[高等教育]地层冻结法

地下工程冻结法施工工程实例

126 实例8：用于隧道支护中的地层冷冻法（隧道译丛1985-5）1．以往的应用在冻结的地层中开挖洞室，采用任何一种方法，有时总会遇到意外的困难。

而爆破法或许是一种有效的方法。

与岩石比较，当然冻结的材料不如其坚硬，但对于起爆点来说不存在裂化。

冻结的地层是致密和不透水的。

用人工法来冻结地层使地层更加坚固和密实，这一概念是在大约一百年以前产生的。

德国人首先采用在通过含水土层的矿山竖井施工中。

在瑞士第一次考虑采用这种方法要追溯到1908年对勒奇堡铁路隧道的病害处理。

当时松散地层伴随高压水意外地坍塌，水和碎石涌入开挖的坑道，大约充填了1km ，淹没了25个人(图1)。

为了定出沿隧道轴向劣质土体的长度，用一台德国冷冻压缩机从地表打下两个勘探孔，一直打下220米深，超过隧道底部，发现底下没有岩石，即确定出隧道的位置后，沿轴向必须要通过350米极坏地层。

若用冷冻压缩机从地表通过钻孔来冻结地层或许能够开挖，然而当时这样一种装置的造价超过一般通用的设备，造价昂贵。

因此，决定改变隧道方向，来一个大的拐弯，使隧道轴线不脱离密实的岩层。

这样就使隧道延长了约800米，但允许用常规的爆破法继续开挖。

在瑞士第一次真正使用冷冻法是1968年在翁格林(Hongrin ）属于水工用途的一个过水隧洞。

当时证明，在不得已的情况下冷冻法是最后一种可采用的手段。

由于隧洞完全位于岩层之中，又加上高压水的作用，使隧洞堵塞停工达两年。

在试用其它方法处理以后，在这种情况下求助于冷冻法。

围绕奥尔滕(Olten)铁路系统改建工程中，有一浅埋的博尔纳(Born)隧道已经施工。

部分位于粘土层斜坡上，由于覆盖层相当薄，冷冻是靠从地表垂直打下或多或少的管子来实现的。

2．米尔黑布克隧道最近的一个工程实例是在苏黎士市区的米尔黑布克(Milchbuck)公路隧道。

对于这个例子我们将比较详细地加以讨论，不仅阐述这—施工方法的特性，还要对如何解决与市区的正确位置有关的问题进行讨论。

土层加固特殊方法的技术特点

土层加固特殊方法的技术特点土层加固特殊方法——冻结法主要是利用人工制冷技术，使地层十层中的自由水冻结，并将土层中矿物质颗粒胶结成致密整体冻土，使土的强度和稳定性增强，并具有止水的性能。

标签土层；加固；特殊；方法；技术人工利用冷冻方法有目的地为建设施工服务。

从近代，煤炭建设者们将人工冻结技术应用于矿山井筒开挖建设，从20世纪80年代中期开始，冻结围护技术逐渐从矿山建设推广到各类市政工程的应用中，在北京、上海、广州以及南京的城市地铁施工中，采用冻结技术成功的完成了一些隧道建设施工。

1 冻结法的概念及主要技术特点1.1 冻结法的概念冻结法主要是利用人工制冷技术，使地层十层中的自由水冻结，并将土层中矿物质颗粒胶结成致密整体冻土，使土的强度和稳定性增强，并具有止水的性能。

对地下土层实施冻结是通过冻结管来完成的。

将冻结管放置在土层内，冻结管内的冷冻媒流入进管和回管，通过与地层进行冷、热交换，将冷量传递给周围地层，而将地层中热量带走，由此使冻结管周围地层由近向远不断降温，逐渐使地层中的水变成冰，把原来松散或有空隙的土层矿物颗粒通过冰胶结在一起，形成不透水的冻土柱。

若干个这样的冻结管排列起来，通过冻结管内的冷媒不断循环，使这些冻结管周围土都冻成冻土柱。

随着冻土柱半径不断扩展，相邻冻土柱就会相连形成冷冻墙。

2 冻结法施工技术的分类在地下工程施工中有竖向开挖施工，也有水平或者斜向开挖施工，根据地下工程的开挖需要，可以将冻结法分为垂直冻结技术、水平冻结技术和斜式冻结技术三种。

2.1 竖向冻结主要用来隔绝来自侧向的地下水以及抵御侧向的土压力，例如：矿山中开凿竖井筒、深基坑施工中的支护工程等均属于竖向孔冻结技术。

2.2 水平冻结技术主要用来隔绝来自上部和侧向的地下水以及抵御上部和侧向的土压力，例如：城市地下铁道的隧道施工等。

2.3 斜式冻结技术主要用来隔绝来自上部和侧向的地下水以及抵御土上部和侧向的土压力，例如：城市倾斜隧道或者是地铁之间倾斜连接通道等隧道施工。

地层冻结加固方法

地层冻结加固方法在广州地铁海公区间施工中的应用中铁二局集团有限公司第五公司何泽刚摘要：地层冻结是软土地基加固方法的一种，本文就广州地铁二号线海公区间使用地层冻结加固方法的情况，介绍冻结法在海公区间的使用过程以及冻结法的设计、施工等方面的情况。

以供类似工程的设计、施工参考。

前言冻结技术源于天然冻结现象，人类首次成功地使用人工制冷加固土壤，是在1862年英国威尔士的建筑基础施工中。

1880年德国工程师F.H.Poetch首先提出了人工冻结法原理，并于1883年在德国阿尔巴里煤矿成功采用冻结法建造井筒。

从此，这项地层加固特殊技术被广泛地应用到世界许多国家的隧道、地铁、基坑、矿井、市政及其它岩土工程建设中，成为岩土工程，尤其是地下工程施工等重要方法之一。

冻结法加固层的原理，是利用人工制冷的方法，将低温冷媒送入地层中，把要开挖体周围的地层冻结成封闭的连续冻土墙，以抵抗地压，并隔绝地下水和开挖体之间的联系，然后在封闭的连续冻土墙的保护下，进行开挖和永久支护的一种特殊地层加固方法。

1、冻结加固方案的确定1.1、项目及工程地质概况广州地铁二号线海公区间左线隧道ZDK12+696～+740段位于广东贸易中心大楼正门口广场内，且在ZDK12+735处左线线路中线(平面)距广东贸易中心大厦东南角3.0m，隧道边墙侵入桩基0.999m，隧道顶面距桩底为3.94m，该段隧道与广东贸易中心大楼的相互关系详见《ZDK12+696～+740段区间隧道与广东贸易中心大楼相互关系图》。

而广东贸易中心大楼为50年代末期修建的高层建筑，其桩基础为无钢筋笼的锤击灌注摩擦桩，桩底位于中粗砂层内。

ZDK12+696～+740段穿越的地层为强～中风化粉砂质泥岩，按隧道围岩划分为Ⅲ类，但隧道拱顶距透水砂层仅3.8m，透水砂层和隧道拱顶之间为不透水的粉质粘土层，该层在隧道开挖后初期支护前极易被地下水击穿形成隧道内涌水涌泥，从而引起地表沉陷。

而本段范围内地下水位在原地面以下约1.5m，地下水主要为地表水，在透水层中极易开成水力联系，该段范围内的地质情况详见《ZDK12+696～+740段地质纵剖面图》。

第1章冻结法

第1章冻结法1、冻结法的定义、实质、特点。

----冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行井筒或地下工程掘砌施工的特殊施工技术。

-----冻结法的实质：利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。

---- 冻结法的特点：能有效隔绝地下水；适用性强，几乎不受地层条件限制；灵活性好；污染性小；经济合理；2、冻结法的三大循环系统、各系统的功能。

三大循环系统：盐水循环、氨循环和冷却水循环。

氨循环：在制冷过程中起主导作用。

为了使地热传递给冷却水再释放给大气，必须将压缩机中之饱和蒸汽氨（1）压缩成为高压高温的过热蒸汽（2），使与冷却水产生温差，在冷凝器中将热量传递给冷却水，同时过热蒸汽氨冷凝成液态氨（3），实现气态到液态的转变。

液态氨经节流阀将压流入蒸发器中蒸发，再吸收其周围盐水中之热量(地热)变为饱和蒸汽氨。

第1章冻结法2、冻结法的三大循环系统、各系统的功能。

三大循环系统：盐水循环、氨循环和冷却水循环。

盐水循环：在制冷过程中起着冷量传递作用。

循环方式分类。

冷却水循环：在制冷过程中作用是将压缩机排出的过热蒸汽冷却成液态氨，以便进入蒸发器中重新蒸发。

二级压缩增加中间冷却器，其作用是冷却过热蒸汽氨，过冷液态氨。

3、冻结井筒掘进施工的特点。

井内无淋水、涌水，不需井筒排水设备，无需临时支护，设备防冻。

4、掘进段高的影响因素。

掘进段高是指掘进段未经支护的高度。

岩土性质、地压、掘进速度、平均温度、冻结壁形成过程等。

5、冻结井壁的结构型式。

钢筋混凝土双层复合井壁的组成及各部分功能。

单层钢筋混凝土井壁、钢筋混凝土双层复合井壁等。

钢筋混凝土双层复合井壁组成部分：内层井壁(密封、承受水压)、外层井壁(临时支护、承受冻结压力、永久地压)、内外层井壁间塑料板(隔热、解除内外壁约束)、外层井壁和冻结壁间泡沫板(隔热、缓压)。

6、常用冻结方案及其适用条件。

地层冻结加固方法

地层冻结加固方法在广州地铁海公区间施工中的应用中铁二局集团有限公司第五公司何泽刚摘要：地层冻结是软土地基加固方法的一种，本文就广州地铁二号线海公区间使用地层冻结加固方法的情况，介绍冻结法在海公区间的使用过程以及冻结法的设计、施工等方面的情况。

以供类似工程的设计、施工参考。

前言冻结技术源于天然冻结现象，人类首次成功地使用人工制冷加固土壤，是在1862年英国威尔士的建筑基础施工中。

1880年德国工程师F.H.Poetch首先提出了人工冻结法原理，并于1883年在德国阿尔巴里煤矿成功采用冻结法建造井筒。

从此，这项地层加固特殊技术被广泛地应用到世界许多国家的隧道、地铁、基坑、矿井、市政及其它岩土工程建设中，成为岩土工程，尤其是地下工程施工等重要方法之一。

冻结法加固层的原理，是利用人工制冷的方法，将低温冷媒送入地层中，把要开挖体周围的地层冻结成封闭的连续冻土墙，以抵抗地压，并隔绝地下水和开挖体之间的联系，然后在封闭的连续冻土墙的保护下，进行开挖和永久支护的一种特殊地层加固方法。

1、冻结加固方案的确定1.1、项目及工程地质概况广州地铁二号线海公区间左线隧道ZDK12+696～+740段位于广东贸易中心大楼正门口广场内，且在ZDK12+735处左线线路中线(平面)距广东贸易中心大厦东南角3.0m，隧道边墙侵入桩基0.999m，隧道顶面距桩底为3.94m，该段隧道与广东贸易中心大楼的相互关系详见《ZDK12+696～+740段区间隧道与广东贸易中心大楼相互关系图》。

而广东贸易中心大楼为50年代末期修建的高层建筑，其桩基础为无钢筋笼的锤击灌注摩擦桩，桩底位于中粗砂层内。

ZDK12+696～+740段穿越的地层为强～中风化粉砂质泥岩，按隧道围岩划分为Ⅲ类，但隧道拱顶距透水砂层仅3.8m，透水砂层和隧道拱顶之间为不透水的粉质粘土层，该层在隧道开挖后初期支护前极易被地下水击穿形成隧道内涌水涌泥，从而引起地表沉陷。

而本段范围内地下水位在原地面以下约1.5m，地下水主要为地表水，在透水层中极易开成水力联系，该段范围内的地质情况详见《ZDK12+696～+740段地质纵剖面图》。

冷冻法地层加固施工工法

盾构始发地层加固需要解决的技术问题，一是要保证打开地连墙时前方土体不坍塌，防止漏水。二是始发时，地层加固要为盾构始发后调整姿态创造条件，以防止盾构上仰、覆土失稳、地表隆沉等问题发生。根据设计提供盾构始发加固图采取下图所示的始发冻结加固形式。根据功能要求，冻结加固区分为两个部分，一是与地连墙紧贴的前冻土墙（封头冻土墙），其作用是保证打开始发口地连墙后前方土体不坍塌，不漏水；二是平衡段，由冻土拱和前冻土墙（平衡段冻土墙）组成，其作用是防止盾构始发后盾构机头上仰、覆土失稳和地表隆沉。
盐水循环和拔管示意图
⑵拔管顺序
①依次先拔第一、二排冻结管，不需完全解冻，冻结管拔至盾构上方，用钢管将其连接成网格，防止下沉，重新连接冻结系统继续冻结，防止盾构推进过程中浆液从融化的冻结孔中溢出。
②第三排冻结管，用于强制解冻，待冻土平均温度满足盾构推进时拔除该排冻结管至盾构上方，重新冻结。
③在隧道两侧的冻结管暂时不拔，待盾构穿过最后一道冻土墙后，再拔除该处冻结管并充填。
⑶适应性广。适用于任何含一定水量的松散岩土层，在复杂工程、水文地质如软土、含水不稳定层、流砂、高水压及高地压、埋深大等地层条件下冻结技术有效、可行。
⑷冻结工程施工最大的污染是钻孔时的少量的泥浆排出，冻结过程不向地层注入任何有害物质，冻结工程完毕后，地层自然融化恢复原有状况，不会在地层留下有碍于其它工程施工的地下障碍物，是一种“绿色”施工方法。
⑶其它
①拔管要在盾构进入洞口内，且安装好密封装置后进行，盾构头部距冻土墙不小于0.2m，以防影响拔管。
②在隧道范围内所有冻结管全部拔出后，盾构方可开始推进，防止盾构推进损坏冻结管，使其无法拔出。
5.2.6.
5.2.6.1.
设备安装完毕后进行调试和试运转。在试运转时，要随时调节压力、温度等各状态参数，使机组在有关工艺规程和设计要求的技术参数条件下运行。在冻结过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻土墙扩展情况，必要时调整冻结系统运行参数。冻结系统运转正常后进入积极冻结，要求一周内盐水温度降至-20℃以下。

浅谈城市地下工程冻结法施工技术

浅谈城市地下工程冻结法施工技术城市地下工程冻结法施工是通过运用人工制冷的技术手段，将待施工区域周边的不稳定含水岩土层冻结，将其变成封闭的冻结墙壁，从而将地下水隔绝，提高岩土的稳定性和强度，有效避免地下水给地下工程施工带来的不利影响，从而保证地下工程施工的安全性，对于城市地下工程的建设有着重要意义。

一、城市地下工程冻结法施工技术概述（一）冻结法施工技术的基本原理在地下工程中，天然土体受其自身性质影响，在强度、稳定性以及隔水能力等方面都会或多或少的存在一定不足，冻结法施工技术能够在很大程度上对这些问题进行改善，其基本原理是通过在地下工程周边的土层上开挖钻孔，然后通过人工制冷技术，利用开挖的钻孔来对土层制冷，将土体中的自由水变为结晶水并与土体颗粒发生胶结，使其成为一个封闭的结构，把地下水隔绝在外的同时，提高土体的强度和稳定性，提高对周边岩土压力的抵抗能力，从而保证地下工程开挖施工的安全[1]。

冻结法施工技术是一个物理力学变化的过程，其冻土结构的形成可分为5个阶段，具体内容为：（1）冷却阶段：在冷冻开始阶段，土体温度由正常向冰点逐渐降低；（2）过冷阶段：土体的温度降低到0℃以下，自由水表现出过冷现象，但没有结冰；（3）突变阶段：在过冷后，自由水发生结晶而产生散热升温现象；（4）冻结阶段：土体的温度上升并稳定在0℃附近，水体开始结冰并与土壤颗粒胶结，最终形成冻土；（5）强化阶段：在制冷条件下，冻土持续冷却，其强度不断提高。

（二）冻结法施工技术的优缺点1.冻结法施工技术的优点首先，冻结法施工可以提高土体的抗渗透能力，有效将地下水隔绝在外，对于含水率过高、松散和稳定性差的地下土层施工有着重要作用；其次，污染性小，冻结法施工仅是通过降温来改变土体的强度，在此过程中并没有杂物进入土壤，也没有改变地层的成分，不会对周围环境形成污染，且施工过程噪音较小，在施工完成后冻土融化也不会给地下工程结构造成影响；第三，在地下工程的桩基础或者其他平行工艺施工过程当中，利用冻结施工技术，能够有效缩短施工周期。

冻结法地层加固在隧道施工中的应用

认知冻结法施工简介
安全控制要点
监测内容：盐水系统:盐水干管流量、干管压力、干管进出路盐水温度、盐水液位监测、单组盐水流量、单组盐水回水温度；清水系统：管路流量、管路压力、进出冷冻机温度；设备参数：冷冻机电压、电流、油温、吸气压力、排气压力等参数进行监测；测温孔：测点温度监测；水文孔：水位监测；
内力计算
•冻结壁内力宜采用通用结构力学计算方法计算。冻结壁的力学计算模型可按均质线弹性体简化，其力学特性参数宜取冻结壁平均温度下的冻土力学特性试验值。
强度检验
•冻结壁内力和变形计算可考虑设置有内支撑的工况，但必须对内支撑的结构形式、承载力及其施工时序等有明确的设计。设内支撑时，冻结壁的空帮时间不宜大于24 小时。
施工案例
3.3 冻结壁交圈判断
认知冻结法施工简介
安全控制要点
常规方法为： ①根据水文孔水位判断冻结壁是否交圈。 ②根据测温孔不同冻结时间所检测的水平温度推算冻土的扩展速度和冻结壁厚度。
常规方法无法反映整个冻结壁的状况，当冻结效果不明显，冻结壁形成缓慢时还需采取以下方法。
施工案例
对于浅埋于砂层及卵石地层中的隧道，应尽量查明地下水流速和流向。
3
安全控制要点
认知冻结法
3.1 内业准备情况（各节点准备工作）
施工简介安全控制要点
施工案例
设计方案专家论证
冻结专项施工方案专家论证
隧道开挖方案专家
论证
冻结效果专家验收
应急物资准备及安全技术交
底
认知冻结法施工简介
安全控制要点施工案例
3.2 冻结施工安全控制
1）原因：开孔或施工期间遇到承压

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地层冻结加固方法

第1章 冻结法

地层冻结加固方法

冷冻法地层加固施工工法

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冻结法地层加固在隧道施工中的应用

第1章冻结法