地层冻结法

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。

国家大剧院台仓基坑封水冻结施工方案北京中煤矿山工程公司二零零零年一月1 地层冻结法简介地层冻结法是兼有封水与加固地层双重作用的特殊施工工法。

它的工作原理为：在拟封水（或加固）的地层中安装冻结器，并在冻结器中循环低温冷媒剂，使周围土层冷却冻结，形成一个冻土帷幕，然后可以在冻土帷幕的围护之下安全地进行隧道、基坑等的开挖与构筑施工。

在国外，地层冻结法是富水地层中深基坑围护施工的重要工法之一，如前苏联60年代就完成了直径40m、深20m大基坑的冻结围护工程，其设计冻结壁厚度为5.6m。

在我国，冻结法是冲积层中矿山立井施工的主要方法。

单井冻结冲积层厚度已接近400m。

在市政工程中，70年代北京地铁隧道建设工程中也曾用冻结法进行深基坑的围护加固，基坑的开挖深度达28m，围堰冻结加固长度达90m。

1986年，北京中煤矿山工程公司在东海拉尔水泥厂的卸矿室及长皮带走廊施工中应用冻结法进行基坑地层加固。

卸矿室开挖断面为10.2×11.2m，深14米；长皮带走廊长为31m，宽5.4m，倾角14度。

地下水位0.9 ～ 1.5m，地下3m ～ 30m内为卵石和砂层，透水性好。

由于采用大开挖施工，冻结壁按挡土墙设计，冻土平均温度为-5℃，冻结壁厚度设计为2.4m，冻结底板厚度为4.0～5.8m。

采用人式开挖，掘、砌工期为二个半月。

1996年，在紧挨黄浦江的上海杨树浦水厂地下泵房施工中，用冻结法进行基坑维护，基坑开挖深度15米，边长26m，冻结段土层为抛石、填土、淤泥和粉质粘土。

应用表明，冻结法在富水深基坑围护施工中具有很好的适应性，极为安全可靠，且对地层和环境污染较小。

2 冻结施工方案设计原则1、国家大剧院工程对施工技术的可靠性与施工工期有着严格的要求。

其中剧院台仓是目前国内最深的基坑，其施工工作面又远在静水位以下，施工难度极大。

因此，要求对基坑四周和基底地层进行封水加固。

2、封水加固方案考虑二个。

方案一为台仓四周用连续墙围护，仓底地层用冻结法加固，连续墙的优点是可以用作永久支护的一部分；方案二是台仓四周与底部均用冻结法施工，此法的优点是围墙与底部形成一个整体，无论是施工工艺与封水（加固）的效果还是总施工工期都要优于前者，因此，本设计推荐第二种方案。

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》。

地层冻结法及风险预控2019.11 深圳目录一、前言二、人工地层冻结法关键要素三、典型工程实例四、工程事故及分析五、结语与建议空间结构复杂隧道群大型综合枢纽开挖深、空间规模超大超大规模地下空间 我国城市化发展使地下空间进入到快速发展时代。

其特点表现为深、大和复杂。

由此遇到了一系列的工程难题和生命财产损失事故。

严重地制约了发展。

其中最主要的是水害和塌方（变形失控导致）。

我国城市化发展使地下空间进入到快速发展时代。

其特点表现为深、大和复杂。

由此遇到了一系列的工程难题和生命财产损失事故。

严重地制约了发展。

其中最主要的是水害和塌方（变形失控导致）。

68%3%9%5%2%1%1%11%地铁工程事故主要诱因水害塌方火灾机械伤害物体打击爆炸中毒触电其他地铁等地下工程经常遇到砂土交错、淤泥等地下水极为丰富的软弱地层施工难题。

常规的地层加固方法很难彻底防控水害和变形失控塌方等难题。

因此，潜在风险高，事故损失多，社会影响大。

水害和软弱地层塌方事故1. 地下工程面对三大难题：A.（地下）水B.（地层）软C.（被开挖围岩）变形难以预测2. 解决地下工程索面的三大难题途径A.治“水”采取的措施“排”（小水量时，降水）或（和）“堵”（注浆等）、“隔”（排桩（管幕）、地连墙、护筒（盾构）等等）。

B.抗“软”采取各种围岩“加固”（依靠围岩承载：注浆、锚杆（索）等）、“初支+围岩（或加固的围岩）”、上面A.中各种“隔”水措施同时也可以“抗”软。

C.对付“被开挖围岩变形难以预测”，用若干计算等预测手段、根据工程类比和现场信息化手段，选择上述多项措施中合适的手段来解决解决。

上面任何一种方法都会或多或少对地层产生环境影响（污染、地层内加入其他材料）。

而地层冻结法相对来说是地下工程解决这三大难题的一种准绿色技术。

3. 人工地层冻结法地层冻结法源于天然冻结现象。

1850年代蒸汽压缩式冷冻机发明后，人类第一次使用地层冻结法是1862年在Wales基坑中；1880年德国工程师Poetch首先提出地层冻结法原理，并于1883年在德国阿尔巴里德煤矿成功地采用冻结工法建造103m深的竖井。

冻结法1、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10%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5-10Mpa，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。

2、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。

3、工艺流程4、施工操作要点施工时,应不断对每个施工工序进行管理。

控制冻结孔施工、冻结管安装、冻结站安装、冻结过程检测的质量。

1、冻结孔施工1.1开孔间距误差控制在±20mm内。

在打钻设备就位前，用仪器精确确定开孔孔位，以提高定位精度。

1.2准确丈量钻杆尺寸，控制钻进深度。

1.3按要求钻进、用灯光测斜，偏斜过大则进行纠偏。

钻进3m时，测斜一次，如果偏斜不符合设计要求，立即采取调整钻孔角度及钻进参数等措施进行纠偏，如果钻孔仍然超出设计规定，则进行补孔。

2、冻结管试漏与安装2.1选择φ63×4mm无缝钢管，在断管中下套管，恢复盐水循环。

2.2冻结管(含测温管)采用丝扣联接加焊接。

管子端部采用底盖板和底锥密封。

冻结管安装完，进行水压试漏，初压力0.8MPa，经30分钟观察，降压≤0．05MPa，再延长15分钟压力不降为合格，否就近重新钻孔下管。

2.3冷冻站安装完成后要按《矿山井巷工程施工及验收规范》要求进行试漏和抽真空，确保安装质量符合设计要求。