中国矿业大学
岳丰田
地铁联络通道
冻结加固技术研究
1 概述
人工冻结是在天然冻结基础上，随着人工冻结凿井
技术逐步发展起来的。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。
1862年，英国首次在南威尔士的建筑基坑中使用了冻结
法；
1880年，德国工程师 F,H,Poetch在国际上首次提出并
获得人工 冻结法专利；
1 概述
1955年, 我国首次在开滦林西风井使用盐水冻结法
凿井并获得成功；
80年代, 随着我国地下工程的增多, 逐渐由矿山工
程, 向城市各类工程推广应用, 完成了北
京, 上海地铁的多项隧道水平冻结工程,
预计 3年内上海轨道交通使用冻结法施工
的联络通道近 100个；
迄今为止, 各国冻结井最大深度分别为：
英国 930m,美国 915m,波兰 860m,加拿
大 634m,比利时 638m,前苏联 620m,德
国 531m,法国 550m,中国 702m。
1 概述
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 经济上较合理。
2 冻结原理
根据使用冷媒的不同，制冷方式包括四种系统：
1 氨（氟利昂）－盐水冻结系统（ Brine System）；
2 液化气体系统（液氮）（ Liquefied Gas System，
Liquid Nitrogen）
3 二氧化碳（干冰,CO2）；
4 混合冻结系统（盐水 +干冰；盐水 +液氮）。
盐水冻结系统
液化气体系统
干冰系统
2 冻结原理
冻结法适用的条件：
(1)土层宜为砂性土、粘性土 (包括砂层、淤
泥质土等 )及强风化基岩,对于卵砾石地层，
因成孔困难，应有相应的钻孔设备；
(2)土层的含水量＞ 10％；
(3)地下水的临界流速＜ 2m／ d。
3 冻胀融沉
3.1 冻胀机理
冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀 。 孔隙水原位冻结造
成体积增大约 9％, 但由于外界水分补给并在土体迁
移到某个冻结位置, 体积增大会远大于 9％, 所以开
放系统饱和土中分凝冻胀是构成土体冻胀的主要分量 。
一般说来, 分凝冻胀的机理包括两个物理过程：水分
迁移和成冰作用 。
3.2 融沉机理
富冰冻土融化时,融化后的土体由于冰变成水体积减
小产生融化性沉降,同时由于在融化区域发生排水固
结,引起土层的压密沉降 。
3.3冻胀融沉的影响因素
土体的冻胀融沉与土体本身的性质和各种外部影
响因素有关。
土体本身的性质包括土的矿物成分、粒度组成、
土体的含水量、土的结构、压缩系数以及土的热物理
性质。
外部影响因素主要包括，上覆荷载、水源补给条
件、冻结和融化温度、温度梯度等。
4 联络通道冻结设计计算
4.1 联络通道结构冻结帷幕设计
冻土帷幕设计方法是采用常规结构力学方法进行结构计
算，利用大型有限元分析软件 ANSYS程序进行验算。下面以
一中心埋深 22.226m的旁通道为例，给出旁通道冻结的设计。
旁通道位置处隧道中心标高 -18.366m，地面标高为
+3.86m。旁通道由两个与隧道相交的喇叭口、旁通道和泵站
组成，其结构包括隧道管片相接的喇叭口、直墙圆弧拱结构
的通道和中部矩形集水井三个部分。
喇叭口开挖尺寸为,1.1m(长 )× 4.4m(宽 )× 4.83m(高 )
通道开挖尺寸为,4.72m(长 )× 3.3m(宽 )× 4.23m(高 )
集水井开挖尺寸为,4.8m(长 )× 3.3m(宽 )× 4.2m(高 )。
4 冻结设计计算
4.1 联络通道结构冻结帷幕设计
旁通道模型简化为如图所示的刚架，其中拱顶的角度为
99.93°,拱上作用均布载荷 0.255MPa，垂直部分受
梯形载荷（ 0.255+0.013*h） MPa。
4 冻结设计计算
4.1 联络通道结构冻结帷幕设计
将应力结果和冻土的强度相比较,得出安全系数,结果列于下表
厚度 (m) 1.6 1.8 2.0
应力类型 压 拉 压 拉 压 拉
应力值 (Mpa) 0.867 0.479 0.706 0.393 0.587 0.328
安全系数 k 3.92 4.38 4.82 5.34 5.79 6.40
表中的安全系数 K是由冻土强度与其相应的应力比值。由于旁通
道断面的土层以粘土为主，故冻土强度以冻土平均温度为 -10℃
时的粘土强度为准,σ=3.4Mpa,σ 拉 =2.1Mpa。从表中数据可
见冻土厚度取 1.6m即可 。
4 冻结设计计算
4.2 有限元法联络通道冻结帷幕验算
利用大型有限元分析软件 （ 常用的为 ANSYS）,取冻结壁厚
度分别为 1.6m,1.8m,2.0m,按旁通道和泵站两部分进行应力
和变形的分析计算 。
5 冻结孔布置及制冷设计
5.1 冻结孔的布置
根据冻结帷幕设计及旁通道的结构, 冻结孔按上仰,
近水平, 下俯三种角度布置在旁通道和泵站的周围, 在通
道下部布置一排冻结孔, 加强冻结效果, 把旁通道和泵站
分为两个独立的冻结区域 。
5 冻结孔布置及制冷设计
5.1 冻结孔的布置
5 冻结孔布置及制冷设计
5.2 制冷设计
冻结参数确定,
设计盐水温度为 -25℃ ～ -30℃ 。
冻结孔单孔流量不小于 4～ 5m3/h。
冻结孔终孔间距 Lmax≤1200mm,冻土发展
速度取 25mm/T，冻结帷幕交圈时间为 20天，
达到设计厚度时间为 35天。
积极冻结时间 35天，维护冻结时间为 30 天。
6 冻结法施工顺序
?6.1钻孔施工
6 冻结法施工顺序
6.2 积极冻结与维护冻结
设备安装完毕后进行调试和试运转 。 冻结
系统运转正常后进入积极冻结 。
在积极冻结过程中, 要根据实测温度数据
判断冻土帷幕是否交圈和达到设计厚度, 测温
判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度后进行正式
开挖 。 再根据冻土帷幕的稳定性, 可适当提高
盐水温度, 进入维护冻结, 但盐水温度不应高
于 -20℃ 。
6 冻结法施工顺序
6.3临时支护
6 冻结法施工顺序
6.4 开挖顺序
根据工程结构特点，拉开钢管片以后，联络通道开挖
掘进建议采取分区分层方式进行，其施工顺序如图
6 冻结法施工顺序
6.5 支护层施工
6.6 防水层施工
6 冻结法施工顺序
6.7钢筋工程
6 冻结法施工顺序
6.8永久支护
6 冻结法施工顺序
7 强制解冻融沉注浆技术
7.1概述
? 目前上海地区的区间隧道联络通道冻结施工后的融沉注
浆, 主要是根据冻结加固体的自然解冻情况进行的 。 由
于冻土自然解冻的时间一般都比较长, 一般需要半年以
上的时间, 而由于施工工期的限制, 后期融沉注浆施工
的质量不能够得到保证, 造成地表沉降大, 影响地面建
筑物和道路的使用 。 为了缩短融沉注浆施工工期, 减少
冻融对地面的影响, 需要对冻结加固体进行强制解冻融
沉注浆 。 目前仅在上海市轨道交通杨浦线工程 （ M8线 ）
曲阳路站～虹口足球场站区间隧道旁通道及泵站冻结加
固工程中实施了强制解冻融沉注浆的相关技术和施工工
艺的研究 。
7 强制解冻融沉注浆技术
7.2 注浆流程
注浆管下放方法
冻结管拔除后，快速下放注浆管，进行孔口密封 。
在注浆管的前部安装丝堵，内部跟进 4” 的供水管，边供水
边推进。如果使用这种方法下放冻结管有困难，则使用水平
钻机将注浆管钻进。
7 强制解冻融沉注浆技术
7.2 注浆流程
7 强制解冻融沉注浆技术
7.2 注浆流程
7 强制解冻融沉注浆技术
?7.3注浆原则和方法
? 注浆以少量多次为原则。垂直单孔一次注浆量为
0.5 m3左右，水平孔单孔一次注浆量为 1.5 m3左右。
注浆前，将待注浆的注浆管和其相邻的注浆管阀门
全部打开，注浆过程中，当相邻孔连续出浆时关闭
邻孔阀门，定量压入惰性浆后即可停止本孔注浆，
关闭阀门，然后接着对邻孔注浆。遇到注浆管内窜
浆固结而引起堵管时，需用加长冲击钻头通管。
? 根据地面变形情况，调整劳动组织，适时进行反复
注浆。直至地面变形基本稳定在 2mm以内。
8 工程实例
8.1 大连路越江隧道联络通道
? 大连路越江隧道工程是上海市重点工程, 两条隧道
之间的连接通道均位于黄浦江底下, 相距约 400m。
? 位 于 浦 西 通 道 ( 一 ), 东西线隧道中心间距
35.705m,隧道间高差 3.565m、,连接通道净距约
25.665m。
? 位于浦东通道 (二 ),东西线隧道中心间距 27.575m，
隧道间高差 0.345m,连接通道净距约 17.175m。
8 工程实例
8 工程实例
?8.1.1工程概况
? 连接通道所处地表为黄浦江江底，工程地段土层自上而下为：
? ① 2：淤泥，含煤屑、石块等；③ 1：灰色淤泥质粉质粘土；④：
灰色淤泥质粘土；⑤ 1-1：灰色粘土；⑤ 1-2：灰色粉质粘土；
⑥：暗绿色～草黄色粘土，厚约 4.5～ 6.5m；⑦ 1-1：草黄色砂
质粉土，厚约 6～ 10m；⑦ 1-2：草黄色粉细砂。
? 连接通道施工范围内土层主要为草黄色砂质粉土。根据土层资
料，该地层具有孔隙比大、含水丰富、承载力低、容易压缩和
在动力作用下易流变的特点，开挖后天然土体本身难以自稳，
砂质粉土易发生水砂突出。因此，在该地层内开挖构筑连接通
道，必须先对施工影响范围内的土体进行安全、可靠的加固处
理。
8 工程实例
8.1.2设计原则：
1）水平孔冻结帷幕技术性能必须满足连接通道施工的安全和
质量要求；
? 2）水平孔冻结方案应符合现场实际条件的施工可行性和良好
的可操作性。
? 3）施工方案应在工程要求工期的条件下具备优化能力。
? 4）施工方案措施必须满足城市环保及节能要求。
? 5）减少冻胀与融沉的危害。
8 工程实例
8 工程实例
8 工程实例
8.2上海市轨道交通明珠线二期工程上体场站穿越段
明珠线上体场站穿越段隧道横截面图
8 工程实例
8.2上海市轨道交通明珠线二期工程上体场站穿越段
1,轨道高差（纵向） 4mm/10m
2,轨道高差（横向） 2mm
3,轨距变化 -2～ +6mm
4,地铁结构绝对沉降量及水平位移量 ≤20 mm
5,隧道变形曲线的曲率半径 r≥15000m
6,结构相对变曲 ≤1/2500
7.日地铁结构沉降量及水平位移量 ≤1 mm
8 工程实例
冻土帷幕结构透视图
8 工程实例
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地铁联络通道
冻结加固技术研究
1 概述
人工冻结是在天然冻结基础上，随着人工冻结凿井
技术逐步发展起来的。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。
1862年，英国首次在南威尔士的建筑基坑中使用了冻结
法；
1880年，德国工程师 F,H,Poetch在国际上首次提出并
获得人工 冻结法专利；
1 概述
1955年, 我国首次在开滦林西风井使用盐水冻结法
凿井并获得成功；
80年代, 随着我国地下工程的增多, 逐渐由矿山工
程, 向城市各类工程推广应用, 完成了北
京, 上海地铁的多项隧道水平冻结工程,
预计 3年内上海轨道交通使用冻结法施工
的联络通道近 100个；
迄今为止, 各国冻结井最大深度分别为：
英国 930m,美国 915m,波兰 860m,加拿
大 634m,比利时 638m,前苏联 620m,德
国 531m,法国 550m,中国 702m。
1 概述
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 经济上较合理。
2 冻结原理
根据使用冷媒的不同，制冷方式包括四种系统：
1 氨（氟利昂）－盐水冻结系统（ Brine System）；
2 液化气体系统（液氮）（ Liquefied Gas System，
Liquid Nitrogen）
3 二氧化碳（干冰,CO2）；
4 混合冻结系统（盐水 +干冰；盐水 +液氮）。
盐水冻结系统
液化气体系统
干冰系统
2 冻结原理
冻结法适用的条件：
(1)土层宜为砂性土、粘性土 (包括砂层、淤
泥质土等 )及强风化基岩,对于卵砾石地层，
因成孔困难，应有相应的钻孔设备；
(2)土层的含水量＞ 10％；
(3)地下水的临界流速＜ 2m／ d。
3 冻胀融沉
3.1 冻胀机理
冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀 。 孔隙水原位冻结造
成体积增大约 9％, 但由于外界水分补给并在土体迁
移到某个冻结位置, 体积增大会远大于 9％, 所以开
放系统饱和土中分凝冻胀是构成土体冻胀的主要分量 。
一般说来, 分凝冻胀的机理包括两个物理过程：水分
迁移和成冰作用 。
3.2 融沉机理
富冰冻土融化时,融化后的土体由于冰变成水体积减
小产生融化性沉降,同时由于在融化区域发生排水固
结,引起土层的压密沉降 。
3.3冻胀融沉的影响因素
土体的冻胀融沉与土体本身的性质和各种外部影
响因素有关。
土体本身的性质包括土的矿物成分、粒度组成、
土体的含水量、土的结构、压缩系数以及土的热物理
性质。
外部影响因素主要包括，上覆荷载、水源补给条
件、冻结和融化温度、温度梯度等。
4 联络通道冻结设计计算
4.1 联络通道结构冻结帷幕设计
冻土帷幕设计方法是采用常规结构力学方法进行结构计
算，利用大型有限元分析软件 ANSYS程序进行验算。下面以
一中心埋深 22.226m的旁通道为例，给出旁通道冻结的设计。
旁通道位置处隧道中心标高 -18.366m，地面标高为
+3.86m。旁通道由两个与隧道相交的喇叭口、旁通道和泵站
组成，其结构包括隧道管片相接的喇叭口、直墙圆弧拱结构
的通道和中部矩形集水井三个部分。
喇叭口开挖尺寸为,1.1m(长 )× 4.4m(宽 )× 4.83m(高 )
通道开挖尺寸为,4.72m(长 )× 3.3m(宽 )× 4.23m(高 )
集水井开挖尺寸为,4.8m(长 )× 3.3m(宽 )× 4.2m(高 )。
4 冻结设计计算
4.1 联络通道结构冻结帷幕设计
旁通道模型简化为如图所示的刚架，其中拱顶的角度为
99.93°,拱上作用均布载荷 0.255MPa，垂直部分受
梯形载荷（ 0.255+0.013*h） MPa。
4 冻结设计计算
4.1 联络通道结构冻结帷幕设计
将应力结果和冻土的强度相比较,得出安全系数,结果列于下表
厚度 (m) 1.6 1.8 2.0
应力类型 压 拉 压 拉 压 拉
应力值 (Mpa) 0.867 0.479 0.706 0.393 0.587 0.328
安全系数 k 3.92 4.38 4.82 5.34 5.79 6.40
表中的安全系数 K是由冻土强度与其相应的应力比值。由于旁通
道断面的土层以粘土为主，故冻土强度以冻土平均温度为 -10℃
时的粘土强度为准,σ=3.4Mpa,σ 拉 =2.1Mpa。从表中数据可
见冻土厚度取 1.6m即可 。
4 冻结设计计算
4.2 有限元法联络通道冻结帷幕验算
利用大型有限元分析软件 （ 常用的为 ANSYS）,取冻结壁厚
度分别为 1.6m,1.8m,2.0m,按旁通道和泵站两部分进行应力
和变形的分析计算 。
5 冻结孔布置及制冷设计
5.1 冻结孔的布置
根据冻结帷幕设计及旁通道的结构, 冻结孔按上仰,
近水平, 下俯三种角度布置在旁通道和泵站的周围, 在通
道下部布置一排冻结孔, 加强冻结效果, 把旁通道和泵站
分为两个独立的冻结区域 。
5 冻结孔布置及制冷设计
5.1 冻结孔的布置
5 冻结孔布置及制冷设计
5.2 制冷设计
冻结参数确定,
设计盐水温度为 -25℃ ～ -30℃ 。
冻结孔单孔流量不小于 4～ 5m3/h。
冻结孔终孔间距 Lmax≤1200mm,冻土发展
速度取 25mm/T，冻结帷幕交圈时间为 20天，
达到设计厚度时间为 35天。
积极冻结时间 35天，维护冻结时间为 30 天。
6 冻结法施工顺序
?6.1钻孔施工
6 冻结法施工顺序
6.2 积极冻结与维护冻结
设备安装完毕后进行调试和试运转 。 冻结
系统运转正常后进入积极冻结 。
在积极冻结过程中, 要根据实测温度数据
判断冻土帷幕是否交圈和达到设计厚度, 测温
判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度后进行正式
开挖 。 再根据冻土帷幕的稳定性, 可适当提高
盐水温度, 进入维护冻结, 但盐水温度不应高
于 -20℃ 。
6 冻结法施工顺序
6.3临时支护
6 冻结法施工顺序
6.4 开挖顺序
根据工程结构特点，拉开钢管片以后，联络通道开挖
掘进建议采取分区分层方式进行，其施工顺序如图
6 冻结法施工顺序
6.5 支护层施工
6.6 防水层施工
6 冻结法施工顺序
6.7钢筋工程
6 冻结法施工顺序
6.8永久支护
6 冻结法施工顺序
7 强制解冻融沉注浆技术
7.1概述
? 目前上海地区的区间隧道联络通道冻结施工后的融沉注
浆, 主要是根据冻结加固体的自然解冻情况进行的 。 由
于冻土自然解冻的时间一般都比较长, 一般需要半年以
上的时间, 而由于施工工期的限制, 后期融沉注浆施工
的质量不能够得到保证, 造成地表沉降大, 影响地面建
筑物和道路的使用 。 为了缩短融沉注浆施工工期, 减少
冻融对地面的影响, 需要对冻结加固体进行强制解冻融
沉注浆 。 目前仅在上海市轨道交通杨浦线工程 （ M8线 ）
曲阳路站～虹口足球场站区间隧道旁通道及泵站冻结加
固工程中实施了强制解冻融沉注浆的相关技术和施工工
艺的研究 。
7 强制解冻融沉注浆技术
7.2 注浆流程
注浆管下放方法
冻结管拔除后，快速下放注浆管，进行孔口密封 。
在注浆管的前部安装丝堵，内部跟进 4” 的供水管，边供水
边推进。如果使用这种方法下放冻结管有困难，则使用水平
钻机将注浆管钻进。
7 强制解冻融沉注浆技术
7.2 注浆流程
7 强制解冻融沉注浆技术
7.2 注浆流程
7 强制解冻融沉注浆技术
?7.3注浆原则和方法
? 注浆以少量多次为原则。垂直单孔一次注浆量为
0.5 m3左右，水平孔单孔一次注浆量为 1.5 m3左右。
注浆前，将待注浆的注浆管和其相邻的注浆管阀门
全部打开，注浆过程中，当相邻孔连续出浆时关闭
邻孔阀门，定量压入惰性浆后即可停止本孔注浆，
关闭阀门，然后接着对邻孔注浆。遇到注浆管内窜
浆固结而引起堵管时，需用加长冲击钻头通管。
? 根据地面变形情况，调整劳动组织，适时进行反复
注浆。直至地面变形基本稳定在 2mm以内。
8 工程实例
8.1 大连路越江隧道联络通道
? 大连路越江隧道工程是上海市重点工程, 两条隧道
之间的连接通道均位于黄浦江底下, 相距约 400m。
? 位 于 浦 西 通 道 ( 一 ), 东西线隧道中心间距
35.705m,隧道间高差 3.565m、,连接通道净距约
25.665m。
? 位于浦东通道 (二 ),东西线隧道中心间距 27.575m，
隧道间高差 0.345m,连接通道净距约 17.175m。
8 工程实例
8 工程实例
?8.1.1工程概况
? 连接通道所处地表为黄浦江江底，工程地段土层自上而下为：
? ① 2：淤泥，含煤屑、石块等；③ 1：灰色淤泥质粉质粘土；④：
灰色淤泥质粘土；⑤ 1-1：灰色粘土；⑤ 1-2：灰色粉质粘土；
⑥：暗绿色～草黄色粘土，厚约 4.5～ 6.5m；⑦ 1-1：草黄色砂
质粉土，厚约 6～ 10m；⑦ 1-2：草黄色粉细砂。
? 连接通道施工范围内土层主要为草黄色砂质粉土。根据土层资
料，该地层具有孔隙比大、含水丰富、承载力低、容易压缩和
在动力作用下易流变的特点，开挖后天然土体本身难以自稳，
砂质粉土易发生水砂突出。因此，在该地层内开挖构筑连接通
道，必须先对施工影响范围内的土体进行安全、可靠的加固处
理。
8 工程实例
8.1.2设计原则：
1）水平孔冻结帷幕技术性能必须满足连接通道施工的安全和
质量要求；
? 2）水平孔冻结方案应符合现场实际条件的施工可行性和良好
的可操作性。
? 3）施工方案应在工程要求工期的条件下具备优化能力。
? 4）施工方案措施必须满足城市环保及节能要求。
? 5）减少冻胀与融沉的危害。
8 工程实例
8 工程实例
8 工程实例
8.2上海市轨道交通明珠线二期工程上体场站穿越段
明珠线上体场站穿越段隧道横截面图
8 工程实例
8.2上海市轨道交通明珠线二期工程上体场站穿越段
1,轨道高差（纵向） 4mm/10m
2,轨道高差（横向） 2mm
3,轨距变化 -2～ +6mm
4,地铁结构绝对沉降量及水平位移量 ≤20 mm
5,隧道变形曲线的曲率半径 r≥15000m
6,结构相对变曲 ≤1/2500
7.日地铁结构沉降量及水平位移量 ≤1 mm
8 工程实例
冻土帷幕结构透视图
8 工程实例
谢谢！
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?电 话,13605205252
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