地层人工土冻结法人工冻结技术结构设计毕业设计论文Word文件下载.docx

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人工土冻结法由于基本不受支护范围和支护深度的限制，以及能有效防止涌水以及施工中相临土体的变形而受到越来越多的重视，并将是完成地下工程的主要技术手段之一。

完善和发展人工土冻结理论和技术体系不仅具有重要的社会效益，而且具有良好的经济前景。

在饱和含水软弱地层中，在刚建好的两条区间隧道再建通道、泵站，虽然可以借鉴上海地铁一号线区间隧道旁通道施工经验，但由于国内没有相应的人工土冻结法施工规范，所以冻结法作为一种辅助施工工法，其实施的可行性、安全可靠度、施工速度、工程造价等多方面都面临考验。

如何保证工程及周围环境的安全，采用何种施工技术，如何确定合理的冻结参数并降低造价等，具有很大的意义。

地层土人工冻结技术是一种起源于天然冻结现象的土层加固技术。

传统上较普遍的人工土冻结是使用盐溶液间接制冷法，就是将盐溶液用氨或氟里昂压缩方法冷却后，作为冷媒在土体内埋设的管道中循环，吸收土体热量，增加自身显热，不断循环制冷，直到土体冻结，达到加固和稳固土体的目的。

发展和使用较晚的人工土冻结方法有直接制冷法，即不循环制冷，例如使用液氮或干冰等物质，使它们在土体内发生相变，直接作为冷媒吸收土体热量，使土体降温，土中水分冻结，形成冻土体。

采用人工制冷加固（冻结法），可以使土体中的大部分水结冰，这不仅提高了土的强度，增强了土体的稳定性和整体性，而且可以达到其他止水方法所无法比拟的隔水性能；

同时随着地层开挖深度的增加，冻结法施工更具有经济上的优势。

此外，冻结法施工不污染环境，不受冻结深度和冻结范围的限制。

1.2问题提出

随着社会和经济的进一步发展，人口的不断增长和生存空间的相对缩小，开发地下空间已成为人类扩大生存空间的重要手段和发展趋势。

本世纪是大力建设地下工程的世纪，也是我国地下空间开发利用的高潮时期。

发达国家已把对城市地下空间的开发利用作为解决城市人口、资源、环境三大危机的重要措施和医治“城市综合症”实施城市可持续发展的重要途径。

我国目前在城市进行市政岩土工程及地下空间开发中遇到许多传统岩土工程方法难于解决的问题，如地铁、隧道中一些不能用盾构法施工的小而形状不一的工程和湖底、河底近距离隧道工程及河岸近距离基坑工程等。

例如南京地铁在盾构进出洞及连通道暗挖中面临普通工法难以解决的问题，这就给岩土工程界提出了新的课题，为此必须寻求一种既安全又较为合理的新方法。

我国近年来兴建了大量的高层建筑，以北京、天津、上海、广州、深圳等地的高层建筑密度最大，由此产生了大量的深基坑工程，且规模和深度不断加大。

深基坑支护是建筑工程中的热点和难点问题，对这些问题及对策的研究，是随力学理论，计算技术，测试仪器以及施工机械的进步而深入的。

常规支护方法是采用注浆、深层搅拌桩、地下连续墙法、当地下水位较高时可以人工降低水位法，这些方法在我国基础工程施工中已取得许多成功的经验，但也存在一些问题。

随着城建规模的迅猛发展，基坑的跨度和深度不断的增加，在一些沿海地区的地基属软弱地基，常伴有淤泥及流沙，在这种条件下进行大型的开挖，坑壁维护越来越困难，成本越来越高，有时占整个建筑成本的10%，为此必须寻找一种既比较安全又经济的新的坑壁维护方法，冻结法既为其中之一。

在我国煤矿竖井开凿中得到广泛应用的人工冻结法与这些方法相比，具有隔水性能好、强度高、整体支护性能好、土体可复原、不污染环境、冻结结构物的性状和扩展范围可控等优点。

因此在一定的地质，环境条件下采用冻结法形成冻土墙用于深基坑支护是一种具有可行性和竞争力的技术手段。

地铁隧道冻结法施工冻结壁温度场及地表冻胀位移数值试验研究人工地层冻结技术用于采矿凿井在国外有100余年的历史，在中国也有40余年，然而，它在其他岩土工程的应用中尚处于起步阶段。

地层人工冻结技术是利用人工制冷的方法，降低土体的温度使含水地层形成冻结体。

从而在预期要开挖的场地外围构筑起稳定且不透水的冻结结构，以达到维护开挖面周围土体稳定，抵抗周围水土压力、防止地下水侵入的目的，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。

所以人工冻结技术被越来越多的应用到复杂条件下的矿山、建筑物工程、港口工程及水工工程中，特别是沿海城市的地铁隧道及其联络通道施工中，由于地下水位埋深浅，而且其地层软弱（如淤泥、淤泥质土和流砂等）常规的施工方法不能维持周围土体的稳定，采用人工冻结法，通过在含水不稳定土层中预先埋设冻结管，使地层中的水冻结成冰，把天然岩土变成人工冻土，增强其强度和稳定性，以便在冻结壁的保护下进行地铁或其联络通道的施工。

近些年来，随着地下铁道建设的兴起，人工冻结技术己开始逐步被应用于城市地下铁道的隧道施工。

地下铁道的隧道水平冻结技术是在含水不稳定的地层中钻铺水平冻结器，利用低温盐水循环降低地层温度，将天然岩土变成冻土，形成完整性好、强度高、不透水的临时水平冻结加固体，从而在其保护下进行隧道开挖和补砌。

随着我国经济建设的发展。

富含水的困难地质条件下的城市地下工程将日益增多，人工冻结技术在建筑物密集的城市地区越来越广泛的应用，从而为冻结法的应用提供了广阔的空间。

由于国内各大城市地铁隧道、公路隧道等地下工程的兴建，冻结法基本上已经成为地下隧道中联络通道、泵站和盾构进出洞等重要工程施工的一种专用方法，在北京地铁大北窑车站区间隧道施工首次成功地采用了局部水平冻结技术，水平冻结长度超过40m。

目前土冻结理论中有较成熟的关于冻结速度、冻结温度场及冻土墙强度的计算方法，但对冻软土、融土物理力学性能和冻胀特性、模型以及冻胀对周围环境影响的计算方法等，国内尚未进行系统研究，国外也很少报导。

由于缺乏冻结壁温度场和冻土冻胀对周围环境影响等基础性研究，致使人工冻结法在环境要求很高的市政岩土工程和城市地下空间开发中未能广泛推广应用。

土的冻胀主要是因为温度场引起土中原含水分和迁移而来的水分结晶，体积膨胀，引起冻土体积增大，结果在土层中产生冻胀力，导致地表出现变形。

过量的冻胀会对地表建筑、交通和地下管线产生破坏作用。

不同土质条件冻胀也不同，粘土变形量大，粉质粘土、砂土次之（粗粒土一般不产生冻涨），虽然冻胀对工程影响很大，但并不是不能控制的。

日本东京环7线盾构出洞的冻结施工中采用压力释放孔使冻结压力降低40%。

所以冻结施工中温度场引起地表过大的冻胀量将使地下管线及地上的建筑物、道路等受到影响甚至破坏。

1.3国内外研究现状

1862年英国工程师南威尔士在建筑基础施工中，首次使用了人工制冷技术加固土壤。

1883年人工土冻结法首次在德国阿尔里德煤矿井筒施工中应用并获成功，至1900年人工冻结法用于矿山施工次数已达60次以上。

1886年瑞典长20m的人行隧道建设工程应用了人工冻结方法。

此后一个多世纪里，人工冻结法在许多国家的煤矿、隧道、地铁和建筑基础等领域中得到广泛应用并不断发展。

当前人工冻结技术已是世界许多国家如德国、美国、日本、意大利等国家城市地下工程不可缺少的手段，例如1906年横断法国塞纳河底地铁工程，1942年英国的上水道管渠道工程，1973年美国的河底取水竖井安装工程。

90年代以来，国外开始将这一技术用于环境保护如放射性污染物的掩埋隔绝处理等。

1991年在西班牙巴伦西亚地铁建设中，钻凿在地下水位以下进行，同时使用了几种支护处理方法，结果表明土冻结法最为令人满意。

我国于1955年首次在开滦煤矿西风井应用冻结法施工获得成功后，冻结法在立井及其他地下工程中得到了推广应用。

冻结法凿井就是在井筒开挖之前，采用人工制冷的方法，将井筒周围含水地层冻结成一个封闭的不透水的帷幕一冻土墙（简称冻结壁），用于抵抗地压、水压、隔绝地下水与井筒地铁隧道冻结法施工冻结壁温度场及地表冻胀位移数值试验研究之间的联系，而后在其保护下掘砌工作。

自20世纪70年代初，Hadan首先提出水热祸合模型后，从此进入研究多场祸合问题阶段，Harla的理论被outcali、Taylor等引用并发展口，工作的核心均是基于冻土中的热质迁移来进行数值模拟，将这些模型统称为水动力学模型。

70年代至80年代主要是水动力学模型，采用有限差分法，对土体冻结过程中的水流和温度进行预报。

水动力学模型的共同之处是没有讨论不连续的冰透镜体的形成，也不考虑外部荷载，只是假设当含冰量达到临界值时会发生冻胀。

20世纪80年代至90年代主要是Konrad的分凝势模型和Miller的刚性冰模型，采用分析解和有限元法，对土体冻结过程中的水流、冻胀、分凝冰和温度进行预报，采用的参数主要是未冻水含量与温度关系，以及孔隙度、渗透系数、导热系数和热容量等。

分凝势模型把分凝势定义为水分迁移与通过冻结缘的温度梯度的比值，根据相平衡的热力学原理，冰透镜处产生的负压和由于冻结缘低渗透性引起水流的受阻是产生驱动势的原因。

徐学祖和Nixon等研究发现分凝势模型适合应用于温度梯度是在己知条件下，对于非稳定热状况条件，分凝势并不是常数，不应再用分凝势模型解决冻胀问题。

刚性冰模型假设冻结缘中的冰与正生长的冰透镜体紧密地连在一起，当冻胀发生时孔隙冰能通过微观的复冰过程移动，因此，冻胀的速度应与刚性冰体的移动速度相等，但是大量的物理参数（如冻结缘中的应力比例因子、未冻水含量和导湿系数）需要确定，因此应用有一定的限制。

20世纪90年代以来，开始提出热力学模型，采用有限元法对应力、应变、水流和温度进行预报，主要采用杨氏模量、泊松比、蠕变定律的6个参数、导湿系数、导热系数和热容量等，但热力学模型只用热力学理论描述微观冻胀机理，并不能解决实际应用，因此热力学模型的研究还需深入。

国内不少学者应用计算机对冻结壁温度场进行数值模拟研究，并取得了一些成果，例如安徽理工大学汪仁和教授，程桦教授以及中国矿业大学的杨维好教授等应用ANSYS对温度场进行模拟分析，在这些模型中，外荷载仅作为影响冻胀的一个因子考虑，并没考虑因加载、冻胀和蠕变等引起的应力场和位移场的变化。

王建平等建立了变边界应力硕士学位论文和移动边界位置的水分迁移方程，按一维条件，对水、温度、应力、位移的祸合问题进行了研究；

采用准祸合的处理方法，忽略水分迁移影响，对二维温度、应力、位移场的祸合问题进行了数值分析目前已取得一些成果。

但是目前的研究没有考虑冻结法施工中影响冻结的主要设计参数，没有系统的进行主要设计参数对地铁水平冻结法施工中的温度场及地表冻胀位移的研究，从而未能对地铁隧道水平冻结法施工各参数的选择提供科学可靠的参考。

因此，此方向课题还有待于进一步探讨。

1.4冻胀融沉机理及试验研究

早在17世纪后期，人们就已经注意到冻胀现象，但是直到二十世纪，人们才逐渐认识到水分迁移作用是导致土体冻胀的主要根源。

Everett，首先提出了第一冻胀理论即毛细理论，然而，毛细理论却不能解释不连续冰透镜是如何形成的，并且该理论低估了细颗粒土中的冻胀压力。

认识到毛细理论的不足之处，Milierl提出在冻结锋面和最暖冰透镜底面存在一个低含水量、低导湿率和无冻胀的带，称为冻结缘（frozenffinge）。

冻结缘理论克服了毛细理论的不足。

得到广大学者的认可，称为第二冻胀理论。

1998年，周国庆在试验研究的基础上，探讨了饱水砂层的竖向冻结及融化过程土中结构切向受力的变化。

试验结果表明，冻结饱和砂土融化过程可分为负温升温、相变和自由水温升3个阶段；

与此对应，融化沉降过程可分为开始、急降和缓降3个阶段；

而模型结构切向应力则经历了上升、陡降和缓降3个过程，这3个阶段的时间比约为1:

2:

2，最终模型受有切