人工凍結法施工原理分析

王國珍 劉 興

(山東科技大學土木工程與建筑學院 山東青島 266590)

人工凍結法施工原理分析

王國珍 劉 興

(山東科技大學土木工程與建筑學院 山東青島 266590)

對比分析人工凍結法施工的優缺點，確定凍結法的施工工藝，對設計方法不斷優化，對平均溫度、凍結孔布置間距、凍結壁厚度、冷凍系統設計、凍結時間、凍結方式等參數進行設計，使設計達到最優。通過對人工凍結法施工原理分析，闡述了人工凍結法施工的在施工技術中的優越性。

人工凍結法；凍結壁；凍脹；地鐵隧道

前言

凍結法施工在地下工程建設中被廣泛運用，隨著城市的建設的不斷發展，凍結法利用人工制冷技術，將松散的含水層凍結成封閉的凍結壁，形成強度高、完整性好且不透水性非常好的臨時加固體，從而避免了地下水對地下工程的影響，同時達到加固地層的目的。增加了巖土體的強度和自身穩定性。人工水平凍結法封水性好，對周圍環境擾動小并且適用性強，能夠增加施工的全面信息化，保證施工的安全。

1 人工凍結法的優缺點

凍結法在地下工程開挖過程作為一種輔助施工法，起到臨時支護作用，優點如下：

（1）人工凍結法適用性強，特別是在富水軟弱層及復雜的水文地質條件下，由于凍結法的靈活多變，使其在地下工程施工中被廣泛運用。

（2）人工凍結壁強度高，并且連續性好，具有較好的均勻性。凍結溫度不斷減低，則凍結壁的強度不斷增大，有些軟弱土層凍結后的強度可達原始狀態的100倍，并且凍結均勻，無薄弱點。

（3）凍結壁隔水好，并且凍結孔可根據工程需求，靈活布置，也經常被用于搶險救災工程中。

（4）凍結壁的形成，避免了大開挖，并且無煙塵，施工期間不影響正常交通，有利于保護環境，施工結束后巖土體還能恢復原狀，不影響日后地下管線的埋設。

但是人工凍結法也存在諸多問題，施工期間巖土體不可避免的發生凍脹融沉，可能會引起地面的隆起和沉降，對地下的管道建設有一定的影響，并且周期長耗資大。

2 人工凍結法的施工工藝

人工凍結法施工主要分為安裝凍結站、鋪設凍結器、積極凍結期、維護凍結期以及解凍期。

（1）安裝凍結站：凍結站包括蒸發器、冷凝器、節流閥、壓縮機、中間冷卻器、鹽水循環系統設備等。

（2）鋪設凍結器：根據相關的設計要求，對土體進行鉆凍結孔，并在凍結孔內將凍結器鋪設好，然后再把各個凍結孔內的凍結器連接起來，使其形成一個完整的系統，再與凍結站相連接。

（3）積極凍結期：在凍結開始初期，在凍結管的周圍形成各自的凍結圓柱，隨著凍結時間的不斷增加，隨著凍結的不斷發展，每個凍結圓柱之間相連，之后會形成一片凍土墻，凍土的強度隨溫度的不斷降低而增加，不斷減低溫度，達到目標強度為止。

（4）維護凍結期：補充土體損失的冷量是這個階段的主要目的，將地層溫度控制在設計溫度范圍內。

（5）解凍期：在地層開挖之后，永久結構施工完成后，凍結停止，解凍土層，拆除設備。

3 人工凍結法設計及厚度計算理論

（1）凍土墻的結構設計

根據地質水文資料、經濟條件以及工程經驗來確定施工方案，合理的凍結壁形式決定著施工方案的是否達到預計效果。

凍結壁的主要形式有圓形和橢圓形帷幕、直墻和重力連續墻、連拱型凍土連續墻。大多礦井以及隧道工程的斷面都近似于圓形，因此帷幕選用圓形或者橢圓形，這樣能夠極大程度的發揮其防水和支撐能力。直墻凍帷幕在施工過程中會產生拉應力，而且直墻凍帷幕也不均勻受力，為彌補其結構受力性能差的弱點，常采用內支撐配合其使用。

（2）設計方法

凍土帷幕能否抵擋未凍土的作用，來判斷設計方法是否可靠。判斷是否能夠保證開挖面的穩定。設計步驟：（1）先假設帷幕為理想彈性體，計算強度隨時間和溫度的變化；（2）根據實際荷載情況，計算帷幕的內力，分析彎矩分布情況，然后對比分析，確定凍土設計參數，借助有限元法進行熱交換、位移和穩定性分析。

（3）凍土參數的設計

主要參數設計包括平均溫度、凍結孔布置間距、凍結壁厚度、冷凍系統設計、凍結時間、凍結方式等。

①凍結平均溫度。為了從整體上來評估凍結壁的性能，在工程中將平均溫度作為評估標準，我們一般取值-7℃～-10℃。

②凍結厚度。根據初步計算，初選出凍結壁厚度，然后根據地壓以及帷幕的強度對初選的凍結壁厚度進行驗算，通過不斷調整凍結參數達到資金技術的安全可靠、工期短的優化目標。

③凍結孔布孔間距。根據地層的地質水文情況、凍結體厚度及形狀，在施工中，凍結孔間距以0.5～1m為宜。

④凍結時間。

凍結時間主要考慮凍結孔交圈和達到設計凍結壁的時間，需要根據鹽水溫度和凍土擴展速度來確定。

⑥凍結方式。間接凍結以及直接凍結兩種。

（4）凍土墻厚度計算

凍結壁厚度設計要綜合考慮凍土強度與變形特征、外部壓力和地層的地質水文情況、、凍土的溫度場、凍結壁暴露時間和應力場以及開挖斷面的大小和步距等諸多因素。工程上人們對凍結壁厚度的取值偏于保守，為克服這種現狀，國內外學者運用模型試驗、解析方法、有限元方法等手段，對凍結壁厚度計算方法進行了大量研究。目前，有效計算凍結壁厚度的方法主要有三種：一是根據數學力學模型推導出的經驗公式；二是數理統計的經驗法；三是根據溫度孔實測溫度變化來推算凍結壁厚度。

4 人工凍結法信息化施工技術

由于人工凍結法施工一般都是一個持續的、動態復雜過程，其過程不容易控制。人工凍結法施工過程中，施工工況、制冷系統運行狀況、邊界條件、地質條件等因素都會對施工帶來影響，并且帷幕強度隨溫度的變化而不斷變化。通過不斷調整各種相關參數，來確保凍土帷幕施工快捷、安全有效。目前，我們一般采用現代傳感器技術以及軟件技術、計算機數據通訊原理，來監測凍結法施工過程，通過反饋的數據，對出現的問題及時解決以保障施工的順利進行。

信息化施工的主要內容：

（1）監測凍結過程中土體的溫度。通過在凍結土體中的不同位置按要求預埋傳感器，連續、定時的讀取每個測點的溫度值，并繪出溫度-時間曲線以及溫度空間分布圖，形象直觀的觀察凍土帷幕發展趨勢，研究凍土帷幕的發展規律，為進一步確定凍結系統參數提供可靠依據。

（2）監測鹽水溫度。由于凍結法施工工序比較多，并且技術性強，如果凍結施工過程中的一個任何環節出現問題，將導致整個帷幕的質量問題，嚴重是還會引起重大安全事故，鹽水溫度可以直接反應出系統是否存在異常。因此，實時監測鹽水溫度，可以有效判斷系統是否正常運作。

（3）監測凍結土體凍脹力。凍土的體積會隨著凍結時間的不斷增加而增大，由于土體膨脹，因此土體就會產生凍脹力，由于凍脹力的存在，會對周圍土體環境產生影響，所以在凍結過程中，必須實時觀測凍脹力的大小，保證其在相應的允許范圍內，以保證施工安全有效的進行。

5 結語

（1）通過對比分析凍結法施工優缺點，進一步闡述人工凍結法施工在地下工程支護中的優越性。

（2）確定施工工藝，對設計方法不斷優化，對平均溫度、凍結孔布置間距、凍結壁厚度、冷凍系統設計、凍結時間、凍結方式等參數進行設計，使設計達到最優。

（3）通過人工凍結法信息化施工技術進行分析，信息化施工的主要內容是監測凍結過程中土體的溫度、監測鹽水溫度、監測凍結土體凍脹力。

[1]史繼堯.凍結法施工在地鐵聯絡通道中的應用[J]. 隧道建設,2011,S2: 152-156.

[2]于長一.地鐵聯絡通道凍結法施工數值模擬分析[D].天津大學,2014.

[3]趙強,武光輝. 基巖凍結法施工解凍水害的機理及治理技術[J].煤礦安全,2013,04:91-93.

[4]鮑永亮,鄭七振,唐建忠. 地鐵隧道旁通道凍結法施工監測分析[J].鐵道工程學報,2009,03:93-95+109.

[5]阮慶松,吳立,姚俊東,杜明玉,阮明清. 地鐵聯絡通道凍結法施工方案研究——以武漢軌道交通3號線為例[J]. 人民長江,2015,07:22-25.

TU75

B

1007-6344（2016）07-0210-01