍ，分５个工区 掘进，采用地下或海下对接，由于不开凿地面立井，成功应用冻结技术加固，保 证了工程顺利完成。 （４）地铁泵房、旁通道和急转弯部位的冻结加固。根据现代城市地铁安全设 计的要求，间距ｌｋｍ左右时，需在并排区间隧道间设立泵站，此外，地铁工程还 有一些旁通道和急转弯部位。在这些区域采用盾构法施工往往较困难，而且 很不经济。美国、英国等国在这些部位常采用冻结法对周围土体加固，然后用矿 山法掘进；在上海地铁１号线思南路旁通道施工前虽然采用了旋喷法加固，但是 施工时仍然发生了３次涌砂现象，后来采用冻结技术加固，效果很好，宁海西路 下行泵站中采用冻结加固，经加固后的土体满足强度和抗渗要求。 ２．３冻结法在水平隧道施工的应用 地铁工程的隧道进洞施工有的需采用冻结法打水平钻孔。水平冻结孔钻进 必须采取以下技术措施： （１）为克服钻具固有的“下垂”作用，在钻孔过程中需要在钻具转数、钻孔加 压、洗井液流量及顶管与正反转方面加以有效配合，协调钻进参数，在钻进工艺 方面采取有效措施； （２）在钻机上加导向扶正装置，尽量减少“下垂力”； （３）尽量减轻钻具前部重量，用以减小钻具悬臂力矩； （４）钻头设计成“咬土”形状，使冻结钻孔尽可能沿水平直线前进； （５）用“旋塞式可逆止钻头装置”，用钻杆代冻结管，以解决起钻后因地层坍 塌而无法插入冻结管的问题，用该装置钻孔时可正常洗孔，钻完后立即密封钻 具系统，避免砂土涌入管内，经过简单洗孔，旋上旋塞，完全可满足冻结时所需 要的密封性。 实践证明，水平冻结加固技术是一项安全性好、可靠性高的含水软土地层 加固新技术。该技术在隧道内进行，无需占用施工场地，为城市地下建设提供了 新的施工方法。工程冻胀、融沉等诸多可控制技术，使冻结加固技术的优越性在 含水软土地层条件下的城市建设中得到充分利用。并且利用地表、地铁隧道的 变形监测数据及其它信息指导、调整各环节的施工工艺在城市繁华地区内施工 尤其重要。 ２．４冻结法在建筑基坑的应用 在基坑的开挖过程中，采用冻结法对它的支护，往往应该考虑冻土墙暴露 面的绝热保护设计和抑制冻胀防止下沉的问题。 冻土墙暴露面的绝热保护设计提供两种方案，一是喷一层混凝土，它不但 可以作为隔热材料，还可以作为承载结构的一部分；二是把旋喷桩和冻结法结 合起来，利用旋喷桩隔热，同时与冻土墙联合护壁。两种设计方案可以根据现场 施工条件选择。 冻土墙解冻时脱水，往往会引起土体体积收缩，使地层产生下沉，对周边建 筑物有很大的破坏作用，而要开挖的基坑位于四面都是建筑物的空地上，在施 工过程中必须采取措施，保证周边建筑物的安全，因此，抑制冻胀防止下沉成 为必须解决的问题。 ２．５冻结法在桥梁基础施工的应用 在桥梁基础施工过程中采用冻结排桩围护结构体系，其设计思想是：排桩 加内支撑作为受力围护结构，同时利用人工冻结基坑周围土层，在排桩外侧四 周形成冻土壁用于止水。其工法特点是：充分利用人工冻土壁具有极好的封水 性能、钻孔灌注桩易于嵌岩施工、内支撑机构受力体系明确易控制等优点，同时 为保证施工安全，冻土壁不参与围护结构受力计算，间隔排桩的外荷载为水土 压力和冻胀力，整体围护结构体系清晰明朗。该方法封水性能好，易于施工和保 证质量，是排桩式围护结构与冻结法的有机结合。 ３，小结 冻结法作为一种辅助施工方法，应用于地下水作用和不良的岩土地层条件 下的施工，可以起到隔绝地下水和临时承载的作用。冻结法能适应复杂的水文 地质和工程地质条件，适用于任何尺寸、形状和深度的开挖工程及结构，防水和 加固地层的能力强，对地下水水质不产生污染，可靠性高，是一种有效的特殊施 工方法，尤其特别适用于松散含水表土地层的土木工程施工。 岩土工程冻结法的技术在我国已基本上成熟了，但在理论研究和过程实践 中还会出现很多问题，我们应该积极探索和发现，将这些问题解决。我坚信随着 科学技术的发展，并鉴于冻结法的许多优点，岩土工程冻结法会用在我国工程 的许多领域，并发挥重要的作用。 参考文献 ［１］崔广心、杨维好、吕恒林．深厚表土层中的冻结壁和井壁．中国矿业大 学出版社． 【２】徐伟、黄建华、钟建驰深．基坑冻结排桩围护结构体系变形分析和应用． ［３】东兆星、崔广心．深基坑支护中冻土墙力学特性研究综述．岩土力学． 科技博览｛ ２５５
