浅谈地铁建设中的人工地层冷冻技术

浅谈地铁建设中的人工地层冷冻技术

雷宇

中煤隧道工程有限公司江苏徐州221000

摘要：本文主要讲述了人工地层冻结技术的发展历程与其施工原理，并针对施工中产生的问题提出些可行性方法，并结合实际工程加以说明。

关键词：冻结技术；钻孔；冻结施工

引言

随着我国城市轨道系统的逐渐完善，其施工技术也在不断发展，在我国的地铁工程项目中，人工地层冻结技术也在不断发展，其实这项技术在国外发达国家早已成熟，并且在地铁建设中广泛应用，而我国实在近些年才对其进行引进与学习研究的，虽然我国的起步速度较晚，但由于这套技术在国外有许多成功经验，加之我国铁路施工技术人员的不断学习，所以我国的人工地层冻结技术发展迅速。

一、人工地层冻结技术的发展历程

人工地层冻结技术最是在英国应用的，是在十九世纪六十年代，随后发展速度迅速，逐渐在德国、比利时、法国、荷兰、美国、前苏联、日本等国广泛应用。其实人工地层冻结技术最早不是应用于地铁上，而是用于矿山工程或其他领域之中。随着我国城市地下工程的增多，尤其地铁隧道工程的不断发展，冷冻技术不断融入到地铁隧道的施工之中。

二、人工地层冷结技术的施工原理与工艺

人工地层冷结技术指的是运用人工制冷技术（一般为盐水冻结技术），将管道铺设在需要加固的地层中，用制冷压缩机进行制冷，并让低温盐水在冻结器中循环流动，降低地热能，把天然岩土转变为完整性好、强度高且不透水的临时加固体，从而达到使地下工程与地下水相隔绝的目的。在开挖竖井或隧道等地下工程时，一定要在有冻结体保护的前提下对其进行施工，在完成支护砌筑之后，再让冻结的地层慢慢的进行解冻，最后还原到初始状态。人工地层冷结技术除了可以运用盐水之外，还可以使用液氮或干冰作为冷媒体进行冻结。

人工地层冷结技术的优点也是非常多的，其优越性分别体现在以下几个方面：

(1)地层强度高，冻结完成之后，地层的抗压强度可以提升到12~13MPa。

(2)隔水效果好，可保证工作面是无水的，在无水条件下进行施工开挖作业。

(3)支护的整体性能好，形成冻结体之后，不易产生裂缝，极大程度上保障了支护的整体性与完整性。

(4)安全可靠，在进行冻结之后，隧道整体性加强，可在施工的过程中，改善施工环境，降低事故发生率。

(5)灵活性好，采用人工地层冷结技术对地层进行冷冻时，可对冻结的形状与范围进行控制。

(6)环保效果好，人工地层冷结技术是一种临时的加固技术，只是让地层中的水凝结成冰，并且施工过后，加固体由于温度变化会返回到原来的状态，因此会起到保护城市地质稳定确保地下水资源不受施工污染的作用。

人工地层冷结技术的主要工序有：（1）钻孔（2）冻结器铺设（3）冷冻系统安装（4）冻结制冷（5）隧道开挖和衬砌。这些工序都是人工地层冷结技术的重要组成部分，都有着不可或缺的功效与地位。

三、地层冻结施工的关键方法

1.钻孔施工

钻孔施工时必须要根据设计要求选取合适的钻机、钻头与其他施工工具，做好充足的施工准备工作，下面讲述几条施工要点：

(1)钻机：如在隧道内进行冻结孔钻孔施工，由于其隧道空间有限，所以要求钻机的尺寸不宜过大，并且可以达到灵活施工的要求，最后要保障其扭矩与推力。当前钻机一般采用坑道钻机。

(2)钻头与钻具的选择：一般的冻结孔都采用的是根管钻进，就是在钻孔的同时对冻结管进行铺设，利用冻结管作钻杆，冻结管采用丝扣连接，接缝要补焊，确保其同心度和焊接强度，在钻孔完成后，要对钻杆的端头进行密封，在进行一系列测试确保其性能之后才可以作为冷冻管使用。

(3)测斜：测斜的主要内容就是对钻孔深度与钻孔的倾角、方位进行测试，最后计算出钻孔的偏斜率，并对其及时对其进行相关处理。目前较为常用的测斜技术有灯光测斜与脱落测斜两种，这两种测斜方法要结合具体情况进行选择。

(4)控制钻孔的偏斜

引发钻孔偏斜的因素有很多，但是从大致上可以分为两类，即客观因素与主观因素。客观因素主要是说各个地层的不同属性，如软硬不均、倾角不同、结构多变等等；而主观因素主要是说人为施工过程中的原因，如导向管安装位置不正确、钻孔时的开孔角度不准确等等，总之如果想控制钻孔的偏斜，就必须从客观和主观共同入手，才能确保施工质量。

2.冻结器的铺设

在冻结器的铺设中，主要有两道工序组成，即冻结管与供液管的下放与安装。在进行铺设时一定要确保，冻结管与供液管的材料符合国家标准与设计要求，在施工完成后要对其进行相应的检测，确保其使用性能。

四、案例分析

杭州地铁2号线一期工程西北段土建施工SG2-17标冷冻法洞门加固专项施工方案。

1.工程概况

杭州地铁2号线一期工程武林门站～沈塘桥站区间设一存车线，道岔区采用明挖法施工，存车线采用盾构法施工。明挖区间共设3个洞门，小里程端设1个洞门与区间右线相接，大里程端设2个洞门分别与区间右线及存车线相接。明挖区间维护结构采用800mm厚地下连续墙，内衬厚为700mm。盾构隧道外径6.2m，洞门直径6.7m。明挖区间小里程端右线为盾构始发，洞门轨面标高为-9.892m，中心标高为-8.032m，地面标高约为+4.690。明挖区间大里程端右线及存车线为盾构接收，洞门轨面标高为-9.715m，中心标高为-7.855m，地面标高约为+4.820。

2.水平冻结加固方案及冻结参数的设定

（1）冻结加固方案

本工程采用水平冻结方案：即在工作井内的洞圈内外侧布置4圈水平冻结孔，向冻结孔供冷。

（2）冻结参数设定

盾构始发，到达处主要土层为④2淤泥质粉质粘土夹粉土、④21粉质粘土夹粉土，根据冻土试验报告数据，取冻土单轴抗压强度为3.6MPa，弯折强度1.8MPa，直剪强度1.5MPa。盾构接收水平冻结设计冻结壁有效厚度为内圈3.0m，冻结壁设计平均温度为不高于-10℃；盾构始发水平冻结设计冻结壁有效厚度为内圈2.5m，冻结壁设计平均温度为不高于-10℃。冻结加固体在盾构出洞破壁时，起到抵御水土压力、防止土层塌落和泥水涌入工作井的作用。

3.工程重点难点分析及控制措施

（1）钻孔施工时一定要防止涌水涌泥，装好孔口装置。

（2）施工过程中必须严格控制钻孔、开挖及冻胀融沉对地层造成的扰动和隧道变形，加强监测，跟踪注浆，以减轻对周围地面环境及地下管线的影响。

（3）确保施工方案科学合理，施工计划安排合理完整。

（4）现场存在施工交叉，施工措施要符合现场实际条件，具有良好的施工可行性和可操作性，满足安全施工、文明施工、环境保护及节能要求。

（5）冻结系统温度监测要按要求准确监测，对有异常的地方要及时查找原因并处理，并根据测温情况分析冻结壁的发展状况。

五、结语

总之，人工地层冻结技术在隧道施工中的应用是成功的，其施工所达到总体效果十分优越，且更环保适用，非常符合我国当前创建资源节约型环境友好型社会的需要。

参考文献：

[1]周伟.深圳某地铁车站防水工程施工技术[J].建材与装饰（上旬），2011.5（5）：85-86.

[2]陈国联.地铁施工技术要点分析[J].科技与企业，2014.6（6）：191-192.