引言

市政冻结技术作为一种新兴的冷冻技术，在我国近年来得到了广泛的应用和发展。市政冻结技术主要是指利用冷冻剂将市政管道中的介质冻结，以达到停止流动、防止泄漏、进行维修等目的的技术。

1市政冻结技术的原理与技术

1.1市政冻结技术的基本原理

市政冻结技术的基本原理围绕着低温介质在地下创建一个连续且稳定的冷冻壁，这一过程可以通过以下关键步骤来理解：

冷却介质的选择与输送：冷却介质，如盐水、液氮或液态二氧化碳，被输送到地下通过特制的冷冻管路。这些介质在低温下能够迅速吸热，降低周围土壤或岩石的温度。

冷冻壁的形成：当冷却介质在地下冷却时，它会引发土壤或岩石中的水分结晶，形成冰晶。随着冰晶的积累，周围物质的温度进一步降低，导致更多的水分冻结，直至形成一个连续的、稳定的冷冻壁。这个过程常常涉及冷却壁的三个主要阶段：预冷阶段、冻结扩展阶段和冻结稳定阶段。

温度场的控制：为了确保冷冻壁的质量和稳定性，需要精确控制温度场。这包括维持冷冻壁内部的低温，同时防止外侧土壤过冷导致的过度收缩。这通常通过调整冷却介质的流量、温度和压力，以及应用智能控制系统实现。

土壤或岩石的物理性质改变：冷冻壁的形成使得土壤或岩石的物理性质发生改变，如抗压强度提高、渗透性降低，从而起到稳定地基、防止地表沉降、控制地下水流动的作用。

冻结壁的维持与融化：一旦冷冻壁达到设计要求，可能需要维持冷冻状态直至工程完成，以防地基松动或污染物扩散。工程结束后，冷冻壁可通过逐渐升高温度使其自然融化，同时在设计时会考虑到融化过程中的应力释放，以避免对周围环境造成破坏。

通过这些基本原理，市政冻结技术得以应用于各种复杂工程场景，如地铁隧道建设、地下空间开发、环境修复和灾害防治等，其精确的控制策略和环保特性使其在地下工程领域占据重要地位。随着科技的不断进步，对冷冻壁形成机制的深入理解、冷却介质的优化以及智能监控系统的应用，将进一步提升市政冻结技术的效率和环保性，使其在未来的城市建设中发挥更大的作用。

1.2市政冻结技术的现有技术

市政冻结技术在多年的发展中，积累了一系列成熟且各有特点的现有技术，这些技术根据冷却介质、冻结工艺和应用领域有所不同。以下几大技术构成了市政冻结技术的基本框架：

盐水间接冻结法：这是传统的冻结方法，利用盐水作为冷却介质，通过导热和融盐吸热的原理，使得周围土壤或岩石冻结。这种方法简单易行，但能耗高，且盐水对设备和土壤有腐蚀性。

液氮直接冻结法：液氮具有极低的沸点，能迅速吸热，实现快速冻结。然而，这种方法成本高，且液氮的蒸发造成冷量损失，造成壁面发展不均，可能影响冻结质量。

液态二氧化碳循环冻结法：如中建八局的C8-NAGF技术，使用低温液态二氧化碳作为循环冷媒，配合环保制冷剂，以及轻量化管线和自动控温系统，显著提高了冻结效率，降低了能耗和环境污染。这种方法在实际工程中展现出优越的性能，有望在更多工况中应用。

低温冷冻剂的开发：研究者正在探索新的冷冻介质，如环保的制冷剂，以替代盐水和液氮，以减少对环境的负面影响。这些新型介质可能包括更低的蒸发率、更低的毒性以及更好的热性能。

智能监控与控制：通过使用传感器、数据采集系统和先进的数据处理技术，监测冷冻过程中的温度、压力、流量等参数，实现对冷冻壁生长的精确控制。智能监控系统可以实时反馈，及时调整冷冻工艺，以保证冻土质量，降低施工风险。

高精度钻进与测斜技术：高效的钻探设备与测斜技术确保冷冻壁的准确位置和形状，这对于确保冷冻壁连续性和稳定性至关重要。这些技术的进步能有效规避传统方法中出现的不均匀冻结和壁面缺陷问题。

冻结壁异常监测技术：为应对深部冻结和复杂地层带来的挑战，如冻结壁异常，研究者正在研发更先进的监测技术，如超声波、测温孔、水文孔观测与综合分析方法，以确保冻结施工的安全和效率。

2市政冻结技术的应用与展望

2.1市政冻结技术在建筑工程中的应用

市政冻结技术在建筑工程中的应用广泛且深入，尤其在地下结构施工中，如地铁隧道、地下车站、地下商业空间等，起到了关键的支撑作用。这种技术能有效解决城市地下空间开发过程中遇到的诸多问题，例如地面沉降、地下水控制、地基稳定性以及施工安全等。

在地铁建设中，冻结技术是控制地面沉降、防止周边建筑受损的重要手段。通过在地铁隧道上方或两侧创建冷冻壁，可以限制地下水分冻结导致的土体膨胀，从而减少地面的沉降风险。例如，北京、上海等大城市在地铁线路建设中广泛应用冻结技术，成功保障了施工期间地面稳定，使得地铁工程得以顺利进行。

在地下空间开发中，市政冻结技术可以加速施工进度，减少对地面交通的影响。通过在地下结构施工区域周围形成冷冻壁，可以稳固开挖面，防止塌方，同时减少地下水渗入，确保施工环境的干燥，从而提高施工效率。此外，冻结技术还能减小对周围建筑物的震动影响，降低噪音污染，提高城市居民的生活质量。

在环境修复领域，冻结技术常用于处理污染土壤。通过冻结污染区域，可以阻止污染物扩散，便于后续的隔离和处理。例如，在含油土壤或重金属污染的场地，通过冻结技术可以形成一个稳定的冷冻屏障，隔离污染，再通过热解或化学处理等方式清除污染物。

在灾害防治方面，如预防地面塌陷，冻结技术可以及时加固地基，提供临时支撑。例如，在地下矿藏开采后留下空洞，可能导致地面塌陷，此时利用冻结技术可以快速稳定地基，为后续回填和地表修复争取时间。

2.2市政冻结技术在道路施工中的应用

地基处理与加固。在冻土或软土地基条件下，市政冻结技术可用于加固地基，防止地基沉降和变形。通过在道路沿线或附近区域构建冷冻壁，可以阻止地下水流动，防止土体冻胀或融化，从而提升地基的承载能力，确保道路结构的稳定。这种方法尤其适用于寒冷地区和季节性冻土区域，如我国的东北和西北地区，以及北欧和加拿大的冻土地带。

地下管道安装。在道路下方铺设管道时，使用冻结技术可以保证地下空间的稳定，便于管道的施工和安装。冷冻壁可以防止在挖掘过程中地下水渗入，保持工作面干燥，降低施工难度。同时，冷冻壁可以支撑挖掘面，防止塌方，提高工人安全。

道路开挖与维护。在城市道路维护和改造中，冻结技术可以用来稳定开挖面，特别是在进行地下管线更换、路灯安装等作业时。冻结技术可以防止开挖过程中对周围环境的破坏，如影响相邻建筑物、地下设施或导致地面下沉，从而降低施工对城市交通和居民生活的影响。

沉陷预防与控制。在地下水丰富或地质条件较差的地区，道路可能面临沉陷风险。市政冻结技术可以预先冻结这些区域，形成稳定的冷冻壁，防止地下水上升导致的地面沉降。例如，在地下水活跃的沼泽地带或富含砂砾的区域，冻结技术能有效预防道路塌陷，保障道路畅通。

2.3市政冻结技术在水利工程中的应用

在水利工程领域，市政冻结技术同样展现出其独特的优势和广阔的应用前景。这种技术在处理地下水控制、河床稳定、水下施工等方面，提供了可靠且环保的解决方案。

在地下水控制方面，市政冻结技术可以用来管理地下水的流动，防止地下水位过高导致的渍水问题，或是抑制地下水向施工区域渗漏，保障了水利工程的稳定施工条件。例如，在水坝建设过程中，冻结技术可以创建一个稳定的地下屏障，防止地下水通过坝基，降低渗漏风险，保证大坝的安全性。

河床稳定是水利工程建设的关键环节，尤其是在河流改道、河床拓宽或水下结构施工时。市政冻结技术可以通过在河床周围创建冷冻壁，控制河床土壤的冻结，防止在施工过程中河床的滑动或塌陷，为水下施工提供稳定的作业环境。这种方法在大坝基础开挖、水下隧道建设以及河道整治中已经得到了广泛应用。

在水下施工中，市政冻结技术同样发挥了重要作用。例如，在水下管道安装、沉箱施工或海底电缆敷设时，冻结技术可以稳固作业区域的水下地层，防止海底沉积物在施工过程中移动，确保工程的顺利进行。此外，冷冻壁还可以减少施工过程中对海洋生物和生态环境的干扰，符合现代水利工程的生态环保要求。

然而，水利工程中的应用对市政冻结技术提出了更高的要求，如在深水、高水压环境下，冻壁的形成和稳定性控制变得更加复杂，对冷冻介质的选择、冷冻工艺的优化以及监测技术的精确度都有更高的标准。因此，未来的研究将集中在如何提高冻结效率，开发适合水下环境的冷冻介质，以及发展能够在高压环境下精准监测冻壁状态的智能监控系统。

3市政冻结技术的发展与展望

3.1市政冻结技术的发展历程

市政冻结技术的发展历程可以追溯到19世纪末，当时人们开始尝试利用低温来解决矿井建设和地下工程中的问题。最初的实践主要集中在寒冷地区的矿井开挖，通过自然冷冻来稳定地层，降低施工难度。然而，自然冷冻过程的不可控和低效率限制了其应用范围。

20世纪初，随着科技的进步，人们开始研究人工冷冻的方法，使用液氮和盐水作为冷冻介质，这种技术在20世纪中叶得到了广泛应用。液氮直接冻结法因其快速冻结的能力在特定情况下展现了优势，但高昂的成本和不均匀的冷冻质量限制了其普及度。盐水间接冻结法因其设备简单、易于操作而被广泛采用，然而，其高能耗和对环境的潜在腐蚀性问题引起了关注。

随着环保意识的提升和能源效率的需求，研究人员开始寻找更环保的冷冻介质。20世纪末，人们开始探索液态二氧化碳作为冷冻介质的可行性，它的低温性能和环保特性引起了行业内的兴趣。然而，早期的液态二氧化碳冻结技术在效率和经济性上并未达到预期。

进入21世纪，随着科技的飞速发展，如智能控温系统、轻量化管线和新型制冷剂的引入，液态二氧化碳冻结技术实现了突破。中国建筑第八工程局（中建八局）在2010年代开发的C8-NAGF新型超低温循环冷媒地层冻结技术，将低温液态二氧化碳与环保制冷剂相结合，显著提升了冻结效率，降低了能耗，并减少了对环境的影响。这一技术的成功应用，标志着市政冻结技术进入了一个全新的发展阶段。

3.2市政冻结技术的未来发展趋势

精确控制与智能监测：通过引入先进的传感器技术、物联网和人工智能，市政冻结技术将实现更为精细化的温度场控制和冷冻壁生长监控。这将允许实时调整冷冻参数，以达到最佳冻结效果，同时减少能源消耗，降低对环境的影响。智能监控系统还能提供预警功能，及时发现并预防冻壁异常，确保施工安全。

环保冷冻介质：研究者将持续探索替代传统盐水和液氮的环境友好型冷冻介质。这可能包括研发具有更低蒸发率、更低毒性以及更高热性能的新型制冷剂。此外，提高现有环保介质如液态二氧化碳的效率和可操作性，以进一步降低其在冷冻过程中的环境影响，也是未来的重要方向。

高效冻结工艺：优化冻结工艺参数，如冻结速度、温度梯度和冷冻介质流速，将有助于提高冻结效率，缩短施工周期。同时，通过模拟软件进行数值分析和优化，可以在设计阶段就预测冻结过程，从而降低实际施工中的不确定性。

适应复杂地层：针对地下工程中遇到的复杂地层条件，如高水速、富水弱胶结砂岩层等，市政冻结技术将寻求发展更为稳定的冻壁形成技术，以应对这些挑战。这可能包括改进冷冻壁的结构设计，如采用复合材料增强冻壁强度，以及优化冷冻过程中的参数控制策略。

多学科融合：结合地质学、材料科学、流体力学、计算机科学等多学科知识，市政冻结技术将实现多参数综合评估和优化。这将有助于深入理解冻结过程中的物理、化学和机械行为，从而提高冻结质量，降低施工风险。

结语

总结而言，市政冻结技术在城市基础设施建设中的作用不可替代，其在精确控制、环保材料和智能监测方面的进步将持续推动其技术革新。面对未来的城市挑战，如复杂地质条件、环保要求和高效施工，市政冻结技术有望通过理论研究与工程实践的紧密结合，实现更广泛、更深入的应用，为城市建设提供更加绿色、高效的技术支撑。这不仅将提升施工效率，保障工程安全，也为城市的可持续发展注入新的活力。

参考文献

[1]李方政.市政冻结技术的应用与展望[J].《建井技术》,2019年第4期55-60,49,共7页

[2]朱永辉.BIM技术在市政管线工程中的应用现状与展望[J].《工程技术研究》,2023年第21期89-91,共3页