6.软弱地层中隧道围岩预加固之冻结法6.1加固原理人工冻结的应用和研究是以天然冻结条件下冻土的物理力学性质研究为基础，随着人工冻结凿井逐步发展起来的。

冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水冻结，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行隧道、立井和地下工程的开挖与衬砌施工技术。

其实质是利用人工制冷技术临时改变岩土的状态以固结地层。

6.2冻结法具备的特点冻结法的优点：（1）安全可靠性好,可有效的隔绝地下水；（2）适应面广。

适用于任何含一定水量的松散岩土层，在复杂水文地质如软土、含水不稳定土层、流砂、高水压及高地压地层条件下冻结技术有效、可行；（3）灵活性好。

可以人为地控制冻结体的形状和扩展范围，必要时可以绕过地下障碍物进行冻结；（4）可控性较好。

冻结加固土体均匀、完整；（5）污染性小。

“绿色”施工方法，符合环境岩土工程发展趋势；（6）经济上合理。

冻结法的缺点:（1）冻胀和融沉；（2）对土体加固为临时性质，不能长期起作用。

6.3适用范围目前，冻结法在地下工程中广泛应用于以下领域：——立井工程——斜井工程——地基基础——基坑稳定——隧道工程——其他岩土工程6.4冷冻法技术要求1.可用来获得低温的方法很多，一般有以下几种：相变制冷、蒸气压缩制冷、吸收制冷、热电制冷。

1.1相变制冷相变是指物质固态、液态、气态三者之间变化过程。

在相变过程中要吸收或放出热量。

相变制冷就是利用物质相变时的吸热效应，如固体物质在一定温度下的融化或升华，液体汽化。

干冰是固态的二氧化碳（CO2），它是一种良好的制冷剂，广泛应用于实验研究、食品工业、医疗、机械加工和焊接等方面。

干冰的平均相对密度为 1.56，干冰在化学上稳定，对人无害。

在大气压力下升华温度为－78.5℃，升华潜热为573.6kJ/(kg·K)。

1.2热电制冷热电制冷又称温差电效应、电子制冷等，它是建立在珀尔帖效应原理上的。

在热电制冷装置的应用中，热电装置常称为热电块，一个热电块由多个冷接头、热接头串接而成。

热电块中的电流方向决定接头是吸热还是放热的。

电流如果由N型半导体进入P型半导体，则连接N型、P型半导体的接头是吸热的，称为冷接头；电流方向相反时则连接N型、P型半导体的接头放热（称为热接头）。

1.3蒸气压缩制冷蒸气压缩制冷和气体压缩制冷同属于压缩式制冷循环，它是以消耗一定量的机械能为代价的制冷方法。

压缩制冷是最常用的制冷方式。

由于气体压缩制冷过程中制冷剂不发生相态变化，无潜热利用，其单位制冷量小，要提供一定制冷量，则需相对大的设备。

蒸气压缩式制冷采用在常温下及普通低温下即可液化的物质为制冷剂（如氨、氟利昂等）。

制冷剂在循环过程中周期性地以蒸气和液体形式存在。

蒸发器中产生的低压制冷剂蒸气在压缩机中被压缩到冷凝压力，经冷却水、空气等介质冷却后变成液体，再经节流阀膨胀到蒸发压力成为汽、液两相混合物，温度降到饱和温度，在蒸发器中蒸发，吸收热量而制冷，汽化后的蒸气被压缩机吸回，完成一个循环。

1.4吸收式制冷吸收式制冷是利用溶液对其低沸点组分的蒸气具有强烈的吸收作用而在加热状态下，低沸点组分挥发出来的特点达到制冷目的。

吸收式制冷采用的工质是由低沸点物质和高沸点物质组成的工质对，其中低沸点物质为制冷剂，高沸点物质为吸收剂。

吸收式制冷不同于压缩式制冷，它是用热能替代机械能来完成冷冻循环的。

吸收式制冷系统还可以使用天然气、液化石油气、蒸气或电加热器作为能源目前广泛使用的是溴化锂水溶液吸收式制冷机。

水为制冷剂，溴化锂为吸收剂，用来制作0℃以上的冷源发生器。

1个大气压下，溴化锂的沸点1265℃，水的沸点为100℃。

因此，在溴化锂水溶液上方的蒸气几乎全部为水蒸气，而溴化锂对水的吸引力很强，使溶液面上方水蒸气饱和压力比相同温度下水的饱和蒸气压低得很多。

在这样低的压力下，水就可以在比常温低的温度下蒸发，吸收热量，达到制冷的目的。

2.岩土工程冻结制冷技术常用的有：盐水循环氨制冷冻结、液氮冻结、干冰冻结、混合冻结。

2.1氨（氟利昂）－盐水冻结系统盐水循环------盐水吸收地层热量，在盐水箱内将热量传递给蒸发器中的液氨；氨循环------液氨变为饱和蒸气氨，再被氨压缩机压缩成过热蒸气进入冷凝器冷却，高压液氨从冷凝器经贮氨器，经节流阀流入蒸发器液氨在蒸发器中气化吸收周围盐水的热量；冷却水循环--------冷却水在冷却水泵，冷凝器和管路中的循环叫冷却水循环。

将地热和压缩机产生的热量传递给大气。

2.2 液化气体系统（液氮）利用液氮的潜热实现地层冻结，一个大气压下气化潜热197.6KＪ/Kg。

氮的显热为1.05KＪ/（Kg.K）2.3二氧化碳（干冰，CO2）制冷干冰是固态的二氧化碳（CO２），它是一种良好的制冷剂，广泛应用于实验研究、食品工业、医疗、机械加工和焊接等方面。

干冰的平均相对密度为 1.56ｇ/cm3，干冰在化学上稳定，对人无害。

在大气压力下升华温度为－78.5℃，升华潜热为573.6kJ/(kg·K)。

2.4混合系统,盐水液氮混合冻结较多采用,前期用液氮快速冻结,后期用盐水维持。

3.冻土的低温特性人工冻土是由固体颗粒、未冻水、冰和气体构成的混合物。

固相(土颗粒)：有矿物颗粒、有机质或者两者；粘-塑相 (冰)：冰的嵌入和胶结——有粘滞性；液相(未冻水)：水分子部分/全部充满孔隙空间；气相(空气)：空气充填未被水分子占领的孔隙空间。

冻土形成的五阶段（1）冷却段：温度从初态减低到水的冰点，此时尚无冰；（2）过冷段：温度续降至冰点下，自由水仍不结冰，呈过冷现象。

主要与热平衡有关；但若在水达到冰点且全部水未结冰前，有结冰冰晶生长或有振动的影响，土中水将立即进入稳定冻结阶段，而无明显过冷现象产生（3）温度突升段：部分孔隙水冻结，释放潜热，温度突升；（4）稳定冻结段：温度升至冰点并稳定，孔隙水开始冻结成冰，冻土逐渐形成；（5）冻土降温段：温度继续降低，冻结范围扩大、冻土强度增加，吸收冷量，温度进一步减低。

4. 冻土力学性质冻土工程设计和施工中最重要的冻土力学性质：抗压强度、抗拉强度、剪切强度、流变性质和长时强度、冻胀与融沉。

影响冻土强度的因素：冻土属于流变体。

冻土强度主要受土-冰骨架系统的粘滞性和内摩擦所支配，并与冻土的形成环境、荷载、温度及变化、土性、含水量、含盐量等因素有关。

土性一定时，冻土强度主要取决于温度和时间。

5.土体冻结基本理论5.1 冻结壁的形成冻结锋面——岩土冻结过程中，孔隙水开始发生结冰相变的面称为，是冻土与未冻土的分界面。

冻结前地层有均一的初始温度。

冻结初期，低温盐水与冻结管周围的地层产生剧烈的热交换，在每个冻结管周围很快形成圆柱形的冻结岩土柱。

由于相邻冻结管间的影响，轴面比主面冻结更快，冻土柱由圆柱形变为椭圆形，再进一步扩展，直至相交圈，在井筒周围形成封闭的冻土墙—冻结壁。

交圈后，原冻结管的冻结锋面连成向内扩展的内冻结锋面和向外扩展的外冻结锋面，且内、外冻结锋面很快地趋于平滑，当界面上的冻结壁厚度等于冻结管的间距时，内、外冻结锋面就基本上变成以开挖通道为中心的圆柱面。

冻结孔存在偏斜——冻结锋面形状不是规则圆柱面在交圈初期：冻结锋面向内发展速度较交圈前慢，但随内侧未冻土范围热量减小，锋面向井心推进速度加快，而冻结锋面向井外的扩展速度较慢，扩展至距冻结管布置圈2~3rn处，扩展速度十分缓慢，来自未冻土区热量与来自冻结管的冷量趋于平衡，温度场趋于稳定，冻结壁渐成以井筒为中心的圆筒体。

一般冻结壁内侧厚度占冻结壁总厚的.55~0.6倍。

5.2 冻结温度场研究冻结过程中土体温度随时间变化的规律。

在冻结工程中，常以主面、界面和轴面这三个特征面上的温度分布作为判断冻土形成过程、控制温度扬的依据。

“主面”：过冻结管布置中心与冻结管中心的竖直平面“界面”：过井心和相邻管中心连线中点的竖直平面“轴面”：过两个相邻冻结管中心的竖直平面三个特征面温度状况表征冻结温度场基本特点，是测温的主要对象，尤其是界面与轴面交点上的温度值直接关系到冻结圆柱是否交圈。

为能估算冻结壁体内的平均温度、冻结壁交圈时间、确定冻结壁的强度，须研究轴面温度分布。

6 .冻胀、融沉控制土之所以形成冻胀必需具备三个条件：（1）冻胀敏感性土；（2）边界温度低于孔隙水起始冻结温度；（3）具有补给水源或较高的地下水位。

减小冻胀措施:（1）冻土帷幕体积减小至需要的最低限，冻结帷幕设计在保证一定安全系数下取最小冻土厚度（2）合理冻结顺序，必要时可以让冻结壁留有缺口（3）吸收变形减压孔（冻胀变形对策沟），上下行隧道冻土帷幕内设置卸压孔冻结过程放水卸压（4）热水孔控制冻土边界，控制冻结预案（5）钻机取芯减小冻胀力，打钻时钻孔注浆（6）从土层内抽取多余水分（7）间歇冻结（8）连续控温冻结，改变连续冻结模式为连续控温冻结模式；冷端盐水温度变化过程决定了土体内温度场，水分场的变化，从而控制土体冻结冻胀的整个过程。

6.5小结实践证明，冻结法应用于淤泥质粘土及粉土等软土中不但安全、经济、可靠，而且简便易行，不失为一种好方法。

随着城市建设的发展，大量轨道交通的建设，遇到越来越多的软土地层、流砂地层、地下含水极丰富的风化地层等工程，冻结法很值得我们进一步的研究和推广。