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冻结法及其发展情况

摘要：作为一种成熟的施工方法，冻结法施工技术在国际上被广泛应用于城市建设和煤矿

建设中，已有100多年的历史。我国采用冻结法施工技术至今也已有40多年的历史，主要用

于煤矿井筒开挖施工，其中冻结最大深度达435米，冻结表土层最大厚度达375米。自1992

年起，冻结法工艺被广泛应用于上海、北京、深圳、南京等城市地铁工程施工中，现在也已

广泛应用于地铁、深基坑、矿井建设等工程中，而且冻结法在未来的城市建设中将会起到更

加重要的作用。本文从冻结法的原理、施工方法、应用范围和未来展望等方面详细描述了冻

结法。

关键词：冻结法；基本原理；工艺流程；使用范围；未来展望

冻结法施工技术在国际上被广泛应用于城市建设和煤矿建设中，已有多年的历史，主要

用于煤矿井筒开挖施工。我国采用冻结法施工技术至今也已有40多年的历史，1987年将冻结

法应用于东海拉尔水泥厂卸矿室及斜皮带走廊联合地下基础上程取得了成功。之后，逐渐被

广泛应用于我国的上海、北京、广州地铁工程和市政基础10等多项工程建设中，成功地完成

了北京复八线地铁大北窑段流砂层水平冻结、上海地铁l号线2个联络通道和2号线4个联络通

道等地下复杂形状硐室近水平冻结工程，基本掌握了近水平冻结的设计方法、施工方法和地

层变形控制方法，积累了大量的资料和经验。

1冻土

冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。一般可分为短时冻土（数小

时、数日以至半月）、季节冻土（半月至数月）以及多年冻土（数年至数万年以上）。

地球上多年冻土、季节冻土和短时冻土区的面积约占陆地面积的50%，其中，多年冻土

面积占陆地面积的25%。冻土的强度、稳定性以及隔水能力大大优于天然土的性质，但

冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。因此，冻土具有流变性，

其长期强度远低于瞬时强度特征。正由于这些特征，在冻土区修筑工程构筑物就必须面

临两大危险：冻胀和融沉。

冻胀是由于土中水的冻结和冰体（特别是凸镜状冰体）的增长引起土体膨胀、地表

不均匀隆起的作用。冻胀一般会导致地面发生变形，形成冻胀垄岗。冻胀的原因包括土

中原有的水结冰体积膨胀；同时也包括土冻结过程中下部未冻结土中的水分迁移并向冻

结面富集，水分相对集中，水与土粒分异形成冰透镜体或冻夹层，使土体积膨胀。

融沉就是冻土融化时的下沉现象。

由于冻土具有这两个缺点，所以我们利用人工法制成的人工冻土就要想办法尽量避

免这两种情况的发生。一般可实施的抑制冻胀措施有：（1）降低冷却温度，增大冻结

速度，例如采用二级压缩制冷、适当加大冻结管的直径；（2）把冻结范围控制在必要

的最小限度，例如采用局部冻结器；（3）研究冻结管的布置，使冻结膨胀变形和热的

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传递方向一致；（4）利用钻孔使地基产生沉降和松动，以抵消部分变形；（5）研究冻

土形成顺序，尽量用横向位移吸收膨胀；（6）通过增加孔隙水的粘性来控制向冻结面

的水分迁移量。另外压力施放孔、注浆冲填、工作面释放水和强制解冻等措施，也可有

效地解决冻胀融沉问题。

2冻结法的基本原理

利用土体冻结后其强度、稳定性以及隔水能力大大优于天然土的性质，在岩土工程

开挖之前，在开挖的工程周围，钻造钻孔（冻结孔），利用人工制冷技术，通过冻结孔

对地层进行制冷，形成一个封闭的冻土结构，隔绝地下水的联系，同时抗抵周围岩土

的压力，确保工程开挖的安全。

3冻结法的特点

冻结法适用于各类地层尤其适合在城市地下管线密布施工条件困难地段的施工，经

过多年来国内外施工的实践经验证明冻结法施工有以下特点：

⑴可有效隔绝地下水，其抗渗性能是其它任何方法不能相比的，对于含水大于10%

的任何含水、松散，不稳定地层均可采用冻结法施工技术；

⑵冻土帷幕的形状和强度可视施工现场条件，地质条件灵活布置和调整，冻土强度

可达5-10Mpa，能有效提高功效；

⑶冻结法施工对周围环境无污染，无异物进入土壤，噪音小，冻结结束