【正文】 .................. 53 盾構(gòu)管片背后土體凍脹壓力監(jiān)測(cè) ............................................................... 54 盾構(gòu)隧道變形監(jiān)測(cè) .................................................................................... 55 凍結(jié)過(guò)程中若干問(wèn)題及對(duì)策 ............................................................................... 57 鹽水凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的控制 ......................................................................... 57 凍脹的控制 .............................................................................................. 57 融沉的控制 .............................................................................................. 58 施工過(guò)程中對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的控制 .................................................................. 58 結(jié)論與展望 .................................................................................................................... 60 參考文獻(xiàn) .......................................................................................................... 61 5 第一章 緒論 選題意義 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人口的不斷增長(zhǎng)和土地資源的稀缺性。 人工土凍結(jié)法由于基本不受支護(hù)范圍和支護(hù)深度的限制，以及能有效防止 涌水以及施工中相臨土體的變形而受到越來(lái)越多的重視，并將是完成地下工程的主要技術(shù)手段之一。 地層土人工凍結(jié)技術(shù)是一種起源于天然凍結(jié)現(xiàn)象的土層加固技術(shù)。此外，凍結(jié)法施工不污染環(huán)境，不受凍結(jié)深度和凍結(jié)范圍的限制。我國(guó)目前在城市進(jìn)行市政巖土工程及地下空間開(kāi)發(fā)中遇到許多傳統(tǒng)巖土工程方法難于解決的問(wèn)題，如地鐵、隧道中一些不能用盾構(gòu)法施工的小而形狀不一的工程和湖底、河底近距離隧道工程及河岸近距離基坑工程等。常規(guī)支護(hù)方法是采用注漿、深層攪拌樁、地下連續(xù)墻法、當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)可以人工降低水位法，這些方法在我國(guó)基礎(chǔ)工程施工中已取得許多成功的經(jīng)驗(yàn)，但也存在一些問(wèn)題。地鐵隧道凍結(jié)法施工凍結(jié)壁溫度場(chǎng)及地表凍脹位移數(shù)值試驗(yàn)研究人工地層凍結(jié)技術(shù)用于采礦鑿井在國(guó)外有 100 余年的歷史，在中國(guó)也有 40 余年，然而，它在其他巖土工程的應(yīng) 7 用中尚處于起步階段。 近些年來(lái)，隨著地下鐵道建設(shè)的興起，人工凍結(jié)技術(shù)己開(kāi)始逐步被應(yīng)用于城市地下鐵道的隧道施工。由于國(guó)內(nèi)各大城市地鐵隧道、公路隧道等地下工程的興建，凍結(jié)法基本上已經(jīng)成為地下隧道中聯(lián)絡(luò)通道、泵站和盾構(gòu)進(jìn)出洞等重要工程施工的一種專用方法 ， 在北京地鐵大北窯車站區(qū)間隧道施工首次成功地采用了局部水平凍結(jié)技術(shù)，水平凍結(jié)長(zhǎng)度超過(guò) 40m。過(guò)量的凍脹會(huì)對(duì)地表建筑、交通和地下管線產(chǎn)生破壞作用。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1862 年英國(guó)工程師南威爾士在建筑基礎(chǔ)施工中，首次使用了人工制冷技術(shù)加固土壤。當(dāng)前人工凍結(jié)技術(shù)已是世界許多國(guó)家如德國(guó)、美國(guó)、日本、意 大利等國(guó)家城市地下工程不可缺少的手段，例如 1906 年橫斷法國(guó)塞納河底地鐵工程， 1942 年英國(guó)的上水道管渠道工程， 1973 年美國(guó)的河底取水豎井安裝工程。凍結(jié)法鑿井就是在井筒開(kāi)挖之前，采用人工制冷的方法，將井筒周圍含水地層凍結(jié)成一個(gè)封閉的不透水的帷幕一凍土墻 （ 簡(jiǎn)稱凍結(jié)壁 ） ，用于抵抗地壓、水壓、隔絕地下水與井筒地鐵隧道凍結(jié)法施工凍結(jié)壁溫度場(chǎng)及地表凍脹位移數(shù)值試驗(yàn)研究之間的聯(lián)系，而后在其保護(hù)下掘砌工作。 9 20 世紀(jì) 80 年代至 90 年代主要是 Konrad 的分凝勢(shì)模型和 Miller 的剛性冰模型，采用分析解和有限元法，對(duì)土體凍結(jié)過(guò)程中的水流、凍脹、分凝冰和溫度進(jìn)行預(yù)報(bào)，采用的參數(shù)主要是未凍水含量與溫度關(guān)系，以及孔隙度、滲透系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量等。 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，開(kāi)始提出熱力學(xué)模型，采用有限元法對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變、水流和溫度進(jìn)行預(yù)報(bào)，主要采 用楊氏模量、泊松比、蠕變定律的 6 個(gè)參數(shù)、導(dǎo)濕系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量等，但熱力學(xué)模型只用熱力學(xué)理論描述微觀凍脹機(jī)理，并不能解決實(shí)際應(yīng)用，因此熱力學(xué)模型的研究還需深入。因此，此方向課題還有待于進(jìn)一步探討。凍結(jié)緣理論克服了毛細(xì)理論的不足。陳湘生于 1999 年在清華大學(xué)離心機(jī)上進(jìn)行了土壤凍脹離心模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了土中溫度傳遞、凍脹縮比等的可靠性。粘土凍融后，滲透性大大增加，為原狀土的 3 一 10 倍，而砂土僅略有增大，粘土凍融后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是原狀土 的 1/3 一 1/2， 靈敏度降低。 肉眼可見(jiàn)分 凝冰，但冰層厚度小于 （ V）： ① 單個(gè)冰晶體或冰包裹體的凍土（ Vx），可定名為少冰凍土（ S）； ② 在顆粒周圍有冰膜的凍土（ Vc），可定名為多冰凍土（ D）； ③ 不規(guī)則走向的冰條帶凍土（ Vr），可定名為富冰凍土（ F）； ④ 層狀或明顯定向的冰條帶凍土（ Vs），可定名為飽冰凍土（ B） 。 表 22 季節(jié)活動(dòng)層的類型和分布 類型 年平均地溫（ ℃ ） 最大厚度（ m） 下臥地層 分布地區(qū) 季節(jié)凍土層 0 2~3（或更厚） 融土層或不銜接 的多年凍土層 多年凍土區(qū)的 融區(qū)地帶 季節(jié)融化層 0 2~3（或更厚） 銜接的多年 凍土層 多年凍土區(qū)的大片多年凍土地帶 其他類型的凍土 按凍土的含冰特征，可定名為少冰凍土、多 冰凍土、富冰凍土、飽冰凍土和含冰土層。 表 23 鹽漬化凍土的鹽漬度界限值 土類 含細(xì)粒土砂 粉土 粉質(zhì)黏土 黏土 鹽漬度 鹽漬化凍土的鹽漬度（ ζ）可按下式計(jì)算： 13 %100d ?? gmg? 式中： gm ——凍 土中含易溶鹽的質(zhì)量（ g）； dg ——土骨架質(zhì)量（ g）。堅(jiān)硬凍土： vm ≤；塑性凍土： vm ＞ ；松散凍土： ω≤3%。 ② 細(xì)顆粒土凍結(jié)，呈整體狀。 ③ 融化后不產(chǎn)生融沉現(xiàn)象。 ② 細(xì)顆粒土凍結(jié)，呈微層狀構(gòu)造，可見(jiàn)薄冰層或薄透鏡體冰。 15 層 狀 構(gòu) 造 層狀（冰厚一般可達(dá)5~10mm） ① 巖性以粉砂土為主。 ③ 凍結(jié)強(qiáng)度高很難擊碎 ① 融化后土體積縮小。 ② 一般分布在塔頭沼澤和低洼地帶。 ① 融化后土體積明顯縮小，水土界限分明，并可成流動(dòng)狀態(tài)。 ② 冰體積大于土體積。 凍土形成過(guò)程 實(shí)驗(yàn)得出土中水結(jié)冰過(guò)程曲線如圖 21 所示，可以分為以下幾個(gè)階段： 16 圖 21 土中水凍結(jié)過(guò)程曲線 （ 1） 冷卻段：向圖層傳遞冷量后，土層逐步降溫至水的冰點(diǎn)。 （ 5）凍土繼續(xù)冷 卻段：隨著溫度的降低，凍土強(qiáng)度逐漸提高。 在凍土的形成過(guò)程中，往往伴隨著水的過(guò)冷現(xiàn)象和水分遷移。由于土粒間彼此的距離很小，甚至互相接觸，所以相鄰兩個(gè)土粒的薄膜水就匯合在一起形成公共水化膜。水結(jié)冰后體積增大 9%，當(dāng)這種體積膨脹足以引起土顆粒間的相對(duì) 位移時(shí)，就形成了凍土的凍脹，并產(chǎn)生膨脹力。 土顆粒表面帶負(fù)電荷，當(dāng)水接近它時(shí)，就在這種靜電的引力作用下產(chǎn)生極化，使靠近土顆粒表面的水分子失去自由活動(dòng)的能力而整齊、緊密的排列起來(lái)，如圖22 a、 b、 c 所示。更遠(yuǎn)的水則完全受重力場(chǎng)控制，形成重力水（自由水），也就是普通的液態(tài)水。薄膜水的比重也大于 1，冰點(diǎn)也低于 0℃ ，一般在 － 20℃ ～ － 30℃ 時(shí)才全部?jī)鼋Y(jié)。人工凍結(jié)法主要是凍結(jié)自由水，它的含量多少直接影響著冷量的消耗量、凍結(jié)速度和凍土強(qiáng)度。當(dāng)?shù)貙雍}或受到鹽水 侵害時(shí)都會(huì)降低結(jié)冰的冰點(diǎn)，其程度與溶解物質(zhì)的數(shù)量成正比例關(guān)系。 鹽水溶液溶液在一定的濃度和溫度下凝結(jié)成一種均勻的物體時(shí)，這種鹽水鹽溶液的 濃度和溫度稱為低融冰鹽共晶點(diǎn)。10H2O 硫酸銅 CuSO4 135 － 冰 +CuSO47H2O 氯化鉀 KCl 246 － 冰 +KCl 氯化銨 NH4Cl 245 － 冰 +NH4Cl 硝酸銨 NO3NH4 80 747 － 冰 +NO3NH4 硫酸銨 （ NH4） 2SO4 132 663 － 冰 +（ NH4） 2SO4 氯化鈉 NaCl 290 － 冰 +NaCl12H2O 氯化銅 CuCl2 592 － 冰 +CuCl26H2O 硫酸 H2SO4 612 － 冰 +H2SO4 地下水的運(yùn)動(dòng)類型可分為兩類：一是自然條件所引起的流動(dòng)；二是人為原因所引起的流動(dòng)。 土中水的性態(tài)與土質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，土體有原狀土和非原狀土之分，原狀土中砂層、礫卵石土層中水的滲透速度較大，非原狀土如回填土主要看回填土質(zhì)和固結(jié)狀況，較為復(fù)雜。根據(jù)土的成分與孔隙率計(jì)算滲透系數(shù)公式為： )(1010 tcdk ?? 式中： 10k ——當(dāng)溫度為 10℃ 時(shí)的滲 透系數(shù)（ m/d）； c——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，范圍在 400～ 1200，隨著粒徑組成而定，一般黏土質(zhì)砂 為 500～ 700，純砂為 700～ 1000； 10d ——有效粒徑，小于這種直徑的顆粒在土中占 10%（ mm）； t——滲透水的溫度（ ℃ ）。因此除礫石層外，在自然條件下的粒狀巖層中的地下水，對(duì)于人工凍結(jié)巖石來(lái)說(shuō)，是不會(huì)發(fā)生困難的。 在河床或水池中凍結(jié)巖石時(shí)地下水可能產(chǎn)生較大的流速。有些井筒在凍結(jié) 過(guò)程中盲目設(shè)置水井，抽水時(shí)認(rèn)為的加大地下水流速，人為抽水引起的地下水流速往往要比自然流速大幾倍甚至大幾十倍，凍結(jié)壁遲遲不能交圈。氨循環(huán) 氨循環(huán)的制冷過(guò)程實(shí)際上是熱工轉(zhuǎn)換過(guò)程。氨 循環(huán)系統(tǒng)由鹽水箱、鹽水泵、去路鹽水干管、配液圈、凍結(jié)器、集液圈及回路鹽水干管組成。積極凍結(jié)期間，凍結(jié)器進(jìn)出口溫差一般為 3到 7℃，消極凍結(jié)期間，其進(jìn)出口溫差一般為 1 到 3℃。這種開(kāi)放式鹽水循環(huán)用管量大，較閉路就循環(huán)復(fù)雜。冷卻水循環(huán)在制冷過(guò)程中的作用是將壓縮機(jī)排出的過(guò)熱蒸汽冷卻成液態(tài)氨，以便進(jìn)入蒸發(fā)器重新蒸發(fā)。凍土的形成是一個(gè)物理力學(xué)過(guò)程，隨著溫度的降低，凍土的強(qiáng)度逐漸增大。 溫度場(chǎng)和凍結(jié)速度 凍結(jié)地層的溫度場(chǎng) 地層凍結(jié)是通過(guò)一個(gè)個(gè)的凍結(jié)管向地層輸送冷量的結(jié)果。地層中溫度曲線呈對(duì)數(shù)曲線分布。 凍脹和融沉效 應(yīng) 土的冷卻使土體中產(chǎn)生一定的溫度梯度，使土中的水流向土的冷卻部分。土中的冰融化還意味著土中含水量的增加，并可能重新導(dǎo)致過(guò)飽和土中孔隙壓力的顯 著增加?；旧鲜请S時(shí)間及溫度變化。 凍土有兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)，一是凍土的瞬時(shí)強(qiáng)度，即接近于最大值的強(qiáng)度，通常采用極限強(qiáng)度。瞬時(shí)強(qiáng)度比 持久 強(qiáng)度要大許多，負(fù)溫值越高，兩者相差越大。 單軸抗壓強(qiáng)度 凍土極限抗壓強(qiáng)度 )(MPac? ，按下列方程式確定（在一定的負(fù)溫范圍內(nèi)）： 中砂 2/121 tCCc ??? 粉砂和粗砂 tCCc 21??? 式中 C1和 C2——根據(jù)土的空隙率和溫度選取的系數(shù)； 30 t—凍結(jié)土的溫度（ ℃ ） 溫度是控制凍土強(qiáng)度的主要因素 。 土質(zhì)是影響凍土抗壓強(qiáng)度的重要因素之一 實(shí)驗(yàn)表明，在其它條件相同時(shí)，土顆粒越粗，凍土強(qiáng)度越高，反之，越低。相反，粘土類土的顆粒很細(xì)，總表面積大，表面能也大，其中有較多的吸附水和薄膜水。當(dāng)含水量大大超過(guò)飽和含水率時(shí)，凍土強(qiáng)度就降低到接近冰的強(qiáng)度 ，此時(shí)含水量增加時(shí)，凍土抗壓強(qiáng)度反而降低 。 近年來(lái)隨著科學(xué)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外也有許多新的方法來(lái)計(jì)算飽和凍砂土的極限抗壓強(qiáng)度。影響凍 土抗拉強(qiáng)度的因素和影響凍土抗壓強(qiáng)度的因素基本相同，可是抗拉伸蠕變也有其重要特點(diǎn)?？估瓘?qiáng)度比抗壓強(qiáng)度小 50%～ 80%。試樣的中間部分長(zhǎng)度 L 和直徑 d 的比約為 ～ ，兩頭部分的直徑 D 為（ ～ ） d，變直徑的曲率半徑為（ 1～ 2）d，這種試驗(yàn)方法容易受到一些細(xì)小裂紋和別的缺陷的影響。 根據(jù)文獻(xiàn)表明，試樣為圓柱形，兩頭被固定在上下兩個(gè)內(nèi)壁面的金屬夾中，工作段高 100mm，直徑為 ，實(shí)驗(yàn)表明拉伸的一個(gè)重要特點(diǎn)是脆性，變形不是很大就已經(jīng)破壞。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中均聽(tīng)到 “啪 ”的聲響，然后進(jìn)行壓力機(jī)指針回轉(zhuǎn)，分別記下破壞荷載值，根據(jù)公式計(jì)算抗拉強(qiáng)度。 （ 3）劈裂法不但有拉應(yīng)力還有壓應(yīng)力作用，而試件屬于受拉破