人工冻结法在工程中的应用

摘要：介绍人工冻结法在我国各个工程领域内的应用实例，扼要展望人工冻结法的发展前景

关键词：人工冻结法 特殊地层凿井 土层加固

中图分类号：E271文献标识码： A

20世纪中叶以来许多国家把向地下要空间作为一项国策，并且在发展中取得了卓越的成果。我国也十分重视地下空间的开发利用。自从上世纪60年代，我国开始利用城市地下空间并以初具规模，如北京修建地下铁路，上海建设打浦路隧道，70年代建设大量的人防工程，改革开放以来地下空间的发展更为迅速，典型工程如北京上海广州地铁通车运营，上海建成延安东路越江水底公路隧道还有大量电缆隧道和其他市政工程20余处，总计30余千米。目前我国其他一些大城市也正在进行地铁建设。不仅如此，我国还建设了各种公路隧道、铁路隧道和海底隧道。这些工程的建设极大的促进了我国现代化建设，但是在这过程中也遇到了大量的技术难题，复杂的地质水文条件和其他条件制约了工程建设，某一领域的单一技术手段难以解决问题，这就使这就使得大量不同领域内的技术手段在相互之间应用开来。人工冻结法就是其中一种，从原来的井筒建设应用中逐渐成为各种工程土层加固的很有效的手段。

一．人工冻结法

1、人工冻结技术概念

人工冻结技术是通过把天然的岩土温度降低,形成较高强度、不透水的冻土帷幕,作为临时支撑结构或封水结构的一种特殊施工技术。

2、人工冻结技术优势

人工冻结技术对于含水量大、地层软弱、用其他工法施工困难或无法施工的地下工程具有优势,使得人工冻结技术在使得人工冻结技术在城市地下工程开发中占有较为重要的位置。

3、人工冻结法简介：

天然冻土具有较高的强度及不透水性。人工冻结法是依靠制冷剂物理的传热过程来达到地层，人工降温，使含水、低强度、又易于流动的常温土变成为有相当强度的，不透水的冻土结构物，土层被冻结后，其强度可增大几倍、数十倍甚至百倍，土壤中的水结成冰晶充满孔隙，可隔断与地下水的联系达到封水的目的，这样就可以抵抗地压。然后在其保护下进行地下工程开挖，支护和构筑永久性设施。

冻结法最初起源十天然冻结，19世纪初西伯利亚的采金者首先采用自然冷源。1862年，英国人在南威尔士的建筑基础施土中，首次采用了人土制冷技术来加固土壤，从此揭开了人土冻结法在土程中应用的序幕，1880年, 德国工程师 F. H. Poetch 在国际上首次提出并获得人工冻结法专利。1883年德国技术人员在阿尔巴里德煤矿土程中采用冻结法成功地开凿了深达103m的竖井筒，并获得了冻结法开凿的先利，1886年瑞典在一个长24 m的人行隧道施土中首次使用了水平冻结技术。随后人工冻结法开始在英国、瑞典、波兰、前苏联、美国等许多国家的煤矿和其他工程中应用，取得了很好的成效。我国在1955开滦林西风井开凿中首次应用人工冻结法建造立井，截止2003年已建成440余个立井井筒，井筒总长度超过74km。1987年将冻结法应用于东海拉尔水泥厂卸矿室及斜皮带走廊联合地下基础工程取得了成功之后，逐渐被广泛应用于我国的上海、北京、广州地铁工程和市政基础等10多项工程建设中 。人工冻结法开始在我国大规模应用。

二、人工冻结法工程中的应用：

1特殊地层凿井

特殊地层凿井是人工冻结法最主要的应用方面，人工冻结法也是在特殊地层凿井应用中日益完善。1883年德国首次在阿尔里德煤矿井筒施工使用人工冻结法并取得成功，随后便普遍的在煤矿凿井大量应用。我国自1955年开滦林西风井开凿中首次应用人工冻结法建造立井，截止2003年已建成440余个立井井筒，井筒总长度超过74km。比较有代表性的有立井冻结河南永夏矿区陈四楼副井（深度为435 m），山东金桥副井（穿过的最大冲积层厚度为383.1 m），我国利用人工冻结法凿井最大深度为中煤特殊凿井公司开凿的安徽国投新集能源股份有限公司口孜东煤矿的737m的主井，617m的副井，626m的风井。

2地铁工程土层加固

地铁工程土层加固也是人工冻结法应用的主要方面。上个世纪70年代冻结法首次应用于北京地铁建设工程中冻结垂深28 m，长度90 m，1975 年, 沈阳地铁采用冻结法施工。

3隧道工程土体加固

人工冻结法在盾构施工的隧道中盾构出洞洞口周围土体加固也是应用的重要方面。使用盾构施工的隧道在盾构出洞口时如果不对洞口土体进行加固，就会漏水滑沙造成地面沉降，严重时会造成更大的事故。由于人工冻结法具有良好的封水性和高强度，很好的解决了盾构出洞的难题。

4桥梁桩基工程

桥梁桩基工程在施工挖至一定深度时由于地质因素会发生涌沙涌水事故给施工造成困难。于是工程师想到人工冻结法，冻结后的土层具有较好的隔水性，这就能够阻止涌沙涌水，并且加固了基础。

人工制冷冻结施工技术1987年首次应用到安徽凤台淮河大桥西岸主桥墩施工。安徽凤台淮河大桥位于凤台县城境内，是横跨淮河的一座斜拉桥。两座主桥墩分设于东西两岸，其中西岸主桥墩设计为两根桩基，采用沉井法施工，当两井筒沉至底部垂深24m左右时，均发生工作面四周涌沙涌水事故，涌沙涌水量很大，且出现沉井井筒周围表土下陷，故停止施工，后选用人工冻结施工技术进行处理。我国第一、世界第三的特大跨径悬索桥润扬大桥的南锚施工也使用人工冻结，施工封水效果好，施工可操作性强的“排桩冻结法”，在世界上罕见。

5特殊地段工程事故处理

广州海公隧道工程建设中，工程施工过程中引起广州贸易大厦门前出现大面积塌陷，使得工程停止，严重影响到交通商贸、地下管线和设备安全，更危及大厦建筑基础，虽对塌陷地区进行注浆加固，但地层仍不稳定，继续施工风险依然存在，施工工期无法得到保证。经专家反复讨论论证，确定采用冻结法对地层进行加固，经过精确的计算和良好的施工，最终取得成功。

上海地铁四号线董家渡段发生事故，已建间隧道局部发生坍塌。为修复隧道先在坍塌两端进行垂直局部冻结，在冻结壁的保护下清空完好隧适内泥水并施上混凝上塞子，待塌陷采用水平冻结支护进行修复后隧适与原隧道对接。

三、人工冻结技术在城市地下工程中的应用领域

人工冻结技术在上海城市地下工程中的应用,主要有以下几种工程：

①隧道联络通道及泵站

②盾构进出洞土体加固

③在地铁修复工程中的应用；

1上海近几年施工的越江隧道的联络通道都是人工冻结，技术施工的,其联络通道所处位置较深,一般在-30 m~-35 m之间。

2上海已建和在建的地铁线路中,区间隧道联络通道及泵站90%以上工程均采用人工冻结技术施工,大部分联络通道埋深都在-13 m~-20 m之间。

3国内很多盾构进出洞都采用人工冻结的方法，冻结法按冻结管的位置分成两种:一种是垂直冻结法;一种是水平冻结法。

五、小结

人工冻结法还在街区明挖施下、地下水泵站施工以及其他领域，这充分表明人工冻结法具有很强的拓展性。系统总结和发展已取得的理论研究成果和施工实践经验，对推动冻结法更加经济安全可靠的应用，拓宽冻结法应用领域具有长远的意义。随着我国经济建设的发展, 富含水困难地质条件下的城市地下工程将日益增多, 为冻结法的应用提供了广阔的空间。人工冻结法适宜于以及松软地层的隧道、地铁和地铁车站、排水泵房、地铁主干道间的联系通道、盾构施工的端头井施工，有着广阔的应用经济前景。

参考文献

1张世芳，杨小林.深厚表土矿井建设技术 北京 煤炭工业出版社 2002

2楼根达，尤旭东.上海地铁联络通道冻土帷幕结构计算模型研究 ――周兴旺等编.矿山建设学术会议论文学集 徐州 中国矿业大学出版社2003

3王建平等.广州地铁隧道长距离水平冻结施工技术――周兴旺等编.矿山建设学术会议论文学集徐州 中国矿业大学出版社 2001

4杨爱东.单管冻结温度场数值计算研究―引言硕士学位论文