人工冻结技术在地铁施工中的应用

人工冻结是一种先进的地层加固方法，具有较强的封水性能，且地层可复原性好、绕障性强、施工方便，适用于各种地层条件。近年来，随着我国地铁建设规模的增大，人工冻结技术在地铁施工中的应用逐渐增多，其可使开挖空间周围一定范围内的软弱地层形成高强度人工冻土，提供可靠的临时支护与隔水帷幕，冻结壁连续性、整体性好，地铁施工时可根据工程需要灵活布置冻结孔、调节制冷媒介，为实际工程安全作业保驾护航。

1 人工冻结技术发展情况

冻结法（Artificial Ground Freezing,AGF）也被称为人工冻结技术，即人为制造低温环境，通过将土体内自由水的温度降至0℃以下，自由水结成冰后黏结土体，形成冻结土体。冻土强度高、稳定性强、隔水性能好，可起到较好的支护、隔水作用，适应复杂地层条件施工作业。

冻结法的应用源于现代科学技术的发展，移动式冻结机械的产生使工程冻结成为可能，并开始应用于工程建设中。19世纪80年代，德国工程师波茨舒创立冻结法原理，并申请专利，在阿尔巴里德煤矿井筒施工中成功运用。20世纪90年代，国内外已经实现了人工冻结法的广泛应用，包括建筑地基、矿井建设、地铁工程、输洪隧道等领域。

我国自20世纪50年代开始引入冻结法，首次试用是在开滦林西矿风井，施工效果良好，此后在全国各地矿井工程中得到了广泛应用，积累了大量的施工经验。直至70年代，冻结法在我国城市建设中得到了推广，在北京、沈阳、上

海、广州地铁工程中均实现了成功应用。文章主要围绕人工冻结技术在地铁施工中的应用展开详细分析。

2 人工冻结施工原理与方法

2.1 施工原理

人工冻结，实质上是利用低温环境改变土体特性的地层加固技术。人工冻结施工，需要在地层中铺设管道，安装冻结机械与相应循环系统，通过制冷媒介可吸收土体热量，松散含水岩土成冻土后形成人工开挖所需临时固结体，达到地层加固的目的，并创造无水施工环境。冻结系统示意图（盐水）如图1所示。

图1 冻结系统示意图

1.盐水箱；2.盐水泵；3.去路干管；4.配液圈；5.供液管；6.回液管；7.冻结器；8.集液圈；9.回路干

管。

完成冻结施工后可开挖隧道，刚性支护工作结束后可停止制冷，随着时间的推进，人工冻层逐步解冻，恢复岩土初始状态。在人工冻结技术的运用下，冻土的形成并非一成不变，土体内自由水的变化可分为5个阶段，如图2所示。

图2 冻土中自由水冻结曲线

2.2 施工方法

近年来，我国人工冻结常用的有低温盐水法和液氮冻结法两种施工方法，具体分析如下。

（1）低温盐水法：间接冻结法，将制冷物质（氨、氟利昂）注入制冷压缩机内，通过循环做功将盐水降至0℃以下，采用冻结管将低温盐水送至岩层内，实现土体冻结。低温盐水法主要包括氨循环系统、盐水循环系统以及冷却水循环系统三大循环工作系统，其可以获得-35～-20℃的低温盐水，2～3个月内冻结岩土。

（2）液氮冻结法：此种冻结法主要是通过压强将液氮抽入地层内，并做好热尾气的处理，液氮温度可低至-190℃，以此快速形成冻结壁，冻结时间短则几个小时，多则几十个小时。因此，液氮冷冻法具有冻结速度快、强度高的特点，可用于抢险堵水情况，但是液氮提取较为复杂，成本偏高。

2.3 施工工艺

在地铁工程中，人工冻结施工工艺可总结为“三大阶段、四大工序”，具体如下所述。

（1）三大阶段：扩展冻结、冻结保护、解除冻结阶段。在完成前期准备工作后开始冻结施工，并将人工冻结壁扩大至设计所需厚度；冻结壁强度、厚度达标后，进入正常施工阶段；完成施工后，停止制冷，逐步恢复初始土温。

（2）四大工序：①做好施工准备工作，包括建立制冷站、水电系统等，完成冻结钻孔量测工作，及时安装制冷机械、冻结管线；②冻结管试漏，并安装集配液圈；③落实冻结期温度监测与维护工作，完成开挖衬砌工作；④完成作业后拆除设备，融沉注浆等。

目前，人工冻结已经成为主要的地层加固技术，结合相关施工经验可将其优点归纳如下：冻结帷幕形状灵活多变，可适应不同场地条件，施工方便；不同工程地质条件不同，但是只要含有一定量的水就可以采用冻结法，如软土、不稳定土层、流砂，以及高地压、高水压条件均可适用；冻土强度高、渗透性低，可提供支护、隔水作用，且此方法对环境无污染，噪声小。

3 人工冻结技术在地铁施工中的应用案例

3.1 工程概况

文章以某地铁区间隧道联络通道施工为例展开分析。此项目左右线里程分别为DK29+181.000、DK29+200.250，线间距13356mm。联络通道左右线长度分别为69.653m、69.649m，隧道中心埋深为17m，隧道管片采用钢管片，隧道内径为5.4m，管片厚度为300mm。隧道初次支护采用C25P6混凝土，厚度为250mm；二次衬砌采用C35P10混凝土，厚度为400mm；临时支护层与永久结构层间设防水层；结构层底部左、右线各预埋1根DN250球墨铸铁管作为排水管。结构示意图如图3所示。

图3 结构示意图（单位：mm）

3.2 工程条件

该项目联络通道基本处于粉土、粉砂层，泵房处于粉砂层、中砂层；场地内浅层地下水主要是孔隙潜水、承压水，结合水文资料分析考虑承压水头高度为12m（高程为80.48～81.77m）。场地周边无重要建筑物，左线外侧分布有部分市政管道，与联络通道中心最小距离为19m。

3.3 施工方案

结合该项目联络通道特点与地层情况，经综合分析决定采用水平冻结加固土体、矿山暗挖法开挖构筑的施工方案，具体如下：联络通道混凝土管片打设水平冻结孔，将隧道周边土体冻结，形成不透水冻结壁；在冻结壁的保护下，采用矿山暗挖法开挖隧道内土体，进行二次支护，壁后充填注浆、融沉跟踪注浆。此次冻结方案由专业冻结设计单位负责，主要设计参数如表1所示。

表1 冻结设计参数

3.4 冻结加固施工

（1）水平冻结孔施工。该项目布置冻结孔、测温孔以及卸压孔，具体如下所述。①冻结孔布置：该项目正常布置采用水平孔，当孔位无法满足要求时，采用斜孔，终孔孔位为设计圈径；上、右行隧道之间是冻结壁受力不利位置，此处应适当加密冻结布设孔。联络通道各布置冻结孔69个，冻结站侧、对侧分别为56个、13个，在冻结前需要对冻结孔角度、长度进行调整，并报设计单位审核。②测温孔布置：该项目联络通道测温孔均布置8个，冻结站对侧6个，通过测温孔监测冻结帷幕不同位置的实际问题，确保施工作业安全。测温孔4选用Φ89mm×8mm无缝钢管，其余规格为Φ45mm×3mm。③卸压孔：冻结帷幕封闭区内各通道布置卸压孔4个，左、右线分别为2个，卸压孔上安装压力表，每日观测冻结帷幕内压力情况，及时释放冻胀压力。

采取分期冻结方法，左、右行线分期施工，重点保证左行线先期完成钻孔施工。遵循自上而下的施工顺序，防止下层冻结孔施工引发上层土体扰动。由于该项目钻孔施工在承压含水层中，钻孔时极易引发流变、喷沙涌水事故，对此必须在开孔处进行防喷防涌控制处理，如图4所示。

图4 钻孔防喷孔口管装置示意图

（2）试运转与积极冻结。该项目采用低温盐水冻结法，完成设备、盐水管路的安装后，对整个系统进行调试与试运行。在运转过程中，及时调节压力、温度等参数，确保机组在相关工艺规程、设备要求的技术参数条件下运行。

在系统试运行过程中，定时检测盐水温度、测温孔温度以及冻土帷幕扩展情况，一旦发现异常，及时调整冻结系统的运行参数。当冻结系统进入正常运转状态后，进入积极冻结阶段。联络通道积极冻结时，实时查看温度数据，根据温度变化情况判断冻结壁是否交圈、是否达设计厚度。

（3）维护冻结。当冻结壁交圈、厚度达设计要求后，可适当提高盐水温度，进入维护冻结阶段，盐水温度≤-25℃。

3.5 开挖、支护及防水施工

该项目冻结完成后进行正常施工阶段，具体如下所述。

（1）开挖施工。该项目开挖条件如下：①制冷机正常运转，供冷量充分，冻结站运行至开挖前，无超过30h的停机情况；②冻土帷幕厚度达到设计要求；

③盐水系统运行正常；④冻结孔去回路盐水温差≤1℃，个别≤2℃；⑤打探孔检查冻土帷幕与连续墙界面温度＜-5℃；⑥卸压孔打开，无泥水涌出等。由建设、监理、监测、设计、施工等单位联合验收无误后，方可开挖隧道。未冻结土层采用铁锹开挖，已冻结土层采用风镐开挖。

（2）支护施工。该项目采用二次支护方法，第一次支护采用型钢支架+木背板，喷射C20混凝土，厚度为250mm；完成开挖与临时支护后，实施二次支护，采用现浇筑C35钢筋混凝土结构。

（3）防水施工。在该项目暗挖段中，临时支护层与结构层间设防水层，主要组成部分包括无纺布缓冲层、优质PVC或EVA防水板、无纺布保护层，防水板接头采用双缝焊接方法，做好真空检测；抗融沉注浆管穿越防水板的接头处做好密封处理。项目通过防水板、止水带、预埋注浆管组成分区注浆系统，获得了良好的整体防水效果。结构层与隧道接头处设止水条、预埋注浆管，保证接头水密性；变形缝设外贴式与中埋式止水带，内侧嵌填封胶，由此获得一个完整的防水线。

3.6 监测监控工作

基于冻结法的特殊性，施工监测十分关键，该项目监测项目如表2所示。除了布置的各监测孔，项目盐水去路和回路干管安装数字温度传感器，采取全自动化监测方法，盐水箱布置标尺；上、右行线隧道中心线从地面竖向打下1根钢筋，进入地表2m，采用水准仪测量顶部标高。

表2 监测监控项目

4 结束语

综上所述，在现代工程建设中，人工冻结法逐渐得到了推广应用，尤其是地铁建设、基坑开挖逐渐成为主流工法。在地铁施工中，通过人工冻结法成功解决了诸多难题，如地面无法加固时隧道的安全施工、隧道施工面临的潜在涌砂涌水问题等，在工程实践中需要根据项目情况、地质条件合理选择冻结方法，科学布置冻结孔、确定冻结参数，在整个开挖、支护施工中需落实相关监测监控工作，保证项目安全作业。