【正文】 .................. 53 盾構管片背后土體凍脹壓力監(jiān)測 ............................................................... 54 盾構隧道變形監(jiān)測 .................................................................................... 55 凍結過程中若干問題及對策 ............................................................................... 57 鹽水凍結系統(tǒng)運轉的控制 ......................................................................... 57 凍脹的控制 .............................................................................................. 57 融沉的控制 .............................................................................................. 58 施工過程中對關鍵技術的控制 .................................................................. 58 結論與展望 .................................................................................................................... 60 參考文獻 .......................................................................................................... 61 5 第一章 緒論 選題意義 隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人口的不斷增長和土地資源的稀缺性。 人工土凍結法由于基本不受支護范圍和支護深度的限制，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越多的重視，并將是完成地下工程的主要技術手段之一。 地層土人工凍結技術是一種起源于天然凍結現(xiàn)象的土層加固技術。此外，凍結法施工不污染環(huán)境，不受凍結深度和凍結范圍的限制。我國目前在城市進行市政巖土工程及地下空間開發(fā)中遇到許多傳統(tǒng)巖土工程方法難于解決的問題，如地鐵、隧道中一些不能用盾構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)支護方法是采用注漿、深層攪拌樁、地下連續(xù)墻法、當?shù)叵滤惠^高時可以人工降低水位法，這些方法在我國基礎工程施工中已取得許多成功的經(jīng)驗，但也存在一些問題。地鐵隧道凍結法施工凍結壁溫度場及地表凍脹位移數(shù)值試驗研究人工地層凍結技術用于采礦鑿井在國外有 100 余年的歷史，在中國也有 40 余年，然而，它在其他巖土工程的應 7 用中尚處于起步階段。 近些年來，隨著地下鐵道建設的興起，人工凍結技術己開始逐步被應用于城市地下鐵道的隧道施工。由于國內(nèi)各大城市地鐵隧道、公路隧道等地下工程的興建，凍結法基本上已經(jīng)成為地下隧道中聯(lián)絡通道、泵站和盾構進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技術，水平凍結長度超過 40m。過量的凍脹會對地表建筑、交通和地下管線產(chǎn)生破壞作用。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1862 年英國工程師南威爾士在建筑基礎施工中，首次使用了人工制冷技術加固土壤。當前人工凍結技術已是世界許多國家如德國、美國、日本、意 大利等國家城市地下工程不可缺少的手段，例如 1906 年橫斷法國塞納河底地鐵工程， 1942 年英國的上水道管渠道工程， 1973 年美國的河底取水豎井安裝工程。凍結法鑿井就是在井筒開挖之前，采用人工制冷的方法，將井筒周圍含水地層凍結成一個封閉的不透水的帷幕一凍土墻 （ 簡稱凍結壁 ） ，用于抵抗地壓、水壓、隔絕地下水與井筒地鐵隧道凍結法施工凍結壁溫度場及地表凍脹位移數(shù)值試驗研究之間的聯(lián)系，而后在其保護下掘砌工作。 9 20 世紀 80 年代至 90 年代主要是 Konrad 的分凝勢模型和 Miller 的剛性冰模型，采用分析解和有限元法，對土體凍結過程中的水流、凍脹、分凝冰和溫度進行預報，采用的參數(shù)主要是未凍水含量與溫度關系，以及孔隙度、滲透系數(shù)、導熱系數(shù)和熱容量等。 20 世紀 90 年代以來，開始提出熱力學模型，采用有限元法對應力、應變、水流和溫度進行預報，主要采 用楊氏模量、泊松比、蠕變定律的 6 個參數(shù)、導濕系數(shù)、導熱系數(shù)和熱容量等，但熱力學模型只用熱力學理論描述微觀凍脹機理，并不能解決實際應用，因此熱力學模型的研究還需深入。因此，此方向課題還有待于進一步探討。凍結緣理論克服了毛細理論的不足。陳湘生于 1999 年在清華大學離心機上進行了土壤凍脹離心模擬試驗，驗證了土中溫度傳遞、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，粘土凍融后無側限抗壓強度是原狀土 的 1/3 一 1/2， 靈敏度降低。 肉眼可見分 凝冰，但冰層厚度小于 （ V）： ① 單個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 含細粒土砂 粉土 粉質黏土 黏土 鹽漬度 鹽漬化凍土的鹽漬度（ ζ）可按下式計算： 13 %100d ?? gmg? 式中： gm ——凍 土中含易溶鹽的質量（ g）； dg ——土骨架質量（ g）。堅硬凍土： vm ≤；塑性凍土： vm ＞ ；松散凍土： ω≤3%。 ② 細顆粒土凍結，呈整體狀。 ③ 融化后不產(chǎn)生融沉現(xiàn)象。 ② 細顆粒土凍結，呈微層狀構造，可見薄冰層或薄透鏡體冰。 15 層 狀 構 造 層狀（冰厚一般可達5~10mm） ① 巖性以粉砂土為主。 ③ 凍結強度高很難擊碎 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，并可成流動狀態(tài)。 ② 冰體積大于土體積。 凍土形成過程 實驗得出土中水結冰過程曲線如圖 21 所示，可以分為以下幾個階段： 16 圖 21 土中水凍結過程曲線 （ 1） 冷卻段：向圖層傳遞冷量后，土層逐步降溫至水的冰點。 （ 5）凍土繼續(xù)冷 卻段：隨著溫度的降低，凍土強度逐漸提高。 在凍土的形成過程中，往往伴隨著水的過冷現(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，所以相鄰兩個土粒的薄膜水就匯合在一起形成公共水化膜。水結冰后體積增大 9%，當這種體積膨脹足以引起土顆粒間的相對 位移時，就形成了凍土的凍脹，并產(chǎn)生膨脹力。 土顆粒表面帶負電荷，當水接近它時，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的能力而整齊、緊密的排列起來，如圖22 a、 b、 c 所示。更遠的水則完全受重力場控制，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，冰點也低于 0℃ ，一般在 － 20℃ ～ － 30℃ 時才全部凍結。人工凍結法主要是凍結自由水，它的含量多少直接影響著冷量的消耗量、凍結速度和凍土強度。當?shù)貙雍}或受到鹽水 侵害時都會降低結冰的冰點，其程度與溶解物質的數(shù)量成正比例關系。 鹽水溶液溶液在一定的濃度和溫度下凝結成一種均勻的物體時，這種鹽水鹽溶液的 濃度和溫度稱為低融冰鹽共晶點。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 地下水的運動類型可分為兩類：一是自然條件所引起的流動；二是人為原因所引起的流動。 土中水的性態(tài)與土質結構有關，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和固結狀況，較為復雜。根據(jù)土的成分與孔隙率計算滲透系數(shù)公式為： )(1010 tcdk ?? 式中： 10k ——當溫度為 10℃ 時的滲 透系數(shù)（ m/d）； c——經(jīng)驗系數(shù)，范圍在 400～ 1200，隨著粒徑組成而定，一般黏土質砂 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，對于人工凍結巖石來說，是不會發(fā)生困難的。 在河床或水池中凍結巖石時地下水可能產(chǎn)生較大的流速。有些井筒在凍結 過程中盲目設置水井，抽水時認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，凍結壁遲遲不能交圈。氨循環(huán) 氨循環(huán)的制冷過程實際上是熱工轉換過程。氨 循環(huán)系統(tǒng)由鹽水箱、鹽水泵、去路鹽水干管、配液圈、凍結器、集液圈及回路鹽水干管組成。積極凍結期間，凍結器進出口溫差一般為 3到 7℃，消極凍結期間，其進出口溫差一般為 1 到 3℃。這種開放式鹽水循環(huán)用管量大，較閉路就循環(huán)復雜。冷卻水循環(huán)在制冷過程中的作用是將壓縮機排出的過熱蒸汽冷卻成液態(tài)氨，以便進入蒸發(fā)器重新蒸發(fā)。凍土的形成是一個物理力學過程，隨著溫度的降低，凍土的強度逐漸增大。 溫度場和凍結速度 凍結地層的溫度場 地層凍結是通過一個個的凍結管向地層輸送冷量的結果。地層中溫度曲線呈對數(shù)曲線分布。 凍脹和融沉效 應 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，并可能重新導致過飽和土中孔隙壓力的顯 著增加?；旧鲜请S時間及溫度變化。 凍土有兩個強度指標，一是凍土的瞬時強度，即接近于最大值的強度，通常采用極限強度。瞬時強度比 持久 強度要大許多，負溫值越高，兩者相差越大。 單軸抗壓強度 凍土極限抗壓強度 )(MPac? ，按下列方程式確定（在一定的負溫范圍內(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—凍結土的溫度（ ℃ ） 溫度是控制凍土強度的主要因素 。 土質是影響凍土抗壓強度的重要因素之一 實驗表明，在其它條件相同時，土顆粒越粗，凍土強度越高，反之，越低。相反，粘土類土的顆粒很細，總表面積大，表面能也大，其中有較多的吸附水和薄膜水。當含水量大大超過飽和含水率時，凍土強度就降低到接近冰的強度 ，此時含水量增加時，凍土抗壓強度反而降低 。 近年來隨著科學的發(fā)展，國內(nèi)外也有許多新的方法來計算飽和凍砂土的極限抗壓強度。影響凍 土抗拉強度的因素和影響凍土抗壓強度的因素基本相同，可是抗拉伸蠕變也有其重要特點。抗拉強度比抗壓強度小 50%～ 80%。試樣的中間部分長度 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，這種試驗方法容易受到一些細小裂紋和別的缺陷的影響。 根據(jù)文獻表明，試樣為圓柱形，兩頭被固定在上下兩個內(nèi)壁面的金屬夾中，工作段高 100mm，直徑為 ，實驗表明拉伸的一個重要特點是脆性，變形不是很大就已經(jīng)破壞。在實驗過程中均聽到 “啪 ”的聲響，然后進行壓力機指針回轉，分別記下破壞荷載值，根據(jù)公式計算抗拉強度。 （ 3）劈裂法不但有拉應力還有壓應力作用，而試件屬于受拉破