《城市地下工程人工冻结法理论与实践》以南京、苏州、宁波、无锡、上海等长江三角洲地区城市轨道交通施工过程中遇到复杂地质环境条件下施工难题为背景，以软弱地层地下工程冻结法施工理论与实践为主线，采用理论研究、室内试验、数值模拟、方案比选、实测分析相结合的综合研究方法，全面阐述了城市地下工程，特别是长江三角洲地区城市轨道交通建设中人工冻结法施工的理论与关键技术。《城市地下工程人工冻结法理论与实践》共分九章，包括人工冻结法基础理论，浅表土人工冻土物理力学性能，人工冻结数值模拟理论与方法，盾构始发与接收端头人工冻结加固技术与应用，地铁联络通道人工冻结施工技术与应用，盾尾刷渗漏防治技术，水泥土加固抑制冻胀融沉技术，人工冻结法施工监测技术，特殊地下工程人工冻结法应用。
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《城市地下工程人工冻结法理论与实践》：
1 人工冻结法基础理论
1.1 概述
人工冻结法是利用人工制冷技术使地层中的水结冰形成冻土，隔绝地下水与地下工程的联系，在冻结壁保护下进行地下工程施工的地基处理方法。作为一种临时地基加固方法，目前已被广泛应用于地铁隧道盾构始发与接收端头加固。联络通道加固施工。隧道抢险及其他抢险工程等城市地下工程施工中。
1.1.1 人工冻结法的应用现状
1.人工冻结法的起源
19世纪初，西伯利亚人在寻找和开掘金矿过程中利用寒冷季节挖掘矿井，冬天结束后就停工，等到来年冬天接着开挖，但施工到一定深度时土层已不是冻土，伴随出现了渗水。塌陷等现象。这是人类第一次在工程中利用天然冷量，也是在冻土利用方面迈出的第一步。
1862年，英国南威尔士矿山首次用人工冻结法加固地层解决了松软含水地层立井开凿时的塌陷问题；1875年，世界上第一台活塞式制冷机的问世成为人工冻结法被广泛应用的一个里程碑，这台机器选择了液态氨作制冷剂；1883年，德国工程师F.H.Poetch在阿尔巴里德煤矿采用冻结技术进行103m深的立井施工，首次提出人工冻结法施工原理，同时获得“冻结法凿井技术”专利。冷冻机的出现为人工冻结法适用于特殊条件（矿井。深基坑。高含水和流砂地层中的地铁。地下隧道和输水管线建筑等）施工开辟了美好前景。
2.国外人工冻结法的应用与发展
前苏联。德国。丹麦。法国。日本。美国。西班牙等国研究和应用人工土冻结技术起步较早，相继应用人工冻结法完成了许多地下工程施工，积累了大量成功经验。
20世纪60~80年代前苏联采用人工冻结法对地铁。矿井和其他工业建筑施工达200余例，如某污水泵站冻结孔圈径69m，冻结深度60m，矿井开挖围护深度已达800m。世界主要国家的最大冻结深度见表1.1。日本从1962年开始使用人工冻结法，随后将该项技术推广到通过河流。铁路及其他构筑物下的隧道工程，支撑明挖的墙体工程和其他地下工程。东京环7线二号调节水仓盾构隧道，圆形工作井深60m，端头冻结加固面直径达28.1m，确保了直径为13.94m的大型泥水加压平衡盾构顺利被接收；大阪东南部的排水隧道，直径6.5m，长8.5km，分5个工区掘进，采用地下或海下对接，由于不开凿地面立井，于是应用冻结法加固，并取得了成功；凯横运河下盾构贯通，采用水平冻结法成功穿越了泥质细砂地层；名古屋某两地铁隧道盾构始发与接收均采用了垂直冻结加固端头地层，连接两个不同直径的电力隧道时也成功应用了人工冻结法[2]。
1991年西班牙瓦伦西亚修建地铁时，为保证干燥的施工环境，采用传统的水泥土搅拌法。高压喷射注浆法。化学注浆法等常规地基处理方法后，均未取得满意效果，后经人工冻结法处理地下水，有效避免了涌水发生[3]；美国威斯康星州密尔沃基市施工一段50m深竖井，开挖深度大，加之地下水不利影响，传统支护施工出现了很多问题，后来采用人工冻结法形成一个直径6.1m的冻土围堰和三个相邻的柱状冻土槽，确保了工程顺利进行[4]。1994年，德国杜塞尔多夫（Dusseldorf）市火车站附近扩建地铁，对三段长40m的地铁隧道均采用了人工冻结法进行围护，其中一条钻凿面积45m2的隧道冻土墙厚度为1.5m，另一条钻凿面积96m2的隧道冻土墙厚度为2.2m，施工阶段同时对附近建筑基础进行了沉降观测，最大沉降量仅为13mm[5]。1994年到1995年间，德国在横穿铁路的下水管道等几项施工中也成功地利用了液氮人工冻结法[6]。1997年，在挪威奥斯陆海湾海底隧道施工中，运用冻结法成功穿越了松散地层，保证了该工程顺利完工[7]。
人工液氮冻结用于加固地层在国外始于60年代，已报道的液氮冻结工程实例中，较著名的有德国慕尼黑地铁。美国肯塔基州大型机械经过GreenRiver700m的冲积平原等；未见正式报道的有巴黎塞纳河地铁。意大利比萨斜塔纠斜等[8]。1991年德国艾斯巴赫（Eisbach）河底三个平行隧道施工时出现土体坍塌，随后使用了液氮冻结，而后在横穿铁路的下水管道等几项施工中也成功利用液氮冻结法，并开发出自动控制系统[9]。
3.国内人工冻结法的应用与发展
1955年，立井冻结法凿井技术从波兰引进，开滦林西煤矿风井建成的第一口立井在中国开创了人工地层冻结法的先河。随后人工冻结法很快在采矿工程中得到推广，河北。安徽。江苏。山东。河南。山西。辽宁。黑龙江。内蒙古。吉林等多省区均有工程采用了这种技术。目前，中国已成为世界上用冻结法凿井穿过表土层较厚的国家之一，成功解决了700多米冲积层深井冻结的冻结壁。井壁设计等关键技术问题[10]。
1）矿山工程
目前，我国已采用人工冻结法开凿了600多个井筒，总长度超过70km。我国冻结法凿井最大冻结深度已达737m，成为世界上用冻结法凿井穿过表土层最厚的国家之一，冻结法施工技术达到世界领先水平。
2）桥梁工程
江苏润扬长江公路大桥南汊悬索桥南锚碇基础位于江边软土地基上，开挖总方量超过10万m3，施工中为解决水土压力和渗流问题，通过人工冻结在基坑四周形成厚1.3m。深40m的冻结壁，同时在冻结壁内侧浇筑140根钻孔灌注桩，该组合支护结构是我国岩土工程施工方法的一项技术创新，首次有效结合冻结法和排桩法工艺，成为世界建桥技术上的历史性突破[11]。
安徽凤台淮河大桥为一座斜拉桥，主桥墩分设于东西两岸，沉井法施工中，当两井筒沉至底部垂深24m左右时，均发生工作面四周涌砂涌水事故，最终选用人工冻结法进行了封水处理[12]。
江西湖口大桥桥址处地质。水文。气候条件十分恶劣，水下基础施工难度很大，其中东塔基础覆盖层为软弱松散冲击层，厚度达19m之多，土质以淤泥和淤泥质亚黏土为主，基岩主要由石英砂岩组成，岩性坚硬脆，裂隙较易发育。经过对桩基设计构造特点。桥址地质水文情况及施工设备能力进行综合分析后，最终采用冻结法人工挖孔灌注桩方案进行了桩基施工[13]。
3）地铁隧道工程
（1）垂直冻结
南京地铁1号线张府园车站南端头井采用地下连续墙围护。深层搅拌桩以及压密注浆加固，盾构始发凿除洞门过程中出现涌砂险情，采用双液浆堵水后仍有流砂，引起局部地面沉降；后采用垂直冻结壁，成为南京首次实施地下工程人工冻结法的范例[14]。南京地铁10号线越江段盾构开挖直径11.64m，接收端头处于富水砂性土层中，由于水压高。工程地质条件差，经过比选，选用了“三轴深层搅拌桩+高压旋喷桩+垂直冻结+应急降水+水中接收”的方式。随着软土区盾构隧道数量增多，“化学加固+垂直冻结补强”的实例越来越多。
（2）水平冻结
水平冻结无论在工艺过程。作业要求还是冻结壁受力都有着同垂直冻结截然不同的特点。1994年上海地铁1号线联络通道泵站应用人工冻结施工成为我国地铁建设施工中第一次在联络通道中应用人工冻结技术。联络通道施工中开挖土方量不大，在类似粉细砂。淤泥质粉质黏土。粉质黏土等地层中，最大威胁来自地下水，当其他工法加固效果不明显或者无法成功加固时，人工冻结法成为施工联络通道的首要选择，这种方法在南京地铁。苏州轨道交通。上海地铁联络通道施工中已被广泛成功应用。南京地铁2号线中和村站（现雨润大街站）—油坊桥站盾构井1#联络通道地处粉质黏土与粉砂交互层，地下水丰富，线间距20m，净距13.8m，施工难度较大，后采用“双隧道打冻结管，中间交叉1.5m，每条隧道内各自安放冷冻机组同时冻结”的施工方案顺利完工[15]。1998年北京地铁复八线大北窑车站（现国贸站）南隧道基于技术与经济比较，完成了我国首例水平冻结施工，水平冻结距离45m，初步证明了水平冻结是暗挖隧道软弱含水地层中封水和加固土体的有效方法[16]。
随着冻结技术发展，水平冻结逐渐被用到盾构始发与接收端头加固中。人工冻结法进行端头加固时，根据地层条件可以直接加固（提高强度。封水性），也可以与化学加固法联合加固（冻结加固体承担封水作用，化学加固体发挥强度作用），具体选择何种加固方法，与周边环境复杂程度。土层条件。地下水状况有关。
南京地铁2号线西安门站—大行宫站区间隧道，盾构始发地所处中山东路道路和龙蟠中路属城市干道，车流量。人流量较大，受地面环境限制，无法从地上进行土体加固施工，后采用地下水平杯型冻结法加固土体。南京地铁2号线集庆门车站盾构端头曾采用三轴搅拌桩。高压旋喷桩处理，通过探孔发现隧道底板以下砂层中仍然有水。砂涌出，最终采用水平杯型冻结法加固[17]。苏州轨道交通2号线Ⅱ-TS-05标平河路站—苏州火车站站区间盾构进出洞端头地基加固中，靠近车站端头采用单排800@600mm双管旋喷桩，搅拌桩采用三轴850@600mm，后因不具备施工降水井条件于是也采用水平冻结加固[18]。无锡地铁1号线胜利门站—三阳广场站盾构区间主要在老城区中心穿行，穿新雅都大酒店。中山北路改造5号房。侧穿中山北路4号房并转向中山路，周边环境极其复杂，盾构始发与接收均采用了水平冻结加固。
（3）盾尾刷更换
盾构机长距离掘进时，有时出现盾尾密封油脂加注量不足或盾尾密封刷磨损致使盾尾刷失效，由于正常掘进时盾尾刷位于管片背后而无法更换，可预见情况下需提前选择停机位更换盾尾刷。更换盾尾刷时应确保管片拆卸后盾尾的密封。止水性能良好，封堵地下水仍以浆液凝固与人工冻结为主，前者以喷浆并通过增大同步注浆量来缩短浆液凝固时间为依据封堵地下水，但化学加固体的不均匀性使盾尾漏浆涌水现象不能被有效克服，风险大；而人工冻结壁的封水性能则相对优越，已被工程验证。杭州庆春路过江隧道两台盾构进入江底承压水层后，均出现不同程度的盾尾漏浆涌水现象，采用液氮冻结法封堵盾尾外侧地下水，并在冻结壁（设计厚度1.8m，平均温度-15℃）保护下更换并增设盾尾刷，这种长距离液氮冻结用于高承压含水层中更换盾尾刷在国内尚属首次[19]。
（4）抢险。修复工程
世界地铁建设史上也曾发生过隧道修建过程中涌水。坍塌等隧道损毁事故，有的采用施工难度较小的“改线修复”方案，但很多情况下受规划线路影响须进行隧道原位修复。近年来，液氮冻结多被用在抢险。修复工程中，因为液氮制冷土体冻结的发展速度是普通盐水制冷土体冻结速度的5~10倍。意大利AgriSauro盾构隧道掘进到2.63km时，盾构后方顶部衬砌中涌砂达6000m3，注浆法抢险失败后最终通过液氮冻结抢险成功[20]。南京地铁2号线中和村站—元通站右线盾构到达元通站150m处出现突发性涌水。涌砂，造成部分已成型隧道局部坍塌，对接段采用液氮冻结形成塞子工程，保证基坑和隧道在排水清淤时冻结体能够完全封水并抵抗开洞口的水土压力，同时隔断完好隧道与外部土体之间联系。上海轨道交通4号线浦东南路站（现塘桥站）—南浦大桥站区间一联络通道施工时发生流砂事故，导致隧道塌陷，原位修复连接段采用了人工冻结加固暗挖施工[21]。这类修复基本是在保护原未破损隧道基础上进行的，要求完好隧道与修复隧道尽量早日贯通，在不具备明挖。矿山法施工条件时，人工冻结法为修复工程提供了技术保证，尤其是液氮冻结施工速度快。安全性较高，在隧道抢险修复中已被大量应用。
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