張祖德

（湖南工業(yè)大學(xué)土木學(xué)院 湖南株洲 412000）

1 凍結(jié)法的發(fā)展歷史

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?。ㄐ∮?m/d），采用凍結(jié)法阻斷地下水、固結(jié)地層，容易獲得成功。

2 凍結(jié)法的方法及技術(shù)特點(diǎn)

2.1 凍土法的特點(diǎn)

我國城市地下工程常采用注漿、深層攪拌樁、地下連續(xù)墻等加固方法，凍結(jié)法與這些方法相比，具有如下特點(diǎn)：

（1）凍結(jié)法適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件。凍土強(qiáng)度高，阻水效果好。上海灰色淤泥質(zhì)粘土的單軸抗壓強(qiáng)度為0.02MPa，凍結(jié)以后，淤泥溫度為-25℃時(shí)，其抗壓強(qiáng)度5.28MPa，滿足地下工程對(duì)土體強(qiáng)度的要求。

（2）凍結(jié)施工方法靈活，形式多樣。凍結(jié)加固體形狀可根據(jù)需要靈活設(shè)計(jì)，既可形成圓柱形加固體，又可形成棚拱形加固體。凍結(jié)范圍大至整個(gè)街區(qū)，小至局部搶險(xiǎn)工程。

（3）凍結(jié)加固均勻，完整。注漿法和深層攪拌樁，只是對(duì)土體局部加固，加固范圍不易控制，加固體強(qiáng)度不均勻，而凍結(jié)技術(shù)可以把設(shè)計(jì)的土體全部凍成凍土，凍結(jié)加固體均勻，整體性好，可形成城市地下工程帷幕。

（4）封水效果好?？梢员ＷC開挖工作面在不滲、不漏的無水條件下作業(yè)。

2.2 巖土凍結(jié)方法

2.2.1 間接凍結(jié)法——低溫鹽水法

其原理是：以氨、氟利昂或其它物質(zhì)作為制冷工質(zhì)，經(jīng)過制冷壓縮機(jī)對(duì)制冷工質(zhì)進(jìn)行壓縮、節(jié)流膨脹的反復(fù)循環(huán)做功，將鹽水降至負(fù)溫，由負(fù)溫鹽水作為傳遞冷量的媒介，將冷量傳遞給需要凍結(jié)的巖土層，達(dá)到凍結(jié)局部巖土的目的。這種凍結(jié)方法由三大循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成：

（1）氟利昂（或氨）循環(huán)系統(tǒng)；

（2）鹽水循環(huán)系統(tǒng)；

（3）冷卻水循環(huán)。

采用這種制冷方法通常可獲得20℃～35℃左右的低溫鹽水，用來凍結(jié)巖土。

2.2.2 直接凍結(jié)法——液氮法

此法常用的冷源物質(zhì)有液氮和干冰（但干冰在工程上的應(yīng)用極少）。液氮在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的蒸發(fā)溫度為-196℃，干冰在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的升華溫度為-32℃。在要凍的土體不大或搶險(xiǎn)堵水的緊急情況下，用液氮凍結(jié)有快速和便利的優(yōu)點(diǎn)。

上述兩種常用的方法既可獨(dú)立應(yīng)用，也可組合應(yīng)用，達(dá)到快速和經(jīng)濟(jì)的施工效果。

3 凍結(jié)法的應(yīng)用

3.1 盾構(gòu)隧道中盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞土體加固

盾構(gòu)推出預(yù)留工作井時(shí)，需拆除原工作井井壁封門（或臨時(shí)墻）。當(dāng)井壁封門拆除后，如封門后土體不能自立，這時(shí)井內(nèi)洞圈的密封裝置還不能阻擋洞外的土體，在復(fù)雜應(yīng)力作用下，極易產(chǎn)生大量土體涌入工作井，造成洞口周圍大面積地表下沉，危及地下管線及附近建筑物；如在地下水位下出洞而不采取措施，井外泥水還將不斷從洞圈與盾構(gòu)或隧道之間的間隙涌入井內(nèi)，導(dǎo)致工作井受淹。

3.2 盾構(gòu)隧道對(duì)接時(shí)土體加固

近年來，世界上許多國家的盾構(gòu)隧道采用對(duì)頭掘進(jìn)，以縮短工期，除采用立井對(duì)接方式外，還采用不開鑿立井而在地下或海底直接對(duì)接。

3.3 建筑基坑加固

1862年英國人首先利用凍結(jié)技術(shù)對(duì)建筑物的基坑進(jìn)行加固。基坑凍結(jié)加固具有加固均勻，強(qiáng)度高，阻水性好，加固深度大等優(yōu)點(diǎn)，因而，城市房屋建筑基坑開挖土體加固采用凍結(jié)技術(shù)越來越受到重視。

4 凍結(jié)法應(yīng)用中的若干問題

4.1 凍脹

人工凍結(jié)工程中的土體凍脹現(xiàn)象影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長，是目前人工凍土理論研究和工程實(shí)踐中的重要問題之一。具體表現(xiàn)為土體凍結(jié)后體積發(fā)生膨脹，使周邊地層受到擠壓和抬升。研究表明，凍結(jié)法施工過程中凍土內(nèi)部發(fā)生的劇烈相變會(huì)造成相當(dāng)大的凍脹力和變形，可能會(huì)對(duì)凍結(jié)工程周邊地層環(huán)境造成嚴(yán)重影響，導(dǎo)致地下建筑、隧道、管線、基礎(chǔ)工程和地表建、構(gòu)筑物穩(wěn)定性降低甚至發(fā)生破壞性變形。

4.2 融沉

凍結(jié)法施工是利用人工制冷技術(shù)加固土體，具有強(qiáng)度高、止水性好、不受支護(hù)范圍和深度的限制等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于地鐵聯(lián)絡(luò)通道土體加固工程。然而人工凍結(jié)法施工后，地基土經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，其工程力學(xué)性質(zhì)將發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致工后地基土不均勻沉降過大。實(shí)測數(shù)據(jù)表明，人工凍結(jié)法施工區(qū)域的地基土長期沉降較為顯著，如杭州地鐵1號(hào)線自2012年11月正式運(yùn)營以來，代表性區(qū)間采用凍結(jié)法施工的地鐵道床（近聯(lián)絡(luò)通道處）6個(gè)月內(nèi)最大沉降量分別達(dá)到9.7和23.6mm，使地鐵運(yùn)營安全受到影響。因此，對(duì)地鐵循環(huán)荷載作用下人工凍融土動(dòng)力特性的研究，建立相應(yīng)的孔壓模型對(duì)控制凍結(jié)法施工的工后沉降，保障地鐵運(yùn)營安全具有重要意義。

4.3 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(duì)管線產(chǎn)生嚴(yán)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(duì)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。

4.4 凍結(jié)系統(tǒng)的改造升級(jí)

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(duì)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(dòng)的螺桿冷凍機(jī)組，輔機(jī)基礎(chǔ)6178m×2m，主機(jī)基礎(chǔ)214m×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%，降低工程造價(jià)。

5 結(jié)語

21世紀(jì)建筑工程已開始步入地下空間的世紀(jì)。各種地下工程——地下電站、地下鐵道、越江、越海隧道及地下市政工程正在興建或計(jì)劃建設(shè)之中。由于人工土層凍結(jié)法的支后護(hù)、隔水作用，以及幾乎不受深度限制，將會(huì)受到越來越多的重視，并將在各種地下工程中發(fā)揮其特有的作用及優(yōu)勢。