地铁车站下水平冻结过程中冻胀的热

地铁车站下水平冻结过程中冻胀的热

一、研究背景

在城市地铁车站的设计和建设中，地下结构的安全性和稳定性至

关重要。地铁车站下水平冻结过程是一个关键环节，涉及到地下水、

土壤和结构物之间的热传递问题。冻胀现象是地下结构在低温环境下

产生的一种热力膨胀现象，可能导致结构的破坏和安全隐患。研究地

铁车站下水平冻结过程中的冻胀热问题具有重要的实际意义。

随着全球气候变化加剧，城市地铁系统面临着越来越大的挑战。

在寒冷地区，地下结构的温度往往低于环境温度，导致地下水和土壤

中的热量向结构物传递，从而引发冻胀现象。冻胀热不仅会影响地铁

车站的结构安全，还会对周边环境造成不利影响，如地基沉降、地面

裂缝等。研究地铁车站下水平冻结过程中的冻胀热问题，对于提高地

下结构的设计和施工质量具有重要指导意义。

冻胀热问题还与地铁车站的运营管理密切相关，在冬季低温天气

条件下，地铁车站的排水系统可能会受到冻胀热的影响，导致排水不

畅，进而影响车站的正常运行。研究地铁车站下水平冻结过程中的冻

胀热问题，有助于提高地铁车站的运营安全性和可靠性。

地铁车站下水平冻结过程中的冻胀热问题是一个复杂且具有挑

战性的课题。研究这一问题，不仅有助于提高地下结构的设计和施工

质量，还可以为地铁车站的运营管理提供有力支持。深入研究地铁车

站下水平冻结过程中的冻胀热问题具有重要的理论和实践价值。

地铁车站下水平冻结过程的特点和意义

随着城市化进程的加快，地铁作为一种高效、便捷的城市交通方

式，已经成为现代城市的重要组成部分。地铁车站在冬季需要进行水

平冻结作业，以保证车站结构的稳定性和安全性。在这个过程中，由

于温度降低和水的结晶作用，地下水会逐渐结冰并膨胀，导致地基土

体的冻胀现象。这种冻胀现象对地铁车站的结构安全产生潜在威胁，

因此研究地铁车站下水平冻结过程的冻胀问题具有重要的实际意义。

地铁车站下水平冻结过程中的冻胀问题直接影响到车站结构的

稳定性。冻胀现象会导致地基土体体积增大，从而使车站结构的承载

能力受到挑战。如果不及时采取有效的防冻措施，可能会导致车站结

构变形、开裂甚至倒塌，给乘客和工作人员带来严重的安全隐患。

冻胀问题还会影响地铁车站的使用寿命，随着冻胀次数的增加，

地基土体的承载能力将逐渐减弱，导致车站结构的疲劳程度增加，从

而加速车站的老化过程。冻胀现象还会对车站的防水、排水等设施造

成破坏，影响其正常运行。

研究地铁车站下水平冻结过程中的冻胀问题有助于提高防冻技

术水平。通过对冻胀现象的研究，可以制定更为科学合理的防冻措施，

如合理控制冻结深度、采用保温材料等，从而降低冻胀对车站结构的

影响。这也有助于提高地铁车站的整体设计水平，使其更加适应各种

气候条件和环境要求。

地铁车站下水平冻结过程中的冻胀问题具有重要的特点和意义。

为了确保地铁车站的安全稳定运行，有必要深入研究这一问题，并采

取有效的防冻措施。

冻胀对地铁车站结构的影响及危害

地基土层变形：冻胀会使地基土层产生较大的体积变化，从而导

致地基土层的变形。这种变形可能导致地铁车站结构的不稳定，甚至

引发塌陷事故。

地基土层强度降低：冻胀过程中，地基土层中的水分被冻结成冰

晶，使土体的抗压强度降低。当土体受到外力作用时，其承载能力会

大幅下降，从而影响地铁车站结构的安全性。

地基土层裂缝形成：冻胀过程会使地基土层产生较大的体积变化,

从而诱发地基土层的裂缝。这些裂缝可能沿着地基土层的延伸方向扩

展，进一步加剧地基土层的变形和破坏，对地铁车站结构造成严重威

胁。

地下水位上升：冻胀过程中，地下水位可能会上升。地下水位上

升会导致地基土层承受更大的水压力，从而加剧冻胀现象，对地铁车

站结构产生不利影响。

冻胀破裂风险增加：由于冻胀过程会导致地基土层产生较大的体

积变化，因此地铁车站结构在冻胀作用下的风险增加。一旦发生冻胀

破裂事故，将对地铁车站结构造成严重损害，甚至可能导致整个地铁

系统的瘫痪。

为了应对冻胀现象对地铁车站结构的影响和危害，需要采取有效

的预防措施。应加强对地铁车站施工现场的监测和管理，确保施工质

量符合规定要求。应合理设计地基土层的排水系统，以减缓地下水位

上升速度。还应采用适当的隔热措施，降低地基土层的冻胀敏感性。

只有充分认识到冻胀现象对地铁车站结构的影响和危害，并采取有效

的预防措施，才能确保地铁车站的安全稳定运行V

二、相关理论知识介绍

冻结过程：当水在低于冰点时，会逐渐转变为固态冰。这个过程

称为冻结，冻结过程中，水分子间的相互作用力增强，导致体积减小。

冻结速率与温度有关，通常在0C以下时冻结速度最快。

冻胀：冻结过程中，水分子排列更加紧密，导致体积减小。这种

现象称为冻胀，冻胀会导致结构的变形和破坏，特别是在地下水位较

高的情况下。

热传导：热传导是指热量通过物质内部传递的过程。在地铁车站

下水平冻结过程中，由于冻结和冻胀引起的温度变化会导致结构内部

的热传导。了解热传导原理有助于分析冻结过程中的结构响应。

热力学第二定律：热力学第二定律描述了热量与其他形式能之间

的转换关系。在地铁车站下水平冻结过程中，冻结和冻胀过程产生的

热量会影响结构的性能和稳定性。理解热力学第二定律有助于预测和

评估冻结过程对结构的影响。

材料科学：地铁车站的结构通常由多种材料组成，如混凝土、钢

筋等。这些材料的性能受到温度变化的影响，了解材料科学原理有助

于选择合适的材料以应对冻结过程中的挑战。

流体力学：流体力学研究流体（如水）的运动规律。在地铁车站下

水平冻结过程中，流体力学原理可以帮助分析冻结过程中的水流动态

以及冻胀对结构的影响。

结构动力学：结构动力学研究结构在外部荷载作用下的响应。在

地铁车站下水平冻结过程中，结构动力学原理可以帮助预测结构的变

形和破坏，并采取相应的措施以提高结构的抗冻胀能力。

冻胀及其机理

在地铁车站下水平冻结过程中，冻胀是一个重要的热效应问题。

冻胀是指水在低温条件下，由于体积膨胀而产生的压力增加现象。这

种现象会导致地面和地下结构受到破坏，从而影响地铁的正常运行。

在地铁车站下水平冻结过程中，由于地下水位较高，地下水中的

热量会迅速传递给土壤和地基，使土壤和地基的温度逐渐降低。当土

壤和地基温度降至0C以下时，水分子的热运动会减缓，直至完全停

止振动并排列成冰晶结构。土壤和地基中的孔隙会被封闭，形成一个

密实的结构。由于土壤和地基中的孔隙仍然存在，因此冻胀现象仍然

会发生。

冻胀的大小与地下水位、土壤和地基的热导率、土壤和地基的孔

隙率以及冻结时间等因素有关。地下水位越高、土壤和地基的热导率

越低、孔隙率越大、冻结时间越长，冻胀现象就越严重。

为了防止冻胀对地铁车站下水平结构造成破坏，需要采取一系列

措施。应合理设计地铁车站的排水系统，以降低地下水位；其次，应

选择具有较低热导率的土壤和地基材料，以减少热量传递；此外，还

可以通过加热或覆盖保护层等方法来延缓冻胀现象的发生。通过这些

措施的综合应用，可以有效地减轻冻胀对地铁车站下水平结构的影响。

热传导理论

冻胀现象主要受到以下几个因素的影响：水体的温度分布；水体

的体积变化；水体的热传导性能；水体的对■流和辐射特性。为了有效

控制冻胀现象，需要对这些因素进行综合分析和合理设计。可以通过

合理的结构布局、保温措施以及采用先进的传热技术等手段来减小冻

胀现象对地铁车站结构的影响。

热力学基本概念

温度：温度是物体内部分子运动的平均能量，通常用摄氏度(C)

或开尔文(K)表示。温度的单位与摄氏度之间的换算关系为：IK1C

+Jmolo

热量：热量是指物体内部分子由于其内部能的变化而传递的内能。

热量可以通过物体的质量、比热容和温度之间的关系来计算，即Qm

cT,其中Q表示热量，m表示物体的质量，c表示物体的比热容，T表

示物体温度的变化。

功：功是指力在物体上所做的工作，通常用焦耳⑴表示。功可

以通过力的大小、作用时间和物体的位移之间的关系来计算，即■F

td,其中W表示功，F表示力的大小，t表示作用时间，d表示物体

的位移。

燧：燧是一个物理量，用于描述系统的无序程度。端的单位是焦

耳开尔文(JK)。一个系统的炳越大，其无序程度越高，能量越分散。

热力学第一定律：也称为能量守恒定律，它表明在一个封闭系统

中，能量既不能被创造也不能被毁灭，只能从一种形式转化为另一种

形式。热力学第一定律可以用来分析地铁车站下水平冻结过程中冻胀

的热现象。

热力学第二定律：它表明在一个封闭系统中，焙总是趋向于增加,

而不会减少。这意味着自然界的宏观过程总是向着无序的方向发展，

热力学第二定律可以用来解释为什么在地铁车站下水平冻结过程中

会出现冻胀现象。

热力学第三定律：它表明绝对零度是无法达到的，因为任何物体

都具有一定的内能。这意味着在实际操作中，我们无法将地铁车站完

全冷却到绝对零度。

通过对这些热力学基本概念的理解和应用，我们可以更好地分析

地铁车站下水平冻结过程中冻胀的热现象及其影响因素。

三、地铁车站下水平冻结过程中的冻胀现象分析

在地铁车站下水平冻结过程中，由于地下水和地表水的冻结，导

致土壤中的空气被排出，形成空隙。这些空隙中的空气在低温下会逐

渐向土壤内部收缩，从而产生冻胀现象。冻胀现象会导致土壤体积减

小，土壤密度增大，土壤的抗压强度降低，甚至可能引发土壤破裂等

安全问题。

土壤类型：不同类型的土壤对冻胀的敏感程度不同。疏松的砂质

土和粉质土对冻胀的敏感性较高，而粘土和壤土则相对较低。

土壤含水量：土壤含水量越高，冻胀现象越严重。这是因为含水

量高的土壤中空气含量较多，容易受到低温的影响。

冻结速度：冻结速度越快，冻胀现象越明显。当土壤表面温度迅

速降至0C以下时，土壤中的水分迅速结冰，导致空气排出，从币产

生冻胀现象。

地下水位：地下水位较高的地区，由于地下水与地表水共同冻结,

冻胀现象更为严重。地下水位较高的地区土壤中的空气含量也较高，

更容易受到冻胀的影响。

采用防冻胀措施：在地铁车站周围的土壤中加入防冻胀剂，如氯

化钙、硝酸镂等，以降低土壤的冰点和减少土壤中的空气含量。

控制地下水位：通过合理调整地下水位，降低地下水与地表水共

同冻结的可能性，从而减轻冻胀现象的影响。

加强监测与预警：建立完善的冻胀监测体系，定期对地铁车站周

围的土壤进行检测和评估，及时发现冻胀现象的风险，并采取相应的

防范措施。

冻胀发生的条件和特点

温度：冻胀现象通常发生在低温环境中。当气温降低到0C以下

时，土壤或地层的水分开始结冰，形成冰晶。随着温度继续降低，冰

晶会逐渐扩大体积，导致土壤或地层膨胀。

湿度：湿度较高的土壤或地层更容易发生冻胀现象。这是因为高

湿度意味着土壤或地层中的水分含量较高，更容易被冰晶所替代。

土质：不同土质对冻胀现象的敏感程度不同。疏松、排水良好的

土壤或地层更不容易发生冻胀现象，而紧实、排水不良的土壤或地层

则更容易发生冻胀。

渐进性：冻胀现象通常是渐进性的，即随着时间的推移，土壤或

地层的体积会逐渐增大。这是因为冰晶不断扩大体积，导致土壤或地

层受到挤压。

不可逆性：一旦发生冻胀现象，土壤或地层的体积将无法恢复到

冻结前的状态。这是因为冰晶在冻结过程中已经占据了原有的空间，

无法再次填充回去。

对建筑物的影响：冻胀现象可能会对地铁车站等建筑物的结构造

成影响°当土壤或地层发生冻胀时，其体积增大会导致建筑物的基础

承受更大的压力，从而影响建筑物的安全性能。

冻胀引起的体积变化及其对结构的影响

土壤类型：不同类型的土壤对冻胀的敏感程度不同。疏松的土壤

更容易受到冻胀的影响，因为它们在冻结时孔隙中的空气被排出，形

成了密实的结构。紧实的土壤则相对抵抗冻胀现象。

地下水位：地下水位较高的地区容易出现冻胀现象，因为水体在

冻结时会占据更多的空间，从而导致土壤和地基的体积增大。地下水

位较高的地区还容易出现地下冻胀现象，即地下水在冻结时也会受到

影响，从而导致地下结构的变化。

气温波动：气温波动是冻胀现象的一个重要因素。当气温快速下

降时，冻胀现象会更加严重。在设计地铁车站时，需要考虑气温波动

对冻胀的影响，以确保结构的稳定性。

结构设计：地铁车站的结构设计也会影响冻胀现象。合理的结构

设计可以减小冻胀对车站结构的影响，采用抗冻胀材料、合理设置排

水系统等措施都可以降低冻胀现象的发生。

冻胀现象在地铁车站下水平冻结过程中是一个重要的问题，为了

确保地铁车站的安全运行和使用寿命，需要充分了解冻胀现象的原因

和影响因素，并采取相应的措施加以应对。

冻胀系数的计算方法和应用实例

VI是冻结后的体积，V0是冻结前的体积，L是管道或设备的长

度，T是温度变化（单位：K）o

地铁车站的排水系统通常采用水平布置的方式，因此在冬季气温

较低时，水管内的水会结冰。当水管内的水结冰后，由于冰的密度小

于水，冰会浮在水面上，导致水管内的水流动受阻，甚至可能破裂。

为了解决这一问题，需要对水管进行防冻处理，即在水管内加入一定

量的防冻剂。

防冻剂的主要作用是在低温环境下降低水的结冰点，从而减缓或

防止水管内的水结冰。防冻剂的使用也会导致管道内的压力升高，进

而影响管道的安全性能。在设计和施工过程中，需要考虑防冻剂对管

道内压力的影响，并根据实际情况选择合适的防冻剂种类和用量。

通过计算冻胀系数，可以了解不同温度和压力条件下的水管材料

的热膨胀性能，从而为防冻剂的选择和使用提供依据。在设计水管时,

可以根据冻胀系数选择具有较小热膨胀系数的材料，以减小因冻结而

导致的水管变形和破裂风险。在施工过程中，可以通过监测水管的变

形情况，及时调整防冻剂的用量和位置，确保水管的安全运行。

四、地铁车站下水平冻结过程中的防冻胀措施

在地铁车站下水平冻结过程中，由于地下水位较低，土壤中的水

分容易被冻结，导致土壤内部产生大量的冰晶。这些冰晶在冻结过程

中会不断扩大体积，从而对周围的结构物产生挤压作用，引发冻胀现

象。为了防止冻胀现象对地铁车站造成损害，需要采取一系列防冻胀

措施。

合理设计地基基础，在地铁车站的设计阶段，应充分考虑地下水

位的变化情况，合理确定地基基础的标高和埋深。应采用抗冻胀材料

作为地基基础的填充物，如防冻胀砂浆、防冻胀混凝土等，以提高地

基基础的抗冻胀能力。

加强排水设施建设，在地铁车站周围设置排水设施，确保地下水

位能够及时排出。加强对排水设施的维护和管理，防止因排水不畅导

致的冻胀现象。

采用保温措施，在地铁车站的结构物外围设置保温层，如聚苯乙

烯泡沫板、玻璃棉等，以减少热量的散失，降低冻结点温度，从而减

小冻胀现象的发生。

进行定期巡查和检测，在地铁车站冻结期间，应定期对地基基础、

结构物以及排水设施进行巡查和检测，发现冻胀现象及时采取措施予

以处理。还应对地下水位变化情况进行监测，以便及时调整防冻胀措

施。

地铁车站下水平冻结过程中的冻胀问题是一个复杂的工程问题，

需要从多个方面进行综合防治。通过合理设计地基基础、加强排水设

施建设、采用保温措施以及进行定期巡查和检测等措施，可以有效降

低冻胀现象的发生概率和危害程度，保障地铁车站的安全运行。

传统防冻胀措施的优缺点分析

热传导法：在地铁车站下水平冻结过程中，采用热传导法可以有

效地防止冻胀现象的发生。这种方法通过加热地下水或蒸汽，使其与

土壤或地基接触，从而提高温度，减少冻结膨胀。热传导法存在一定

的局限性，如加热能源消耗较大，且需要对管道进行维护和管理，增

加了运行成本。

热辐射法：热辐射法是通过利用太阳光或其他光源产生的热量来

提高地下土壤或地基的温度，从而达到防冻胀的目的。这种方法具有

节能、环保等优点，但其效果受到天气条件的影响较大，如阴雨天、

雪天等不利于热辐射传播的天气条件下，防冻胀效果会降低。

热空气法：热空气法是通过加热空气来提高地下土壤或地基的温

度，从而达到防冻胀的目的。这种方法操作简便，但其加热空气的能

量利用率较低，且容易产生局部过热现象，导致冻胀加剧。

化学防冻胀法：化学防冻胀法是利用化学物质在地下土壤或地基

中形成一层保护膜，隔绝水分和空气，从而达到防冻胀的目的。这种

方法具有较好的防冻胀效果，且无需额外的能源投入。化学防冻胀法

存在一定的安全隐患，如化学物质泄漏可能导致环境污染和人体健康

问题。

生物防冻胀法：生物防冻胀法是通过利用微生物在地下土壤或地

基中生长繁殖，形成一种特殊的生物结构层，从而达到防冻胀的目的。

这种方法具有较好的环保性和生物相容性，但其防冻胀效果受到微生

物种类和数量的影响较大，且需要较长时间才能发挥作用。

针对冻胀问题的新型防冻胀技术介绍

保温材料的应用：采用高性能保温材料对地铁车站的结构进行包

裹，可以有效降低导热系数，减少热量的传递，从而减缓冻结过程。

保温材料还可以起到隔震、降噪的作用。

防冻胀涂料：研发具有防冻胀功能的涂料，通过改变涂层的微观

结构和表面能特性，降低涂层与基材之间的热传导率，达到降低冻结

过程中的热膨胀的目的。

防冻胀钢筋：在地铁车站的混凝土结构中加入防冻胀钢筋，通过

钢筋与混凝土间的摩擦力和粘结力抵抗冻胀作用，保护结构不受冻害。

智能监测系统：利用物联网技术建立地铁车站的实时监测系统，

通过对温度、湿度等参数的实时监测和分析，及时发现冻胀现象，采

取相应的措施防止冻胀扩大。

预应力加固：通过对地铁车站的结构进行预应力加固，可以提高

结构的抗压、抗弯和抗冻胀能力，降低冻结过程中的结构变形和破坏

风险。

融雪除冰技术：采用融雪除冰设备对地铁车站进行融雪除冰作业,

减少积雪和结冰对车站结构的影响，降低冻胀风险。

地卜水处埋：通过地卜水处埋设备对地铁车站周围的地卜水进行

处理，降低地下水位，减少地下水对车站结构的冻胀作用。

新型防冻胀技术的不断发展为解决地铁车站在寒冷地区的冻胀

问题提供了有效的手段。由于冻胀现象受到多种因素的影响，如环境

温度、土壤条件、结构类型等，因此在实际工程中需要根据具体情况

选择合适的防冻胀技术并加以组合应用。

实际工程应用案例分析

在实际工程应用中，地铁车站下水平冻结过程中的冻胀问题是一

个非常关键的问题。为了解决这一问题，工程师们采用了多种方法和

技术。以某城市的地铁建设为例，该城市地铁车站位于地下水位较高

的地区，因此在冬季施工时需要考虑冻结对地基的影响。

在施工过程中，工程师们首先对地下土壤进行了详细的勘察和分

析，了解了土壤的冻结敏感性和冻胀特性c根据勘察结果，工程师们

制定了相应的防冻措施，包括采用保温材料对地基进行包裹，以减缓

冻结速度；设置排水设施，防止地下水因冻结而结冰膨胀，对地基造

成破坏；以及采用热泵技术，通过循环加热地下水，降低地下水温，

从而减缓冻结过程。

在实际施工过程中，工程师们还密切关注地基的变形情况，通过

监测设备实时监测地基的温度、压力等参数，及时发现并处理可能存

在的问题。工程师们还在地基周围设置了多个观测点，以便更好地掌

握地基的变形情况。

经过一段时间的施工，该地铁车站成功建成并投入使用。在实际

运行过程中，地基没有出现明显的冻胀现象，说明所采用的防冻措施

取得了良好的效果。这一案例表明，在地铁车站下水平冻结过程中,

通过合理的设计和采取有效的防冻措施，可以有效解决冻胀问题，保

证工程的安全稳定运行。

五、结论与展望

随着冻结时间的推移，地铁车站底部土壤中的冻结水逐渐增多，

导致土壤内部产生较大的压力。当压力超过土壤的抗压强度时，土壤

会发生破裂和变形，从而影响地铁车站的稳定。

冻胀效应会导致地铁车站底部土壤的体积收缩，进而改变车站的

结构布局。在冻结过程中，由于土体的收缩作用，车站底部结构可能

出现裂缝和变形，这对地铁运营安全构成潜在威胁。

为了减轻冻胀效应对地铁车站的影响，可以采取以下措施：合理

安排施工进度，避免在严寒天气条件下进行大规模施工；采用保温措

施，如覆盖保温材料，减少土壤与外界空气的热交换；加强监测和预

警系统，实时掌握地铁车站的温度变化情况，及时采取应对措施。

随着城市交通的发展和地下空间利用率的提高，地铁车站建设将

面临更多的挑战。在冻结工程领域，冻胀效应的研究和防治将更加重

要。通过深入研究冻胀机理，优化设计参数，制定有效的防治措施，

有望降低冻胀对地铁车站结构的影响，保障地铁运营安全和乘客舒适

度。随着新材料、新技术的应用和发展，未来的冻胀研究将更加深入

和全面，为地铁车站建设和运营提供有力支持。

对本文所述内容进行总结和归纳

本文通过分析地铁车站下水平冻结过程中的冻胀现象，探讨了冻

胀与温度、水压、结构等因素之间的关系。文章介绍了地铁车站在冬

季面临的冻结问题，以及冻