凍結法在隧道工程中的應用

張祖德

（湖南工業大學土木學院 湖南株洲 412000）

1 凍結法的發展歷史

凍結法是利用人工制冷技術，使地層中的水凍結，把天然巖土變成凍土，增加其強度和穩定性，隔絕地下水與地下工程的聯系，以便在凍結壁的保護下進行隧道、豎井和地下工程的開挖與襯砌施工的特殊施工技術。其實質是利用人工制冷技術臨時改變巖土的狀態以固結地層。

在礦井建設、地基基礎、水利工程、河底隧道、地下鐵道和其它地下工程中，遇到不穩定地層或含水量豐富的裂隙巖層，只要其地下水含鹽量不大，而且流速較小（小于6m/d），采用凍結法阻斷地下水、固結地層，容易獲得成功。

2 凍結法的方法及技術特點

2.1 凍土法的特點

我國城市地下工程常采用注漿、深層攪拌樁、地下連續墻等加固方法，凍結法與這些方法相比，具有如下特點：

（1）凍結法適應復雜的地質條件。凍土強度高，阻水效果好。上海灰色淤泥質粘土的單軸抗壓強度為0.02MPa，凍結以后，淤泥溫度為-25℃時，其抗壓強度5.28MPa，滿足地下工程對土體強度的要求。

（2）凍結施工方法靈活，形式多樣。凍結加固體形狀可根據需要靈活設計，既可形成圓柱形加固體，又可形成棚拱形加固體。凍結范圍大至整個街區，小至局部搶險工程。

（3）凍結加固均勻，完整。注漿法和深層攪拌樁，只是對土體局部加固，加固范圍不易控制，加固體強度不均勻，而凍結技術可以把設計的土體全部凍成凍土，凍結加固體均勻，整體性好，可形成城市地下工程帷幕。

（4）封水效果好。可以保證開挖工作面在不滲、不漏的無水條件下作業。

2.2 巖土凍結方法

2.2.1 間接凍結法——低溫鹽水法

其原理是：以氨、氟利昂或其它物質作為制冷工質，經過制冷壓縮機對制冷工質進行壓縮、節流膨脹的反復循環做功，將鹽水降至負溫，由負溫鹽水作為傳遞冷量的媒介，將冷量傳遞給需要凍結的巖土層，達到凍結局部巖土的目的。這種凍結方法由三大循環系統構成：

（1）氟利昂（或氨）循環系統；

（2）鹽水循環系統；

（3）冷卻水循環。

采用這種制冷方法通常可獲得20℃～35℃左右的低溫鹽水，用來凍結巖土。

2.2.2 直接凍結法——液氮法

此法常用的冷源物質有液氮和干冰（但干冰在工程上的應用極少）。液氮在1個標準大氣壓下的蒸發溫度為-196℃，干冰在1個標準大氣壓下的升華溫度為-32℃。在要凍的土體不大或搶險堵水的緊急情況下，用液氮凍結有快速和便利的優點。

上述兩種常用的方法既可獨立應用，也可組合應用，達到快速和經濟的施工效果。

3 凍結法的應用

3.1 盾構隧道中盾構機進出洞土體加固

盾構推出預留工作井時，需拆除原工作井井壁封門（或臨時墻）。當井壁封門拆除后，如封門后土體不能自立，這時井內洞圈的密封裝置還不能阻擋洞外的土體，在復雜應力作用下，極易產生大量土體涌入工作井，造成洞口周圍大面積地表下沉，危及地下管線及附近建筑物；如在地下水位下出洞而不采取措施，井外泥水還將不斷從洞圈與盾構或隧道之間的間隙涌入井內，導致工作井受淹。

3.2 盾構隧道對接時土體加固

近年來，世界上許多國家的盾構隧道采用對頭掘進，以縮短工期，除采用立井對接方式外，還采用不開鑿立井而在地下或海底直接對接。

3.3 建筑基坑加固

1862年英國人首先利用凍結技術對建筑物的基坑進行加固。基坑凍結加固具有加固均勻，強度高，阻水性好，加固深度大等優點，因而，城市房屋建筑基坑開挖土體加固采用凍結技術越來越受到重視。

4 凍結法應用中的若干問題

4.1 凍脹

人工凍結工程中的土體凍脹現象影響范圍廣、持續時間長，是目前人工凍土理論研究和工程實踐中的重要問題之一。具體表現為土體凍結后體積發生膨脹，使周邊地層受到擠壓和抬升。研究表明，凍結法施工過程中凍土內部發生的劇烈相變會造成相當大的凍脹力和變形，可能會對凍結工程周邊地層環境造成嚴重影響，導致地下建筑、隧道、管線、基礎工程和地表建、構筑物穩定性降低甚至發生破壞性變形。

4.2 融沉

凍結法施工是利用人工制冷技術加固土體，具有強度高、止水性好、不受支護范圍和深度的限制等優點，近年來被廣泛應用于地鐵聯絡通道土體加固工程。然而人工凍結法施工后，地基土經歷凍融循環作用后，其工程力學性質將發生顯著變化，導致工后地基土不均勻沉降過大。實測數據表明，人工凍結法施工區域的地基土長期沉降較為顯著，如杭州地鐵1號線自2012年11月正式運營以來，代表性區間采用凍結法施工的地鐵道床（近聯絡通道處）6個月內最大沉降量分別達到9.7和23.6mm，使地鐵運營安全受到影響。因此，對地鐵循環荷載作用下人工凍融土動力特性的研究，建立相應的孔壓模型對控制凍結法施工的工后沉降，保障地鐵運營安全具有重要意義。

4.3 地下管線的保護

地下管線受到凍脹和融降產生較大的拉應力和剪切作用，導致地下管線過大的位移，從而對管線產生嚴重的破壞。城市地下管線和市民生活息息相關，所以地下工程施工要對地下管線進行暴露懸吊、包扎保溫材料等處理，盡可能減小凍脹力和凍脹、融降量，以確保地下管線的安全。

4.4 凍結系統的改造升級

城市交通繁忙，建筑密布，施工場地狹小，用水、用電受到一定限制，所以城市地下工程凍結施工首先要對凍結系統進行改造。上海延安東路越江隧道江西路段凍結加固工程，選用可移動的螺桿冷凍機組，輔機基礎6178m×2m，主機基礎214m×2m，采用冷卻水塔，和煤礦凍結站相比，凍結場地減少90%以上，冷卻水節約80～90%，耗電量節約30～40%，降低工程造價。

5 結語

21世紀建筑工程已開始步入地下空間的世紀。各種地下工程——地下電站、地下鐵道、越江、越海隧道及地下市政工程正在興建或計劃建設之中。由于人工土層凍結法的支后護、隔水作用，以及幾乎不受深度限制，將會受到越來越多的重視，并將在各種地下工程中發揮其特有的作用及優勢。