凍結法在隧道工程中的應用

張祖德

（湖南工業(yè)大學土木學院 湖南株洲 412000）

1 凍結法的發(fā)展歷史

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

在礦井建設、地基基礎、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），采用凍結法阻斷地下水、固結地層，容易獲得成功。

2 凍結法的方法及技術特點

2.1 凍土法的特點

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，凍結法與這些方法相比，具有如下特點：

（1）凍結法適應復雜的地質(zhì)條件。凍土強度高，阻水效果好。上?；疑倌噘|(zhì)粘土的單軸抗壓強度為0.02MPa，凍結以后，淤泥溫度為-25℃時，其抗壓強度5.28MPa，滿足地下工程對土體強度的要求。

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

（3）凍結加固均勻，完整。注漿法和深層攪拌樁，只是對土體局部加固，加固范圍不易控制，加固體強度不均勻，而凍結技術可以把設計的土體全部凍成凍土，凍結加固體均勻，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 巖土凍結方法

2.2.1 間接凍結法——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)過制冷壓縮機對制冷工質(zhì)進行壓縮、節(jié)流膨脹的反復循環(huán)做功，將鹽水降至負溫，由負溫鹽水作為傳遞冷量的媒介，將冷量傳遞給需要凍結的巖土層，達到凍結局部巖土的目的。這種凍結方法由三大循環(huán)系統(tǒng)構成：

（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?？色@得20℃～35℃左右的低溫鹽水，用來凍結巖土。

2.2.2 直接凍結法——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用極少）。液氮在1個標準大氣壓下的蒸發(fā)溫度為-196℃，干冰在1個標準大氣壓下的升華溫度為-32℃。在要凍的土體不大或搶險堵水的緊急情況下，用液氮凍結有快速和便利的優(yōu)點。

上述兩種常用的方法既可獨立應用，也可組合應用，達到快速和經(jīng)濟的施工效果。

3 凍結法的應用

3.1 盾構隧道中盾構機進出洞土體加固

盾構推出預留工作井時，需拆除原工作井井壁封門（或臨時墻）。當井壁封門拆除后，如封門后土體不能自立，這時井內(nèi)洞圈的密封裝置還不能阻擋洞外的土體，在復雜應力作用下，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或隧道之間的間隙涌入井內(nèi)，導致工作井受淹。

3.2 盾構隧道對接時土體加固

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

3.3 建筑基坑加固

1862年英國人首先利用凍結技術對建筑物的基坑進行加固?；觾鼋Y加固具有加固均勻，強度高，阻水性好，加固深度大等優(yōu)點，因而，城市房屋建筑基坑開挖土體加固采用凍結技術越來越受到重視。

4 凍結法應用中的若干問題

4.1 凍脹

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

4.2 融沉

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

4.3 地下管線的保護

地下管線受到凍脹和融降產(chǎn)生較大的拉應力和剪切作用，導致地下管線過大的位移，從而對管線產(chǎn)生嚴重的破壞。城市地下管線和市民生活息息相關，所以地下工程施工要對地下管線進行暴露懸吊、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 凍結系統(tǒng)的改造升級

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施工首先要對凍結系統(tǒng)進行改造。上海延安東路越江隧道江西路段凍結加固工程，選用可移動的螺桿冷凍機組，輔機基礎6178m×2m，主機基礎214m×2m，采用冷卻水塔，和煤礦凍結站相比，凍結場地減少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。

5 結語

21世紀建筑工程已開始步入地下空間的世紀。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劃建設之中。由于人工土層凍結法的支后護、隔水作用，以及幾乎不受深度限制，將會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。