冷冻法在地铁工程施工方面的应用

        冷冻法施工的核心是在地层中钻孔后埋入加盐水或液氮的钢管，通过利用人工制冷手段使结构周围不稳定的含水围岩冻结成封闭的、具有足够强度和刚度的冻结壁，然后进行施工作业的一种施工法，冻结壁能保证地层稳定，同时还能起隔水作用，保证地下工程施工的顺利进行。冷冻法施工一般分为垂直冷冻和水平冻，根据相关资料规定：只要地层天然水含量大于10%，且地下水流动或渗透速度小于10m/ d的情况，都可以采用冻结法施工。
        冷冻法施工在地铁工程方面应用的概述
        冷冻法施工的早期发展多见于煤炭行业，主要用在煤矿的井筒建设中，在地铁工程施工的应用较晚。我国的地铁工程逐年增多，地铁工程大多为浅埋或超浅埋并需要穿越砂层、淤泥层、卵石和砂砾层、含水粘土层等不良地层的隧道，对在这些饱水地层中的施工，冷冻法有较好的适用性。随着我国地铁工程的迅速发展，地下工程施工中冷冻法的应用将越来越多。现简要介绍冷冻法在地铁工程中的应用概况。
        ⑴在地铁隧道联络通道的应用。地铁工程中隧道按规范要求在上、下行线间设有一条或几条联络通道，便于区间隧道内发生意外事故时，乘客能通过联络通道安全疏散。一般在隧道线路最低点处设有一条联络通道，在建造通道处应预先对土体进行地基加固，经加固后的土体要有很好的匀质性、自立性，无侧限抗压强度和渗透系数都要达到设计要求。冷冻法加固土体具有强度高、封水性好、安全可靠的优点，因此广泛应用在联络通道土体加固施工中。地铁工程在隧道内采用冷冻法加固土体，使联络通道外围土体形成强度高、封闭性好的冻土帷幕，然后在冻土帷幕中开挖和构筑施工，冻土帷幕与隧道管片结合严密，尤其适合于流砂地层的加固和封水。
        ⑵在施工中的技术管理。由于冷冻法施工专业性很强，必须根据土建设计对加固土体作冻结帷幕的专业设计，所以我们要选择专业施工队伍进行施工作业；开挖之前，业施工单位提出土体冻结状况开挖条件分析报告和开挖申请，由公司技术领导组织各有关部门进行逐项审查通过后方能开挖；联络通道的实际位置必须由设计里程确定，里程误差控制在允许范围之内，而且通道的中心轴线一般垂直于二条平行隧道的轴线；为防止钻孔时漏泥冒砂，按设计确定的位置进行冻结孔的施工，必要时采取孔口密封装置控制回流量等措施；在积极冻结期间，冻结帷幕厚度应满足设计要求，有效冻土平均温度要达到- 10℃以下；做好地面变形和隧道变形监测，确保变形稳定。
        冷冻前的工作
        ⑴设计冻结参数。冻结参数设计包括盐水温度、冻结孔流量、冻结孔个数和终孔间距范围及冻结壁设计等。
        ⑵建立冷冻站，设计冻结线路循环长度。建立冷冻站应考虑的是制冷设备的选择，包括制冷压缩机、冷凝器与蒸发器、盐水循环系统；冷冻站的位置的选择，以供冷、供电、供水、排水方便为原则，同时还应兼顾考虑施工场地布置和进出材料、器材方便。冷冻站与开挖地点的距离越远，费用也越高，管路通常根据冷冻的规模，选择不同的管径的优质无缝钢管，管的外面要以散热系数小的材料作为隔热层，防止冷冻能量的损失。
        ⑶进行钻孔的施工。钻孔按其作用一般分为冷冻孔、监测孔、水文和卸压孔。冻结孔大多分布在冻结壁的设计中心线上，其孔径、间距和设计倾角依据地层土质、水文条件及工程要求而定，其作用是用来安装冻结管、布设制冷设备；观测孔用于监测和控制冷冻效果；水文孔是用来监测冻结帷幕是否交圈；卸压孔是来消除冻结过程的冻胀水压力。钻孔施工步骤主要有清理场地；预先打若干小探孔，若发现砂层，立即进行双液注浆，以提高孔口附近土体稳定性；安装钻机设备，固定导向基座在孔位附近并调试；测放钻孔位，用地质罗盘对导向轨进行方向和角度复核，然后进行开孔，控制孔位偏差在1 ％以内；为防止开孔后发生涌沙涌水现象，采用特殊孔口防护和两次钻进的方法进行开孔直至设计深度，冻结孔钻进至设计位置时需要立即清洗，及时放置封口装置，冻结管之间采用套管丝扣连接，接头螺纹紧固后再用手工电弧焊焊接。
        ⑷安装冻结系统。在冻结孔埋设冻结管，在冻结管内插入供液管，将冻结管端盖焊接密封并安装好循环液的去回路闸阀；在安装系统时尽量缩短冷冻管长度，以免使冻结能量损失过多，根据不同的冻结部位，将全部冻结管每3～5根进行串连，然后并联到主回路上，以利于节省费用和缩短冻结工期。冻结系统安装完成后，检查冻结管的密封情况，冻结管安装完毕后要用堵漏材料密封冻结管与基坑混凝土墙之间的空隙，并安装保温层和隔热板。
        ⑸对孔管进行检测。孔管的允许偏差为冻结允许偏斜率在冲积层不得超过0.3%，但最终成孔距不得大3m；风化带及含水基岩中不得超过0. 5%，最终成孔间距不大于5m。目前国内多采用激光测斜的方法对钻孔偏斜进行测量。一般可以采用如下的方法对钻孔的偏斜加以预防和控制：钻机需抄平后固定，尽量减少震动造成孔位偏移；风化岩、碎裂岩等岩层中钻进时要使用较高性能的泥浆并合理控制泵压、泵量，以防止岩粉碎碴冲出孔外；加强冲洗管和钻机的钻压、钻速的控制，以保持快速钻进为宜；合理确定开口角度，使钻孔终止位置不致偏离轴线太大。
        冻结的过程
        冻结过程是土中自由水结冰，固体颗粒胶结成整体的物理变化过程，一般按其作用的时间不同分为三个阶段。
        ⑴积极冻结阶段。积极冻结是指满足设计要求、具备开挖条件之前的冻结过程，即在施工地层中开展冷冻作业，并将地层中的冻结壁扩展到设计厚度的工作阶段。这个过程中应注意每天溶液温度变化和气温变化，同时对泄压孔进行观察。冻结开始后，在冻结管周围产生降温形成以冻结管为中心的冻结圆柱，外侧土体开始逐步形成冻结交圈，直至与相邻的冻结孔圆柱连接形成封闭的冻结壁，并对开挖土体产生附加压力。在这一阶段土体的存在方式要发生一系列的变化，通常表现为由融存态向塑性状态过渡，再由塑性发展为坚硬的冻结状态。在冻结过程中要经常排出管路中的空气，保证管路始终充满盐水而产生良好的冻结效果。
        ⑵维护冻结阶段。维护冻结是进行地下工程的正常施工阶段，当达到所需要的冻结壁厚度及温度时再进行探孔检测，确认冻土帷幕内土层基本无压力后再进行正式开挖，此时可根据冻土帷幕的稳定性，适当提高盐水温度进入维护冻结，通过测温孔内埋设的电子温度感应器测得冻结壁的温度，推算冻土帷幕厚度达到或超过设计要求时才可以开挖。
        ⑶解除冻结阶段。地下结构工程施工完毕，停止制冷使地温恢复原状的阶段。停冻后在3 ～4 天内不会迅速解冻，加之冻结管泵房施工的干扰，一般情况下在泵房开挖及拱架、网片架设完成后，即可停止冻结并取出探入泵房结构的部分冻结管，然后喷射初衬混凝土，待泵房结构施工完成、二衬混凝土强度达到90％后即可全部停止冻结了。同时我们应及时进行融沉注浆。由于冷冻法施工土体受冻会膨胀，在融化中会沉降，注浆要及时，一般注浆分两次进行，第一次板后注浆是在冻土融化前进行，主要用于填充空隙以控制土体沉降；第二次在壁后注浆是在在二衬混凝土强度达到85％以后进行，主要填充初衬和二衬之间不易筑满砼的拱部空隙。
        综上所述，冷冻法施工在地铁工程方面的应用，安全可靠性比较高，冷冻法所形成的冻土帷幕封水效果良好，尤其适用于一些不具备成洞条件的流砂地层等特殊地段的加固。随着施工技术和冷冻法技术的不断发展和完善，冷冻法在地铁工程方面的应用会越来越广泛。