人工地层冻结-集成

1、人工地层冻结技术人工地层冻结技术胡向东胡向东2013.07.18大大 纲纲概述概述冻结法的制冷系统与特点冻结法的制冷系统与特点冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题冻结法联络通道施工冻结法联络通道施工冻结法施工监测冻结法施工监测安全与质量控制安全与质量控制施工风险与对策施工风险与对策特殊应用案例特殊应用案例1 概述概述人工地层冻结法的基本原理人工地层冻结法的基本原理人工地层冻结法的特点人工地层冻结法的特点冻结法的发展历史冻结法的发展历史冻结法的应用冻结法的应用1.1 人工地层冻结法的基本原理人工地层冻结法的基本原理人工地层冻结法人工地层冻结法(Artificial Ground Freezi

2、ng, AGF)（简（简称称“冻结法冻结法”），是利用人工制冷技术），是利用人工制冷技术,使地层中的水结冰使地层中的水结冰,把天然岩土变成冻土把天然岩土变成冻土,增加其强度和稳定性增加其强度和稳定性,隔绝地下水与地隔绝地下水与地下工程的联系下工程的联系,以便在冻结壁的保护下进行地下工程掘砌施以便在冻结壁的保护下进行地下工程掘砌施工的特殊施工技术。其实质是利用人工制冷临时改变岩土性工的特殊施工技术。其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。质以固结地层。1.1 人工地层冻结法的基本原理人工地层冻结法的基本原理基本原理基本原理1 11.1 人工地层冻结法的基本原理人工地层冻结法的基本原理冻结

3、岩土性质的改变冻结岩土性质的改变将含水地层（松散土层或裂隙岩层）冷将含水地层（松散土层或裂隙岩层）冷却至结冰温度下，使土中孔隙水或岩石裂隙却至结冰温度下，使土中孔隙水或岩石裂隙水变成冰，岩土的性质发生重要变化，形成水变成冰，岩土的性质发生重要变化，形成一种新的工程材料一种新的工程材料“冻土冻土” 。岩土冻结实质岩土冻结实质2 21.2 人工地层冻结法的特点人工地层冻结法的特点冻结法适用于任何地层冻结法适用于任何地层冻结法的适应性冻结法的适应性1 11.2 人工地层冻结法的特点人工地层冻结法的特点 冻土强度变化性：温度越低，强度越高冻土强度变化性：温度越低，强度越高 冻土强度差异性：砂性土高于黏

4、性土冻土强度差异性：砂性土高于黏性土冻土基本特点冻土基本特点2 21.2 人工地层冻结法的特点人工地层冻结法的特点较高的强度和稳定性较高的强度和稳定性绝对的封水性绝对的封水性冻土结构特点冻土结构特点3 31.2 人工地层冻结法的特点人工地层冻结法的特点结构结构承载承载封水封水不承载不承载屏障屏障隔绝污染隔绝污染冻土结构功能冻土结构功能4 41.2 人工地层冻结法的特点人工地层冻结法的特点冻土帷幕的变化性冻土帷幕的变化性冻土范围可变；冻土范围可变；冻土温度可变；冻土温度可变；冻土强度可变（强度是温度的函数）冻土强度可变（强度是温度的函数）冻土帷幕的连续性冻土帷幕的连续性水在负温下结冰的必然性水在

5、负温下结冰的必然性冻土帷幕的可知性冻土帷幕的可知性通过温度测试可判断冻结范围、冻土强度通过温度测试可判断冻结范围、冻土强度冻土帷幕特点冻土帷幕特点5 51.2 人工地层冻结法的特点人工地层冻结法的特点安全性好安全性好冻土强度较高冻土强度较高冻土连续性可靠、封水性好冻土连续性可靠、封水性好结合性好：冻土可与其他结构或材料良好胶结结合性好：冻土可与其他结构或材料良好胶结适用性强适用性强适用于几乎所有具有一定含水量的松散地层（包括岩石）适用于几乎所有具有一定含水量的松散地层（包括岩石）复杂地质条件可行（流砂、大深度、高水压）复杂地质条件可行（流砂、大深度、高水压）灵活性高灵活性高冻土帷幕性状（范围、

6、形状、温度、强度）可控冻土帷幕性状（范围、形状、温度、强度）可控经济性较好经济性较好环保性能好环保性能好“绿色工法绿色工法”冻结法优点冻结法优点6 61.2 人工地层冻结法的特点人工地层冻结法的特点冻胀融沉冻胀融沉对环境有一定的影响，严重时具有一定的破坏力对环境有一定的影响，严重时具有一定的破坏力融沉控制不当可导致结构差异沉降和长期沉降融沉控制不当可导致结构差异沉降和长期沉降风险性风险性供冷不足或外部热源可导致冻土帷幕性能退化（范围、强度）供冷不足或外部热源可导致冻土帷幕性能退化（范围、强度）流水作用下冻土可快速消融流水作用下冻土可快速消融局限性局限性地下水流速影响冻结效果地下水流速影响冻结效

7、果地层含盐影响冻结效果地层含盐影响冻结效果含气地层可影响冻结效果含气地层可影响冻结效果冻结法缺点冻结法缺点7 71.3 冻结法的发展历史冻结法的发展历史1862年，年，英国英国威尔士威尔士(South Wales)的的建筑基础建筑基础施工首次使用人工地层冻结法，施工首次使用人工地层冻结法，失败失败*1880年，德国工程师年，德国工程师 F.H. Poetch首先提出人工冻结法原理并获专利首先提出人工冻结法原理并获专利1883年，德国阿尔巴里煤矿成功地采用冻结法建造井筒年，德国阿尔巴里煤矿成功地采用冻结法建造井筒两年后两年后（1886年年1），瑞典人开始使用冷冻，用冻结法在斯特哥尔摩掘进了一条隧

8、道。德国人和瑞，瑞典人开始使用冷冻，用冻结法在斯特哥尔摩掘进了一条隧道。德国人和瑞典人之后是法国人典人之后是法国人（1906年年1 ）1888年，美国人用于煤矿矿井开挖年，美国人用于煤矿矿井开挖1928年，苏联在德国人的帮助下，在年，苏联在德国人的帮助下，在钾矿首次成功使用人工地层冻结法凿井钾矿首次成功使用人工地层冻结法凿井1933年，苏联在工程师特鲁巴克年，苏联在工程师特鲁巴克()领导下，在领导下，在莫斯科地铁莫斯科地铁1号线号线成功使用人工地层冻结法修建成功使用人工地层冻结法修建三个地铁站的扶梯斜隧道以及若干隧道工作井三个地铁站的扶梯斜隧道以及若干隧道工作井 1942年年 ，巴西，巴西26

9、层高楼不均匀沉降修正层高楼不均匀沉降修正11955年，中国煤矿首次采用冻结法凿井年，中国煤矿首次采用冻结法凿井1960年，加拿大双拱铁道隧道隔墙拆除工程年，加拿大双拱铁道隧道隔墙拆除工程11962年，日本开始使用冻结法于市政工程（大阪水管越江年，日本开始使用冻结法于市政工程（大阪水管越江2）（无矿山工程）（无矿山工程）70年代初，北京地铁首次应用冻结法年代初，北京地铁首次应用冻结法1994年年，台北捷運新店線台北捷運新店線 CH221 標標 11.4 冻结法的应用冻结法的应用土木工程、岩土工程土木工程、岩土工程矿山凿井：竖井、斜井矿山凿井：竖井、斜井隧道施工：隧道掘进；盾构、顶管进出洞、联络通

10、道；隧道扩建隧道施工：隧道掘进；盾构、顶管进出洞、联络通道；隧道扩建基坑工程基坑工程穿越穿越地下对接地下对接事故处理事故处理采矿工程采矿工程管线工程管线工程基础加固基础加固边坡加固边坡加固冷却降温冷却降温环境保护：环境保护：污染物处理；水下有害沉积物、污染体清理；污泥除水污染物处理；水下有害沉积物、污染体清理；污泥除水安全打捞：安全打捞：易碎物、松散物打捞易碎物、松散物打捞土工试验：土工试验：原状土取样原状土取样1.4 冻结法的应用冻结法的应用1.4 冻结法的应用冻结法的应用 1955年，由波兰引进了立井冻结法凿井技术，在开滦年，由波兰引进了立井冻结法凿井技术，在开滦林西煤矿风井建成了第一口立

11、井，在中国开创了人工林西煤矿风井建成了第一口立井，在中国开创了人工地层冻结法的先河地层冻结法的先河 截止截止1994年未的年未的40年间，我国已采用冻结法开凿了年间，我国已采用冻结法开凿了390多个井筒，总长度超过多个井筒，总长度超过66km. 截止截止2007年，我国已采用冻结法开凿了年，我国已采用冻结法开凿了500多个井筒，多个井筒，总长度超过总长度超过70km1. 苏联（俄罗斯）冻结法凿井苏联（俄罗斯）冻结法凿井400多个，当时规模最大多个，当时规模最大 截至截至2011年年底，中国大陆地区利用地层冻结法完成年年底，中国大陆地区利用地层冻结法完成凿井约凿井约790个，总里程约个，总里程约

12、180km；最大冻结深度达到；最大冻结深度达到955m1，水平冻结长度达到，水平冻结长度达到147.8米米.竖井凿井竖井凿井1 11.4 冻结法的应用冻结法的应用主要国家最大冻结深度（主要国家最大冻结深度（19911991）国家国家英国英国加拿加拿大大波兰波兰比利比利时时德国德国苏联苏联法国法国中国中国荷兰荷兰最大最大冻深冻深(m)930915725638628620550435702（2007） 740（2008）777（2010） 800（2011） 955（在建）（在建）3381.4 冻结法的应用冻结法的应用 自自1933年起，苏联年起，苏联（俄罗斯）在地铁使用（俄罗斯）在地铁使用人工地

13、层冻结法修建扶人工地层冻结法修建扶梯斜隧道梯斜隧道 100多条，总多条，总长超过长超过5km.斜井、倾斜隧道斜井、倾斜隧道2 21.4 冻结法的应用冻结法的应用苏联地铁扶梯倾斜隧道苏联地铁扶梯倾斜隧道1.4 冻结法的应用冻结法的应用Boston：隧道通过俄式百年建筑：隧道通过俄式百年建筑 隧道隧道3 31.4 冻结法的应用冻结法的应用瑞士：瑞士：ZurichLimmat河底隧道河底隧道 隧道隧道3 31.4 冻结法的应用冻结法的应用管幕冻结法管幕冻结法港珠澳大桥拱北隧道港珠澳大桥拱北隧道隧道隧道3 31.4 冻结法的应用冻结法的应用管幕冻结法管幕冻结法港珠澳大桥拱北隧道港珠澳大桥拱北隧道隧道隧

14、道3 31.4 冻结法的应用冻结法的应用盾构进出洞冻结盾构进出洞冻结4 4日本：日本：大直径大直径盾构盾构到达到达垂直垂直冻结冻结1.4 冻结法的应用冻结法的应用盾构进出洞冻结盾构进出洞冻结4 4日本：日本：盾构盾构到达到达水平水平冻结冻结1.4 冻结法的应用冻结法的应用盾构进出洞冻结盾构进出洞冻结4 4日本：日本：大直径大直径盾构盾构到达到达水平水平冻结冻结1.4 冻结法的应用冻结法的应用盾构进出洞冻结盾构进出洞冻结4 4日本：日本：大直径大直径盾构盾构始发始发垂直垂直冻结冻结1.4 冻结法的应用冻结法的应用盾构进出洞冻结盾构进出洞冻结4 4日本：日本：大直径大直径盾构盾构始发始发垂直垂直冻

15、结冻结1.4 冻结法的应用冻结法的应用盾构进出洞冻结盾构进出洞冻结4 4日本：日本：大直径大直径盾构盾构始发始发水平水平冻结冻结冻土加固范围破洞范围冻土加固范围破洞范围ab1.4 冻结法的应用冻结法的应用盾构进出洞冻结盾构进出洞冻结4 41.4 冻结法的应用冻结法的应用大连路隧道大连路隧道翔殷路隧道翔殷路隧道盾构进出洞冻结盾构进出洞冻结4 4液氮冻结液氮冻结1.4 冻结法的应用冻结法的应用盾构进出洞冻结盾构进出洞冻结4 41.4 冻结法的应用冻结法的应用日本：日本：鋼管凍結工法鋼管凍結工法优点优点：冻土帷幕强度高冻土帷幕强度高冻冻土体积小土体积小冻胀融沉小冻胀融沉小盾构进出洞冻结盾构进出洞冻结

16、4 41.4 冻结法的应用冻结法的应用顶管进出洞顶管进出洞4 41.4 冻结法的应用冻结法的应用地铁联络通道（带集水井）地铁联络通道（带集水井）隧道联络通道冻结法施工隧道联络通道冻结法施工5 5110001100350044004800R310056403001000290020003300600600R2750140070011002000R1800R2200R2400R2800R3000643.31.4 冻结法的应用冻结法的应用隧道联络通道冻结法施工隧道联络通道冻结法施工5 52689.962523.52256.311859.41034.052253.271675.72804.0295.9

17、79188,4248558,08690,1499977,-11109360,-598777,-268916,9310770,-175210436,-2752R3150R28507727,-3755953,-51313282,2143双圆盾构隧道的集水井双圆盾构隧道的集水井1.4 冻结法的应用冻结法的应用T h e N e t h e r l a n d sT h e N e t h e r l a n d s ：WesterscheldeWesterscheldetunneltunnel隧道联络通道冻结法施工隧道联络通道冻结法施工5 526 条联络通道条联络通道, 间距间距 250 m, 长度

18、长度12 m, 椭圆椭圆断面高断面高2.75m宽宽2.5m, 衬砌厚衬砌厚400mm, 临时临时支护喷混凝土厚支护喷混凝土厚300mm1.4 冻结法的应用冻结法的应用The NetherlandsThe Netherlands：WesterscheldeWesterscheldetunneltunnel隧道联络通道冻结法施工隧道联络通道冻结法施工5 51.4 冻结法的应用冻结法的应用上海长江隧道联络通道上海长江隧道联络通道隧道联络通道冻结法施工隧道联络通道冻结法施工5 58 条联络通道条联络通道, 间距间距 800 m, 长度长度15 m, 圆形圆形断面，开挖直径断面，开挖直径4m, 衬砌厚衬

19、砌厚300mm, 临时支临时支护喷混凝土厚护喷混凝土厚300mm1.4 冻结法的应用冻结法的应用隧道联络通道冻结隧道联络通道冻结5 51.4 冻结法的应用冻结法的应用隧道扩建隧道扩建6 61.4 冻结法的应用冻结法的应用基坑基坑7 71.4 冻结法的应用冻结法的应用基坑基坑7 71.4 冻结法的应用冻结法的应用俄罗斯俄罗斯基坑基坑7 7液氮（液氮（Linde）1.4 冻结法的应用冻结法的应用“The Big Dig”-The Central Artery Tunnel. Boston, USA穿越穿越8 81.4 冻结法的应用冻结法的应用穿越穿越8 81.4 冻结法的应用冻结法的应用日本大阪日

20、本大阪下水管垂直错高对接下水管垂直错高对接地下对接地下对接9 91.4 冻结法的应用冻结法的应用日本日本 9.8m泥水盾构泥水盾构水下对接水下对接地下对接地下对接9 91.4 冻结法的应用冻结法的应用琼州海峡隧道盾构对接琼州海峡隧道盾构对接地下对接地下对接9 94.5kM6.3kM6.6kM6.3kM2#工作井(人工岛)3#工作井(人工岛)4#工作井(人工岛)5#工作井1#工作井0.2kM0.2kM0.2kM0.05kM0.05kM1%2.7%3%0.65%1.8%1.8%-110-12023.7kM4#联络通道5#联络通道3#联络通道2#联络通道1#联络通道24222018161412108

21、6420-100-90-80-70-60-50-40-30-20-100米公里海南白沙角雷州海安港1.4 冻结法的应用冻结法的应用盾构长距离推进盾尾密封钢丝刷磨损后的更换盾构长距离推进盾尾密封钢丝刷磨损后的更换（上海长江隧道）（上海长江隧道）盾尾刷更换盾尾刷更换10101.4 冻结法的应用冻结法的应用 上海轨道交通上海轨道交通4号线号线董家渡坍塌隧道董家渡坍塌隧道 南 京 地 铁南 京 地 铁 2 号 线号 线“中元中元”区间坍塌区间坍塌隧道修复隧道修复 川气东送武汉长江盾川气东送武汉长江盾构穿越隧道修复工程构穿越隧道修复工程事故修复事故修复11111.4 冻结法的应用冻结法的应用Pipe f

22、reezing / frosting管道截流管道截流1212 水水 泥浆泥浆 油类油类 乳状液乳状液 胶状液胶状液 盐水盐水1.4 冻结法的应用冻结法的应用Pipe freezing管道截流管道截流12122 冻结法制冷系统与特点冻结法制冷系统与特点人工地层冻结制冷技术通常利用物质由液态变为气态人工地层冻结制冷技术通常利用物质由液态变为气态, ,即气化过程即气化过程的吸热现象来完成的。的吸热现象来完成的。有两种类型：有两种类型：间接制冷：通过冷媒剂间接制冷：通过冷媒剂(盐水盐水)吸收岩土热量吸收岩土热量直接制冷：制冷剂气化直接制冷：制冷剂气化吸收岩土热量吸收岩土热量制冷方法制冷方法1 1 盐水

23、冻结系统盐水冻结系统 液氮冻结系统液氮冻结系统2 冻结法制冷系统与特点冻结法制冷系统与特点间接制冷间接制冷2 2盐水冻结盐水冻结三大循环：三大循环：制冷剂循环制冷剂循环冷媒循环冷媒循环冷却水循环冷却水循环2 冻结法制冷系统与特点冻结法制冷系统与特点间接制冷间接制冷2 2盐水冻结三大循环：盐水冻结三大循环：制冷剂（氨或氟利昂）循环气态制冷剂压缩机压缩成过热蒸气进入冷凝器冷却，形成高压液态，经节流阀流入蒸发器，液态制冷剂在蒸发器中吸收盐水热量气化相变成气态制冷剂；冷媒（盐水）循环盐水吸收地层热量，然后将热量传递给蒸发器中的液态制冷剂；冷却水循环冷却水在冷凝器中吸收制冷剂热量，并通过冷却塔散发给大气

24、。大气地层冷媒循环冷却水循环制冷剂循环2 冻结法制冷系统与特点冻结法制冷系统与特点直接制冷直接制冷3 3液氮冻结液氮冻结After Giuseppe Colombo2 冻结法制冷系统与特点冻结法制冷系统与特点制冷方法对比制冷方法对比4 4液氮冻结盐水冻结冷冻站简单、低耗庞大、设备投入大供电不需高耗电最低温度-196-30冻土性质温度低，强度高温度高，强度低冷冻速度快慢环境影响无污染、无噪音、无振动有噪音、盐水泄露污染经济性较差较好适用性小体积、短时期大体积、长时期可控性较差较好风险冻伤、缺氧窒息2 冻结法制冷系统与特点冻结法制冷系统与特点制冷方法对比制冷方法对比4 4冻结速度比较冻结速度比较液

25、氮液氮1 1周周= =盐水盐水1 1月月After SEIKEN Co. Ltd.3 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题冻土热、物理力学性质冻土热、物理力学性质热传导与温度场热传导与温度场土体冻胀、融沉土体冻胀、融沉冻土解冻冻土解冻含盐地层含盐地层地下水流动问题地下水流动问题3 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题主要参数：比热、热传导系数、潜热、结冰温主要参数：比热、热传导系数、潜热、结冰温度等度等最主要影响因素：含水量最主要影响因素：含水量特点：冻土与未冻土的热力学参数有明显区别特点：冻土与未冻土的热力学参数有明显区别热力学性质热力学性质1 13 冻结法的基本理论问题冻结法的基本

26、理论问题强度：单轴抗压、抗拉、抗剪、粘聚力、内摩强度：单轴抗压、抗拉、抗剪、粘聚力、内摩擦角、变形模量、泊淞比等擦角、变形模量、泊淞比等主要影响因素：温度、含水量、未冻水含量、主要影响因素：温度、含水量、未冻水含量、粒径、孔隙率、荷载粒径、孔隙率、荷载特点：冻土是流变材料，力学性质随时间变化特点：冻土是流变材料，力学性质随时间变化物理力学性质物理力学性质2 23 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题n 随 土 性 变 化 的 参 数 ， 随 土 性 变 化 的 参 数 ， 砂性土砂性土n0.5黏性土黏性土n1；a, b与冻土的孔隙度、含水量相关的系数。与冻土的孔隙度、含水量相关的系数。单轴

27、抗压强度单轴抗压强度2.12.1nbta同等条件下，冻土强度是温度的函数：同等条件下，冻土强度是温度的函数：单轴极限抗压强度与温度的关系（日本）3 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题在相同温度下，含水量对冻在相同温度下，含水量对冻土极限强度影响很大。在非饱和土极限强度影响很大。在非饱和时，强度随含水量增长；过饱和时，强度随含水量增长；过饱和时，强度随含水量降低。时，强度随含水量降低。其中，未冻水含量对冻土强其中，未冻水含量对冻土强度影响也很显著。未冻水含量越度影响也很显著。未冻水含量越高，强度越低。高，强度越低。单轴抗压强度单轴抗压强度2.12.1单轴极限抗压强度与总含水量的关系1砂；2

28、亚砂；3黏土；4粉质黏土（俄罗斯）3 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题冻土抗拉强度规律与抗压强度相同。强冻土抗拉强度规律与抗压强度相同。强度随着温度的降低增长，同时取决于土的成度随着温度的降低增长，同时取决于土的成分、含水量等因素。分、含水量等因素。数值上，抗拉强度比抗压强度低数值上，抗拉强度比抗压强度低26倍。倍。抗拉、抗剪强度抗拉、抗剪强度2.22.23 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题 导热形态导热形态 冻结发展动态过程冻结发展动态过程 温度场与平均温度温度场与平均温度热传导与温度场热传导与温度场3 33 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题冻结管冻结过程是非稳态导热

29、问题冻结管冻结过程是非稳态导热问题冻结后期，热交换趋于平衡，可近似看冻结后期，热交换趋于平衡，可近似看作稳态导热问题作稳态导热问题温度场分析时一般看作稳态导热问题温度场分析时一般看作稳态导热问题导热形态导热形态3.13.13 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题单排冻结管冻结过程三阶段：单管冻结、管间影响冻单排冻结管冻结过程三阶段：单管冻结、管间影响冻结和管间冻土相接后冻结结和管间冻土相接后冻结单管冻结单管冻结：管间独立冻结，冻土呈圆柱状发展：管间独立冻结，冻土呈圆柱状发展管间影响冻结管间影响冻结：管间相互影响，冻土在冻结管之间：管间相互影响，冻土在冻结管之间（轴向）发展快，两侧慢，冻土呈

30、椭圆柱形（轴向）发展快，两侧慢，冻土呈椭圆柱形管间冻土相接后冻结管间冻土相接后冻结：冻土相接（：冻土相接（“交圈交圈”）后，形）后，形成波浪形冻土墙，但凹陷部位（界面）发展快，凸出部成波浪形冻土墙，但凹陷部位（界面）发展快，凸出部位（主面）发展慢，凹陷部位将很快填满，冻土墙两侧位（主面）发展慢，凹陷部位将很快填满，冻土墙两侧呈直线形。之后冻土直墙继续向两侧发展。呈直线形。之后冻土直墙继续向两侧发展。冻结发展动态过程冻结发展动态过程3.23.23 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题单管冻结温度场单管冻结温度场(. , 1954 )温度场与平均温度温度场与平均温度3.23.2IIIIIIII

31、IIIIxyyxSt(x,y)2r0 0lnlnrrtrt单排管直墙温度场：单排管直墙温度场：主面主面(II-II)：界面界面(III-III)：0lnlnrytt022ln42lnrSytt平均温度为平均温度为主面主面平均温度和平均温度和界面界面平均温度之平均：平均温度之平均：ttSr .l nl n2203 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题事实上，事实上，. 公式在冻土交圈后公式在冻土交圈后误差很大。误差很大。. 提出，冻结壁平均温度提出，冻结壁平均温度按整个冻结壁体积积分平均值计算，而温度按整个冻结壁体积积分平均值计算，而温度公式利用公式利用. 的那些。即平均温度为：的那些。即平

32、均温度为：温度场与平均温度温度场与平均温度3.23.2IIIIIIIIIIIIxyyxSt(x,y)2r0经简化处理后，经简化处理后，这个方法比这个方法比. 的方法简单而更准确的方法简单而更准确。tStyxrdxdycSl nl n 22200023 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题计算冻土帷幕平均温度的公式还有很多：计算冻土帷幕平均温度的公式还有很多：. . ：. . ：. . （莫斯科矿业大学）：（莫斯科矿业大学）：中国（中国（“ “成冰公式成冰公式” ”）：）：温度场与平均温度温度场与平均温度3.23.2等等。等等。这这些公式均有各自的使用条件和优点。些公式均有各自的使用条件和优

33、点。ttSRSdS ,0 420 0920 2020 370 01ttbbS 012ttdSS,0 32080 2ttSStcpp 11350 35208750 2660 4660 253,3 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题单排管直线形冻土帷幕任意点(x,y)的温度：平均温度（胡向东）：其中：l为冻结管间距；为冻土帷幕单侧厚度；r0为冻结管外半径；tCT为冻结管表面温度。直线形冻土帷幕温度场解析解直线形冻土帷幕温度场解析解3.33.3t x ytSrSSSySx ,l nl ncos2122220chCP02ln2ttllr3 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题成冰公式成冰公式

34、假设冻结温度为假设冻结温度为0。以上长度单位为以上长度单位为m。当开挖后井邦表面温度低于当开挖后井邦表面温度低于0时，冻结壁有效厚度中时，冻结壁有效厚度中的平均温度为的平均温度为式中式中 经验系数，经验系数， 0.250.30tn井帮温度，井帮温度，466. 0266. 0875. 0352. 0135. 13ElElttnttt直线形冻土帷幕温度场解析解直线形冻土帷幕温度场解析解3.33.33 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题双排管直线形冻土帷幕任意点双排管直线形冻土帷幕任意点(x,y)的温度：的温度：直线形冻土帷幕温度场解析解直线形冻土帷幕温度场解析解3.33.3xlyLlxlyL

35、llLlrltyxt2cos222cos224ln21222ln,0chch主面主面界面界面轴面轴面3 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题两种典型布置方式：两种典型布置方式： 错位式（插花式）错位式（插花式） 对齐式对齐式直线形冻土帷幕直线形冻土帷幕温度场解析解温度场解析解3.33.33 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题平均温度（胡向东）：其中L为冻结管排距；l为排内冻结管间距；为冻结管到冻土帷幕边界的厚度。直线形冻土帷幕直线形冻土帷幕温度场解析解温度场解析解3.33.3CP2KLttLCT02ln 2ch2ln2KLtLtlllrll/20l/4L/2xy3 冻结法的基本理论问

36、题冻结法的基本理论问题 冻胀、融沉机理冻胀、融沉机理 冻胀力冻胀力 融沉量融沉量 冻胀、融沉控制措施冻胀、融沉控制措施冻胀与融沉冻胀与融沉4 43 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题冻胀可分为冻胀可分为原位冻胀原位冻胀和和分凝冻胀分凝冻胀。孔隙水原位冻结体积增大孔隙水原位冻结体积增大9%（原（原位冻胀），外来迁移水分则体积增大位冻胀），外来迁移水分则体积增大109%（分凝冻胀）。所以开放系统饱（分凝冻胀）。所以开放系统饱水土中的分凝冻胀是构成土体冻胀的主水土中的分凝冻胀是构成土体冻胀的主要分量。要分量。原位冻胀量非常小，土体冻胀量主原位冻胀量非常小，土体冻胀量主要取决于水分迁移通量。要取

37、决于水分迁移通量。冻胀机理冻胀机理4.14.13 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题因此，冻胀量的主要影响因素是冻土的因此，冻胀量的主要影响因素是冻土的导湿系数导湿系数和和土水势梯度土水势梯度。土水势梯度由重力势、压力势、渗压势、温度势、电力势和磁力土水势梯度由重力势、压力势、渗压势、温度势、电力势和磁力势梯度中的某一项或几项之和组成。势梯度中的某一项或几项之和组成。而影响这些量的外观因素可表现为：而影响这些量的外观因素可表现为： 内因：土的粒径、组织构造、透水系数、盐分浓度等；内因：土的粒径、组织构造、透水系数、盐分浓度等； 外因：约束应力、冻结速度、冻结历时、孔隙水压等。外因：约束应

38、力、冻结速度、冻结历时、孔隙水压等。总之，冻胀是一个非常复杂的问题。总之，冻胀是一个非常复杂的问题。冻胀机理冻胀机理4.14.13 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题土壤的冻胀敏感性土壤的冻胀敏感性土的粒径是影响冻胀敏感性的一个重要因素，土的粒径是影响冻胀敏感性的一个重要因素，颗粒越小冻胀性越强。颗粒越小冻胀性越强。砂性土冻胀不敏感，黏性土冻胀敏感。砂性土冻胀不敏感，黏性土冻胀敏感。冻胀机理冻胀机理4.14.13 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题衡量冻胀的主要指标是冻胀率。衡量冻胀的主要指标是冻胀率。冻胀率指冻土单向冻结方向上的尺寸与冻结前的比值。冻胀率指冻土单向冻结方向上的尺寸

39、与冻结前的比值。一般按冻胀率大小来划分土壤一般按冻胀率大小来划分土壤冻胀等级冻胀等级。冻胀机理冻胀机理4.14.1冻胀等级不冻胀弱冻胀冻胀强冻胀特强冻胀冻胀率113.53.5661212冻胀率（俄罗斯）1144771010美国（寒区研究和工程实验室）用冻胀速度进行分级。美国（寒区研究和工程实验室）用冻胀速度进行分级。3 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题冻胀力是冻胀受到约束时产生的力。冻胀力是冻胀受到约束时产生的力。由于约束条件的差异，冻胀力数值的可比性很差。由于约束条件的差异，冻胀力数值的可比性很差。标准试验可测试冻胀力，但主要用于不同土壤之间的比较，工程标准试验可测试冻胀力，但主要用

40、于不同土壤之间的比较，工程实际意义不大。实际意义不大。工程上关心的冻胀力是因冻胀结构上受到的力，这个力不是单纯工程上关心的冻胀力是因冻胀结构上受到的力，这个力不是单纯的冻胀力，因此也称的冻胀力，因此也称“冻结压力冻结压力”。由于不同工程的差异性，实测冻胀力之值离散性很明显。由于不同工程的差异性，实测冻胀力之值离散性很明显。因此，准确估计结构上受到的冻结压力是非常困难的。因此，准确估计结构上受到的冻结压力是非常困难的。冻胀力冻胀力4.24.23 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题封闭式冻土帷幕的冻封闭式冻土帷幕的冻结过程中，交圈前几乎不结过程中，交圈前几乎不显现冻胀力，开始交圈时显现冻胀力

41、，开始交圈时冻胀力开始显现，在冻土冻胀力开始显现，在冻土帷幕形成闭合体后，冻胀帷幕形成闭合体后，冻胀力急剧增长几乎达到最大力急剧增长几乎达到最大值。后续的冻结过程中，值。后续的冻结过程中，冻胀力变化不明显，有的冻胀力变化不明显，有的略有增长，有的略有降低。略有增长，有的略有降低。冻胀力冻胀力4.24.2封闭式冻土帷幕冻胀力的发展特征（复兴东路隧道）3 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题冻土融化后产生融沉，它由冻土融化后产生融沉，它由融化沉融化沉降降和和压缩沉降压缩沉降两部分组成。两部分组成。冻土融化时，冰变成水体积缩小产冻土融化时，冰变成水体积缩小产生融化沉降。融化区域排水固结，导致生融

42、化沉降。融化区域排水固结，导致土体压缩沉降。融化沉降量与压力无关，土体压缩沉降。融化沉降量与压力无关，压缩沉降与压力成正比。压缩沉降与压力成正比。工程上用融沉系数工程上用融沉系数As来描述融化沉来描述融化沉降，用压缩系数降，用压缩系数Ar来描述压缩沉降。来描述压缩沉降。通常，融沉量大于冻胀量。通常，融沉量大于冻胀量。融沉机理融沉机理4.34.3（实验室试验）（实验室试验）3 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题与冻胀类似，融沉的影响因素有：与冻胀类似，融沉的影响因素有：内因：土的热学、物理、力学性质等。内因：土的热学、物理、力学性质等。外因：温度、温度梯度、压力等。外因：温度、温度梯度、压

43、力等。融沉机理融沉机理4.34.33 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题冻土融沉性，可用融沉率表示。冻土融沉性，可用融沉率表示。工程上融沉量的估算可以简单地用融沉率与工程上融沉量的估算可以简单地用融沉率与冻土高度的乘积来计算。冻土高度的乘积来计算。融沉量融沉量4.34.33 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题抑制冻胀的措施主要有：抑制冻胀的措施主要有： 间歇冻结法：降低冻结速度，减小水分迁移间歇冻结法：降低冻结速度，减小水分迁移 快速冻结法：足够高的冻结速度使得大量水分快速冻结法：足够高的冻结速度使得大量水分迁移来不及，无法形成大量冰晶体迁移来不及，无法形成大量冰晶体冻胀抑制措施冻

44、胀抑制措施4.54.53 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题减小冻胀力的措施主要有：减小冻胀力的措施主要有： 避免采用封闭式冻土帷幕避免采用封闭式冻土帷幕 限制冻结范围限制冻结范围 卸压孔卸压孔1. 冻胀释放管冻胀释放管冻胀力减小措施冻胀力减小措施4.54.53 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题融沉与冻胀密切相关。通常，控制冻胀就间接控制了融沉与冻胀密切相关。通常，控制冻胀就间接控制了融沉。冻胀融沉综合控制措施主要有：融沉。冻胀融沉综合控制措施主要有：强制解冻，跟踪注浆。尽快固结土体，避免长期沉降强制解冻，跟踪注浆。尽快固结土体，避免长期沉降地层改良冻结法地层改良冻结法：先注浆，

45、后冻结。降低土壤透水系数，：先注浆，后冻结。降低土壤透水系数，阻止水分迁移；加强土体强度，减小压缩沉降。阻止水分迁移；加强土体强度，减小压缩沉降。1.预注预注CMC （羧甲基纤维素钠）（羧甲基纤维素钠） 。增加土体黏性，降低。增加土体黏性，降低透水系数，阻碍水分迁移。透水系数，阻碍水分迁移。冻胀、融沉综合控制措施冻胀、融沉综合控制措施4.54.53 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题“CJG+冻结冻结”工法工法（日本）（日本）冻胀、融沉综合控制措施冻胀、融沉综合控制措施4.54.53 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题“CJG+冻结冻结”工法工法（日本）（日本）冻胀、融沉综合控制措

46、施冻胀、融沉综合控制措施4.54.53 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题“地层改良冻结法地层改良冻结法”（胡向东）（胡向东）冻胀、融沉综合控制措施冻胀、融沉综合控制措施4.54.5冻胀等级不冻胀弱冻胀冻胀强冻胀特强冻胀冻胀率（%）113.53.56612123 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题“地层改良冻结法地层改良冻结法”（胡向东）（胡向东）冻胀、融沉综合控制措施冻胀、融沉综合控制措施4.54.5融沉等级不融沉弱融沉融沉强融沉特强融沉融沉率 （%） 11 55 1010 2525 3 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题人工冻土的解冻有三种情况：人工冻土的解冻有三种情况：

47、1. 中断或终止冻结时的自然解冻；中断或终止冻结时的自然解冻；2. 盐水泄漏导致的解冻；盐水泄漏导致的解冻；3. 强制解冻。强制解冻。人工冻土解冻人工冻土解冻5 53 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题自然解冻自然解冻速度与冻土量、冻土温度、速度与冻土量、冻土温度、环境温度及周围供热量相关。环境温度及周围供热量相关。停止冻结后，每日解冻量与原先冻结时停止冻结后，每日解冻量与原先冻结时间成反比。冻结时间越长，解冻速度越低。间成反比。冻结时间越长，解冻速度越低。一般情况下，冻土厚度一般情况下，冻土厚度1米以上时，中断米以上时，中断12天的冻结，冻土帷幕解冻厚度基本上可以天的冻结，冻土帷幕解冻

48、厚度基本上可以忽略不计，可以认为是安全的。忽略不计，可以认为是安全的。但是，必须注意，如果有较大流速的地但是，必须注意，如果有较大流速的地下水作用时，解冻速度会加速。下水作用时，解冻速度会加速。自然解冻自然解冻5.15.1停冻后每日解冻厚度3 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题盐水泄漏解冻盐水泄漏解冻是盐水扩散引起的，解冻厚是盐水扩散引起的，解冻厚度主要与冻土温度相关，当然与时间也有关。度主要与冻土温度相关，当然与时间也有关。当冻土帷幕足够厚，盐水包不与外界沟通时，当冻土帷幕足够厚，盐水包不与外界沟通时，盐水温度被保持低温，对冻土帷幕功能影响不大。盐水温度被保持低温，对冻土帷幕功能影响不

49、大。例如，当冻土温度保持例如，当冻土温度保持-20时，在泄漏后时，在泄漏后2个个月内不采取任何措施的情况下，冻土帷幕解冻厚度月内不采取任何措施的情况下，冻土帷幕解冻厚度才才6cm，其安全性不必担心。，其安全性不必担心。但是，必须注意，在砂性冻土中，盐水扩散快，但是，必须注意，在砂性冻土中，盐水扩散快，解冻速度会加速。解冻速度会加速。此外，如果盐水泄漏发生在早期，冻土温度不此外，如果盐水泄漏发生在早期，冻土温度不够低，冻土厚度不够大，盐水易与外界沟通，会带够低，冻土厚度不够大，盐水易与外界沟通，会带来安全威胁。来安全威胁。盐水泄漏解冻盐水泄漏解冻5.25.2盐水泄漏后解冻厚度3 冻结法的基本理论

50、问题冻结法的基本理论问题强制解冻强制解冻是指通过冻结管循环热盐是指通过冻结管循环热盐水进行的积极解冻，其解冻速度主要与盐水进行的积极解冻，其解冻速度主要与盐水温度相关，当然与冻土温度、环境温度水温度相关，当然与冻土温度、环境温度也有关。也有关。自然解冻与强制解冻效果的比较：冻自然解冻与强制解冻效果的比较：冻土厚度土厚度1.8m，强制解冻和自然解冻共同作，强制解冻和自然解冻共同作用需要用需要70天，而单纯自然解冻则需要约天，而单纯自然解冻则需要约6倍的时间。倍的时间。日本鹿岛试验：冻土半径日本鹿岛试验：冻土半径1.5米（厚米（厚度度3m）。自然解冻需要）。自然解冻需要200-300天，用天，用6

51、0热水循环需要约热水循环需要约60天，如用温度天，如用温度90，解冻时间减半（解冻时间减半（60天减到天减到30天天)。强制解冻强制解冻5.35.3自然解冻和强制解冻厚度共同作用效果3 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题含盐地层含盐地层冻结温度下降冻结温度下降：冻土厚度减小、温度场理论不适、冻结时间延长冻土厚度减小、温度场理论不适、冻结时间延长含盐地层含盐地层导热系数下降导热系数下降：冻结速度下降冻结速度下降含盐地层含盐地层冻土强度下降冻土强度下降：冻土承载力降低冻土承载力降低含盐地层问题含盐地层问题6 63 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题冻结温度下降冻结温度下降6.16.1冻

52、结温度冻结温度/冰点冰点 t0 0 含盐土冻结温度随含盐含盐土冻结温度随含盐量的增加而显著降低。量的增加而显著降低。3 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题冻结温度下降冻结温度下降6.16.1 冻结温度冻结温度/冰点冰点 t0 0冻结时间延长冻结时间延长3 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题冻结温度下降冻结温度下降6.16.1 冻结温度冻结温度/冰点冰点 t0 0冻土帷幕厚度减小冻土帷幕厚度减小冻结温度下降时冻土帷幕厚度减薄率冻结温度下降时冻土帷幕厚度减薄率3 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题冻结温度下降冻结温度下降6.16.1 冻结温度冻结温度/冰点冰点 t0 0原有温度场

53、理论不适原有温度场理论不适修正后：修正后：,),(2ln,0100tyxmllrlttyxt3 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题导热系数下降导热系数下降6.26.2 导热系数下降导热系数下降冻结时间延长冻结时间延长3 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题冻土强度下降冻土强度下降6.36.3 冻土强度下降冻土强度下降冻土帷幕承载力降低冻土帷幕承载力降低S-8-15-20-25-3002.673.3144.895.54100.630.971.172.233.01降幅（）降幅（）76.470.770.7%50.3%45.7%不同温度下冻土强度降幅（上海不同温度下冻土强度降幅（上海2） 3

54、 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题地下水的流动会使冻土帷幕朝下游方向发展，导致地下水的流动会使冻土帷幕朝下游方向发展，导致上游结构不能按时达到或达不到设计厚度，甚至不能交上游结构不能按时达到或达不到设计厚度，甚至不能交圈。即使上游也能交圈，其厚度也比下游小得多。这势圈。即使上游也能交圈，其厚度也比下游小得多。这势必给工程埋下安全隐患，必须引起足够的重视。必给工程埋下安全隐患，必须引起足够的重视。 地下水流动问题地下水流动问题7 73 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题存在存在保证交圈的地下水临界流速保证交圈的地下水临界流速。临界流速的影响因素：临界流速的影响因素： 冻结管大小（散

55、热面积）冻结管大小（散热面积） 冻结管表面温度（或盐水温度）冻结管表面温度（或盐水温度） 冻结管间距冻结管间距 地下水温度地下水温度 土的导热性土的导热性地下水流动问题地下水流动问题7 73 冻结法的基本理论问题冻结法的基本理论问题地下水临界流速地下水临界流速地下水流动问题地下水流动问题7 7确保交圈的地下水临界速度注：冻结管温度-30；土体温度20；冻结管108。)m/day(4ln400VVrSSkusfc4 冻结法联络通道施工冻结法联络通道施工联络通道的基本类型联络通道的基本类型联络通道施工方法联络通道施工方法联络通道冻结法施工联络通道冻结法施工4.1 联络通道结构类型联络通道结构类型

56、单纯联络通道单纯联络通道 联络通道带泵站联络通道带泵站 联络通道连建风井联络通道连建风井 联络通道通地面出口联络通道通地面出口方案类型方案类型0 04.1 联络通道结构类型联络通道结构类型单纯联络通道单纯联络通道1 1西线东线4.1 联络通道结构类型联络通道结构类型联络通道带泵站联络通道带泵站2 2贯通式贯通式110001100350044004800R310056403001000290020003300600600R2750140070011002000R1800R2200R2400R2800R3000643.34.1 联络通道结构类型联络通道结构类型联络通道带泵站联络通道带泵站2 2贯通

57、式贯通式4.1 联络通道结构类型联络通道结构类型联络通道带泵站联络通道带泵站2 2侧式（侧式（“烟斗式烟斗式”）2689.962523.52256.311859.41034.052253.271675.72804.0295.979188,4248558,08690,1499977,-11109360,-598777,-268916,9310770,-175210436,-2752R3150R28507727,-3755953,-51313282,21434.1 联络通道结构类型联络通道结构类型联络通道连建风井联络通道连建风井3 3隧道隧道风 井旁通道旁通道垂垂 直直 通通 风风 道道地地下下连

58、连续续墙墙18.25m33.5m13.3m4.2mD5.5m积水坑积水坑4.1 联络通道结构类型联络通道结构类型联络通道通地面出口联络通道通地面出口4 44.1 联络通道结构类型联络通道结构类型高差隧道联络通道高差隧道联络通道5 50方法类型方法类型4.2 联络通道施工方法联络通道施工方法 明挖法明挖法 暗挖法暗挖法 先明挖后暗挖法先明挖后暗挖法1明挖法明挖法4.2 联络通道施工方法联络通道施工方法从地面开挖、支护至设计标高，然后绑从地面开挖、支护至设计标高，然后绑扎钢筋笼、立模、浇注主体结构，最后回填扎钢筋笼、立模、浇注主体结构，最后回填覆土的施工方法。覆土的施工方法。优点优点:(1)适应性

59、广，能适用于各类土层适应性广，能适用于各类土层;(2)造价较低，其造价主要取决于支护系造价较低，其造价主要取决于支护系统的费用统的费用;(3)旁通道施工过程中，如果出现事故，旁通道施工过程中，如果出现事故，对主隧道结构影响较小对主隧道结构影响较小;(4)明挖法对施工技术要求较低，施工进明挖法对施工技术要求较低，施工进度快。度快。1明挖法明挖法4.2 联络通道施工方法联络通道施工方法缺点：缺点：占用较大的地面场地并且环境影响较大。占用较大的地面场地并且环境影响较大。适用条件：适用条件：当旁通道埋深较浅且场地条件好的情况当旁通道埋深较浅且场地条件好的情况下，可以考虑使用此方法。下，可以考虑使用此方

60、法。由于地铁线路所经地区通常为交通繁忙、由于地铁线路所经地区通常为交通繁忙、商业繁华地区，因而，在国内已经修建好和商业繁华地区，因而，在国内已经修建好和正在修建的几条地铁线路中旁通道较少采用正在修建的几条地铁线路中旁通道较少采用明挖法。明挖法。2暗挖法暗挖法4.2 联络通道施工方法联络通道施工方法旁通道暗挖法施工可以根据所采用地层旁通道暗挖法施工可以根据所采用地层加固方法的不同划分为以下几类加固方法的不同划分为以下几类:地基加固法地基加固法预支护法预支护法机械化施工法机械化施工法2.1地基加固法地基加固法4.2 联络通道施工方法联络通道施工方法地基加固法地基加固法 通过土体加固，提高土体通过土