凍結法施工
用於土木工程、工藝領域的施工
凍結法施工，是指在含水土層內先鑽孔打入鋼管，導人循環的液氮，使周邊的地層凍結，形成堅硬的凍土殼。它不僅能保證地層穩定，還能起隔水作用，可以進要行深基坑的挖土。我國一些煤礦井簡工程，用此法施工，最長達500m。近年來，此法已推廣到其他土木工程中。
地鐵施工旁通道凍結法施工工藝凍結法施工工法一、前言作為一種成熟的施工方法，凍結法施工技術在國際上被廣泛應用於城市建設和煤礦建設中，已有100多年的歷史，我國採用凍結法施工技術至今也已有40多年的歷史，主要用於煤礦井筒開挖施工，其中凍結最大深度達435m，凍結表土層最大厚度達375m.自1992年起，凍結法工藝被廣泛應用於上海、北京、深圳、南京等城市地鐵工程施工中。
公司在上海地鐵隧道旁通道工程施工中，採用了凍結法加固的施工方法，通過對施工工藝的歸納總結，以及參考有關施工技術資料，形成本工法。
凍結法適用於各類地層尤其適合在城市地下管線密布施工條件困難地段的施工。經過多年來國內外施工的實踐經驗證明凍結法施工有以下特點：
1、可有效隔絕地下水，其抗滲透性能是其它任何方法不能相比的，對於含水量大於10%的任何含水、鬆散，不穩定地層均可採用凍結法施工技術；
2、凍土帷幕的形狀和強度可視施工現場條件，地質條件靈活布置和調整，凍土強度可達5-10Mpa，能有效提高工效；
3、凍結法是一種環保型工法，對周圍環境無污染，無異物進入土壤，噪音小，凍結結束后，凍土牆融化，不影響建築物周圍地下結構；
4、凍結施工用於樁基施工或其它工藝平行作業，能有效縮短施工工期。
凍結法適用於各類地層，主要用於煤礦井筒開挖施工。在地鐵盾構隧道掘進施工、雙線區間隧道旁通道和泵房井施工、頂管進出洞施工、地下工程堵漏搶救施工等方面也得到了廣泛的應用。
凍結法是利用人工製冷技術，使地層中的水結冰，將鬆散含水岩土變成凍土，增加其強度和穩定性，隔絕地下水，以便在凍結壁的保護下，進行地下工程掘砌作業。它是土層的物理加固方法，是一種臨時加固技術，當工程需要時凍土可具有岩石般的強度，如不需要加固強度時，又可採取強制解凍技術使其融化。
施工操作要點：施工時，應不斷對每個施工工序進行管理。控制凍結孔施工、凍結管安裝、凍結站安裝、凍結過程檢測的質量。
凍結孔施工
● ● 開孔間距誤差控制在±20mm內。在打鑽設備就位前，用儀器精確確定開孔孔位，以提高定位精度。
● ● 準確丈量鑽桿尺寸，控制鑽進深度。
● ● 按要求鑽進、用燈光測斜，偏斜過大則進行糾偏。鑽進3m時，測斜一次，如果偏斜不符合設計要求，立即採取調整鑽孔角度及鑽進參數等措施進行糾偏，如果鑽孔仍然超出設計規定，則進行補孔。
凍結管試漏與安裝
● ● 選擇φ63×4mm無縫鋼管，在斷管中下套管，恢復鹽水循環。
● ● 凍結管（含測溫管）採用絲扣聯接加焊接。管子端部採用底蓋板和底錐密封。凍結管安裝完，進行水壓試漏，初壓力0.8MPa，經30分鐘觀察，降壓≤0．05MPa，再延長15分鐘壓力不降為合格，否就近重新鑽孔下管。
● ● 冷凍站安裝完成後要按《礦山井巷工程施工及驗收規範》要求進行試漏和抽真空，確保安裝質量符合設計要求。
凍結系統安裝與調試
● ● 按1.5倍製冷係數選配製冷設備。
● ● 管路用法蘭連接，在鹽水管路和冷卻水循環管路上要設置伸縮接頭、閥門和測溫儀、壓力表、流量計等測試元件。鹽水管路經試漏、清洗後用聚苯乙烯泡沫塑料保溫，保溫厚度為50mm，保溫層的外面用塑料薄膜包紮。集配液圈與凍結管的連接用高壓膠管，每根凍結管的進出口各裝閥門一個，以便控制流量。
● ● 冷凍機組的蒸發器及低溫管路用棉絮保溫，鹽水箱和鹽水干管用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保溫。
● ● 機組充氟和冷凍機加油按照設備使用說明書的要求進行。首先進行製冷系統的檢漏和氮氣沖洗，在確保系統無滲漏后，再充氟加油。
● ● 設備安裝完畢後進行調試和試運轉。在試運轉時，要隨時調節壓力、溫度等各狀態參數，使機組在有關工藝規程和設備要求的技術參數條件下運行。
積極凍結，就是充分利用設備的全部能力，儘快加速凍土發展，在設計時間內把鹽水溫度降到設計溫度。旁通道積極凍結鹽水溫度一般控制在-25～-28℃之間。
積極凍結階段在凍結試運轉過程中，定時檢測鹽水溫度、鹽水流量和凍土帷幕擴展情況，必要時調整凍結系統運行參數。凍結系統運轉正常後進入積極凍結。
積極凍結的時間主要由設備能力、土質、環境等決定的，上海地區旁通道施工積極凍結時間基本在35天左右。
維護凍結，就是通過對凍結系統運行參數的調整，提高或保持鹽水溫度，降低或停止凍土的繼續發展，維持結構施工的要求。旁通道維持凍結鹽水溫度一般控制在-22～-25℃之間。維護凍結時間由結構施工的時間決定。
維護凍結階段在積極凍結過程中，要根據實測溫度數據判斷凍土帷幕是否交圈和達到設計厚度，測溫判斷凍土帷幕交圈並達到設計厚度后再進行探孔試挖，確認凍土帷幕內土層無流動水后（飽和水除外）再進行正式開挖。正式開挖后，根據凍土帷幕的穩定性，提高鹽水溫度，從而進入維護凍結階段。
6.1工程監測的目的工程量測作為該工法的一項重要施工內容。其目的就是根據量測結果，掌握地層及隧道的變形量及變形規律，以指導施工。由於旁通道施工位於地下十多米處，為防止施工時對地面周邊建築、地下管線、民用及公共設施帶來不良影響，甚至嚴重破壞。對施工過程必須有完善的監測。
● ● 工程監測的內容工程監測貫穿整個施工過程，其主要監測內容為：地表沉降監測，隧道變形監視，通道收斂變形監測，凍土壓力監測。
● ● 凍結孔施工監測內容為：凍結管鑽進深度；凍結管偏斜率；凍結耐壓度；供液管鋪設長度。
● ● 凍結系統監測內容為：凍結孔去迴路溫度；冷卻循環水進出水溫度；鹽水泵工作壓力；冷凍機吸排氣溫度；製冷系統冷凝壓力；冷凍機吸排氣壓力；製冷系統汽化壓力。
● ● 凍結帷幕監測內容為：凍結壁溫度場；凍結壁與隧道膠結；開挖后凍結壁暴露時間內凍結壁表面位移；開挖后凍結壁表面溫度。
● ● 周圍環境和隧道土體進行變行監測內容為：地表沉降監測；隧道的沉降位移監測；隧道的水平及垂直方向的收斂變形監測；地面建築物沉降監測。
1、凍結法施工旁通道所用設備
旁通道凍結施工主要機械設備表序號 設備名稱 規格、型號 數量 額定功率 能力
螺桿冷凍機組 JYSGF300II 2台 110KW 87500Kcal/h
鹽水泵 IS125-100-200 2台 45KW 200m3/h
冷卻水泵 IS125-100-200C 4台 15KW 120m3/h
冷卻塔 NBL-50 4台 15m3/h
鑽機 MK-50 1台
電焊機 BS-40 2台
抽氟機 1台
說明：以上1-4項凍結設備均備用一台。凍結設備詳見附圖
2、凍結法施工旁通道所用量測設備
旁通道凍結施工主要量測設備表序號 設備名稱 規格、型號 數量 備註
經緯儀 J2 1台
測溫儀 GDM8145 1台 測量凍土溫度
精密水準儀 1台
打壓機 20MPa 1台 凍結器打壓試漏
收斂儀 1台 凍土帷幕收斂
鋼捲尺 20m 1把
質量標準由於凍結法施工工程技術難度高，施工風險大，工程中不可預測因素多，故此對質量要求極高。主要按照《GB_50213-2010煤炭井巷工程質量驗收規範》、《煤礦井巷工程施工及驗收規範·GBJ213-90》、《煤礦井巷工程質量檢驗評定標準·MT5009-94》標準要求進行施工。除了參照國家有關標準外，還應著重注意以下幾點：
1、凍結帷幕設計時應選擇比較安全的計算模型，要有足夠的安全係數；
2、冷凍機組製冷量在設計時，取較大的備用係數；
3、鑽孔的偏斜應控制在1%以內；
4、終孔間距不大於1.0m；
5、在凍土帷幕關鍵部位，多布置測溫孔，監測凍土帷幕的形成過程和形成狀況。
勞動力組織凍結法施工技術要求高，專業性強，且由於其特殊性，現場需配備土建工程師、機械工程師、電氣工程師和測量工程師。
作業人員配備人員
工 作 項 目 工 種 人 數 備 注
凍結孔施工 打鑽工 15人 進入凍結階段可轉為普通工凍結管安裝
凍安工 9人 進入凍結階段可轉為普通工機械維修
機修工 3人電氣維修
電工 2人 （包括設備數據採集）
電焊 電焊工 2人
凍結管焊接工程監測 測量工 3人
環境變化監測測溫 技術員 1人
測溫孔測溫輔助施工 普通工 4人
當班負責 施工員 2人
總計 41人
1、設計要考慮各種最不利條件，保證方案安全可靠：
2、設計計算的各種最不利條件，在施工組織設計及施工中，做到重點防範，採取切實可行、有效的措施加以控制。
3、選用無污染、效率高、體積小、重量輕、製冷量大、安裝運輸方便的螺桿冷凍機組作為製冷系統的主機。以適應地鐵施工場地小、工期緊的需要。
4、採用通訊系統和視頻系統有效的監控施工現場，對施工中發現的問題及時彙報處理，杜絕一切不安全的施工現象和違章的操作，把事故制止在萌芽狀態。
5、旁通道設安全防水門，一備發現險情關閉防水門，保護隧道之用。
6、在對面隧道內，增設冷凍板，冷凍板排管外設置泡沫保溫材料，以確保對面隧道交接處的完好凍結狀態；在旁通道的左右側各鑽一個Φ89的凍結孔，作為冷凍板鹽水循環的進回液管。
7、在管線交底后也可對地下管線和隧道進行必要的支撐。對離凍結區較近的管線與建築物進行暴露或保溫，防止凍壞。
8、旁通道開挖期間項目管理人員採用二十四小時值班制，對施工的各個環節要起到及時的檢查和督促作用，在施工現場準備足夠的備用設備和物資，以備應急之用。
9、為預防開挖中停電等導致停工，甚至出現冒頂、涌砂事故，採取以下預案：在旁通道開挖期間，通道內準備3米長16#槽鋼（或鋼管）6根，粘土2.0t和足夠的砂袋，以在必要時堆粘土和砂袋封閉通道，預防淹隧道。
10、凍結加固中打設的凍結孔將穿越④、⑤號土層，該土層局部夾有粉砂薄層，有鑽孔突水、涌砂的可能。A、加大鑽具推力，強行頂入套管B、利用原鑽具系統注漿，漿液選用水泥—水玻璃或丙烯酸鹽類漿液。C、必要時壓緊孔口管密封裝置，封閉該孔。
11、採取必要的措施，防止打凍結孔時水土流失；在鑽孔施工期間加強沉降的監測，發現跑泥漏沙水土流失嚴重引起的沉降，影響到建築物和地下管線，應立即停止施工，立即注漿，防止沉降影響周圍建築物和地下管線，到沒有沉降為止，待地層較穩定后再施工鑽孔。
12、加大鹽水在凍結管內的流量，採用串並聯循環方式，加快凍結管的熱交換。
13、用逐步降溫的過程，防止凍結管由溫度應力造成的開裂。凍結孔每三個串聯供液，並根據流量及去迴路溫差監控凍結器的鹽水流量及均勻性，確保凍結帷幕支護可靠。
14、根據監測的測溫孔溫度計算的各個剖面凍結壁的平均溫度，對溫度偏高的部位，調整鹽水流量予以調控。實現信息化施工，加強凍結壁的監測監控。根據監測情況調控凍結壁強度和變形。
15、加強凍脹與融沉監測，發現凍脹影響到建築物和地下管線，通過打的卸壓孔減小凍脹或打凍結孔加熱循環，進行解凍；預留注漿孔，進行跟蹤注漿，防止融沉影響周圍建築物和地下管線。
效益分析自我國採用凍結法施工技術以來，作為一種特殊的施工方法，其抗滲透性能是其它任何方法不能相比的。近年來，城市地下工程施工進入了高峰，複雜的施工環境使一些大型的設備往往束手無測，而凍結法這種僅在施工範圍內鑽孔就可解決問題簡易手段正好有了用武之地，本文歸納其有以下優勢：
1、可視施工現場條件，地質條件靈活布置和調整，可在地下施工，不佔用地面土地，雖加固的費用高出水泥攪拌樁約1/3，但遠遠低於節省交通組織費用。
2、凍結土體強度高，並可根據施工要求調節不同部位的強度，安全性好。
3、阻水效果較其他方法更有效。
4、是一種環保型工法，對周圍環境無任何污染。
基本信息
- 中文名
- 凍結法施工
- 所屬學科
- 工程學、工學
- 適用領域
- 土木工程、工藝
- 外文名
- Freezing method construction