冷凍法施工的核心是在地層中鉆孔后埋入加鹽水或液氮的鋼管，通過(guò)利用人工制冷手段使結構周?chē)环€定的含水圍巖凍結成封閉的、具有足夠強度和剛度的凍結壁，然后進(jìn)行施工作業(yè)的一種施工法，凍結壁能保證地層穩定，同時(shí)還能起隔水作用，保證地下工程施工的順利進(jìn)行。冷凍法施工一般分為垂直冷凍和水平凍，根據相關(guān)資料規定：只要地層天然水含量大于10%，且地下水流動(dòng)或滲透速度小于10m/ d的情況，都可以采用凍結法施工。
        冷凍法施工在地鐵工程方面應用的概述
        冷凍法施工的早期發(fā)展多見(jiàn)于煤炭行業(yè)，主要用在煤礦的井筒建設中，在地鐵工程施工的應用較晚。我國的地鐵工程逐年增多，地鐵工程大多為淺埋或超淺埋并需要穿越砂層、淤泥層、卵石和砂礫層、含水粘土層等不良地層的隧道，對在這些飽水地層中的施工，冷凍法有較好的適用性。隨著(zhù)我國地鐵工程的迅速發(fā)展，地下工程施工中冷凍法的應用將越來(lái)越多?，F簡(jiǎn)要介紹冷凍法在地鐵工程中的應用概況。
        ⑴在地鐵隧道聯(lián)絡(luò )通道的應用。地鐵工程中隧道按規范要求在上、下行線(xiàn)間設有一條或幾條聯(lián)絡(luò )通道，便于區間隧道內發(fā)生意外事故時(shí)，乘客能通過(guò)聯(lián)絡(luò )通道安全疏散。一般在隧道線(xiàn)路最低點(diǎn)處設有一條聯(lián)絡(luò )通道，在建造通道處應預先對土體進(jìn)行地基加固，經(jīng)加固后的土體要有很好的勻質(zhì)性、自立性，無(wú)側限抗壓強度和滲透系數都要達到設計要求。冷凍法加固土體具有強度高、封水性好、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應用在聯(lián)絡(luò )通道土體加固施工中。地鐵工程在隧道內采用冷凍法加固土體，使聯(lián)絡(luò )通道外圍土體形成強度高、封閉性好的凍土帷幕，然后在凍土帷幕中開(kāi)挖和構筑施工，凍土帷幕與隧道管片結合嚴密，尤其適合于流砂地層的加固和封水。
        ⑵在施工中的技術(shù)管理。由于冷凍法施工專(zhuān)業(yè)性很強，必須根據土建設計對加固土體作凍結帷幕的專(zhuān)業(yè)設計，所以我們要選擇專(zhuān)業(yè)施工隊伍進(jìn)行施工作業(yè)；開(kāi)挖之前，業(yè)施工單位提出土體凍結狀況開(kāi)挖條件分析報告和開(kāi)挖申請，由公司技術(shù)領(lǐng)導組織各有關(guān)部門(mén)進(jìn)行逐項審查通過(guò)后方能開(kāi)挖；聯(lián)絡(luò )通道的實(shí)際位置必須由設計里程確定，里程誤差控制在允許范圍之內，而且通道的中心軸線(xiàn)一般垂直于二條平行隧道的軸線(xiàn)；為防止鉆孔時(shí)漏泥冒砂，按設計確定的位置進(jìn)行凍結孔的施工，必要時(shí)采取孔口密封裝置控制回流量等措施；在積極凍結期間，凍結帷幕厚度應滿(mǎn)足設計要求，有效凍土平均溫度要達到- 10℃以下；做好地面變形和隧道變形監測，確保變形穩定。
        冷凍前的工作
        ⑴設計凍結參數。凍結參數設計包括鹽水溫度、凍結孔流量、凍結孔個(gè)數和終孔間距范圍及凍結壁設計等。
        ⑵建立冷凍站，設計凍結線(xiàn)路循環(huán)長(cháng)度。建立冷凍站應考慮的是制冷設備的選擇，包括制冷壓縮機、冷凝器與蒸發(fā)器、鹽水循環(huán)系統；冷凍站的位置的選擇，以供冷、供電、供水、排水方便為原則，同時(shí)還應兼顧考慮施工場(chǎng)地布置和進(jìn)出材料、器材方便。冷凍站與開(kāi)挖地點(diǎn)的距離越遠，費用也越高，管路通常根據冷凍的規模，選擇不同的管徑的優(yōu)質(zhì)無(wú)縫鋼管，管的外面要以散熱系數小的材料作為隔熱層，防止冷凍能量的損失。
        ⑶進(jìn)行鉆孔的施工。鉆孔按其作用一般分為冷凍孔、監測孔、水文和卸壓孔。凍結孔大多分布在凍結壁的設計中心線(xiàn)上，其孔徑、間距和設計傾角依據地層土質(zhì)、水文條件及工程要求而定，其作用是用來(lái)安裝凍結管、布設制冷設備；觀(guān)測孔用于監測和控制冷凍效果；水文孔是用來(lái)監測凍結帷幕是否交圈；卸壓孔是來(lái)消除凍結過(guò)程的凍脹水壓力。鉆孔施工步驟主要有清理場(chǎng)地；預先打若干小探孔，若發(fā)現砂層，立即進(jìn)行雙液注漿，以提高孔口附近土體穩定性；安裝鉆機設備，固定導向基座在孔位附近并調試；測放鉆孔位，用地質(zhì)羅盤(pán)對導向軌進(jìn)行方向和角度復核，然后進(jìn)行開(kāi)孔，控制孔位偏差在1 ％以?xún)?；為防止開(kāi)孔后發(fā)生涌沙涌水現象，采用特殊孔口防護和兩次鉆進(jìn)的方法進(jìn)行開(kāi)孔直至設計深度，凍結孔鉆進(jìn)至設計位置時(shí)需要立即清洗，及時(shí)放置封口裝置，凍結管之間采用套管絲扣連接，接頭螺紋緊固后再用手工電弧焊焊接。
        ⑷安裝凍結系統。在凍結孔埋設凍結管，在凍結管內插入供液管，將凍結管端蓋焊接密封并安裝好循環(huán)液的去回路閘閥；在安裝系統時(shí)盡量縮短冷凍管長(cháng)度，以免使凍結能量損失過(guò)多，根據不同的凍結部位，將全部?jì)鼋Y管每3～5根進(jìn)行串連，然后并聯(lián)到主回路上，以利于節省費用和縮短凍結工期。凍結系統安裝完成后，檢查凍結管的密封情況，凍結管安裝完畢后要用堵漏材料密封凍結管與基坑混凝土墻之間的空隙，并安裝保溫層和隔熱板。
        ⑸對孔管進(jìn)行檢測?？坠艿脑试S偏差為凍結允許偏斜率在沖積層不得超過(guò)0.3%，但最終成孔距不得大3m；風(fēng)化帶及含水基巖中不得超過(guò)0. 5%，最終成孔間距不大于5m。目前國內多采用激光測斜的方法對鉆孔偏斜進(jìn)行測量。一般可以采用如下的方法對鉆孔的偏斜加以預防和控制：鉆機需抄平后固定，盡量減少震動(dòng)造成孔位偏移；風(fēng)化巖、碎裂巖等巖層中鉆進(jìn)時(shí)要使用較高性能的泥漿并合理控制泵壓、泵量，以防止巖粉碎碴沖出孔外；加強沖洗管和鉆機的鉆壓、鉆速的控制，以保持快速鉆進(jìn)為宜；合理確定開(kāi)口角度，使鉆孔終止位置不致偏離軸線(xiàn)太大。
        凍結的過(guò)程
        凍結過(guò)程是土中自由水結冰，固體顆粒膠結成整體的物理變化過(guò)程，一般按其作用的時(shí)間不同分為三個(gè)階段。
        ⑴積極凍結階段。積極凍結是指滿(mǎn)足設計要求、具備開(kāi)挖條件之前的凍結過(guò)程，即在施工地層中開(kāi)展冷凍作業(yè)，并將地層中的凍結壁擴展到設計厚度的工作階段。這個(gè)過(guò)程中應注意每天溶液溫度變化和氣溫變化，同時(shí)對泄壓孔進(jìn)行觀(guān)察。凍結開(kāi)始后，在凍結管周?chē)a(chǎn)生降溫形成以?xún)鼋Y管為中心的凍結圓柱，外側土體開(kāi)始逐步形成凍結交圈，直至與相鄰的凍結孔圓柱連接形成封閉的凍結壁，并對開(kāi)挖土體產(chǎn)生附加壓力。在這一階段土體的存在方式要發(fā)生一系列的變化，通常表現為由融存態(tài)向塑性狀態(tài)過(guò)渡，再由塑性發(fā)展為堅硬的凍結狀態(tài)。在凍結過(guò)程中要經(jīng)常排出管路中的空氣，保證管路始終充滿(mǎn)鹽水而產(chǎn)生良好的凍結效果。
        ⑵維護凍結階段。維護凍結是進(jìn)行地下工程的正常施工階段，當達到所需要的凍結壁厚度及溫度時(shí)再進(jìn)行探孔檢測，確認凍土帷幕內土層基本無(wú)壓力后再進(jìn)行正式開(kāi)挖，此時(shí)可根據凍土帷幕的穩定性，適當提高鹽水溫度進(jìn)入維護凍結，通過(guò)測溫孔內埋設的電子溫度感應器測得凍結壁的溫度，推算凍土帷幕厚度達到或超過(guò)設計要求時(shí)才可以開(kāi)挖。
        ⑶解除凍結階段。地下結構工程施工完畢，停止制冷使地溫恢復原狀的階段。停凍后在3 ～4 天內不會(huì )迅速解凍，加之凍結管泵房施工的干擾，一般情況下在泵房開(kāi)挖及拱架、網(wǎng)片架設完成后，即可停止凍結并取出探入泵房結構的部分凍結管，然后噴射初襯混凝土，待泵房結構施工完成、二襯混凝土強度達到90％后即可全部停止凍結了。同時(shí)我們應及時(shí)進(jìn)行融沉注漿。由于冷凍法施工土體受凍會(huì )膨脹，在融化中會(huì )沉降，注漿要及時(shí)，一般注漿分兩次進(jìn)行，第一次板后注漿是在凍土融化前進(jìn)行，主要用于填充空隙以控制土體沉降；第二次在壁后注漿是在在二襯混凝土強度達到85％以后進(jìn)行，主要填充初襯和二襯之間不易筑滿(mǎn)砼的拱部空隙。
        綜上所述，冷凍法施工在地鐵工程方面的應用，安全可靠性比較高，冷凍法所形成的凍土帷幕封水效果良好，尤其適用于一些不具備成洞條件的流砂地層等特殊地段的加固。隨著(zhù)施工技術(shù)和冷凍法技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，冷凍法在地鐵工程方面的應用會(huì )越來(lái)越廣泛。