聽說過利用冰箱速凍食物的原理把土體變成凍土，再在凍土里進(jìn)行打洞施工嗎？

西安地鐵四號(hào)線元朔路站-北客站站區(qū)間的聯(lián)絡(luò)通道建設(shè)，就是采用了這種冷凍法施工的新工藝。這種工藝不僅能夠確保施工安全，而且可以免去傳統(tǒng)降水施工隊(duì)對(duì)地下水的浪費(fèi)，規(guī)避涌水涌沙的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)在施工過程中沒有揚(yáng)塵，對(duì)鐵腕治霾起到一定的積極作用。

據(jù)了解，冷凍法是利用人工制冷技術(shù)，使地層中的水結(jié)冰，把天然土體變成凍土，增加其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系，以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行井筒或地下掘砌施工的特殊施工技術(shù)。其實(shí)質(zhì)是利用人工制冷臨時(shí)改變巖土性質(zhì)以固結(jié)地層。

西安地鐵四號(hào)線元朔路站-北客站站區(qū)間的聯(lián)絡(luò)通道位于明光路下方24米，為富水砂層地質(zhì)，距離西寶高鐵線路不到50米。按照常規(guī)的施工方法，需要先進(jìn)行地層預(yù)加固后抽排地下水，將聯(lián)絡(luò)通道位置的水位降至開挖范圍以下，再開挖施工。但為確保高鐵運(yùn)行安全，高鐵線路200米范圍不允許抽排地下水，這給地鐵建設(shè)者出了一個(gè)難題。為此，地鐵公司組織專家進(jìn)行了多次方案比選、論證，最終確定了洞內(nèi)水平冷凍方案。

據(jù)工作人員介紹，他們利用冰箱速凍食物的原理，經(jīng)過近40天的冷凍期，已經(jīng)成功將該通道四周凍結(jié)成型，目前正在凍土中進(jìn)行通道開挖，開挖出的洞室寒氣逼人，隔水效果十分理想，全長(zhǎng)7.5米的通道截止目前已開挖掘進(jìn)5米多。

據(jù)悉，這項(xiàng)冷凍法施工技術(shù)在西安地鐵應(yīng)用尚屬首次。該技術(shù)能有效隔絕地下水，適應(yīng)面廣、安全可靠、污染性小，不僅可以應(yīng)對(duì)各種不能在地面進(jìn)行加固、抽排地下水的情況，省去了地面圍擋，而且不容易出現(xiàn)薄弱部位，加固和止水的效果更優(yōu)于其他形式、更安全，可以為以后各種地下工程施工提供參考。

那么凍結(jié)法施工的施工工藝是怎樣的呢？豆工下面就簡(jiǎn)單說說吧

一、制冷方法

其制冷技術(shù)方法，通常使用制冷設(shè)備，利用物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài),即氣化過程的吸熱現(xiàn)象來完成的。 

1、有兩種類型

⑴、冷媒劑(鹽水)吸熱：氨 (-33.4℃)；干冰(-78.5℃)；⑵、直接氣化吸熱：液氮(-195.8℃)；干冰(-78.5℃) 

2、凍結(jié)系統(tǒng)常有兩種類型

⑴、封閉系統(tǒng)（鹽水凍結(jié)）；⑵、開放系統(tǒng)（液氮凍結(jié)）。

二、凍結(jié)法施工的優(yōu)點(diǎn)

1、安全性好

⑴、凍土強(qiáng)度較高；⑵、凍土連續(xù)性可靠、封水性好 

2、適用性強(qiáng)

⑴、適用于幾乎所有具有一定含水量的松散地層（包括巖石）； ⑵、復(fù)雜地質(zhì)條件可行（流砂、大深度、高水壓） 

3、靈活性高

⑴、凍土帷幕性狀（范圍、形狀、溫度、強(qiáng)度）可控。

三、凍結(jié)法施工缺點(diǎn)

由于凍結(jié)法所形成的凍土帷幕其范圍、溫度、強(qiáng)度具有變化性，其凍結(jié)范圍、強(qiáng)度隨溫度的變化而變化，如果供冷不足或外部熱源可導(dǎo)致凍土帷幕性能（范圍、強(qiáng)度）退化，安全性能降低，施工風(fēng)險(xiǎn)增大。眾所周知，上海地鐵4號(hào)線聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí)，其凍結(jié)帷幕失效，發(fā)生重大工程風(fēng)險(xiǎn)事故，給國家造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

1、凍脹融沉

⑴、對(duì)環(huán)境有一定的影響，嚴(yán)重時(shí)具有一定的破壞力； ⑵、融沉控制不當(dāng)可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)差異沉降和長(zhǎng)期沉降； 

2、風(fēng)險(xiǎn)性

⑴、供冷不足或外部熱源可導(dǎo)致凍土帷幕性能退化（范圍、強(qiáng)度）；⑵、流水作用下凍土可快速消融 

3、局限性

⑴、地下水流速影響凍結(jié)效果；⑵、地層含鹽影響凍結(jié)效果； ⑶、含氣地層可影響凍結(jié)效果。

四、冷凍法施工工藝

1、工藝原理

冷凍法加固土體，礦山法開挖構(gòu)筑的基本原理是：在隧道周圍布置水平凍結(jié)孔，并在凍結(jié)孔中循環(huán)低溫鹽水，使凍結(jié)孔附近的含水地層結(jié)冰，形成強(qiáng)度高，封閉性好的凍結(jié)壁（凍結(jié)帷幕），然后在凍結(jié)壁的保護(hù)下運(yùn)用礦山法進(jìn)行隧道開挖與構(gòu)筑施工。

2、施工順序

施工準(zhǔn)備——— 凍結(jié)孔施工，同時(shí)安裝凍結(jié)制冷系統(tǒng)——— 安裝凍結(jié)鹽水系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)———積極凍結(jié)———試挖———隧道掘進(jìn)與臨時(shí)支護(hù)，維護(hù)凍結(jié)———永久支護(hù)———停止凍結(jié)。其關(guān)鍵工序是凍結(jié)孔施工和凍結(jié)過程的監(jiān)測(cè)與控制(見圖)。

 凍結(jié)施工程序

3、施工方法

1）凍結(jié)孔施工

(1)凍結(jié)管、測(cè)溫管、水文管和供液管規(guī)格 

凍結(jié)管、測(cè)溫管和水文管均選用壁厚不小于7mm的φ108低碳無縫鋼管，單根管材長(zhǎng)度2～4m,采用絲扣連接。凍結(jié)管連接用手工焊、補(bǔ)焊。在含水層位置水文管設(shè)濾孔，濾孔面積為10%。供液管選用內(nèi)徑50mm的聚乙烯增強(qiáng)塑料管或鋼管。凍結(jié)管羊角用2#鋼管。 

(2)打鉆設(shè)備選型 

針對(duì)水平凍結(jié)孔的施工特點(diǎn)以及施工場(chǎng)地的限制，要求所選用的鉆機(jī)至少能打70m長(zhǎng)的鉆孔并容易控制鉆孔偏斜度，輸出扭矩與給進(jìn)力大，鉆機(jī)的體積要小，分解方便，搬運(yùn)靈活。為此，選用中煤煤炭科學(xué)研究總院研制的水平鉆機(jī)，其主要技術(shù)性能參數(shù)為：

用凍結(jié)管作鉆桿。視地層不同采用刮刀鉆頭、牙輪鉆頭和全斷面金剛石鉆頭，鉆頭后面連接系自行研制的逆止和密封裝置。鉆孔測(cè)斜采用專門研制TY-1型壓電式高精度水平鉆孔陀螺測(cè)斜儀，淺部用經(jīng)緯儀燈光測(cè)斜校準(zhǔn)。 

(3)凍結(jié)孔質(zhì)量要求 

根據(jù)建設(shè)方提供的施工基準(zhǔn)點(diǎn)，按凍結(jié)孔施工圖布置凍結(jié)孔?？孜黄畈粦?yīng)大于50mm。凍結(jié)孔孔徑為127mm。凍結(jié)孔實(shí)際鉆進(jìn)深度應(yīng)壁設(shè)計(jì)深度大0.5m。鉆孔的偏斜應(yīng)控制在8‰以內(nèi)，成孔最大間距不大于2m。 

(4)凍結(jié)孔開孔 

在凍結(jié)孔布孔高度范圍內(nèi)用Ф38mm小口徑鉆鉆孔檢查地層穩(wěn)定性，如有冒砂現(xiàn)象，則需進(jìn)行雙液壁后注漿。如發(fā)現(xiàn)土層水壓較大，則需安裝孔口管后再行鉆進(jìn)。安裝孔口管時(shí)先用Ф140mm金剛石取芯鉆進(jìn)250mm左右，然后插入孔口管并用錨固樹脂錨固?？卓诠苡莽?3936mm無縫鋼管加工，旁路接1.5’截止閥及泥漿管接頭。管口安裝法蘭及壓緊密封裝置。 

(5)凍結(jié)孔鉆進(jìn)與凍結(jié)器安裝 

①按凍結(jié)孔設(shè)計(jì)方位要求固定鉆機(jī)。隨鉆機(jī)放入凍結(jié)管。凍結(jié)管絲扣要補(bǔ)焊。凍結(jié)管下到設(shè)計(jì)深度后下堵絲密封頭部。 

②為了保證鉆孔精度，開孔段鉆進(jìn)是關(guān)鍵。鉆進(jìn)前10～20m時(shí)，要反復(fù)校核鉆桿方向，調(diào)整鉆機(jī)位置，并用經(jīng)緯儀或陀螺儀檢測(cè)偏差無問題后方可繼續(xù)鉆進(jìn)。 

③凍結(jié)管下入孔內(nèi)前要先配管，保證凍結(jié)管同心度。下好凍結(jié)管后，用測(cè)斜儀進(jìn)行測(cè)斜，然后復(fù)測(cè)凍結(jié)孔深度。凍結(jié)管長(zhǎng)度和偏斜合格后安裝底部密封絲堵，并進(jìn)行打壓試漏。凍結(jié)孔試漏壓力控制再0.8～1.2MPa之間，穩(wěn)定30分鐘壓力無變化者為試壓合格。 

④凍結(jié)管安裝完畢后，用堵漏材料密封凍結(jié)管與基坑混凝土墻之間的間隙。 

⑤在凍結(jié)管內(nèi)下入供液管，然后安裝去、回路羊角和凍結(jié)管端蓋。測(cè)溫孔施工方法和要求與凍結(jié)孔相同。水文孔安裝后要進(jìn)行洗孔，確保出水暢通。

2）凍結(jié)制冷系統(tǒng)安裝

(1)凍結(jié)制冷設(shè)備選型與管路設(shè)計(jì) 

①選用YSKF220型冷凍機(jī)2套，YSKF216型冷凍機(jī)2套，當(dāng)鹽水溫度在-24°C，冷卻水溫度28°C時(shí)，其總制冷量為677680kcal/h。冷凍機(jī)組電機(jī)總功率為610kw。 

②8SH-13A鹽水循環(huán)泵2臺(tái)，流量270m3/h ，揚(yáng)程36m，電機(jī)總功率90kw。 

③S125-100-200冷凍水循環(huán)泵3臺(tái)，流量200m3/h ，揚(yáng)程20m，電機(jī)總功率55.5kw;DBL-200型冷卻塔3臺(tái)，電機(jī)總功率16.5kw。 

④設(shè)鹽水箱一個(gè)，容積6m3。 

⑤鹽水干管和集配液管均選用Ф21938mm和Ф15936mm鋼管，集、配液管與羊角連接選用2#高壓膠管。 

⑥冷卻水管總管和支管分別選用12#和6#焊管。 

⑦在去、回路鹽水管路上安裝壓力表、流量計(jì)、溫度傳感器和控制閥門。 

⑧冷凍施工冷卻水用量為50 m3/h,總用電量約780kw。 ⑨其他 

冷凍機(jī)油：選用N40冷凍機(jī)油。 制冷劑：選用R22制冷劑。 

冷媒劑：用氯化鈣溶液作為冷凍循環(huán)鹽水。 凍結(jié)管封閉：冷凍端封頭采用中煤公司的專利技術(shù)。 (2)凍結(jié)站布置與設(shè)備安裝 

將冷凍站布置在風(fēng)機(jī)房基坑附近地面。站內(nèi)設(shè)備主要包括配電柜、冷凍機(jī)、鹽水箱、鹽水泵、清水泵、冷卻塔及清水池等。設(shè)備安裝按設(shè)備使用說明書的要求進(jìn)行。 

冷卻機(jī)組

(3)管路連接、保溫與測(cè)試儀表安裝 

鹽水和冷卻水管路用法蘭連接。管路應(yīng)固定牢固。去、回路鹽水管路和冷卻水循環(huán)管路上安裝壓力表、流量計(jì)、流量計(jì)和控制閥門。鹽水管路經(jīng)試漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保溫，保溫層厚度為50mm，保溫層的外面用塑料薄膜包扎。集配液圈與冷凍管的連接用高壓膠管，每根凍結(jié)管的進(jìn)出口各裝閥門（或夾板）一個(gè)，以便控制流量。 

冷凍機(jī)組的蒸發(fā)器及低溫管路用棉絮保溫，鹽水箱和鹽水干管50mm的聚苯乙烯泡沫塑料板保溫。 

冷卻水系統(tǒng)圖

冷凍管路

(4)溶解氯化鈣和機(jī)組充氟加油 

鹽水（氯化鈣溶液）比重為 1.260～1.265,先在鹽水箱內(nèi)充滿清水，逐步溶解氯化鈣，再送入鹽水干管內(nèi)，直至鹽水系統(tǒng)充滿為止，溶解氯化鈣時(shí)要除去雜質(zhì)。 

(5)積極凍結(jié)與維護(hù)凍結(jié) ①凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)與積極凍結(jié) 

設(shè)備安裝完畢后進(jìn)行調(diào)試和試運(yùn)轉(zhuǎn)。再運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要隨時(shí)調(diào)節(jié)壓力、溫度等各狀態(tài)參數(shù)，使機(jī)組在有關(guān)工藝規(guī)程和設(shè)計(jì)要求的技術(shù)參數(shù)條件下運(yùn)行。在凍結(jié)過程中，定時(shí)檢測(cè)鹽水溫度、鹽水流量和冷凍壁擴(kuò)展情況，必要時(shí)調(diào)節(jié)凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。冷凍系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后進(jìn)入積極凍結(jié)。要求一周內(nèi)鹽水溫度降低至-20°C以下。 

②開挖與維護(hù)凍結(jié) 

在積極凍結(jié)過程中，要根據(jù)實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)判斷凍結(jié)壁是否交圈和達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，測(cè)溫判斷凍土帷幕交圈并達(dá)到設(shè)計(jì)厚度再進(jìn)行探孔試挖，確認(rèn)凍結(jié)壁內(nèi)土層基本無孔隙水壓后再進(jìn)行正式開挖。正式開挖后，根據(jù)凍土帷幕的穩(wěn)定性，可進(jìn)入維護(hù)凍結(jié)，但鹽水溫度不應(yīng)高于-18°C。在開挖過程中，要定期檢測(cè)凍結(jié)壁暴露面的溫度與變形，發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)處理。

開挖出的凍土

測(cè)溫顯示凍土為-9℃

五、施工監(jiān)測(cè)方法

1、凍結(jié)孔偏斜凍結(jié)器密封性能監(jiān)測(cè)

水平凍結(jié)孔偏斜的監(jiān)測(cè)使用經(jīng)緯儀結(jié)合燈光進(jìn)行。凍結(jié)器密封性能的監(jiān)測(cè)采用管內(nèi)注水，試壓泵加壓的方法試漏，試漏程序及指針符合水平孔凍結(jié)器設(shè)計(jì)要求，每孔測(cè)量一次。

2、溫度監(jiān)測(cè)

鹽水系統(tǒng)和凍結(jié)帷幕溫度監(jiān)測(cè)，使用測(cè)溫儀。

制冷系統(tǒng)和冷卻水循環(huán)以及凍結(jié)帷幕幫壁溫度使用測(cè)溫儀并結(jié)合精密水銀溫度計(jì)測(cè)量，監(jiān)測(cè)頻率每天1～3次，必要時(shí)每2小時(shí)一次。

3、壓力監(jiān)測(cè)

制冷系統(tǒng)和鹽水系統(tǒng)的工作壓力安裝壓力表量測(cè)，制冷高壓系統(tǒng)選用0～2.5MPa壓力表，中低系統(tǒng)選用0～1.6MPa壓力表，監(jiān)測(cè)頻率，每班一次。

4、地面環(huán)境及隧道監(jiān)測(cè)

（１） 地面測(cè)點(diǎn)布設(shè)

基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)：在聯(lián)絡(luò)通道位置對(duì)應(yīng)的地面中心50m以外的穩(wěn)定區(qū)域布設(shè)兩個(gè)沉降基準(zhǔn)點(diǎn)（其中一個(gè)作為復(fù)合點(diǎn)）。   

沉降點(diǎn)布設(shè)：在聯(lián)絡(luò)通道位置對(duì)應(yīng)的地面中心20m范圍內(nèi)布置沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距5m，在聯(lián)絡(luò)通道位置中心及管線和建筑物位置加密布置測(cè)點(diǎn)。

（２） 隧道內(nèi)測(cè)點(diǎn)布設(shè)                                    

基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)：在聯(lián)絡(luò)通道50m以外的穩(wěn)定區(qū)域分別布設(shè)水平位移檢測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)和兩個(gè)垂直基準(zhǔn)點(diǎn)（其中一個(gè)作為復(fù)合點(diǎn)）。   

沉降點(diǎn)布設(shè)：在通道兩側(cè)50m范圍內(nèi)對(duì)隧道水平及垂直方向的收斂變形及施工影響范圍內(nèi)的隧道整體進(jìn)行監(jiān)測(cè)。沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在隧道底環(huán)片上，測(cè)點(diǎn)間距為2m，測(cè)點(diǎn)用道釘打入環(huán)片內(nèi)牢固。   

位移點(diǎn)布設(shè)：位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在隧道兩肩的環(huán)片上，測(cè)點(diǎn)間距為2m，測(cè)點(diǎn)用道釘打入環(huán)片內(nèi)牢固。

隧道收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)：監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在上、下、左、右隧道壁上。用紅漆做好標(biāo)記。

六、人工凍土解凍

人工凍土的解凍有三種情況：中斷或終止凍結(jié)時(shí)的自然解凍；鹽水泄漏導(dǎo)致的解凍；強(qiáng)制解凍。

1、自然解凍 

自然解凍速度與凍土量、凍土溫度、環(huán)境溫度及周圍供熱量相關(guān)。停止凍結(jié)后，每日解凍量與原先凍結(jié)時(shí)間成反比。凍結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，解凍速度越低。 

一般情況下，凍土厚度1米以上時(shí)，中斷1~2天的凍結(jié)，凍土帷幕解凍厚度基本上可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)為是安全的。但是，必須注意，如果有較大流速的地下水作用時(shí)，解凍速度會(huì)加速。 

2、鹽水泄漏解凍 

鹽水泄漏解凍是鹽水?dāng)U散引起的，解凍厚度主要與凍土溫度相關(guān)，當(dāng)然與時(shí)間也有關(guān)。 

當(dāng)凍土帷幕足夠厚，鹽水包不與外界溝通時(shí)，鹽水溫度被保持低溫，對(duì)凍土帷幕功能影響不大。 

例如，當(dāng)凍土溫度保持-20℃時(shí)，在泄漏后2個(gè)月內(nèi)不采取任何措施的情況下，凍土帷幕解凍厚度才6cm，其安全性不必?fù)?dān)心。但是，必須注意，在砂性凍土中，鹽水?dāng)U散快，解凍速度會(huì)加速。 

此外，如果鹽水泄漏發(fā)生在早期，凍土溫度不夠低，凍土厚度不夠大，鹽水易與外界溝通，會(huì)帶來安全威脅。 

3、強(qiáng)制解凍 

強(qiáng)制解凍是指通過凍結(jié)管循環(huán)熱鹽水進(jìn)行的積極解凍，其解凍速度主要與鹽水溫度相關(guān)，當(dāng)然與凍土溫度、環(huán)境溫度也有關(guān)。 

自然解凍與強(qiáng)制解凍效果的比較：凍土厚度1.8m，強(qiáng)制解凍和自然解凍共同作用需要70，而單純自然解凍則需要約6倍的時(shí)間。 

日本鹿島試驗(yàn)：凍土半徑1.5米（厚度3m）。自然解凍需要200~300天，用60℃熱水循環(huán)需要約60天，如用溫度90℃，解凍時(shí)間減半（60天減到30天)。

來源：豆丁施工