城市地下工程冻结法施工技术及其运用

[摘 要]目前，我国很多城市地下工程的施工单位和设计单位都将冻结法作为重要的施工技术，冻结法的掌握程度很大程度上关系到城市地下工程施工企业的竞争力，本文对城市地下工程的冻结法技术进行了详细的分析，并制定了冻结法的技术应用方案。

[关键词]城市地下工程；冻结法施工技术；运用

中图分类号：TU943 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）45-0219-01

冻结法是当前我国城市地下工程施工团队重点关注的方法，冻结法的主要原理是使用人工的冻结技术，降低地下的温度，使地下的水凝结成冰，提高地下土的硬度，避免地下水资源影响地下工程的正常开展。

一、岩土冻结方法

（一）间接冻结法和低温盐水法

间接冻结法是目前城市地下工程施工团队较为常用的方法，将氨或氟利昂作为制冷降温的物质，通过压缩的方式使氨和氟利昂达到可以降低温度的作用。制冷压缩机是最为常用的压缩工具，通过对制冷物质的压缩处理，将盐水的温度降低到零摄氏度以下，温度在零摄氏度以下的盐水是调整地下温度的主要媒介，负温的盐水会将较低的温度释放给地下的土质，使土质内的水分充分冻结，从而提升地下土质的坚硬程度。岩土的冻结需要多个循环系统，首先由氟利昂或氨对温度进行调节，再由盐水循环系统进行温度的传递，最后由冷却水循环系统进行最终的处理。间接冻结法能够将地下的温度降低到零下20℃―零下35℃。低温盐水可以很好的实现地下岩土的冷冻凝结。

（二）直接冻结法

直接冻结法也称液氮冻结法，主要使用液氮作为冻结工作的材质，偶尔也会使用干冰作为冻结工作的物质，但是干冰使用的比例明显低于液氮。在标准大气压的情况下，液氮通过蒸发可以降低196℃，而干冰的升华只能在标准大气压的情况下使温度降低32℃，因此，液氮的冷却效果较好，施工人员应该在选用制冷物质的时候优先考虑使用液氮，如果地下工程的规模较小，或者水资源有可能对施工人员构成安全威胁，施工人员要优先考虑使用液氮对土质进行冻结，保证尽快完成冷冻工作。

二、城市地下工程冻结法的原理和施工要点

（一）城市地下工程冻结法的原理

城市地下工程的施工人员要首先划定需要冻结的地面，然后在地面进行钻孔，并设置注入制冷液的管道，管道要与冻结装置和盐水循环装置相连接。利用冷冻装置制造的低温，降低土质的温度，使土质中的水分充分冻结，让土壤真正成为冻土。冻土的优势很大，既能够根据施工者的需要设置形态，又能够保证具有足够的硬度，还能够在不需要冻结的时候进行解冻。能够真正起到隔离地下水，保证地下施工正常开展的目的。在需要冻结的土质冻结完成之后，施工人员可以进行地下挖掘工程，在地下工程的衬砌支护设施布置完成之后，施工人员可以停止使用冻结技术，使冻土组建的恢复常温。

（二）土壤的冻结过程

施工人员在使用冻结法之后，土壤在制冷技术的影响下温度下降到零摄氏度以下，这一阶段被称作冷却阶段。随着制冷技术的使用，土壤的温度持续降低，但是土壤中所含的水分还没有完全凝结成冰，这一阶段被称作过冷阶段。当土壤中的水分在达到结冰温度的情况下发生凝固，将会释放出一定的热量，土壤的温度会出现暂时性的上升，这一阶段被称作突变阶段。随着制冷技术的持续使用，土壤中水分释放出来的热量被彻底消除，水分完全凝结成冰晶，这一阶段被称作冻结阶段。在制冷技术的作用下，土壤的温度逐渐降低，土壤的硬度也随之逐渐加强，这一阶段被称作继续冷却阶段。土壤的冻结过程主要分为以上几个阶段，而土壤的冻结过程是一个复杂的过程，影响冻结进展的最主要因素就是温度的变化。冻土中的水分并不是完全冻结的，冻土当中的土颗粒薄膜水就不会完全冻结，而是在较低的温度下与冻土中其它已经凝结的水资源共同存在。另外，不同性质的土壤的冻结情况并不相同，砂土在零下0.25℃的情况下能够达到坚硬的状态，而粘土要在零下3.0℃的情况下才能够达到坚硬的状态。

三、 使用冻结技术加固后的土质特征

使用冻结技术之后，土壤的硬度会得到很大的提高，正常情况下，土壤的抗压力会达到2兆帕到10兆帕之间。使用冻结技术处理的冻土具备很强的封水性，可以避免地下水渗透到地下管道中，切实保证地下施工者的安全。冻结技术处理过的土壤拥有很强的适应性，无论是含水量大的土壤还是土质较为松软的土壤都可以使用冻结技术进行处理。冻结法能够保证冻土具备很好的支护性，冻土可以保证没有较大的缝隙，另外，冻土的连接性很好，经过冻结的土壤会形成一个坚固的整体，保证下方施工者的安全。冻结的土壤还可以根据施工人员的需要进行形态的调整，并且随着施工的进展进行延长和缩短，还能够避免地下障碍物影响施工。冻结法仅仅需要使用制冷技术对水资源进行凝固，因此不存在其他对人体有害的化学物质，可以保证施工人员的身体健康，也能够保证自然环境不被破坏。且不需要太高的经济成本。

四、城市地下工程冻结法施工技术所需的设备

（一）制冷压缩机

利用氨作为制冷物质的冻结法往往将活塞式压缩机作为制冷压缩机，活塞式制冷压缩机根据功率大小大概分为三个类型。功率在60千瓦以下的压缩机属于小型压缩机，功率在60千瓦到600千瓦之间的压缩机为中型压缩机，功率在600千瓦以上的压缩机为大型压缩机。

（二）冷凝器和蒸发器

冷凝器与蒸发器是冻结法施工较为重要的设施，蒸发器的主要组成部分是许多金属管，制冷所需的液氨和氟利昂通过蒸发器进行蒸发，蒸发后的气体被金属管吸收，使盐水的温度有效降低。冷凝器的作用主要是将气态的氨和氟利昂转变为液态，冷凝器中含有多个冷凝筒，这些冷凝筒为密封状态，长度在两米到三米不等，直径在一米到两米之间，有些冷凝筒不能完全将氨和氟利昂液化，最终形成的物资是冷却物资的液态气态混合物。

（三）盐水循环设备

盐水循环设备的功能是将已经冷却温度较低的盐水传送到需要进行冻结处理的土壤附近，将较低的温度传递给土壤，并吸收土壤中较高的温度，将温度传送给冻结装置。因此，盐水循环设备的主要功能就是完成地下土壤温度的传递，保证盐水循环设备的通畅运行和设备内温度的保护是盐水循环设备的操作要点。

（四）可移动制冷机组

目前，我国很多城市在进行地下施工时都已经采用了冻结技术，但是，频繁的建立固定的冻结站需要消耗较多的时间成本和经济成本，因此，可移动制冷机组成为了我国很多城市的地下施工团队较为欢迎的施工设备，可移动制冷机组是我国的煤炭开采行业与机械行业联合研发的具备一定科技含量的制冷设施。可移动制冷机组将地下工程冻结技术所需的基本设备进行组装，并固定在同一个可移动底盘上，底盘上唯一没有的设备就是盐水箱，盐水箱可以在可移动制冷机组到达施工现场之后进行安装，安装过程比较简单。可移动制冷机组只需要进行供电，就能够发挥与固定制冷机组同样的制冷功效。

结束语

目前，我国正处于基础设施建设的关键时期，地下工程施工质量的提高是我国基础设施建设质量提升的关键，地下工程冻结技术是保证我国地下工程施工顺利开展的关键技术，深入的分析冻结技术施工需要注意的问题，了解冻结技术所必须的设备，研究冻结工程的具体流程和基本原理，对保证地下工程冻结技术的顺利实施具有十分重要的意义。

参考文献

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