人工冻结法在工程中的应用和展望

1、 人工冻结法在工程中的应用和展望孙伟崔鹏飞牛东峰摘要：介绍人工冻结法在我国各个工程领域内的应用实例，扼要展望人工冻结法的发展前景关键词：人工冻结法；特殊地层凿井；桥梁桩基；土层加固引言土木工程未来的发展方向之一是向地下发展，20世纪中叶以来许多国家把向地下要空间作为一项国策，并且在发展中取得了卓越的成果。我国也十分重视地下空间的开发利用。自从上世纪60年代，我国开始利用城市地下空间并以初具规模，如北京修建地下铁路，上海建设打浦路隧道，70年代建设大量的人防工程，改革开放以来地下空间的发展更为迅速，典型工程如北京上海广州地铁通车运营，上海建成延安东路越江水底公路隧道还有大量电缆隧道和其他市政工程

2、20余处，总计30余千米。目前我国其他一些大城市也正在进行地铁建设。不仅如此，我国还建设了各种公路隧道、铁路隧道和海底隧道。这些工程的建设极大的促进了我国现代化建设，但是在这过程中也遇到了大量的技术难题，复杂的地质水文条件和其他条件制约了工程建设，某一领域的单一技术手段难以解决问题，这就使这就使得大量不同领域内的技术手段在相互之间应用开来。人工冻结法就是其中一种，从原来的井筒建设应用中逐渐成为各种工程土层加固的很有效的手段。在地铁，隧道，桥梁，特殊地段事故处理中，乃至水利水电工程，工厂，仓库，地下输送管道，军事工程（地下实验场、核发射井）等人工冻结法简介：天然冻土具有较高的强度及不透水性。人工

3、冻结法是依靠制冷剂物理的传热过程来达到地层，人工降温，使含水、低强度、又易于流动的常温土变成为有相当强度的，不透水的冻土结构物，土层被冻结后，其强度可增大几倍、数十倍甚至百倍，土壤中的水结成冰晶充满孔隙，可隔断与地下水的联系达到封水的目的，这样就可以抵抗地压。然后在其保护下进行地下工程开挖，支护和构筑永久性设施。冻结法最初起源十天然冻结，19世纪初西伯利亚的采金者首先采用自然冷源。1862年，英国人在南威尔士的建筑基础施土中，首次采用了人土制冷技术来加固土壤，从此揭开了人土冻结法在土程中应用的序幕，1880年,德国工程师F.H.Poetch在国际上首次提出并获得人工冻结法专利。1883年德国技

4、术人员在阿尔巴里德煤矿土程中采用冻结法成功地开凿了深达103m的竖井筒，并获得了冻结法开凿的先利，1886年瑞典在一个长24m的人行隧道施土中首次使用了水平冻结技术。随后人工冻结法开始在英国、瑞典、波兰、前苏联、美国等许多国家的煤矿和其他工程中应用，取得了很好的成效。我国在1955开滦林西风井开凿中首次应用人工冻结法建造立井，截止2003年已建成440余个立井井筒，井筒总长度超过74km。1987年将冻结法应用于东海拉尔水泥厂卸矿室及斜皮带走廊联合地下基础工程取得了成功之后，逐渐被广泛应用于我国的上海、北京、广州地铁工程和市政基础等10多项工程建设中。人工冻结法开始在我国大规模应用。人工冻结法

5、工程中的应用：特殊地层凿井地铁工程土层加固隧道工程土体加固桥梁桩基工程特殊地段工程事故处理1特殊地层凿井特殊地层凿井是人工冻结法最主要的应用方面，人工冻结法也是在特殊地层凿井应用中日益完善。1883年德国首次在阿尔里德煤矿井筒施工使用人工冻结法并取得成功，随后便普遍的在煤矿凿井大量应用。我国自1955年开滦林西风井开凿中首次应用人工冻结法建造立井，截止2003年已建成440余个立井井筒，井筒总长度超过74km。比较有代表性的有立井冻结河南永夏矿区陈四楼副井（深度为435m），山东金桥副井（穿过的最大冲积层厚度为383.1m）,我国利用人工冻结法凿井最大深度为中煤特殊凿井公司开凿的安徽国投新集能

6、源股份有限公司口孜东煤矿的737m的主井，617m的副井，626m的风井。我国已成为世界上用冻结法凿井穿越表土层最大厚度的国家之一。人工冻结法在特殊地层凿井极为普遍，在这里不做过多介绍，下面主要介绍人工冻结法在其他工程中的应用。2地铁工程土层加固地铁工程土层加固也是人工冻结法应用的主要方面。上个世纪70年代冻结法首次应用于北京地铁建设工程中冻结垂深28m,长度90m，1975年，沈阳地铁采用冻结法施工。北京中煤矿山工程有限公司1993年起先后成功的在上海地铁一号线1个泵站和3个联络通道、上海杨树浦水厂泵站基坑围护冻结、北京“复八”线地铁大北窑段区间隧道、上海地铁二号线杨一中路段、江一中路段、静

7、一石路段、陆一河路段联络通道。上海地铁二号线的九个联络通道有四个采用冻结法加固地层。应用冻结法施工安全性高，不污染环境，已成为上海地铁联络通道施工的一种重要施工方法冻结法。广州地铁二号线公园前站到越秀公园站区间隧道，斜穿过清泉街断裂破碎带。而该断裂破碎带的区间隧道正上方是交通繁忙的应元路与连新路口，东侧是中山纪念堂，西侧是广东科技馆和粤王井，北侧是三元宫。这些均为国家级或省级文物保护单位。跟据地质勘探报告，该断裂破碎带稳定性差，导水性好并且直接与地表土相连，其施工成败直接关系到地面居民生命财产安全和国家财产安全，施工难度和风险都很大，属于广州地铁二号线隧道的咽喉工程之一。经专家多方论证，施工方

8、案定为全断面水平冻结加固隧道矿山法掘砌（冻结法的一种施工方法，这里不作介绍）。从实际施工来看，隧道开挖和冻结情况和设计预测几乎一致。此项工程冻结长度大，并且是国内第一个穿越断裂带的冻结工程，其冻结长度在国内最长，在国际上也不多见，我国的水平冻结提高了一大步。1997年1998年，在北京地铁“复八”线大北窑南隧道段、上海地铁二号线中央公园站至杨高路站旁通道工程中均成功地应用了水平冻结加固技术。1997年11月至1998年4月，在北京地铁热刁又线大北窑车站南隧道进行了我国首例水平法冻结施工。上海地铁隧道冻结法施工广州地铁隧道长距离水平冻结人工冻结法还在北京、天津、南京、北京、广州等多个城市地铁多处

9、工程应用并获得了成功隧道工程土体加固人工冻结法在盾构施工的隧道中盾构出洞洞口周围土体加固也是应用的重要方面。使用盾构施工的隧道在盾构出洞口时如果不对洞口土体进行加固，就会漏水滑沙造成地面沉降，严重时会造成更大的事故。由于人工冻结法具有良好的封水性和高强度，很好的解决了盾构出洞的难题。日本凯横运河下盾构贯通成功的采用人工冻结。日本东京环7线2号调节水仓成功的应用冻结法加固解决了类似问题。意大利也有成功经验。我国上海复兴东路双层越江隧道工程在盾构出洞时首次运用人工冻结法加固洞口土层并取得圆满成功。1994年12月一1993年4月，在上海延安东路隧道南线进行了盾构进洞也采用人工冻结。桥梁桩基工程桥梁

10、桩基工程在施工挖至一定深度时由于地质因素会发生涌沙涌水事故给施工造成困难。于是工程师想到人工冻结法，冻结后的土层具有较好的隔水性，这就能够阻止涌沙涌水，并且加固了基础。人工制冷冻结施工技术1987年首次应用到安徽凤台淮河大桥西岸主桥墩施工。安徽凤台淮河大桥位于凤台县城境内，是横跨淮河的一座斜拉桥。两座主桥墩分设于东西两岸，其中西岸主桥墩设计为两根桩基，采用沉井法施工，当两井筒沉至底部垂深24m左右时，均发生工作面四周涌沙涌水事故，涌沙涌水量很大，且出现沉井井筒周围表土下陷，故停止施工，后选用人工冻结施工技术进行处理。1998年初，江西湖口大桥东塔桩基水下工程采用冻结法施工。湖口大桥位于江西省湖

11、口县，地处都阳湖与长江的交汇处，大桥主桥长636m，是九江至景德镇一级汽车专用公路上的特大桥。该桥主塔的东塔为4根直径4m的灌注桩，嵌岩深度为7m。该桩原设计施工方案为钻孔灌注桩施工，后经专家多次从经济、技术、工期进行论证比较，决定采用冻结法人工挖孔桩施工方案。广州丫髻沙大桥桩基处理工程也采用了人工冻结法。丫髻沙大桥是广州市东南西环高速公路上横跨珠江的特大桥，该桥的9号、10号墩相距360m,间隔珠江，基础均为群桩设计，桩基采用钻孔灌注桩和人工挖孔灌注桩施工。其中某一号桩在开挖垂深至16m左右时，底部出现涌砂、涌水现象而被迫中止开挖，后采用人工冻结解决了问题。苏嘉杭高速公路庞山湖特大桥位于苏州

12、市南吴江市境内,该大桥在2000年2月29日在第28排桩位第28根桩孔施工时，发生事故。发生后先后采用过吊车直接起吊、高压水冲洗、泵吸反循环排淤、下钢护筒人工挖孔处理等8大方案，更换多家作业单位，历时近1年仅仅把基桩孔内部分杆打捞上来，旋挖筒、钢打筒等设施还遗留在桩孔内，不能满足大桥基桩设计要求。最后经多方专家论证采用冻结技术将基桩周围及底部（落底为含水砂层）冻结形成冻土帷慕，人工挖掘到基桩设计深度，取出旋挖筒及钢打筒的处理方案。我国第一、世界第三的特大跨径悬索桥润扬大桥的南锚施工也使用人工冻结，施工封水效果好，施工可操作性强的“排桩冻结法”，在世界上罕见。特殊地段工程事故处理广州海公隧道工程

13、建设中，工程施工过程中引起广州贸易大厦门前出现大面积塌陷，使得工程停止，严重影响到交通商贸、地下管线和设备安全，更危及大厦建筑基础，虽对塌陷地区进行注浆加固，但地层仍不稳定，继续施工风险依然存在，施工工期无法得到保证。经专家反复讨论论证，确定采用冻结法对地层进行加固，经过精确的计算和良好的施工，最终取得成功。酣京南路站背浦江南fit大桥贴I_W1J-“II!上海地铁四号线董家渡段发生事故，已建间隧道局部发生坍塌。为修复隧道先在坍塌两端进行垂直局部冻结，在冻结壁的保护下清空完好隧适内泥水并施上混凝上塞子，待塌陷采用水平冻结支护进行修复后隧适与原隧道对接。对人工冻结法的展望人工冻结法还在街区明挖施

14、下、地下水泵站施工以及其他领域，这充分表明人工冻结法具有很强的拓展性。系统总结和发展已取得的理论研究成果和施工实践经验，对推动冻结法更加经济安全可靠的应用，拓宽冻结法应用领域具有长远的意义。随着我国经济建设的发展,富含水困难地质条件下的城市地下工程将日益增多，为冻结法的应用提供了广阔的空间。人工冻结法适宜于以及松软地层的隧道、地铁和地铁车站、排水泵房、地铁主干道间的联系通道、盾构施工的端头井施工，有着广阔的应用经济前景。特别是近年来，我国北京、上海、广州、天津等城市地铁建设，以及将陆续兴建的南京、深圳等16个大城市地下快速交通线路建设，为人工冻结开辟了广阔的前景。笔者大胆预测人工冻结还能将在更

15、多的领域内应用，可能会是海底工程，沙漠工程甚至于高空、太空工程。1张世芳，杨小林深厚表土矿井建设技术北京煤炭工业出版社20012楼根达，尤旭东上海地铁联络通道冻土帷幕结构计算模型研究一一周兴旺等编矿山建设学术会议论文学集徐州中国矿业大学出版社2002.083王建平等.广州地铁隧道长距离水平冻结施工技术一一周兴旺等编.矿山建设学术会议论文学集徐州中国矿业大学出版社2002.083王建平等.上海地铁二号线联络通道冻结施工法施工技术周兴旺等编.矿山建设学术会议论文学集徐州中国矿业大学出版社2002.084杨爱东单管冻结温度场数值计算研究一引言硕士学位论文5吴金根冻结壁的力学分析1975.10柏建彪,

16、曾宪桃,周英.井巷设计优化与施工新技术徐州中国矿业大学出版社2008.03张玉娟.人工冻结法在天津地铁中的应用硕士论文天津大学张铭.冻结壁稳定性问题的研究硕士论文中国矿业大学陈瑞杰,程国栋.人工地层冻结应用研究进展岩土工程学报2000陈湘生,徐兵壮,汪崇鲜.冻结法在上海地铁建设中的几种应用形式地层冻结工程技术与应用煤炭工业出版社筱建平,颜长春,李新形,王俊杰,刘昌汉.湖口大桥东塔桩基冻结法施工技术介绍周晓敏,苏立凡,贺长俊,关继发.北京地铁隧道水平冻结法施工岩土工程学报1999年第3期程桦.城市地下工程人工地层冻结技术现状及展望淮南工业学院土木工程系李功洲.地层冻结技术的发展现状与展望煤炭科学研究总院北京建井研究所，北京单卫雪