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人工冻结法施工解析
2013届本科毕业论文
人工冻结发的施工技术研究
学院土木工程学院
专业班级09勘查二班
学号09201030202
学生姓名王洪强
指导教师汪东林
提交日期
摘要：
本文首先介绍了选题的目的与意义、国际及国内人工冻结法的研究与应用现状及冻胀融沉机理及试验研究。
接下来介绍了人工冻土的分类和构造以，及地下水对冻土形成的影响。
在冻土形成的过程中，物理力学性质也发生了很大的变化，于是在文中进一步研究了冻土的抗拉强度、抗压强度、抗剪强度。
并阐述了人工冻结法的原理、设计以及冻结壁形成过程中温度场的变化。
在上述理论的基础上，进一步了解冻结法的设计和施工。
于是本文主要从冻结方案选取、冻结孔的布置与施工以及土体开挖过程对人工冻结法进行阐述。
最后结合某地铁隧道联络通道冻结法施工技术，对人工冻结发法在实际工程中的应用，进行了深一步的了解。
关键词：
人工冻结法、冻土、冻结壁、冻结孔
Abstract:
Frist,thispaperintroducesthetopicsofthepurposeandsignificanceofinternationalanddomesticArtificialFreezingMethodResearchandApplicationStatusandfrostthawMechanismandExperimentalStudy.Nextcomestheclassificationofartificialfrozensoilandstructure,aswellastheimpactofgroundwaterontheformationofthefreezingsoil.Intheprocessoftheformationofthefreezingsoil,thephysicalandmechanicalpropertiesgreatchangeshavetakenplace.Sothispaperstudythetensilestrength,compressivestrengthandshearstrengthofthefreezingsoilinthetextforfurther.Anddescribestheprinciplesofartificialfreezingmethod,design,andthechangesofthefreezingwalltemperaturefieldduringtheformation.
It’sbasedontheabovetheory,learnmoreaboutthedesignandconstructionoffreezing.Thenselectofthearticleelaboratesartificialfreezingmethodfromthefrozensolution,freezingholelayoutandconstructionaswellasduringtheexcavationofsoil.Finally,asubwaytunnelconnectingpassagefreezingconstructiontechnology,madeofartificialfreezingmethodinpracticalengineeringapplications,conductsadeepunderstandingofstep.
Keywords:
artificialfreezing,frozen,freezewall,freezinghole
目录
第一章绪论5
1.1选题意义5
1.2问题提出6
1.3国内外研究现状8
1.4冻胀融沉机理及试验研究10
第二章冻土描述及其性质11
2.1冻土定义11
2.2冻土分类11
2.2.1按含冰特征11
2.2.2按冻结状态持续时间分类11
2.2.3按活动层与下卧层的类别及其关系分类12
2.2.4其他类型的冻土12
2.3冻土构造类别14
2.4冻土形成过程15
2.5地下水对冻土影响17
2.5.1土粒与水的相互作用17
2.5.2水质与流速对岩土冻结影响18
第三章人工冻结法原理及其力学参数和特性26
3.1人工冻结法原理26
3.1.1制冷技术26
3.1.2地下水对冻结的影响27
3.1.3温度场和冻结速度27
3.1.4冻胀和融沉效应28
3.2人工冻土的力学参数28
3.3冻土强度29
3.3.1单轴抗压强度29
3.3.2单轴抗拉强度31
3.3.3抗剪强度32
3.4冻结壁的温度场34
3.4.1冻结壁形成34
3.4.2冻结壁温度场的影响因素35
3.5人工土冻结法设计37
3.5.1冻土墙结构设计37
3.5.2设计方法38
第四章冻结法凿井技术39
4.1冻结方案选取39
4.1.1一次冻全深方案39
4.1.2分段冻结方案39
4.1.3差异冻结方案39
4.1.4局部冻结方案40
4.2钻孔布置及钻孔施工41
4.2.1钻孔布置41
4.2.2冻结孔钻进43
4.2.3磁性单点测斜仪43
4.2.4陀螺测斜仪44
4.3冻土体开挖及风险分析45
4.3.1冻土体开挖45
4.3.2联络通道冻结加固暗挖法风险分析47
第五章某地铁隧道联络通道冻结法施工48
5.1工程概况48
5.2冻结法的设计及施工49
5.2.1冻结孔布置设计49
5.2.2冻结系统设计及技术指标50
5.2.3冻胀、融沉及隧道变形控制设计50
5.2.4冻结施工情况51
5.3信息化监测技术52
5.3.1冻结帷幕温度场监测52
5.3.2钢护筒内壁温度监测53
5.3.3盾构管片背后土体冻胀压力监测54
5.3.4盾构隧道变形监测55
5.4冻结过程中若干问题及对策57
5.4.1盐水冻结系统运转的控制57
5.4.2冻胀的控制57
5.4.3融沉的控制58
5.4.4施工过程中对关键技术的控制58
结论与展望60
参考文献61
第一章绪论
1.1选题意义
随着社会经济的不断发展，人口的不断增长和土地资源的稀缺性。
开发地下空间已经成为人类扩大生存空间的重要手段和发展趋势。
专家预测21世纪是建设地下工程的世纪。
各种地下工程如矿山工程、深基础建筑及地下室、城市地铁和河底、海底及穿山隧道等正在兴建中，并且呈现不断增加的趋势，与之俱来的基坑壁的支护、隔水等问题也变得越来越突出，尤其是在恶劣的地质、水文条件以及苛刻的周围环境下。
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，最终模型受有切向融沉压缩附加应力。
陈湘生于1999年在清华大学离心机上进行了土壤冻胀离心模拟试验，验证了土中温度传递、冻胀缩比等的可靠性。
2000年，罗小刚、陈湘生等在典型粘土冻融试验的基础上，分析了冻融对土工性质如孔隙率、渗透性、压缩性等的影响。
试验结果表明，在不同的冻结温度和土体含水量条件下，冻融后土的孔隙率和含水量都增大；土体承受的外界荷载对冻融土孔隙率和含水量的变化有抑制作用。
杨平研究了原状土与人工冻融土的密度、干密度、含水量、饱和度、孔隙比、塑限、液限、塑性指数、液性指数、渗透系数等物理指标，以及抗剪强度、无侧限抗压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强度、压缩模量等力学指标的差异性得出：
土冻融后密度、干密度及塑性指数略有降低；孔隙比、液性指数略有增大；而其它物理指标基本一致。
粘土冻融后，渗透性大大增加，为原状土的3一10倍，而砂土仅略有增大，粘土冻融后无侧限抗压强度是原状土的1/3一1/2，灵敏度降低。
第二章冻土描述及其性质
2.1冻土定义
当温度降低到结冰温度（一般为0℃）或更低时，岩土冻结并胶结了固体颗粒，形成冻土。
冻土可分为天然冻土和人工冻土。
2.2冻土分类
2.2.1按含冰特征
Ⅰ未冻土：
处于非冻结状态的岩、土；按土的分类标准进行定名；
Ⅱ冻土：
1、肉眼看不见的分凝冰的冻土（N）：
①胶结性差，易碎的冻土（Nf）；
②无过剩冰的冻土（Nbn）；
③胶结性良好的冻土（Nb）；
④有过剩冰的冻土（Nbc）；均可命名为少冰冻土（S）。
2、肉眼可见分凝冰，但冰层厚度小于2.5cm的冻土（V）：
①单个冰晶体或冰包裹体的冻土（Vx），可定名为少冰冻土（S）；
②在颗粒周围有冰膜的冻土（Vc），可定名为多冰冻土（D）；
③不规则走向的冰条带冻土（Vr），可定名为富冰冻土（F）；
④层状或明显定向的冰条带冻土（Vs），可定名为饱冰冻土（B）。
Ⅲ厚层冰：
冰厚度大于2.5cm的含土冰层或纯冰层（ICE）：
①含土冰层（ICE+土类符号），可定名为含土冰层（H）
②纯冰层（ICE），定名为ICE+土类符号
2.2.2按冻结状态持续时间分类
作为寒区工程地基和环境的冻土，根据表2-1按土的冻结状态持续时间，分为多年冻土、隔年冻土和季节性冻土根据形成与存在的自然条件不同将多年冻土分为高纬度多年冻土和高海拔多年冻土。
表2-1按冻结状态持续时间分类
类型
持续时间（T）
地面温度（℃）特征
冻融特征
多年冻土
T≥2年
年平均温度≤0
季节融化
隔年冻土
2年>T>1年
最低月平均地面温度≤0
季节冻结
季节冻土
T<1年
最低月平均地面温度≤0
季节冻结
2.2.3按活动层与下卧层的类别及其关系分类
我国季节性冻土主要分布在长江流域以北、东北多年冻土南界以南和高海拔多年冻土下界以下的广大地区，面积约514万平方公里。
在多年冻土地区可根据活动层与下卧层的类别及其衔接关系，分为季节冻土层和季节融化层两种类型（见表2-2）。
表2-2季节活动层的类型和分布
类型
年平均地温（℃）
最大厚度（m）
下卧地层
分布地区
季节冻土层
>0
2~3（或更厚）
融土层或不衔接的多年冻土层
多年冻土区的融区地带
季节融化层
<0
2~3（或更厚）
衔接的多年
冻土层
多年冻土区的大片多年冻土地带
2.2.4其他类型的冻土
按冻土的含冰特征，可定名为少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土和含冰土层。
当冰层厚度大于2.5cm，且其中不含土时，应单另标出定名为纯冰层（ICE）。
根据冻土中的易溶盐含量或泥炭化程度划分为盐渍化冻土和泥炭化动土。
冻土中易溶盐含量超过表2-3数值时，称为盐渍化冻土。
表2-3盐渍化冻土的盐渍度界限值
土类
含细粒土砂
粉土
粉质黏土
黏土
盐渍度
1.10
0.15
0.20
0.25
盐渍化冻土的盐渍度（ζ）可按下式计算：
式中：
——冻土中含易溶盐的质量（g）；
——土骨架质量（g）。
冻土的泥炭化程度超过表2-4中数值时，称为泥炭化冻土。
表2-4泥炭化动土的泥炭化程度界限值
土类
粗颗粒土
粘性土
泥炭化程度（%）
3
5
泥炭化动土的泥炭化程度（ζ）可按下式计算：
式中：
——冻土中含植物残渣和泥炭的质量（g）；
——土骨架质量（g）。
按体积压缩系数（
）或总含水量（ω）划分为坚硬冻土、塑性冻土和松散冻土。
坚硬冻土：
≤0.01MPa-1；塑性冻土：
＞0.01MPa-1；松散冻土：
ω≤3%。
2.3冻土构造类别
冻土的构造类别如表2-5所示：
表2-5冻土的构造类别
构造
类别
冰的产状
岩性与地貌条件
结冰特征
融化特征
整
体
构
造
晶粒状
①岩性多为细颗粒土，但砂砾石土冰洁也可产生此种构造。
②一般分布在长草或有树的阶地和缓坡地带以及其他地带。
③土壤湿度：
稍湿ω＜ωp（土壤的塑限）
①
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