岩土工程冻结法
课程论文
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2011.10
地铁工程冻结法施工常见事故及原因分析
中国矿业大学力学与建筑工程学院
摘要：本文介绍冻结法的原理、施工工艺，并结合冻结法自身的特殊性，对冻结法在地铁工程应用中的冻结孔钻孔时水土喷涌、隧道管片损坏、冻土惟幕失效以及冻胀融沉等各种事故的原因进行了分析。
关键词：冻结法地下工程冻结施工事故联络通道
1 人工冻结法施工的基本原理
利用土体冻结后其强度、稳定性以及隔水能力大大优于天然土的性质。在岩土工程开挖之前，在开挖的工程周围，钻造钻孔(冻结孔)，利用人工制冷技术，通过冻结孔对地层进行制冷，形成一个封闭的冻土结构，隔绝地下水的联系，同时抗抵周围岩土的压力，确保工程开挖的安全。
2特点
冻结法适用于各类地层尤其适合在城市地下管线密布施工条件困难地段的施工，经过多年来国内外施工的实践经验证明冻结法施工有以下特点：
1)可有效隔绝地下水，其抗渗透性能是其它任何方法不能相比的，对于含水量大于1O％的任何含水、松散，不稳定地层均可采用冻结法施工技术；
2)冻土帷幕的形状和强度可视施工现场条件，地质条件灵活布置和调整，冻土强度可达5—1OMpa，能有效提高工效；
3)冻结法是一种环保型工法，对周围环境无污染，无异物进入土壤，噪音小,冻结结束后，冻土墙融化，不影响建筑物周围地下结构；
4)冻结施工用于桩基施工或其它工艺平行作业，能有效缩短施工工期。
3工艺原理
冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，将松散含水岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水，以便在冻结壁的保护下，进行地下工程掘砌作业。它是土层的物理加固方法，是一种临时加固技术，当工程需要时冻土可具有岩石般的强度，如不需要加固强度时，又可采取强制解冻技术使其融化。
4常见事故
冻结法具有自身的特殊性，如钻孔工序的必要性、冻土性质和冻土帷幕性状的变化性、土体冻胀融沉的自然性。由于这些特性的存在，冻结法在冻结孔钻孔、冻结、开挖以及冻土解冻过程中都可能发生事故。因此，冻结法是一种风险很大的工法，稍有不慎便可酿成大祸。
当前，在软土地区的地下工程建设中，冻结法得到普遍应用。由于冻结法的
特殊性，其施工风险很多并且具有一定的特殊性和隐蔽性。本文分析了冻结法常见事故的原因，指出事故防范的措施。
4.1 冻结孔钻孔事故
在从地下空问向结构外围土体进行冻结孔钻孔施工时发生的孔口密封失效事故，可引起喷水、喷砂，严重时因地层损失过大导致地下结构变形破坏，造成地面建筑、地下构筑物和管线的破坏，甚至工程淹没的灾害，在冻结孔进入承压水地层时尤其危险。其主要原因是土层随钻孔循环浆液流失或者是孔口密封装置失效。
4.2 管片损坏事故
管片损坏有两种情况，钻孔对管片造成过大损伤和开挖时拆除部分管片使管片环丧失完整性，导致管片的过大变形甚至失稳。
过密的冻结孔布置方案难免会切断过多的管片主筋、破坏结构的完整性，对管片造成过大损伤。开挖时拆除部分管片使管片环丧失完整性，造成隧道开口处出现较大应力集中，导致管片的过大变形甚至失稳。
4.3 冻土帷幕事故
4.3.1 冻土帷幕的几何缺陷
1)冻土帷幕形成不足
冻土帷幕自身形成不足的原因有冻结冷量不足、冻结管缺陷、冷量流失、地层冻结温度低和难冻地层等。
冷量不足可以是设计制冷量不足、制冷设备效率不足、冻结器盐水流量不足等原因引起的。制冷设备效率不足除了机器本身的问题外还可能是高温季节冷却水温度过高导致制冷效率下降。盐水流量不足的原因可能是盐水配给不合理，也可能是冻结器意外堵塞或冻结器内残留空气。
冻结管缺陷主要是冻结管间距过大或长度不足，一般由钻孔偏斜或设计不合理造成。
冷量流失一般由结构散热、地下水流速过大、地层中有高导热性的异物和异常热源，其中结构散热最为常见。结构散热可能导致冻土帷幕温度过高、冻土帷幕与结构之间的冻着面积不足和两者之间的冻着强度不足。
地层冻结温度低指地层结冰的温度比预料的低，导致冻土帷幕厚度小于设计厚度。这种情况多发生于黏性土和含盐土层。
难冻地层指地层冻结发展速度过低，不能在计划时间内达到设计要求。地层含有阻冻(不易冻结)异物，如早期泄漏的盐水、先前工程遗留的聚氨酯等。
2)冻土帷幕恶化
冻土帷幕恶化的主要原因有盐水泄漏、结构散热、冻土开挖面散热、异常热源和冷冻机异常停机等。
盐水在冻土中泄漏会引起冻土融化。盐水泄漏可由于冻结管缺陷(如接头焊缝质量)和冻结管断裂而发生。冻结管断裂的原因可以是：冻土帷幕变形过大、冻胀过大、开挖变形过大、开挖损伤和冻结孔成孑L弯曲导致的冻结管变形应力
过大。
结构散热主要是由于保温层失效、高温空气对流和表面冻结管(俗称“冷排管”)失效等因素造成的。结构散热引起的冻土帷幕恶化不仅表现在冻土帷幕温度升高、体积减小，更具有危害性的足减小冻土帷幕与结构之间的冻着面积和降低两者之问的冻着强度。
冻土升挖面散热也是引起冻土帷幕恶化的一个因素。开挖面使冻土帷幕接触空气对流而温度升高，从而强度降低。当开挖面暴露时问过长时冻土帷幕较大程度恶化的可能性增大。
异常热源(如混凝土水化热、高温管道、温泉等)的热侵蚀也会引起冻土帷幕恶化。冷冻机异常停机供冷中断时间过长也必定恶化冻土帷幕。
3)地层缺陷
假如冻土帷幕没汁范围内及其附近存在沼气包、溶洞和暗浜等地层缺陷，或者地层因先期]-程遭到过剧烈扰动，会在冻土帷幕中形成空洞或冰体，造成冻土帷幕缺陷，有时甚至足致命的缺陷(开挖时形成冻土帷幕“开窗”导致透水事故)。
4.3.2 冻土帷幕的物理缺陷
冻土帷幕的物理缺陷指冻土帷幕没有达到设计的强度和刚度。强度和刚度不足都可能导致冻土帷幕事故。
造成冻土帷幕强度和刚度不足的原因主要有冻土帷幕温度过高和低强度地层。冻土温度过高时无法达到设计强度。一些地层冻土本身的强度偏低，如果在设计冻土帷幕范围内意外出现这种地层，则会导致冻土帷幕强度无法达到没计指标。
冻土帷幕刚度不足的主要原冈有冻土温度过高、开挖后冻土暴露时间过长、开挖空帮过大、初衬失效和强蠕变地层等。
4.4 冻胀事故
冻结过程中由于土体冻胀现象引起的冻结管断裂和地下结构变形破坏事故，前者有可能造成冻土帷幕薄弱区导致冻土帷幕失稳事故，后者可能影响到地下结构的使用寿命。
冻胀现象是自然规律。冻胀事故发乍的原因主要有冻胀敏感性地层、冻结时间过长、冻土体积过大和冻胀控制措施不力。
冻胀敏感性地层是发生冻胀的必要条件，对地层的冻胀敏感性认识不足是冻胀超出预料的原因之一。冻结时间过长是冻胀过大的常见原因。冻结时间过长必将产生过大的冻土体积，导致绝对冻胀垦越大。
4.5 融沉事故
冻土的融沉也是自然规律。目前控制融沉主要通过冻土融后沣浆来实现，因此注浆措施执行不力是发生融沉事故的主要原因。
采用冻土自然解冻、跟踪注浆的措施时，由于自然解冻时间相当长，工程中往往缺乏长期跟踪注浆的条件。采用强制解冻措施时，虽然可以大幅度缩短注浆周期，但工程中往往缺乏足够的解冻进程监测数据，使得注浆不能保证准确到位。
另一方面，南于种种条件的限制，注浆管难以布置到最佳位置，从而不能保证对整个冻结区域进行充分的注浆。
5 结语
除了上述主要的常见事故以外，还有许多因素可能导致冻结的事故。例如，供电系统故障、冻结系统运行故障、冻结系统拆除不及时、高温天气影响等等，此外还可能是管理失误。在摸清各种事故发生的确切原因的前提下，我们便可找到有效的防范和治理措施。地下工程是一项高风险的工作，在施上的每一个环节，特别是在开挖砌筑阶段，必须根据冻结法的特殊性，密切监视风险因素的发展和变化，及时发现事故征兆，在第一时间采取必要的、可靠的措施，把事故消灭在萌芽状态，确保工程的安全。
参考文献
[1]岩土特殊施工，课程讲义
[2]岩土工程冻结法（初稿），课程讲义
[3] 崔广心，杨维好，吕恒林．深厚表土层中的冻结壁和井壁[M]．中国矿业大学出版社，
1998
[4] 余力，崔广心，翁家杰．特殊凿井[M]．北京：煤炭工业出版社．1990．
[5] 余暄平，朱卫杰．上海轨道交通4号线施工中流砂事故的修复工程[J]．中国市政工程，
2008，1
[6] 姚志贤，龚丽蓉．人工冻结法地铁施工的数值分析研究[J]．山西建筑，2007，33
[7] 田淮胜．地铁工程冻结法施工常见事故原因分析[J]．山西建筑，2008,36
[8] 吴茹．浅谈冻结法施工方法[J] ．建筑施工
[9] 秦一雄，胡向东，尚新民，等．人工冻结技术在上海地下工程中的应用[J]．隧道建设，
2007，8