冻结法原理及其应用

1、主 要 内 容,1 冻结法概述 2 人工冻结制冷系统 3 冻结法设计原则 4 冻土物理和热学性质 5 冻土力学性质 6 土体冻结基本理论 立井工程冻结法实例 8 地铁联络通道冻结法施工技术 9 城市地下工程冻结法实例 10 冻胀、融沉控制及强制解冻技术 11 冻结信息化监测技术,1.1 人工地层冻结法 冻结法定义： 用人工制冷的方法，将待开挖地下空间周围的岩土中的水冻结为冰并与岩土胶结在一起，形成一个预定设计轮廓的冻结壁或密闭的冻土体，用以抵抗水土压力、隔绝地下水，并在冻结壁的保护下，进行地下工程的施工。,1 概述,冻结岩土性质的改变 将含水地层（松散土层和裂隙岩层）在结冰温度下冷却，岩石裂隙

2、或土孔隙中的水变成冰，岩土的性质发生决定性的变化。这一变化具有双重意义： 材料：（1）土体中水分冻结，提高一定范围内岩土的强度 （2）减低一定范围岩土体渗透性创造新工程材料 结构：在普通结构内部构建了新的工程结构。 冻结法 将这一性质改良后的冻结岩土(冻土)用于地下工程施工期内的 承载（结构功能）和密封（材料功能）,1 概述,冻土的形成 为构造高承载力和密封防水的冻结壁，在土中相应位置布置和施工冻结孔安设冻结管，通过冻结管中循环的低温冷媒剂将土体中的热量带出，使地层降温并使土中水结为冰。 在冻结初期，冻土仅在紧靠冻结管周围形成冻土柱；随冻结过程的继续，冻土柱渐渐扩大并相互连接，在预计的冻结时间

3、后，冻土体达到设计厚度形成冻结壁.,1 概述,1 概述,1 概述,1 概述,1 概述,1 概述,1 概述,环境友好的施工方法 冻结只是临时改变岩土的承载、密封性能，为构筑新的地下空间服务，施工完成后，根据需要可拔除冻结管，冻土将解冻融化，土将逐渐恢复到未冻结状态。 冻结法不污染环境，是“绿色”施工方法,1 概述,冻结法具备的优点 (1) 安全性好，可有效的隔绝地下水； (2) 适应面广，适用于任何含一定水量的松散岩土层，在复杂水文地质(如软土、含水不稳定土层、流砂、高水压及高地压地层)条 件下冻结技术有效、可行； (3) 灵活性好，可以人为地控制冻结体的形状和扩展范围，必要时可以绕过地下障碍物

4、进行冻结； (4) 可控性较好，冻结加固土体均匀、完整； (5) 经济上较合理。,1 概述,冻结法设计与施工 (1) 根据工程、地质、水文和环境条件进行冻结设计： 确定冻土结构形式 选择制冷方式 布置冻结系统 确定冻结温度 估算冻结时间，等。 (2) 待设计冻土结构形成后，在其保护下进行地下工程的掘进、支护和设备安装等工作。,1 概述,1.2 冻结法简史 国外 l862年：英国，率先用冻结法成功进行深基坑开挖围护 l872年：德国，首先应用于矿井建设。鲁尔区冻结井深超过600m 1888年：美国，用于煤矿矿井开挖 l965年：加拿大，开挖l089米矿井，冻结深度684米 1952至l98l年间

5、：北美，用冻结法凿井达29个 迄今为止，各国冻结井最大冻结深度：英国930m，美国915m，波兰860m，加拿大634m，比利时638m，前苏联620m，德国531m，法国550m，中国702m,1979年：美国，地下核电站基坑、直径40m、深6m基础 80年代：苏联，城市地铁大厅35座、隧道35项，高l38.5m、重27000吨大楼基坑开挖支护 1962以来：日本，超过300个大型冻结工程，其中有通过河流、铁路、公路和其它构筑物下的隧道工程、挡土墙工程、与盾构施工有关的工程等 20世纪中叶起：波兰、德国、法国、瑞士、比利时、意大利、奥地利、挪威、西班牙、芬兰、澳大利亚、法国、荷兰、加拿大等,

6、我国情况 1955年，我国首次在开滦林西风井使用盐水冻结法凿井并获得成功；至今已经冻结近1000个井筒. 70年代初，北京地铁冻结长90m，垂深28m 上世纪80年代，东海拉尔水泥厂的上料仓基坑； 1988年，凤台淮河大桥主桥墩基础工程 1993年，上海地铁一号线1个泵站和3个隧道贯通道结合部 1998年，北京地铁大北窑车站南隧道水平冻结施工，长45m 2000年以后,上海大量越江隧道和地铁工程使用冻结法.,1 概述,1.3 工程应用简介 目前，冻结法在地下工程中广泛应用于以下领域： 立井工程 斜井工程 地基基础 基坑稳定 隧道工程 其他岩土工程,1 概述,可用来获得低温的方法很多，一般有以下

7、几种 相变制冷 蒸气压缩制冷 吸收制冷 热电制冷,2 冻结系统种类,2.1相变制冷 相变是指物质固态、液态、气态三者之间变化过程。在相变过程中要吸收或放出热量。相变制冷就是利用物质相变时的吸热效应，如固体物质在一定温度下的融化或升华，液体汽化。 干冰是固态的二氧化碳（CO2），它是一种良好的制冷剂，广泛应用于实验研究、食品工业、医疗、机械加工和焊接等方面。干冰的平均相对密度为1.56，干冰在化学上稳定，对人无害。在大气压力下升华温度为78.5，升华潜热为573.6kJ/(kgK)。,2 冻结系统种类,2.2热电制冷 热电制冷又称温差电效应、电子制冷等，它是建立在珀尔帖效应原理上的。 1834年

8、珀尔贴发现当一块N型半导体（电子型）和一块P型半导体（空穴型）联成电偶时，在这个电路中接上一个直流电源，电偶上有电流通过时，就发生了能量转移，在一个接头上吸收热量，而在另一个接头上放出热量。 在热电制冷装置的应用中，热电装置常称为热电块，一个热电块由多个冷接头、热接头串接而成。热电块中的电流方向决定接头是吸热还是放热的。电流如果由N型半导体进入P型半导体，则连接N型、P型半导体的接头是吸热的，称为冷接头；电流方向相反时则连接N型、P型半导体的接头放热（称为热接头）。,2 冻结系统种类,2.3蒸气压缩制冷 蒸气压缩制冷和气体压缩制冷同属于压缩式制冷循环，它是以消耗一定量的机械能为代价的制冷方法。

9、压缩制冷是最常用的制冷方式。由于气体压缩制冷过程中制冷剂不发生相态变化，无潜热利用，其单位制冷量小，要提供一定制冷量，则需相对大的设备。蒸气压缩式制冷采用在常温下及普通低温下即可液化的物质为制冷剂（如氨、氟利昂等）。制冷剂在循环过程中周期性地以蒸气和液体形式存在。 蒸发器中产生的低压制冷剂蒸气在压缩机中被压缩到冷凝压力，经冷却水、空气等介质冷却后变成液体，再经节流阀膨胀到蒸发压力成为汽、液两相混合物，温度降到饱和温度，在蒸发器中蒸发，吸收热量而制冷，汽化后的蒸气被压缩机吸回，完成一个循环。,2 冻结系统种类,2.4吸收式制冷 吸收式制冷是利用溶液对其低沸点组分的蒸气具有强烈的吸收作用而在加热状

10、态下，低沸点组分挥发出来的特点达到制冷目的。 吸收式制冷采用的工质是由低沸点物质和高沸点物质组成的工质对，其中低沸点物质为制冷剂，高沸点物质为吸收剂。 吸收式制冷不同于压缩式制冷，它是用热能替代机械能来完成冷冻循环的。吸收式制冷系统还可以使用天然气、液化石油气、蒸气或电加热器作为能源。,2 冻结系统种类,目前广泛使用的是溴化锂水溶液吸收式制冷机。水为制冷剂，溴化锂为吸收剂，用来制作0以上的冷源发生器。1个大气压下，溴化锂的沸点1265，水的沸点为100。因此，在溴化锂水溶液上方的蒸气几乎全部为水蒸气，而溴化锂对水的吸引力很强，使溶液面上方水蒸气饱和压力比相同温度下水的饱和蒸气压低得很多。在这样

11、低的压力下，水就可以在比常温低的温度下蒸发，吸收热量，达到制冷的目的。,2 冻结系统种类,吸收式制冷系统按使用热源的种类分为： 燃油 燃气 蒸气 电加热 太阳能 岩土工程冻结制冷技术常用的有： 盐水循环氨制冷冻结 液氮冻结 干冰冻结 混合冻结,2 冻结系统种类,2 冻结系统种类,2.5 氨（氟利昂）盐水冻结系统（Brine System） 盐水循环-盐水吸收地层热量，在盐水箱内将热量传递给蒸发器中的液氨； 氨循环-液氨变为饱和蒸气氨，再被氨压缩机压缩成过热蒸气进入冷凝器冷却，高压液氨从冷凝器经贮氨器，经节流阀流入蒸发器液氨在蒸发器中气化吸收周围盐水的热量； 冷却水循环-冷却水在冷却水泵，冷凝器

12、和管路中的循环叫冷却水循环。将地热和压缩机产生的热量传递给大气。,2.5氨（氟利昂）盐水冻结系统 制冷技术（制冷系统、冷媒剂循环、冷却水循环） 制冷循环一般包括四个过程：压缩冷凝降压蒸发,冷媒剂循环：在冻结管内循环，将地层热量带出 冷却水循环：将制冷系统的热量释放于大气中,冻结法中，制冷剂一般用氨或氟里昂，冷媒剂通常用氯化钙溶液（盐水）,2 冻结系统种类,一个大气压下气化潜热197.6K/Kg。氮的显热为1.05K/（Kg.K）,2.6 液化气体系统（液氮） 利用液氮的潜热实现地层冻结,2 冻结系统种类,液氮冻结原理图,2 冻结系统种类,干冰是固态的二氧化碳（CO），它是一种良好 的制冷剂，广

13、泛应用于实验研究、食品工业、医 疗、机械加工和焊接等方面。干冰的平均相对密 度为1.56，干冰在化学上稳定，对人 无害。在大气压力下升华温度为78.5，升华 潜热为573.6kJ/(kgK)。,2.7 二氧化碳（干冰，CO2）制冷,2 冻结系统种类,2.8 混合系统,盐水液氮混合冻结较多采用,前 期用液氮快速冻结,后期用盐水维持。,2.9 四种系统的适用范围，设备容量和主要 技术指标,2.9 四种系统的适用范围，设备容量和主要 技术指标 （1）盐水系统 制冷温度：-10 -35 土层：任何含水地层 地下水流速：5710-5m/s 冷量估算 ：Q=1.3.d.H.K 制冷效率 ：30% 50%

14、冻土速度 ：2cm/d,2.9 四种系统的适用范围，设备容量和主要 技术指标 （2）液氮系统 制冷温度：-60 -150 土层：任何含水地层 地下水流速：不限 冷量估算 ： 460kg/ m3 制冷效率 ：50% 冻土速度 ：20cm/d 配备储气罐：大于5000升,2.9 四种系统的适用范围，设备容量和主要 技术指标 （3）干冰系统 制冷温度：-20 -70 土层：任何含水地层表面 地下水流速：不能有动水 冷量估算 ： 600kg/ m3 制冷效率 ：70% 冻土速度 ：10cm/d,2.9 四种系统的适用范围，设备容量和主要 技术指标 （4）混合系统 制冷温度：-40 -70 土层：任何含

15、水地层 地下水流速：少量动水 冷量估算 ： Q=1.3.d.H.K 制冷效率 ：60% 冻土速度 ：3cm/d 盐水加入乙二醇,3.1 冻结法设计 先期准备工作 在进行冻结设计之前，有必要评价有关施工环境的要求以及冻结方法的适应性等，这是冻结设计的基础。 （1）在施工环境方面 l允许沉降和水平位移的量值 l允许震动的可能性、噪声的大小 l控制冻胀的范围和量值 l冻结钻进的可能位置 l施工场地条件 l施工工期和时间,3 冻结法设计原则,（2）在工程条件方面 l冻结壁功能，密封、承载或密封和承载 l冻结壁形状与尺寸 l地层特征、分层 l地层初始温度及变化 l 土性，粒径、密度、塑限与液限、含水量、

16、饱和度 l 土的热参数的获取，经验或试验 l 可能产生冻胀的土层，实验室试验,3 冻结法设计原则,l 地下水，水位、变化波动范围、流速、方向 l 地下水的含盐量 l 冻土的强度和变形性质 （3）在技术方法方面 冻结制冷方式，制冷机、液氮或其它冻结方式,3 冻结法设计原则,必要的预研究项目,设计工作内容 进行一项技术可行、经济合理的岩土冻结工程的前提是在冻结施工前进行冻结设计。 工程意义上的冻结项目的设计工作包括： 冻结壁结构形式、支护方法、冻结方案、冻结壁尺寸、冻结管布置、冻结过程、冻结时间、冻结系统、冻结设备、监测等,3 冻结法设计原则,冻结项目的设计工作 l 设计冻结壁结构形式，需考虑如下

17、因素 地质、水文地质条件 满足工程强度和（或）密封需求 方便施工 节省投资 l 临时支护方法 纯冻结 与其它加固方法组合,3 冻结法设计原则,l 优选冻结方案 一次冻结 分期冻结 局部冻结 l确定冻结壁尺寸 确定外载荷 确定平均温度 试验冻土强度 计算冻土结构强度与稳定性,3 冻结法设计原则,3 冻结法设计原则,3 冻结法设计原则,3 冻结法设计原则,l 合理布置冻结管 确定布置方式：垂直、倾斜、水平、混合 确定冻结管深度 确定冻结管间距 l 选择冻结阶段的冻结过程 连续冻结、冻结温度 间歇冻结、冻结温度 l 冻结时间确定 冻结速率 积极冻结时间 维护冻结时间 与岩土工程施工的衔接,3 冻结法

18、设计原则,l 冻结系统设计 选择制冷剂、冷媒剂 计算制冷量 制冷系统设计 l 冻结设备选型 选择制冷机组 布置冻结管路 l 监测设计 监测目的与内容（温度、变形、压力等） 监测传感器 监测系统,3 冻结法设计原则,3.2冻结施工步骤 一般讲，用氨盐水循环制冷系统进行冻结工程施工主要有三大部分组成，即 冻结站安装 冻结孔施工 地层冻结,3 冻结法设计原则,冻结站安装 冻结站位置选择。以供冷、电、水及排水方便为原则，考虑对环境的影响以及消防、通风等安全要求，靠近工地 冻结站设备布置。一般站内布置氨循环系统和盐水循环系统，站外布置冷却水循环系统 冻结站安装程序。冻结站安装可与冻结孔钻进同时进行 管路

19、耐压密封试验。安装完毕，进行耐压、密封试验 管路隔热保温。低压、低温部分隔热、保温，减少损失 管路灌注制冷剂和冷媒剂,若设计用液氮冻结冻结，则冻结站安装工作要简化得多,3 冻结法设计原则,冻结孔施工 钻孔布置 冻结孔钻进 冻结孔测斜 冻结管安装 土体冻结 盐水流量观测 管路温差观测 土体温度观测 确定冻结时间,4 冻土低温特性,4.1 冻土及冻土分类 冻土： 在负温条件下，岩土中的孔隙水相变结冰并胶结土颗粒成为一整体形成-冻土。 冻土分：天然冻土 永冻土：高温冻土、低温冻土、富冰冻土、贫冰冻土 季节冻土 人工冻土 差异表现：冻结对象、温度分布、温度变化、温度作用时间和历史、冻土体发展、冰晶构造

20、等,天然冻土（永冻土）与人工冻土比较,4冻土低温特性,4.2 冻土的构成 人工冻土是由固体颗粒、未冻水、冰和气体构成的混合物。 固相(土颗粒)： 有矿物颗粒、有机质或者两者； 塑-粘相(冰)： 冰的嵌入和胶结有粘滞性； 液相(未冻水)： 水分子部分/全部充满孔隙空间； 气相(空气)： 空气充填未被水分子占领的孔隙空间,4 冻土低温特性,4.3 土中水 未冻土：由矿物颗粒、孔隙气和孔隙水构成 饱和土：忽略孔隙气，则土由固体颗粒和水构成 土中水：强结合水、弱结合水、毛细水和自由水,4 冻土低温特性,固体颗粒表面负电荷分子力（对水的引力达1万大气压）极性水分子自动排列,强结合水（吸着水、固态水）：

21、受静电吸力最大 密度1.21.4g/m3 冰点-186，105 可排除 厚度十几个水分子 占总量0.22% 厚度0.003m。,弱结合水： 密度大于自由水 冰点-20-30 厚度0.5m 结合水不受重力影响，但可从水膜厚处向薄处转移 毛细水、自由水： 毛细水不受重力影响，但其具有与自由水相近的结冰温度,水的粘滞系数随距离的变化,4.4 冻土的形成 形成过程： 土中水在冻结温度以下相变为冰并将土颗粒胶结成整体 土体的“冻结温度”（冰点）： 土中水稳定冻结的温度。 影响冻结温度的主要因素： 土质： 含水量： 含盐量：随含盐量增加冻结温度降低 压力：变化率 -0.07/MPa -0.08/MPa,4

22、 冻土低温特性,冻结温度适用叠加原理 T0=T0w+ T0y+ T0P,含水量与冻结温度的关系,含盐量与冻结温度的关系,冻土形成的五阶段 冷却段：温度从初态减低到水的冰点，此时尚无冰； 过冷段：温度续降至冰点下，自由水仍不结冰，呈过冷现象。主要与热平衡有关；但若在水达到冰点且全部水未结冰前，有结冰冰晶生长或有振动的影响，土中水将立即进入稳定冻结阶段，而无明显过冷现象产生,(3) 温度突升段：部分孔隙水冻结，释放潜热，温度突升； (4) 稳定冻结段：温度升至冰点并稳定，孔隙水开始冻结成冰，冻土逐渐形成； (5) 冻土降温段：温度继续降低，冻结范围扩大、冻土强度增加，吸收冷量，温度进一步减低。,4

23、.5 冻土的热物理性质 对于人工冻结工程的设计、理论计算和数值分析十分重要 基本指标：比热、导热系数、导温系数、潜热、热容 影响因素：土温、矿物、含水量、饱和度、干密度、有机质含量等 有冻融相变的土相变与否对土的热物理性质至关重要：原因是土中水分重分布以及液态水变成了冰。 若单位质量的液态水结为冰，导热系数增大近4倍，容积热容减小1倍，释放出的相变热可使等体积的土温度升高150C,4 冻土低温特性,4.5 冻土热物理指标,1 比热容 在不发生化学反应和物质相态变化的条件下，单位质量的物质的温度升高或降低1K，所吸收或放出的热量，称为该物质的比热容。不同的物质的比热容不同，同一物质在不同温度和相

24、态下，比热容也不相同。 物质的比热容与温度有关，物质在某个温度时的比热容称为真实比热容。物质在某一温度范围内的比热容的平均值称为平均比热容。 在工程计算中，为简化计算，通常采用物质的平均比热容。,4.5 冻土热物理指标,2 导热系数 热导系数是物质导热能力的标志，在数值上等于单位温度梯度时单位面积上的热流量。 热导系数是物质的物理性质之一，与其组成、内部结构、密度、压强和温度有关，可由实验测定。一般而言，金属的热导率最大，非金属次之，液体较小，气体的热导率最小。对于大多数匀质的固体，热导率入主要受温度的影响，且大致成线性关系。冻土的导热系数在1.03.0之间。,4.5冻土热物理指标,3 热量

25、是热能发生转移时的物理量，用Q表示。它不是状态参数，它与过程有关。从分子运动论来看，物质分子的运动强度越大，物质的温度就越高，当两个温度不同的物体相接触时，热量总是从高温物体传给低温物体，直到两个物体的温度相等为止。热量又有显热和潜热之分。,5.1 概述 力学性质 意义 冻结法工程目的： 封闭地层隔绝地下水 强度、稳定性保护开挖 冻土的力学性质：受土性、含冰量、应变率和温度等控制 确定冻土强度和变形性质参数方法：实验室试验,5 冻土力学性质,试验条件 冻土强度性质描述一般都是通过在-8C -15C温度条件下的单轴、三轴试验以及单轴蠕变试验得到。采用液氮冻结时，则需要在更低的温度下进行试验,5

26、冻土力学性质,冻土工程设计和施工中最重要的冻土力学性质： 抗压强度 抗拉强度 剪切强度 流变性质和长时强度 冻胀与融沉,5 冻土力学性质,影响冻土强度的因素 冻土属于流变体。 冻土强度主要受土-冰骨架系统的粘滞性和内摩擦所支配，并与冻土的形成环境、荷载、温度及变化、土性、含水量、含盐量等因素有关。 土性一定时，冻土强度主要取决于温度和时间,5 冻土力学性质,5.2 冻土抗压强度 冻土组构、形成及构造的复杂性 冻土强度性质将取决于诸多因素： 含冰量 密度 粒径级配 预加荷载 扰动 非均质 含盐量，等,5 冻土力学性质,（1）温度、含冰量和加载应变速率是关键因素； （2）在细粒冻土中，孔隙冰与土颗

27、粒相互联结，冰强度成为决定冻土强度的一个重要因素； （3）环绕土颗粒存在着的未冻水对冻土强度和破坏形态有相当重要的影响。,5 冻土力学性质,强度应变速率冻土温度 增加应变速率和降低冻土温度提高冰骨架强度提高冻土的抗压强度： 当冰骨架占58%时，温度每降低1，强度大约增加1.362MPa。 在高应变速率（1.0s-1）和低温（-40）条件下，冻土通常可视为弹性介质,5 冻土力学性质,冻土抗压强度主要取决于冻土温度,5.2 冻土的抗压强度,(1)温度对冻土强度的影响,试验表明，冻土强度随着冻结温度的降低而增大。随着负温的继续增加，强度的增长逐渐变慢，所以强度与温度的关系虽然密切，但却不是线性的 。

28、 可以用下列两个简单的经验公式之一来计算饱和砂的极限抗压强度,(2)含水率对冻土强度的影响,试验表明，含水率是影响冻土强度的主要因素之一。在土中含水量未达到饱和时，冻土强度随着含水率的增加而提高，但当达到饱和后，含水量继续增加时冻土强度反而会降低。当含水量比饱和含水率大的很多时，冻土强度就降低到和冰的强度差不多了。,(3)土的颗粒组成对冻土强度的影响,土颗粒成分和大小是影响冻土强度的一个重要因素。试验表明，在其他相同的条件下，土颗粒愈粗，冻土强度愈高，反之就低。这主要是由于不同的颗粒成分造成土中所含结合水的差异所引起的。例如，粗砂、砂砾和砾石的颗粒粗，其中几乎没有结合水，冻土中不存在未冻水，所

29、以冻土强度高。相反，粘土类土颗粒很细，总的表面积很大，因而其表面能也大，在其中含有较多的吸附水和薄膜水，吸附水一般是完全不冻结的，薄膜水也只是部分冻结，因而在冻土中保存了较多的未冻水，使冻土的活动性和粘滞性增加，强度降低。另外，土颗粒的矿物成分和级配对强度也有一定的影响。,(4)荷载作用时间对冻土强度的影响,试验表明，由于冻土的流变性，其强度随着荷载作用时间的延长 而降低。在实验室条件下，荷载作用时间少于l h时的冻土强度 称为瞬时强度，大于1h的强度称为长时强度。一般荷载作用200h 时的破坏应力称长时强度。所以冻土的瞬时强度比长时强度要大 的多，而且冻结温度愈高，两者相差愈大。 当冻结温度

30、在-4-15时，冻土长时强度与瞬时强度的比值为： （1）长时抗压强度约为瞬时抗压强度的1/21/2.5； （2）长时粘结力约为瞬时粘结力的1/3； （3）长时抗剪强度约为瞬时抗剪强度的1/1.81/2.5； （4）长时抗拉强度约为瞬时抗拉强度的1/121/16。,(5)冻结速度对冻土强度的影响,冻土形成的快慢速度直接影响到冰的结构若冻结速度快，冻土中的细粒冰就多，冻土强度就高。相反，若冻结速度慢，冻土中的粗粒冰含量增多，冻土强度相应降低。所以，积极冻结期的冻结状况对冻结壁的形成有重要意义。为此必须尽量降低盐水的温度，这样不仅使冻土由于温度低而强度高，同时也因冻结速度快而进一步增加其强度。采用的

31、液氮低温快速冻结新工艺便具有这方面的优点。,5.3 冻土的流变性,由于冻土内存在固相水(冰)和少量液相水(未冻水)，所以使 其具有显著的流变性，即冻土在荷载作用下应力和应变将随 时间而变化的特性。当外力恒定时，冻土的变形随着时间的 延长而增大，且没有明显的破坏特征。 国内外许多学者对冻土的本构关系做了大量的试验研究。在 实验的基础上，获得较公认的本构关系为：,式中 应力，MPa； 应变，无量纲； 随时间变化的变形模量，MPa； m强化系数，无量纲。般m1。,应力作用下，冻土呈现与时间有关的变形性状“蠕变” 即使在低应力水平，冻土也呈现出蠕变特性 蠕变率取决于含冰量、温度和加荷速率 冻土蠕变源于

32、与时间有关的物理过程： 在土颗粒接触点，压力导致冰的局部融化； 未冻水向低应力区域迁移； 孔隙冰的塑性变形； 颗粒重分布；等。,5 冻土力学性质,蠕变变形曲线形状受温度、应力大小、持续时间和冰饱和度等多种因素的影响， 富冰冻土：受第二蠕变支配，仅具短时第一蠕变阶段 贫冰冻土：受第一蠕变支配。 高应力水平：可能没有明显第一和第二蠕变阶段达到第三蠕变阶段，在短时内破坏。,冻土 基 本 蠕变性质,5.4 冻土抗剪强度 试验研究表明，当正应力较小时，可用Mohr-Coulomb强度理论确定冻土的剪切强度（Vyalov，1962） 剪切强度=粘聚强度+摩擦阻抗。 近期研究表明，当正应力较大时，Mohr-

33、Coulomb强度理论也基本适用,5 冻土力学性质,5.5 冻土的冻胀 冻 胀：在低温(负温)条件下，由于土中的原位水以及未冻区的水分迁移到冻结区的水结冰造成体积膨胀，引起土体膨胀的现象 原位冻胀：土中孔隙水原位冻结引起的冻胀(孔隙体积9%) 分凝冻胀：未冻区域水分向冻土区迁移、冻结所引起的冻胀 冻胀危害：破坏地下管线、建筑物基础，恶化环境，而且伴随冻土的冻胀一般均有相当可观的融化下沉。 冻胀理论：真空抽吸、毛细水迁移以及薄膜水迁移等,5 冻土力学性质,冻胀的基本原理,土体冻胀示意图,冻土 融土,冻结过程,水分迁移,水分补给,冰分凝,冻胀,冻胀估算 评价指标：冻胀率、冻胀量和冻胀力 冻胀量：冻

34、土表面冻胀位移的绝对值，mm，h 冻胀率：地层冻胀量与冻结地层厚度（H）的比值，%， 冻胀力：冻胀受到约束时土体对约束体作用力，MPa 冻胀速率：单位时间内土体的冻胀量的增加值， 冻结速率：单位时间土体的冻结深度增加值，,5 冻土力学性质,地面冻胀量计算,5 冻土力学性质,减少冻胀的措施 减少人工冻土冻胀：人工地层冻结工程研究的重要课题 土中孔隙冰和土体冻胀的产生和发展取决于土性、外荷载、水和温度。工程条件一定，唯一可控因素温度 边界温度：控制冻结速度、温度梯度；水分迁移方向、速度和迁移量，从而影响土中水相变速度、成冰位置和数量。,5 冻土力学性质,5.6 冻土的融沉 定义：冻土融化时，由于冰

35、变成水体积减小产生土的融化沉降，若同时在融化区域发生排水固结，则将引起土层的压密沉降 影响因素： 温度、温度梯度、荷载以及土层的物理、力学及热性质 融化沉降量与外压力无关，压密沉降与正压力成正比。 融沉系数描述冻土的融化沉降，压缩系数来描述融土的压密沉降。 通常融沉要大于冻胀，有时融沉会变为突陷。 融沉的不均匀性及突陷往往会导致结构的破坏。,5 冻土力学性质,融化下沉的基本原理,沉降变形,融化土,冻结土,融化,融化过程,固结过程,孔隙比,应力,融化下沉系数（%）=,下沉变形量,融化的土层厚度,通常融沉要大于冻胀，有时候融沉会变为突陷。融沉的不均匀性及突陷往往会导致结构的破坏。 象冻胀一样，融沉

36、也是与温度、温度梯度、上覆荷载以及土层的物理、力学及热学性质相关的。 冻结地层温度上升，冻土发生融化，冰晶和冰膜融化成水只要条件适宜，在重力和上覆荷载的作用下将发生排水，土层重新固结。土层发生固结造成的沉降与冻结过程中形成的土粒结构的稳定性、冰融化成水释放的自由孔隙空间以及上覆荷载的重量有关。,5.6 冻土的融沉,在外荷载及融土的自重作用下，冻土融化产生沉降。根据渗透固结理论，认为从已融土层的单位面积上渗出的水的体积Q（不计冰转变为水时的高度的少许降低）等于土的沉降，即是： 公式的左侧从已融土层的单位面积上渗出的水的体积。 公式的右侧是冻土沉降量。右侧的第一项是融化沉降，第二项是压密沉降。,5

37、.6 冻土的融沉,5.7 冻结壁自然解冻,5.7 冻结壁自然解冻,5.7 冻结壁自然解冻,5.7 冻结壁自然解冻,6 土体冻结基本理论,6.1 冻结壁的形成 冻结锋面岩土冻结过程中，孔隙水开始发生结冰相变的面称为，是冻土与未冻土的分界面。 冻结前地层有均一的初始温度。冻结初期，低温盐水,与冻结管周围的地层产生剧烈的热交换，在每个冻结管周围很快形成圆柱形的冻结岩土柱,由于相邻冻结管间的影响，轴面比主面冻结更快，冻土柱由圆柱形变为椭圆形，再进一步扩展，直至相交圈，在井筒周围形成封闭的冻土墙冻结壁。 交圈后，原冻结管的冻结锋面连成向井内扩展的内冻结锋面和向井外扩展的外冻结锋面，且内、外冻结锋面很快地

38、趋于平滑，当界面上的冻结壁厚度等于冻结管的间距时，内、外冻结锋面就基本上变成以井筒为中心的圆柱面。,冻结管,测温点,冻结锋面的扩展,冻结孔存在偏斜冻结锋面形状不是规则园柱面 在交圈初期：冻结锋面向内发展速度较交圈前慢，但随内侧未冻土范围热量减小，锋面向井心推进速度加快，而冻结锋面向井外的扩展速度较慢，扩展至距冻结管布置圈23rn处，扩展速度十分缓慢，来自未冻土区热量与来自冻结管的冷量趋于平衡，温度场趋于稳定，冻结壁渐成以井筒为中心的园筒体。,一般冻结壁内侧厚度占冻结壁总厚的.550.6倍,6.2 立井冻结温度场 研究冻结过程中土体温度随时间变化的规律。 在冻结凿井中，常以主面、界面和轴面这三个

39、特征面上的温度分布作为判断冻土形成过程、控制温度扬的依据。 “主面”：过井筒中心与冻结管中心的竖直平面 “界面”：过井心和相邻管中心连线中点的竖直平面 “轴面”：过两个相邻冻结管中心的竖直平面,6 土体冻结基本理论,三个特征面温度状况表征冻结温度场基本特点，是测温的主要对象，尤其是界面与轴面交点上的温度值直接关系到冻结园柱是否交圈。,冻结过程冻结扩展 1主面 2 轴面 3 界面 4 冻结管 5 井筒中心,6 土体冻结基本理论,冻结温度场求解 求解温度场是进行热力计算的重要工作、是进行冻结壁计算的重要前提，目的: l求冻结壁的平均温度，确定冻土强度； l确定冻结锋面的位置，计算冻结壁的厚度； l

40、计算热量，确定冻结站的制冷能力； 确定冻结壁的扩展速度，估算积极冻结时间。,6 土体冻结基本理论,由于冻结壁在竖直方向的尺寸较水平方向大得多，且在冻结过程中土层在竖直方向的热传导相对弱得多，故立井冻结温度场可简化为平面轴对称间题,冻结温度场的求解间题是一个有相变、移动边界、内热源、边界条件复杂的不稳定导热问题。,立井冻结温度场,6 土体冻结基本理论,立井冻结主面、界面温度试验研究：当冻结壁厚度与冻结管间距相同时，冻结壁的两个冻结锋面就成了与井筒同心的圆柱面；冻结壁向内侧发展得快，约占总厚度的55%60%，,主、界面温度 分布试验结果,6 土体冻结基本理论,为能估算冻结壁体内的平均温度、冻结壁交

41、圈时间、确定冻结壁的强度，须研究轴面温度分布,轴面温度分布 试验研究结果,6 土体冻结基本理论,在测温点温度为负值时，适用冻结区埋论（对数曲线），此时 式中，t测温点处的冻土温度， ts盐水温度，； rf冻土半径，m； r冻土温度为t处的冻土半径，m； r冻结管半径，m； 冰冻区的温度分布自冷源（冻结管）至冻土边缘等温线呈对数曲线变化。,6 土体冻结基本理论,在测温点温度为正值时，运用降温区理论（高斯误差函数），此时 ： 式中，x测温点与冻土连缘的最小距离，m； t测温点的土层温度，； t0土层的原始温度，； 圆周率； 冻结时间，h； a冻结土层的导温系数，m2h；,6 土体冻结基本理论,6

42、土体冻结基本理论,冻结壁平均温度计算：,6.3 冻结壁厚度计算 冻结壁厚度的确定是冻结设计中的一项重要工作，无内衬支护设计主要基于经验公式。最早、最简单的公式是Lame公式，其中如冻结壁温度梯度、强度随温度变化、冻土蠕变等许多冻土性质未能得以反映，冻结深度超过100米后，计算所得冻结壁厚度比实际需要的厚度大得多，因此很多学者陆续推出了多种计算公式。,6 土体冻结基本理论,随着冻结壁厚度设计计算方法的发展，冻结壁材料经历了多种假设，如完全弹性、部分弹性、部分塑性、完全塑性和完全粘性材料等 冻结壁材料模式 (a) 完全弹性 (b) 部分弹性、部分塑性 (c) 完全塑性,6 土体冻结基本理论,6 土

43、体冻结基本理论,6 土体冻结基本理论,6 土体冻结基本理论,6 土体冻结基本理论,冻结壁的变形在时间和空间上是非线性的，变形对于冻结管和井壁的安全至关重要 冻结壁变形与多种因素有关，除上述计算分析方法外，目前国内外大量应用有限元分析和物理模拟试验的方法进行计算。而物理模拟试验成为冻结壁问题研究的主要手段 。,6 土体冻结基本理论,7.1 工程实例简介山东龙固副井,7 立井冻结工程实例,1 矿井概况 龙固矿井位于山东省巨野县境内 设计生产能力为600万吨/年，立井开拓，设两主一副一风四个井筒，在同一工业广场内，主井、风井采用钻井法施工；副井井筒的表土段及基岩上部含水层段采用冻结法施工。,副井冻结

44、深650米，是当时国内表土最深的矿井，在世界上也属少见的，采用冻结法施工，无论在设计还是施工中，都没有先例可以借鉴。,7.1 工程实例简介山东龙固副井,7.1 工程实例简介山东龙固副井,7 立井冻结工程实例,2 设计要点 以砂层满足强度要求，粘土层满足变形要求为条件，设计冻结壁厚度与强度，控制冻结壁变形，防止冻结管断裂； 采用降低盐水温度、加大盐水流量、降低井帮温度使井内基本冻实、缩小掘砌段高及井帮暴露时间、分次套壁等措施，保证施工安全。 缩短开挖时间，减少上部塌帮，保证安全前提下，尽可能创造好的掘进条件； 满足设计要求前提下，减少工程量，缩短工期。,7.1 工程实例简介山东龙固副井,3 方案

45、比较 设计提出五种冻结方案：双排孔加辅助孔冻结；主圈孔加内侧双圈辅助孔冻结；主圈孔加辅助孔冻结；主圈加内外辅助孔冻结；（定向钻孔）双排孔冻结。,7.1 工程实例简介山东龙固副井,7.1 工程实例简介山东龙固副井,4 冻结壁有限元计算 计算模型 冻结方案：主圈加双圈辅助孔方案 冻结孔布置圈径：内16.5m/中18m/外23.5m； 冻结孔数：内24个/中24个/外48个； 冻结孔深度：内568m/中650m/外588m； 冻结方式：开挖时间：120天； 预计控制层冻土发展速度：向内22mm/d、向外10mm/d； 计算掘砌段高：2.0m 。,7.1 工程实例简介山东龙固副井,4 冻结壁有限元计算

46、 计算模型,7.1 工程实例简介山东龙固副井,4 冻结壁温度场有限元计算,7.1 工程实例简介山东龙固副井,冻结壁温度场分析结果,7.1 工程实例简介山东龙固副井,5 冻结壁受力与变形分析,7.1 工程实例简介山东龙固副井,冻结壁受力与变形分析 冻结壁变形应力计算结果,7.1 工程实例简介山东龙固副井,6 冻结技术方案设计,7.1 工程实例简介山东龙固副井,国内第一个冻结深度超过600米(650m)表土最厚(567.7米)的龙固冻结机房,1 矿井概况 巨野矿区郭屯矿井位于山东省郓城县城以南10公里处，矿井设计生产能力为240万吨/年，采用立井开拓。 副井的基本技术参数,7.2 工程实例简介山东

47、郭屯副井,2 地层特点 （1）表土层深 郭屯副井表土深度583.1m，是目前国内冻结表土深度最深的冻结井。冻结深度702m也是国内目前最深的。 （2）其它特性 脆性、含水量、膨胀性、蠕变、冻结温度,3 设计原则 设计的冻结壁厚度和强度满足井筒安全掘砌施工的要求。 设计应确保基岩段封水及冻结岩帽的形成 以满足冻结壁强度，防止冻结壁变形及冻结管断裂为目的选择合理的施工方案及施工参数。 以施工安全为前提，减少工程量、提高工程效率、降低工程造价，达到安全、快速、高效的施工目的。 根据目前国内同类型矿井冻结方式并结合郭屯矿井副井实际情况，确定副井采用三圈孔加防片孔冻结方案。,4 冻结壁设计 （1）冻结壁

48、设计原则 按两种极限状态设计: 一是冻结壁的极限承载能力； 二是冻结壁极限允许变形状态。 根据郭屯副井表土层赋存特点，冻结壁设计分别以332m细砂层、583.1m粗砂层二个层位作为控制层，以575.2579.7m粘土层为冻结壁变形校核层。,7.2 工程实例简介山东郭屯副井,（2）基本设计计算参数 冻结壁内半径Ra=5.825m； 地压值（采用水土悬浮公式）：P=0.013H（MPa）； 冻结壁平均温度（控制层）； 冻土抗压强度； 冻土发展速度： 井帮温度（控制层）： 盐水温度：Tb=-30-34； 粘土层最大孔间距：L2.8m。 强度安全系数，k=22.5； 掘砌段高， 工作面冻结状态系数；,

49、7.2 工程实例简介山东郭屯副井,5 冻结孔深度 外圈孔深度 外圈孔采用局部冻结，冻结范围330605m 中圈孔深度 中圈孔采用差异冻结，长腿深度702m，短腿深度605m 内圈孔深度 内圈孔采用差异冻结，长腿702m、短度590m。 防片孔深度 设防片孔，深度235m,7.2 工程实例简介山东郭屯副井,6冻结孔布置图,7.2 工程实例简介山东郭屯副井,郭屯副井现场照片,1 概述 宁夏王洼煤矿位于固原市、彭阳县、王洼镇境内，隶属宁夏发电集团。西距固原市80KM，南距彭阳县45KM，东距甘肃省平凉市150KM，S203从矿区经过，并在向南约10KM处与G309交汇，该矿区交通便利，地表标高172

50、4.77M，工业广场地形平坦，基本达到施工条件。 王洼煤矿副斜井由宁夏煤矿设计院设计，第四系拟采用冻结法施工，据勘测资料揭露，副斜井初见水位为36.5038.30M，单位涌水量0.0040.091/s.m，单孔出水量最大为0.1221/s(9.67m3/d)最大渗透系数为0.052m/d。 垂直冻结局部冻结,7.3 工程实例简介宁夏王洼斜井冻结工程,垂直冻结局部冻结,7.3 工程实例简介宁夏王洼斜井冻结工程,7.3 工程实例简介宁夏王洼斜井冻结工程,冻结布置图,7.3 工程实例简介宁夏王洼斜井冻结工程,局部冻结器结构图,7.3 工程实例简介宁夏王洼斜井冻结工程,7.3 工程实例简介宁夏王洼斜井

51、冻结工程,8.地铁联络通道冻结法施工技术,8.1 联络通道的典型结构形式,单圆隧道联络通道（有泵房）结构型式,单圆隧道联络通道（无泵房）结构型式,8.1 联络通道的典型结构形式,双圆隧道泵房结构型式,8.1 联络通道的典型结构形式,双圆隧道结构型式,8.2 联络通道的常用施工方法,（1）类矿山法施工 联络通道一般所处地层地质条件较差，施工开挖前一般需对开挖断面周围的软土层进行预加固处理，然后拆除洞门处钢管片，以边开挖边实施临时支护层的方法建造联络通道及泵站。该方法主要有两种： A.从地面对通道所处地层进行加固，加固工法主要为搅拌、旋喷和注浆加固。该加固工法主要针对地面条件较好，施工时无须进行管

52、线、房屋搬迁，对路面交通无影响的环境。但对埋深超过30米或透水性高地层需慎重使用。,8.2 联络通道的常用施工方法,B.从隧道内对开挖断面周围土体进行水平旋喷或冻结加固。该工法主要针对地面无加固条件，或通道所处地层为透水性高的地层。 2）顶管法施工 对通道所处地层较理想（粘土层），无须建造区间泵房的，可以采用隧道内顶管顶进施工。该工法施工速度快、周期短，通道结构为预制结构，施工质量较有保证，但对高透水性地层，应慎重使用。,8.2 联络通道的常用施工方法,8.3 联络通道冻结帷幕设计,冻土帷幕设计方法是采用常规结构力学方法进行结构计算（如 有必要利用有限元分析进行验算）。将应力结果和冻土的强度

53、相比较,得出安全系数,结果列于下表 :,表中的安全系数K是由冻土强度与其相应的应力比值。冻土强度，一般-10时的粘土强度为，压=3.4Mpa, 拉=2.1Mpa。,8.4 冻结孔布置,根据冻结帷幕设计及联络通道的结构，冻结孔一般按上仰、近水平、下俯三种角度布置在联络通道和泵站的周围。 冻结孔施工前，根据管片配筋情况和钢管片加强肋的位置，适当调整冻结孔的布置位置，以避开管片的主筋和加强肋,8.5 制冷设计,8.5.1冻结参数确定 设计盐水温度为-25-30。 冻结孔单孔流量不小于45m3/h。 冻结孔终孔间距Lmax1200mm，冻土发展速度取 25mm/T，冻结帷幕交圈时间为2025天，达到设

54、计 厚度时间为3540天。 积极冻结时间3540天，维护冻结时间为30 天。 一般测温孔610个（4个兼作测压孔），分别布置 在通道内外和两侧隧道内，卸压孔布置4个，布置在 冻结帷幕中间。,8.5 制冷设计,8.5.2 冷量和冷冻机选型 冻结需冷量由下式计算： Qs=1.3.d.H.K 式中:H冻结管总长度； d冻结管直径； K冻结管散热系数； 根据冷量计算选用冷冻机 冻结需冷量也可以直接从冻土体积估算。,8.6 冻结系统辅助设备,(1)盐水循环泵的选用 (2)冷却水循环设备的选用 (3)冻结管的选用 (4)测温孔管的选用 (5)供液管的选用 (6)盐水干管和集配液圈的选 (7)冷却水管的选用

55、,8.7 联络通道冻结法施工要点,8.7.1 冻结孔施工,.施工方法一般有钻孔法、夯管锤法以及顶管法。常用的为钻机法，使用钻机进行冻结孔施工工序为：定位开孔孔口管安装孔口装置安装钻孔测量封闭孔底部打压试验。,施工工序:,8.7.1 冻结孔施工,施工工序,孔口密封装置示意图,8.7.1 冻结孔施工,钻孔偏斜和终孔间距 :,钻孔的偏斜应控制在1%以内，在确保冻土帷幕厚度的情况下，一般终孔间距不得大于1.2m，否则应补孔。 钻进过程中严格监测孔斜情况，发现偏斜要及时纠偏。下好冻结管后，进行冻结管长度的复测，然后再用经纬仪进行测斜并绘制钻孔偏斜图。冻结管长度和偏斜合格后再进行打压试漏，试验压力0.8M

56、Pa，30分钟内压力无变化为合格。,8.7.2 积极冻结与维护冻结,设备安装完毕后进行调试和试运转。冻结系统运转正常后进入积极冻结。 在积极冻结过程中，要根据实测温度数据判断冻土帷幕是否交圈和达到设计厚度，测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度后进行正式开挖。再根据冻土帷幕的稳定性，可适当提高盐水温度，进入维护冻结，但盐水温度不应高于-20。,8.7.3 开挖判定条件,1、制冷机运转正常，供冷量充分。冻结站从正式冻结稳定运行至开挖时，没有一次超过30小时的停机。 2、冻结时间达到设计冻结时间。 3、盐水系统运行正常连续，去路温度保持在-25以下，时间达28天以上。 4、各冻结孔的去、回盐水温差为1

57、.0以内，个别冻结孔（总数在20%以内）温差可以大于1但要小于2.0。 5、布置在距冻结孔1.0米范围内的测温点实测温度在0及以下。冻土的平均温度等于或小于设计值（一般取-8-10）。 6、积极冻结时间达到设计值，并要求盐水温度达到设计最低盐水温度。,8.7.3 开挖判定条件,7、根据测温孔测温结果计算，不同断面的冻土帷幕温度和厚度达到或超过设计值。 8、泄压孔水压力增加，冒出的水量与冻胀水量理论值基本一致。 9、打探孔检查冻土帷幕与隧道之间的界面冻结温度达到-5以下，探孔位置应选在孔间距较大处或冻结有异常处、缓冻区附近以及实测冻土帷幕较薄的位置等。 10、打开泄压孔确认无泥水涌出。 11、已

58、安装防护门且确认防护门启闭功能正常，接好供气、供水管道。 12、作好其他开挖准备工作及应急处理措施。 13、经建设、科研、设计、施工、监测、监理等单位各方协商确认后，方可开挖通道。,8.7.4 开挖与构筑,临时支护:,联络通道开挖后，地层中原有的应力平衡受到破坏，引起通道周围地层中的应力重新分布，这种重新分布的应力不仅使上部地层产生位移，而且会形成新的附加荷载作用在已加固好的冻土帷幕上，当冻土帷幕所承受的压力超过冻土强度时，冻土帷幕及冻结管会产生蠕变，为控制这种变形的发展，冻土开挖后就要及时对冻结壁进行及时的支护，所以联络通道的临时支护即做为维护地层稳定，确保施工安全的一项重要技术措施，又作为

59、永久支护的一部分，是支护工艺关键的一步。,8.7.4 开挖与构筑,临时支护,临时支架示意图,临时支架照片,8.7.5 开挖与构筑,应急门的设计和安装:,考虑到联络通道施工的风险，为了保证施工期间，特别是开管片前后的隧道安全，预防突发事件的发生，在通道开管片处加设应急门，当出现突发事件，关闭应急门，保证隧道的安全。,应急门的设计和安装,8.7.6 构筑施工方法,（1）开挖顺序,在施工必须的准备工作做好后，根据开挖判定条件可以进行开挖，可先拆除一片钢管片，观测工作面情况，认为可行后，拆除剩余钢管片。具体方法： 开管片时，准备2台32t千斤顶，5t、10t和2t手拉葫芦各一个。两台千斤顶架在被开管片两侧，中间用一根横梁同钢管片直接相连，通过顶推横梁向外推拉钢管片，5t、10t葫芦作为主拉拔管片用，一端钩住欲拆管片，一端套挂在对