冻结法(freezing process)

修建地下工程时，采用冻结方法防治流沙和隔断地下水的特殊施工方法。在不稳定含水地层中开凿竖井、隧道、地下铁道和开挖深基坑时，借助人工制冷手段将地层暂时冻结起来，使冷冻管周围的地层冻结成坚固不透水的冻土墙，隔断地下水，使土不发生流动，以保证安全施工(见图)。冻结法适用于淤泥、松软泥岩、松散不稳定冲积层和裂隙发育的含水岩层以及饱和含水和地下水位特别高的地层，不适用于含水率很低或地下水流速很高的地层。

开挖地下工程前，从地面沿其外围一定距离进行钻孔，钻孔间距1～2m，孔径为200～250mm。孔底深入不透水层。每个钻孔中放入用无缝钢管做的冻结管。冻结管下端做成封闭的圆锥状。冻结管内放入一根下端开启的供液管。冻结管上部装有两根管子：一根是供液管的延续部分，与配液总管相接；一根是回液管，与回液聚积器相接。在地面安装冷冻设备。

制冷过程一般由盐水、氨和冷却水三大循环过程组成。常用氨(NH3)或二氧化碳(CO2)作为制冷剂，将氯化钙(CaCl2)溶液(习称盐水)冷却到-20～-30℃，用循环泵和插入冻结管深处的供液管将盐水送入冻结管。经低温盐水长时间连续地吸收冻结管外的热量，使周围地层冻结。盐水吸取地层的热量后温度上升，在循环泵的作用下，经回路管回到冷冻设备与制冷剂接触而重新冷却。液态氨在减压条件下蒸发时摄取盐水的热量后经压缩(80～120KPA压力)和冷却水(15～20℃)水的冷凝又使其液化，在管道内循环流动，重复使用。在冻结管周围形成的冻土圆柱体，其直径随冻结时间而增大，相互交接成能隔断地下水、能承受土压力和水压力的坚固冻土墙。使用液态氨制冷较为经济可行，但不安全，使用时应特别注意加强防护措施。

采用冻结法施工时，须根据施工进度、冻土墙的强度要求、开挖顺序等确定冻土墙的厚度、冻结管群的间距和冻结管的长度、冻结顺序和解冻顺序等，据以选择适当的冷冻设备。此外在施工中还需对有代表性的部位进行温度测定，并根据测定结果决定是以连续的还是以间断的供冷方式保持冻土墙的冻结；同时对地层冻结时的膨胀和解冻时的下沉情况应及时进行观测并采取相应的处理措施。

施工深井时可采用三种冻结方法：(1)全深冻结。这是常用的一种方法。(2)局部冻结。只对涌水部位进行冻结。(3)长短段交叉冻结。加密上部井段冻结孔，先行冻结和开挖，在开挖上部井段的同时进行下部井段冻结。这样可避免冻结到下部井段应开挖的部分土体和减少能源消耗。在地下结构物施工期间，为使冻土墙仍保持必要的低温，必然要在接近-5～-10℃冻土处浇筑混凝土，此时最好使用低温早强混凝土，否则要埋设加热器或铺设绝热材料或采用双层井壁来减少冻土墙对混凝土的影响。地下结构物施工完毕后，要对冻结的地层进行连续而均匀的解冻。结构物埋深不大时，可停止供应盐水，随其自然解冻；结构物埋深较大时，则需供应温度逐渐提高的盐水、进行人工解冻。采用冻结法施工深基坑时，开挖时间宜选在既方便开挖又不会使冻土墙破坏发生涌水冒砂事故的时期；当冻结到开挖范围以内使开挖发生困难时，可采用钻眼爆破等方法进行开挖。隧道施工时，使用钢板桩作垂直支护，用水平冻结管冻结的土体作顶板和底板进行挡土和截水。

1883年德国最早使用冻结法开凿竖井，以后比利时、荷兰、英国、波兰、前苏联、美国、加拿大等国家也先后使用此法开凿竖井。近30年来，冻结法还用于修建地下铁道车站、自动扶梯斜隧道、地下洞室和桥墩深基础等工程。中国于1955年首次在开滦林西煤矿应用此法开凿风井，到1982年为止，应用此法已开凿190多个井筒，最大冻结深度达415m。