岩土工程冻结法--课程学习论文

《岩土工程冻结法》课程报告学号班级姓名浅析岩土冻结法在城市地下工程中的应用摘要: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。

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。

冻结法还在街区明挖施下、地下水泵站施工以及其他领域，这充分表明冻结法具有很强的拓展性。

特别是近年来，我国北京、上海、广州、天津等城市地铁建设，以及将陆续兴建的南京、深圳等16个大城市地下快速交通线路建设，为冻结法的应用开辟了广阔的前景。

岩土工程冻结法在我们的土木建设中占据着重要的地位，这项技术在国内外也日趋成熟，并且在一些施工较为困难的场所屡建奇功。

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。

关键词:冻结法, ,岩土工程，应用岩土工程专业是土木工程的分支，是运用工程地质学、土力学、岩石力学解决各类工程中关于岩石、土的工程技术问题的科学。

作为其重要的组成部分,城市地下空间工程也是岩土工程中发展潜力较大的一个重要组成部分。

我国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，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。

岩土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。

在地铁，隧道，桥梁，特殊地段事故处理中，乃至水利水电工程，工厂，仓库，地下输送管道，军事工程（地下实验场、核发射井）等。

1岩土冻结法的简述1.1岩土冻结法的原理冻结法是在岩土工程开挖之前，用人工制冷的方法将开挖工程周围的岩土层冻结成封闭的冻结圈（壁），以临时加固地层，抵抗地压，隔绝地下水，然后在冻结壁的保护下进行正常施工的一种特殊施工法。

首先要打一定数量的冻结孔，孔内安装冻结管或冻结器。

冷冻站制出的低温盐水（大约-30ºC）经输送干管到各孔内冻结器，再由回路干管返回到冷冻站的盐水箱。

低温盐水在冻结管中沿环形空间流动时，吸收其周围岩层的热量，使周围岩层冻结，逐渐扩展形成冻结壁。

随着盐水循环的进行，冻结壁厚度逐渐增大，直到达到设计厚度和强度为止。

1.2岩土冻结法的特点我国城市地下工程常采用注浆、深层搅拌桩、地下连续墙等加固方法, 冻结法与这些方法相比, 具有如下特点:( 1) 冻结法适应复杂的地质条件。

冻土强度高, 阻水效果好。

( 2) 冻结施工方法灵活, 形式多样。

冻结加固体形状可根据需要灵活设计, 既可形成圆柱形加固体, 又可形成棚拱形加固体。

冻结范围大至整个街区, 小至局部抢险工程。

( 3) 冻结加固均匀, 完整。

注浆法和深层搅拌桩, 只是对土体局部加固, 加固范围不易控制, 加固体强度不均匀, 而冻结技术可以把设计的土体全部冻成冻土, 冻结加固体均匀, 整体性好, 可形成城市地下工程帷幕。

1.3岩土冻结法的优点那它具有哪些优点呢？由于冻土中关键成份冰的力学性质主要取决于温度和时间,故地层的地质情况不是主要的因素。

相对其他工法来说,它可用于任何含水的土层或岩层中,无论什么样的结构、颗粒或渗透特性。

尽管饱和含水量对冻结法更好,但即使含水量低到10%时, 冻结法应用也不会有什么问题或困难。

软土、流沙层、砾石地层,以及高水压或高土压地层,冻结法更具优越性。

土层或岩层非均质时注浆困难, 可是非常易于冻结。

在打桩或降水困难或不可能时,有可能造成沉降的这类地层, 冻结法将是最佳工法。

诸如有建筑填石、桩或旧建筑物基础的地方,其他工法非常困难,而冻结法就容易多了。

冻结法无烟,无震动,无冲击和强烈噪音,因而它适合于环保要求严格的地方。

无论是冻结过程中还是融化后,冻结法对地下水及水位几乎没有影响。

因而它适合那些对地下水质及水位控制严格的地方。

冻结法几乎完全以地层本身的物质形成支护体系,基本不要其他材料。

在三材缺少,或有时暂时无供货的地方,冻结法不会受影响。

由于地层冻结系统可有多种大小的设备及不同方式组成,因而它非常适合那些场所受限,甚至难以接近的地方。

1.4冻结法的施工工艺冻结法的施工工艺主要包括以下几个阶段。

(1) 冻结站安装。

冻结站由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀、中间冷却器、盐水循环系统设备等组成。

(2) 冻结管的施工。

钻冻结孔, 在冻结孔内设置冻结器, 将不同冻结孔内的冻结器连成一个系统, 并与冻结站连接。

(3) 冻结期。

冻结壁首先从每个冻结管向外扩展, 在每个冻结管周围形成冻结圆柱, 当各冻结管的冻结圆柱连成一片时, 随着冻结时间的延长, 地层的平均温度逐渐降低, 冻土墙的强度也逐渐增大。

当地层温度达到设计温度时, 该阶段结束。

(4) 维护冻结期。

此阶段主要是补充地层的冷量损失, 维持地层的温度稳定。

(5) 解冻期。

当地层开挖和永久结构施工完成,就可以解冻, 拔除冻结管。

3岩土冻结法在城市地下工程中的具体应用3.1在深基坑工程中的应用在现代工业、交通与城市建设中, 基础工程的规模越来越大, 基坑的挖掘深度已向50m 甚至更深发展,而且工程几乎都在潜水位以下。

当开挖深度大于6~10m, 维护基坑稳定的难度较大。

冻结法在复杂和特殊地层施工中具有很大的优越性。

当挖掘深度大于10 m、地层复杂和邻近有重要建筑物或生命线工程而不允许降水的情况下, 冻结法则是最好的选择:( 1) 它本身就是地下水的控制系统, 防渗性能是其他施工法所不能相比的。

( 2) 工方便。

新研制的移动式制冷机组和汽车钻能胜任任何基坑的冻结施工。

60 m深的冻结孔质量完全能够得到保证, 因此可获得高质量的冻土帷幕。

( 3)可根据不同地质条件灵活地布置冻结孔和调节冷媒水温度; 特殊情况下还可采用液氮进行快速抢险冻结。

（ 4) 工程结束后所有设备、管路( 包括冻结管) 、盐水都可以回收复用, 满足环保的要求。

冻结工程成本与其他施工法处于相同的数量级。

基坑越深、开挖体积越大, 冻结法施工越具优越性。

3.2在盾构隧道进出洞土体加固中的应用盾构进出洞时, 承受着工作井附近土体产生的巨大地压和水压, 可能导致涌水和土体坍塌。

目前常用旋喷技术和注浆法加固土体, 效果不够理想, 常遇到注浆不均匀和盾构刀盘切削浆液结石体等困难, 而冻结技术能有效地解决这些问题。

3.3岩土冻结法冻结钻孔和地下障碍物钻进城市交通是市民生活的重要组成部分,而城市地下工程冻结施工要尽可能减小对交通的影响及如何缩短 切断交通 时间, 冻结孔的倾斜和水平布置无疑是解决这个难题的有效措施。

但我国的水平钻孔技术还不成熟, 有待开发。

此外, 城市地下工程施工常遇到因城市改造而遗留下来的老房基础等障碍物, 加上地下管线的限制, 这使得钻孔布置间距要拉大, 而钻孔间距的拉大又和缩短冻结工期矛盾。

非圆形冻结的冻土扩展速度比煤矿井筒冻结速度快。

因此, 可采用扩大冻结管直径, 必要时, 局部采用液氮冻结等措施来解决冻结孔间距扩大与缩短冻结工期的矛盾。

3.4岩土冻结法地下管线保护的应用地下管线受到冻胀和融降产生较大的拉应力和剪切作用, 导致地下管线过大的位移, 从而对管线产生严重的破坏。

城市地下管线和市民生活息息相关, 所以地下工程施工要对地下管线进行暴露悬吊、包扎保温材料等处理, 尽可能减小冻胀力和冻胀、融降量, 以确保地下管线的安全。

4岩土冻结法有待解决的一些问题尽管岩土冻结法有如此多的作用与优点，但这门技术还是有许多缺陷值得我们去探讨。

(1)冻土模型问题。

目前在进行冻土结构受力分析时仍然沿用常规的弹性或弹塑性模型, 实际上冻土的强度与变形都是随温度而变化的, 简单进行模拟会带来一定误差。

这个问题需要专家们努力研究，尽早找到更加合理的方案。

(2)冻结孔布置问题。

目前对于冻结孔布置的依据主要是单孔冻结柱直径, 对于平行布孔模式误差不大, 对于发散型模式所带来的差异却是不可忽视的。

(3)冻结壁厚度问题。

一定温度下的冻结壁厚代表着冻土强度, 而冻土强度的确定与其模型有关,因此冻结壁厚度的确定最终要归结到冻土模型上,这也更要求对冻土模型进行深入研究。

(4)施工前期冻结引起的冻胀现象。

冻胀会对附近地下已建结构产生冻胀力作用, 轻则使结构产生变形, 重则会导致结构破坏, 此外还可能引起地面隆起, 虽然目前可以通过施工卸压孔来减小冻胀力,但是这种方法纯属经验, 且不十分有效。

影响冻胀的因素除含水量的多少外, 还与冻土压力大小、冻结速度快慢、冻结温度高低、冻土中水量补给状况等因素有关。

冻土的融沉是相对冻胀产生的, 因为冻土融化后,土中水分因自重作用渐小, 融土在围岩压力及土颗粒自重作用下, 压缩体积引起融沉。

冻胀及融沉的主要预防措施有:加强冻结壁温度、厚度监测, 及时调节冻结盐水温度和冻结时间, 并尽可能采用间隔制冷冻结措施。

在开挖断面内外, 视地层情况开挖泄压孔, 减少冻胀压力, 控制冻胀影响范围和方向。

加快盐水降温速度, 加大盐水流量, 以利加快冻土发展进度, 减少冻土的水分迁移。

(5)施工完成后冻土融化会产生融沉现象。

如果冻土体积过大会引起地面沉降, 最严重的是地面沉降可能导致地面建筑结构的开裂、地下各种相关管线变形、开裂等现象, 这是绝对不允许的, 目前通常采用后期跟踪注浆来控制融沉, 但是与控制地面隆起相似, 控制融沉方案也基本上以经验为主。

还有就是在隧道开挖过程中, 根据揭露地层情况, 在软土、黏土中预埋或预留注浆孔。

在冻结壁融化时, 视融沉发展情况, 及时跟踪压密, 注浆控制融沉。

在开挖隧道断面内布设测点, 跟踪监测地面及冻结壁的位移情况, 及时分析、处理。

(6)冻结施工过程管理问题。

就冻结方法本身来说冻结施工工艺已经十分成熟, 但是对于城市地下工程来说, 冻结法的难点主要在施工中各个环节的衔接上, 任何一个环节出现问题都可能导致整个工程的失败, 例如联络通道施工一般分为以下几个过程:加固拟建通道四周土体形成加固帷幕;打开隧道管片；分段开挖加固帷幕内土体；分段建造通道临时支护以及永久支护；通道建造完成后关闭隧道管片。

在通道建造过程中, 从打开隧道管片时起直到关闭管片, 已建隧道就一直面临可能发生的危险, 方案设计和施工管理等任何一个环节的疏忽大意都可能导致已建隧道发生灾难性的破坏, 特别是在饱和软粘土地区施工, 上海地铁4号线黄浦江底冻结法联络通道就是一个惨痛的教训。