中图分类号:U418.5+3 文献标识码：A文章编号： 一、引言 冻结法施工在不同工程领域施工越来越多，目前地铁工程的联络通道采用冻结法施工更加普遍。但冻结法的冻胀融沉缺陷，特别是软土地带，会对地铁隧道及周围环境等产生不利或负面影响。针对此问题，对冻胀融沉的产生机理及影响因素进行分析，提出防范措施，为地铁线路施工提供经验。
二、冻结法冻胀的产生机理及影响因素
1、冻胀是指在土体加固过程中，由于冻结管对土体实施冻结作用，使土体中水分结冰而造成其体积膨胀的现象，在人工冻结加固土体中，冻胀是我们所面临的棘手问题。通常我们所说的土体冻胀主要指由水分迁移引起的分凝冻胀。
分凝冻胀包括土中水分迁移和成冰作用。土体在冻结过程中，一旦土体温度低于土的起始冻结温度，土中就有部分液态水变成冰，同时其颗粒表面仍有一些作为吸附膜的未冻水存在，由于未冻水的自由能比冰的自由能高，在恒定的负温下，土水体系通过多余的未冻水释放自由能且分凝成冰，随着分凝冰晶便不断积累，土体便产生了冻结膨胀。就联络通道土体冻结而言，土体冻结产生水分迁移，冻结交圈后，其冻结圈内部这种压力就会升高，产生冻胀。
2、冻胀的影响因素
冻胀的强弱主要取决于土体颗粒的土质、土中热流状况、土中水分及补给来源、冻结条件、外荷作用以及交换盐基等因素。
土颗粒的组成对土体冻胀性有着显著影响，在杭州细颗粒土中，尤其是亚粘土、粘土，这种影响显著地表现出来，当水分、温度及冻结条件大致相似的情况下，各类土的冻胀性强弱大致按下列顺序递减：粉质土、亚砂土＞亚粘土＞粘土＞砾石土＞粗砂＞砂砾石。
值得所说的，并非所有含水的土体冻结时都会产生冻胀，只有土中水分超过一定界限之后才会产生冻胀。在外界条件相同的情况下，土体含水量愈高，其冻胀的强度也就愈大，只要其它条件适宜，冻胀就会持续增长，达到较大的值。
温度对冻胀的影响表现在土温降低引起水冰晶、冰分凝上，冻土土温愈低，土体中未冻水含量愈少，含冰量愈大。在有外来水源补给条件下，土体冻结锋面上的冷却温度愈高，时间愈长，外部渗入水分在冻结面上形成的冰晶体、冰夹层的厚度也就愈厚，对后期融化影响也就越大，所以说，在冻结加固时，通过设计计算，选择合理的冻结壁厚度和冻结时间是及其重要的，通常情况下，地铁联络通道冻结加固时间控制在45～55天左右。
三、融沉的机理及影响因素
1、融沉的产生机理
冻结底层温度上升，冻土发生融化，冻土中的冰晶融化成水，土体体积缩小，加上土体原有结构冻胀时形成的裂缝在融化时的闭合，产生融化沉降；同时冻土在融化过程中未冻水含量随地温的升高二增加，直至达到相变温度点，冰全部变成孔隙水，当未冻水含量增加到足以摆脱静电作用时，土体便在重力和上覆荷载的作用下发生排水固结孔隙度变小而压密，产生固结沉降。融化总结后，排水固结并不马上结束，而是继续进行一段时间，直至土体固结沉降达到稳定。
融土固结产生的沉降与冻结过程中形成的土粒结构的稳定性、冰融化成水释放的自由孔隙空间以及上覆荷载的大小有关。
在地铁联络通道施工中，建设各方大多关注的是冻结前期及开挖过程中，安全风险和质量控制，在此期间，监测基本做到同步，因此，在积极和维护冻结、通道及泵房开挖中，冻胀、开挖对周边环境等产生的影响，均能及时反馈到建设者手中，并及时采取应对措施。由于融沉变化有一定的滞后性，加上工程后期，人员管理、监测配合，特别是人们对其机理及后果不能理解和正确认识，重视程度不高，往往在土体融化固结阶段，出现的问题更多，对地铁隧道影响的更大。
2、融沉的影响因素
2.1含水量对融沉的影响
冻土含水量的大小在影响冻土融沉的关键因素，富冰的冻土融化时常产生突发性下沉变形，而含冰量较少的贫冰冻土融沉时基本不会产生较大变形。通常融沉要大于冻胀，有时融沉会变为突陷，值得注意的是，在地铁联络通道周边冻结土体的融沉初期阶段，若未及时充填注浆或填充量严重不足，也可能出现突发性下沉变形。
2.2冷生构造对融沉的影响
冻土的融沉还与冻土在冻结过程中所形成结构有关，冻土的结构对土的融化沉降及压密沉降有着直接的影响，通常来讲呈整体状构造的冻土，其产生的融沉一般不打，而冻结时呈层状或网状构造的冻土一般在融沉过程中会产生较大的沉降变形，特别是有缺陷的地层，如存在沼气或处理不到位的地层。
四、联络通道冻结法冻胀融沉的特点
就地铁人工冻结土来讲，它除具有天然冻土的特征外，还具有其自身的一些特点，主要表现在：
1、人工冻结所处地层多为粘土或粉土、粉砂，且一般含水较丰富，如杭州地铁联络通道及泵房所处地层主要为淤泥质粉质粘土、粉土和粉砂等，其含水量大、强度低，这种地层虽事宜进行冻结施工，但在这样的地层环境下，较容易产生较大的冻胀和融沉变形。在后期通道施工结束后，由于融沉、地层缺陷等因素，加上填充、融沉注浆的填充程度和及时性存在不足，部分区间联络通道出现了较大的工后变化，最大沉降在10cm以上，对整体隧道质量产生了较大的影响，华动地区其它城市轨道也存在类似问题。根据不完全统计及分析，在软弱土层地区，融沉变化持续在3～6个月以上。
2、冻结过程中，人工冻结器表面温度低，通常低于-20℃，负温梯度随着冻结壁的扩展由大变小，冻结速度由快变慢，冻结时间相对较短，地铁联络通道通常在45～55天左右；而融化过程中，周边土体温度相对较低，温度梯度较小，在周边正温土体的作用下，冻土温度快速升高，由于相变过程要吸收大量的热量，而周边正温土体传导热量的能力有限，因而使得冻土全部融化经历的时间相对较长，特别是淤泥质粉质粘土等在正常条件下，还存在不稳定现象，在长达数月的扰东下，若其达到稳定状态，确实值得我们去探讨和研究。
3、人工冻土具有三维冻融的特征，即在冻结过程中冻结锋面的扩展垂直于冻结管线方向，冰晶分布平行于冻结管线轴方向；而在冻土融化过程中，热量是由周围土体或结构向冻土内部扩散，冻土从周边边界开始融化，因此，地铁联络通道周边冻结体变化对左右隧道、本体、上部环境等均可能产生影响。
4、人工冻结壁作为临时支撑结构一般要承受一定的荷载作用，在冻结过程中荷载通常对土体的冻胀具有一定的限制和约束作用，而在融沉过程中，受荷载作用的影响，融土中孔隙水会加速排出，土体会被压密。
五、联络通道冻结法防范措施及控制要点
地铁联络通道施工范围内主要为粉土、粉砂和淤泥质粉质粘土，其土层土质松软、结构松散、空隙比较大，含水丰富、承载力低、容易压缩和在动力作用下易流变、土体内聚力偏小等特点，针对此提出了一下技术控制要点：
1、放置冻胀对隧道及地面的影响，在冻结帷幕内设置泄压孔，冻结开始后，根据检测数据进行泄压以防冻胀，减少冻胀对周边环境产生的影响，这一环节，各冻结单位工作还是比较到位的。
2、混凝土和钢管片相对于土层要容易散热得多，会影响隧道管片附近土体质量，从而影响冻土整体稳定性和封土性。采用在冷冻区域隧道管片铺设保温层，对面隧道管片加设冷冻板保温的措施，以确保冻土帷幕不存在影响安全的薄弱环节。
3、加强冻土过程监测。在冻土帷幕内布置测温孔和压力释放观测孔，以便正确测定冻土帷幕厚度和判断冻土帷幕是否交圈，在冻涨达到一定压力时，及时泄压，减少对周围土体及隧道的影响。
4、在冻结、开挖两侧隧道内均设预应力支撑，以防打开联络通道留口管片时隧道变形和破坏。
5、由于冻土的蠕变形很强，如遇冻土帷幕有明显变形，温度明显回升立即用预制格栅加背板支撑，调整开挖构筑工艺，并同时加强冻结，放置后期融沉过大，对周围环境产生不利影响。
6、对于外层临时支护背板后用水泥砂浆充填密实，同时，在联络通道衬砌中预埋注浆管，采用注浆方式，注浆应配合冻土帷幕融化过程进行，以防初衬背后空虚。
7、由于联络通道的开挖和支护层施工时间很短，比冻土帷幕的化冻时间要短得多，根据矿山并简冻结工程实践，虽然偶然停冻对开挖安全不会产生大的影响，但是为了进一步施工安全性，应选用可靠的冻结施工机械，并加强停冻时的冻工帷幕监测。
8、在主体结构中，分别在结构顶面、四周侧面等处设置注浆孔，并在结构上布设监测点，在整个施工及解冻过程中，严密监测隧道及通道变形，特别是在解冻初期15天内，做好跟踪补偿注浆工作，一般情况下，停止冻结后3～7天进行衬砌壁后填充注浆，注浆时，应完成冻结孔封孔，且衬砌砼设计强度的60%以上，以补偿解冻后出现的结构与冻结土体间的孔隙，消除融沉可能造成的变形，当监测数据出现异常，应及时在变形较大部位周围或对应面进行注浆，确保隧道安全。
由于软土地区，在融沉变化时间长，影响大，联络通道监测工作和融沉补偿注浆将是一个较为漫长的阶段，我们必须高度重视，在初期方案制定时，就必须予以明确，并在后期施工时，严格执行，融沉补偿注浆应遵循多次少量均匀的原则，否则，将带来较大的安全、质量隐患。关于如何界定融沉结束的标准，设计单位参照上海有关冻结规程提出：当一天内，联络通道沉降大于0.5mm或累计沉降大于1.0mm时，应进行融沉补偿注浆；当联络通道隆起2.0mm时应暂停注浆；当连续半个月地面日沉降量保持在0.3mm以内，累计沉降量小于1mm时，可以结束融沉注浆，对于后值，应该是难以达到的，我们应该结合杭州的地质条件，充分调研，并制定相应控制标准。
综上所述，土体冻结加固法越来越多的被用于地铁施工，只要我们掌握其机理，控制其关键环节，针对其不足，制定可靠措施，该工法还是值得推广及应用的。