2.1.2 冻土的组成
冻土有三部分组成：骨架、冰和未冻水。 骨架：矿物颗粒是冻土多相和多成分体系的主体，颗粒大小和形状直接影响冻 土的性质，矿物成分对冻土的形成过程（冰的形成速度、膨胀等）和性质都有很大 的影响。 冰：水结冰时体积约增大 9.07%，密度减小 8.31%。 未冻水：土壤冻结是随时间而变化的复杂热过程，土中孔隙水是逐渐冻结的。 实际上冻土中在任何负温下总有一部分水保持未冻状态与冻土共存，在一定范围内 土壤处于由融土经塑性过渡到坚硬冻土的中间状态，而不同土壤的过渡状态温度是 不同的，即冻土中的未冻水含量取决于冷却温度、压力及矿物颗粒或有机物的性质， 而冷却温度是影响未冻水含量的主要因素。负温值的微小变化都会引起冻土内未冻 水含量的变化。
根据本工程的勘察资料，本段区间地层在勘探揭示深度范围内上覆第四系全新 统人工堆积层（Q4ml）、海冲积层（Q4m+al）及第四系残积层（Qel），下伏震旦系（Z）花 岗片麻岩。
该区域地下水主要补给来源为大气降水及河水。雨季河水补给地下水，旱季地 下水补给河水，地下水与河水水力联系较为紧密。该区域地下含水层含水丰富，补 给条件充足，特别是在 14m 以上的强渗透层，其渗透流速最大可达到 15m/d ，通过 渗透流速反算的渗透系数达 150m/d。竖井以东 YSK2+013～YSK2+056 段拱部开挖轮廓 线以内局部位于砾砂层和卵石层中，该种地质属强透水层，结构松散，自承力极差， 为Ⅵ级围岩，极易产生突水、涌砂、坍塌冒顶等现象。上部又有铁路桥通过，为确 保现状铁路桥安全，经专家论证，决定对该区段采用冻结帷幕止水方案。
冻结管采用Φ127×4.5mm 无缝钢管。
2.2.3 影响冻结壁的几个参数
1、盐水温度 盐水温度是影响冻结技术经济效益的主要参数之一。降低盐水温度对加快冻土 扩展和提高冻结强度、稳定性有一定的作用，但也相应地加大了冷冻站的制冷量， 增大了工程投资。本设计盐水温度为：积极冻结期间-24～-28℃；维护冻结期间-18～
4 采取措施
由上可知，该段地层降温慢的原因是地下水流速太大，造成地下热交换大，致 使冻结管冷量散失严重。针对此原因制定如下措施：
①加强冻结站管理，提高制冷效率，积极降温。调整冻结管的冷量，各个突破， 首先将北面的 E 边冻结，使帷幕范围内成静水状态，加快冻结速度。
②在水流上方（E 边冻结壁外侧）设置降水井，目的是减少地下水流速度，降 低冻结帷幕内、外水位差，达到冻结帷幕范围水位基本平衡，促使冻土加快发展。
②冻结施工前，该地层已进行了高压旋喷加固，把地层的原始状况已破坏. ③现状铁路高架桥桩基托换的人工挖孔桩开挖时，由于强透水层没有很有效措 施堵水，施工时只有大量抽水，致使卵石层中原有的充填物被水带走，形成空洞， 使地层透水性增大，加上自北向南水力坡度大，从而形成地下暗河，地下水流速极 剧增大。 ④造成该冻结区段 8～12m 温度偏高的原因，首先说明在该区段地下热交换很大， 致使冻结管冷量散失严重。地下水流速太大是造成该地层降温缓慢的主要原因。1# 水文孔和 1#参考井水位相距 24m，而水位相差 2.01m，水力坡度达到 8%，从而使地 下水流速大大增加。估算地下水流速达到 40～60m/d，造成该区段地下热交换大，致 使冻结管冷量散失严重，冻结速度慢。
2.2.2 冻结孔间距的确定
根据现场条件，因地下水流速较大，为提高冻土发展速度，增强抵抗地下水流 速较大的能力，尽快形成冻结壁,采用布孔小间距，盐水大流量，冻结管大管径等措 施。因工期紧迫，积极冻结期最多安排一个月时间（30d），其中要用 20d 达到冷冻 相切，10d 冻结交圈形成冻结壁，根据积极冻结 22mm/d 的速度正常发展，则 20×22 ×2=880mm，因此冻结孔孔底间距定为 850mm，而冻结孔的全孔偏斜率规范要求为≦ 3‰，孔深 25m，因此冻结孔间距为 700mm。
为准确掌握冻结的实际情况，对全部冻结器进行纵向温度检测，发现在 10m 水 平各冻结孔纵向温度明显偏高，其反映的情况与测温情况完全相符，在该深度段冷 量散失严重，冻结温度比其他深度高出约 10℃。
通过冻结孔纵向温度分析，该暗河主要通道位于 E25～E30 孔和 A18～A22 孔之 间，宽度约 4m。
冻结法施工在地铁施工中的应用
1 工程概况
**地铁一期工程 4A 标段区间起讫里程为 YSK（ZSK）2+001.7～+260，线路走向 由东向西，位于现状道路下，先后穿越铁路桥、现状立交桥、现状河流，全长 258.3m， 地下各种管道、管线众多。除 1 号竖井（SK2+056～SK2+070）明挖施工外，其余为 暗挖施工，暗挖隧道设计为单洞双层。
结速度及荷载作用速度、作用时间有关。本设计冻结壁极限抗压强度为 10MPa。
2.3 冻结施工
本段冻结帷幕有三面的冻结壁闭合到 1 号竖井的钻孔围护桩，形成一封闭的止 水墙。详见图 2。
图 2 冻结止水帷幕平面布置图
冻结帷幕止水工程采用一次冻全深的方案，冻结深度为 25m。 本段冻结帷幕的钻孔总工程量为 4047m。 ①冻结孔数为 149 个，布置测温孔 12 个，深度 25m； ②布置水文孔 2 个（深度暂定 11m，在 4～6m，8～10m 处设置花管）。
2 冷冻施工技术
2.1 冷冻法原理
2.1.1 冻土的形成过程
冻土的形成过程,实际上是土层中地下水结冰后将固体颗粒胶结成整体的物理 力学性质发生质变的过程,也是消耗冷量最多的过程,如图 1 所示, 地层中水的冻结 过程可以划分为五个阶段:
温度(℃)
t
8
6
4
2
2
4
6
8τ
时间(d)
-2
-4
-6
-8
图 1 冻土中水冻过程曲线图
2.3.1 冻结孔施工
冻结孔施工总长度为 4047m，施工总孔数 163 个，采用 13 台 XY-150 型钻机施 工。
1、孔深：为保证工程质量，每孔必须保证设计深度；
3
2、钻孔偏斜率：全孔偏斜应控制在 3‰之内；相邻两个钻孔终孔最大孔间距不 超过 850mm，如有超出则在两孔中间补一孔。目前国内采用的测斜有经纬仪灯光测斜 法和陀螺仪测斜法两种。本标段采用经纬仪灯光测斜法对冻结孔进行测斜。
6
③在冻结区薄弱段增打灌浆孔，从地面灌注水泥水玻璃双液浆，充填大量抽水 留下的地层孔隙，减小地下水流速。
④在 E 线冻结段最薄弱处（地下暗河入口处）增打加强冻结孔，使外界热水在 通过冻结壁时，首先得到降温，以利于冻土墙的快速形成。
⑤为掌握冻土发展情况，在 E 线增打水文孔和测温孔。
2.3.6 冻结站运转
冻结站于 2003 年 1 月 8 日开机试运转，1 月 10 日正式运转，冻结运转至 4 月 27 日结束，历时 108d。运转期间各冷冻机组运转正常，各冻结器畅通无阻，盐水温 度降温正常。盐水降温情况见图 3。
2.3.7 积极冻结和维护冻结
为提高抵御地下水流速较大的能力，除采取以上措施外，输送低温盐水也是加 快冻土发展的一项主要措施，本设计盐水温度积极冻结期间采用-24～ -28℃，维护 冻结期盐水温度采用-18～-20℃。
1——冷却段：向土层供冷初期,土体逐渐降温以达到冰点；
1
2——过冷段：土体降温至 0℃以下时，自由水尚不结冰，呈现过冷现象； 3——突变段：水过冷后一旦结晶，就立即放出结冰潜热，出现升温现象； 4——冻结段：温度上升接近 0℃时稳定下来，土体中的水便产生结冰（t4）过 程，将矿物颗粒胶结成整体，形成冻土； 5——冻土继续冷却段：随着温度的降低，冻土的强度逐渐加大。
5
温度(℃)
盐水温度 去路
图3 冻结站盐水降温曲线
盐水温度 回路
0
0
-5
-5
-10
-10
-15
-15
-20
-20
-25
-25
-30
-30
-35
-35
1-10 1-17 1-24 1-31 2-7 2-14 2-21 2-28 3-7 3-14 3-21
日期(d)
3.2 原因分析
①根据地质资料，该冻结段地处现状河道，砾砂层下部分布一层卵石层，卵石 最大直径达 500mm，该层中地下水具有较高的流速，经采用同位素示踪法测得该段的 最大地下水流速达到 15m/d，这是地下水漫流时的测算结果，当部分地下水流速相对 小的地方冻结住后，地下水仅从暗河处流，这必将增大该处地下水的流速，从水文 孔的水位资料分析，地下水流速达到 40～60m/d。
gbr—每立方米盐水中氯化钙含量； v—盐水总体积； p—氯化钙含水系数 计算结果 G=33t。
2.3.3 管沟防护
1、为减少盐水在管路中流动时的冷量的损失，用保温材料把钢管封包住； 2、在管路两侧用砖各砌一道高 1.4m 的矮墙，墙顶用薄板覆盖，再用保温材料 满铺。
2.3.4 设备选型与配组
冻结帷幕止水工程选用螺杆制冷压缩机组 YSKF2-20 型 3 台，YSKF2-16 压缩机组 1 台，总装机容量 1700000Kcal/h。地层需冷量 51.50000Kcal/h，实际制冷量为 766000Kcal/h，实际制冷量大于地层需冷量，主要施工设备见表 1。
该设备具有如下优点： ①厂房占地面积小； ②安装方便，安装工程量小； ③制冷能力调节灵ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ； ④新型设备，制冷效率高。
主要施工设备表达式
表1
序号 1
名称 冷冻机
规格 YSKF2-20
单位 台
数量 3
备注
4
冷冻机
YSKF2-16
台
1
2
盐水泵
10SH-9
台
2
备用 1 台
3
循环水泵
10SH-10
台
2
备用 1 台
3、钻孔试漏：经测斜合格的冻结孔在使用前必须对每孔进行打压试漏，试验压 力为 2.5Mpa,稳压 30min,压力不变为合格。