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摘 要：冻结法是利用人工制冷技术，将低温冷媒送入地层使地层中的水冻结，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、竖井和地下工程的开挖与衬砌施工的特殊施工技术。仅几十年来，该工法已从矿山逐步推广到城市地铁、水利工程、河底隧道等，越来越收到建设者们的青昧。
关键词：冻结辅助；工艺原理
一 岩土冻结方法
（1）传统和较普遍的人工土冻结是低温盐水法，其原理是以氨、氟利昂或其它物质作为制冷工质进行压缩、节流膨胀的反复循环做功，将盐水降至负温，由负温盐水作为冷媒过在土体内埋设的管道循环，将冷量传递给需要冻结的岩土层，达到冻结局部岩土的目的。它由三大循环系统构成：①氟利昂（或氨）循环系统；②盐水循环系统；③冷却水循环系统。
（2）发展和使用较晚的人工土冻结方法还有液氮法，即不需循环制冷，使液氮或干冰等在土体内发生相变，直接做为冷媒吸收土体热量，使土体降温致土中水分冻结，形成冻土体。与低温盐水法相比，液氮人工冻结法具有深低温，冻结速度快、冻结强度高、无污染、易操作等优点。
二 冻土的形成原理：
1 冻结过程
（1）冷却段：向土层供冷初期，土体温度逐渐降到冰点；
（2）过冷段：土体温度达到O℃以下，土层中的自由水尚未结冰，呈现出过冷的现象；
（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：温度上升到接近。O℃时稳定下来，土体中的自由水结冰过程，将矿物质颗粒胶
结成整体，形成冻土；
（5）继续冷却段：随着温度的降低，冻土的强度逐渐提高。（如下图）
总结：土壤冻结是随时间变化而变化的复杂的热过程。土中孔隙水是逐渐冻结的，在一定的温度范围内，土壤处于由融土经塑性过渡到坚硬的冻土的中间状态，而不同土壤之过渡状态的温度不同。
2.冻土的组成
冻土由三部分组成：骨架、冰和未冻水。
（1）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和性质都有很大的影响。
（2）冰：水结冰时体积约增大9.07%，密度减小8.31%
（3）未冻水：土壤冻结是随着时间而变化的复杂热变化过程，土中孔隙水是逐渐冻结的，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。
3 冻土的强度：
三 冻结法施工工艺
（1）积极冻结：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；
（2）维护冻结：维护地下施工所需要的冻结壁厚度，确保地下工程正常施工操作的阶段；
（3）解冻阶段：地下结构工程施工完成，停止制冷，地温恢复原状的阶段。
四 冻结法施工主要工序
冻结法施工工序主要有四个步骤：
（1）安装冻结站；
（2）钻孔、安装冻结器；
（3）开机积极冻结；
（4）地下工程掘进施工。
具体工艺详见参考文献[7]。
五 冻结壁温度的发展及形成
在封闭性冻结壁形成过程中，测温孔是报道地层冻结壁交圈的一个指标。对于敞开的冻结壁，它的形成主要通过测温孔温度发展曲线分析
（1）冻土的扩展速度
冻结前，同一深度的地层具有相同的原始温度。冻结开始以后，在冻结管周围产生降温区，形成以冻结管为中心的冻结圆柱，并逐渐扩大直至与相邻的冻结圆柱连接成封闭的冻结壁。
（2）冻结壁的融化
停冻时，在冻土柱内，冻土的温度在停冻初期温度上升较快，并逐渐减慢。距离冻结壁越近，温度回升的幅度越大，回升的速度越快。在融土区内，停冻后，地层定位温度呈现置后效应。冻结壁的解冻过程中，其等温线和积极冻结完全不一样，冻结壁的解冻是整体过程，界面的温度和冻结管附近的温度发展基本一致，沿着厚度方向基本以一致的解冻速度融土，向冻结孔布置线推进（详细内容见文献 [ 5]）。
六 总结
冻结法在城市地下工程中的成功应用，为松软含水地层等复杂条件下的地下工程施工提供了一条实用、可靠的新途径。掌握其方法、原理、及技术工艺对我们有助于我们深刻理解冻结法工艺参数，进一步改进冻结法方案等。
参考文献
[1] 赵林.冻结法在深圳地铁暗挖隧道中的运用[J]，西部探矿工程，2004，No.10.
[2] 苏立凡.水平冻结法[J]，当代矿工，1997.
[3] 白廷辉，汪崇鲜.上海地铁旁通道软土地基水平冻结加固技術[J]，世界隧道，2000，No.4.
[4] 周晓敏，贺长俊等.北京地铁隧道水平冻结法施工[J]，岩土工程学报，1999，Vol.21，No.3.
[5] 程工，萧岩.城市地下工程冻结法施工技术及其应用[J]，北京，市政技术，2002，No.3.
[6] 柯洁铭，杨平，张婷等.人工冻结法在南京地铁张府园车站的应用[J]，岩土力学，2003，Vol.24Supp.
作者简介
姓名：董杰（1995.12--）；性别：男，籍贯：甘肃省陇南市，学历：本科，毕业于中国矿业大学。
（作者单位：中国矿业大学）
关键词：冻结辅助；工艺原理
一 岩土冻结方法
（1）传统和较普遍的人工土冻结是低温盐水法，其原理是以氨、氟利昂或其它物质作为制冷工质进行压缩、节流膨胀的反复循环做功，将盐水降至负温，由负温盐水作为冷媒过在土体内埋设的管道循环，将冷量传递给需要冻结的岩土层，达到冻结局部岩土的目的。它由三大循环系统构成：①氟利昂（或氨）循环系统；②盐水循环系统；③冷却水循环系统。
（2）发展和使用较晚的人工土冻结方法还有液氮法，即不需循环制冷，使液氮或干冰等在土体内发生相变，直接做为冷媒吸收土体热量，使土体降温致土中水分冻结，形成冻土体。与低温盐水法相比，液氮人工冻结法具有深低温，冻结速度快、冻结强度高、无污染、易操作等优点。
二 冻土的形成原理：
1 冻结过程
（1）冷却段：向土层供冷初期，土体温度逐渐降到冰点；
（2）过冷段：土体温度达到O℃以下，土层中的自由水尚未结冰，呈现出过冷的现象；
（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：温度上升到接近。O℃时稳定下来，土体中的自由水结冰过程，将矿物质颗粒胶
结成整体，形成冻土；
（5）继续冷却段：随着温度的降低，冻土的强度逐渐提高。（如下图）
总结：土壤冻结是随时间变化而变化的复杂的热过程。土中孔隙水是逐渐冻结的，在一定的温度范围内，土壤处于由融土经塑性过渡到坚硬的冻土的中间状态，而不同土壤之过渡状态的温度不同。
2.冻土的组成
冻土由三部分组成：骨架、冰和未冻水。
（1）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和性质都有很大的影响。
（2）冰：水结冰时体积约增大9.07%，密度减小8.31%
（3）未冻水：土壤冻结是随着时间而变化的复杂热变化过程，土中孔隙水是逐渐冻结的，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。
3 冻土的强度：
三 冻结法施工工艺
（1）积极冻结：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；
（2）维护冻结：维护地下施工所需要的冻结壁厚度，确保地下工程正常施工操作的阶段；
（3）解冻阶段：地下结构工程施工完成，停止制冷，地温恢复原状的阶段。
四 冻结法施工主要工序
冻结法施工工序主要有四个步骤：
（1）安装冻结站；
（2）钻孔、安装冻结器；
（3）开机积极冻结；
（4）地下工程掘进施工。
具体工艺详见参考文献[7]。
五 冻结壁温度的发展及形成
在封闭性冻结壁形成过程中，测温孔是报道地层冻结壁交圈的一个指标。对于敞开的冻结壁，它的形成主要通过测温孔温度发展曲线分析
（1）冻土的扩展速度
冻结前，同一深度的地层具有相同的原始温度。冻结开始以后，在冻结管周围产生降温区，形成以冻结管为中心的冻结圆柱，并逐渐扩大直至与相邻的冻结圆柱连接成封闭的冻结壁。
（2）冻结壁的融化
停冻时，在冻土柱内，冻土的温度在停冻初期温度上升较快，并逐渐减慢。距离冻结壁越近，温度回升的幅度越大，回升的速度越快。在融土区内，停冻后，地层定位温度呈现置后效应。冻结壁的解冻过程中，其等温线和积极冻结完全不一样，冻结壁的解冻是整体过程，界面的温度和冻结管附近的温度发展基本一致，沿着厚度方向基本以一致的解冻速度融土，向冻结孔布置线推进（详细内容见文献 [ 5]）。
六 总结
冻结法在城市地下工程中的成功应用，为松软含水地层等复杂条件下的地下工程施工提供了一条实用、可靠的新途径。掌握其方法、原理、及技术工艺对我们有助于我们深刻理解冻结法工艺参数，进一步改进冻结法方案等。
参考文献
[1] 赵林.冻结法在深圳地铁暗挖隧道中的运用[J]，西部探矿工程，2004，No.10.
[2] 苏立凡.水平冻结法[J]，当代矿工，1997.
[3] 白廷辉，汪崇鲜.上海地铁旁通道软土地基水平冻结加固技術[J]，世界隧道，2000，No.4.
[4] 周晓敏，贺长俊等.北京地铁隧道水平冻结法施工[J]，岩土工程学报，1999，Vol.21，No.3.
[5] 程工，萧岩.城市地下工程冻结法施工技术及其应用[J]，北京，市政技术，2002，No.3.
[6] 柯洁铭，杨平，张婷等.人工冻结法在南京地铁张府园车站的应用[J]，岩土力学，2003，Vol.24Supp.
作者简介
姓名：董杰（1995.12--）；性别：男，籍贯：甘肃省陇南市，学历：本科，毕业于中国矿业大学。
（作者单位：中国矿业大学）