【正文】 表28各種巖石滲透系數(shù)巖石名稱滲透系數(shù)kcm/sm/d略呈黏土質(zhì)的細(xì)砂和粉砂～～略呈黏土質(zhì)的中粒砂和粉砂～～小礫石粗砂～～432中粒和粗粒的礫石～1432～864滲透系數(shù)與土層的成分和孔隙率的關(guān)系為土的滲透系數(shù)隨著黏土含量，特別是活動(dòng)性黏土礦物（如蒙脫石）含量的增加而減小，隨著孔隙率和空隙直徑的增大而增大。因此，為了避免在這些巖層中凍結(jié)法生困難，就必須等待地下水水位降低到該地區(qū)正常水位后才能進(jìn)行凍結(jié)；如果在粗粒石內(nèi)含有細(xì)砂或黏土，那么這些細(xì)砂或黏土就會(huì)降低礫石層的滲透系數(shù)，也就成為阻礙地下水自然流速的因素。 第三章 人工凍結(jié)法原理及其力學(xué)參數(shù)和特性 制冷技術(shù)是由三大循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成，即氨循環(huán)、鹽水循環(huán)和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)工程需要可采用正反兩種鹽水循環(huán)系統(tǒng)，正常情況下用正循環(huán)供液。通過(guò)冷凝器進(jìn)行熱交換，然后流入冷卻塔再進(jìn)入冷卻水池，冷卻后的循環(huán)水應(yīng)隨時(shí)由地下水補(bǔ)充。 常規(guī)的土層凍結(jié)對(duì)地下水水流速度和水中的鹽分有一定的要求，因?yàn)樗宣}分過(guò)高，會(huì)降低水溶液的結(jié)冰溫度，而土中水流速度過(guò)大，除了增加凍結(jié)難度，而且也會(huì)影響凍結(jié)壁的穩(wěn)定性。它還與凍結(jié)管內(nèi)的鹽水溫度、鹽水流量和流動(dòng)狀態(tài)、土層性質(zhì)、凍結(jié)管直徑、地層原始地溫等有關(guān)，影響因素較多，解析理論分析很復(fù)雜，一般按凍結(jié)過(guò)程中測(cè)溫孔觀測(cè)到的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式推算。圖31凍土的應(yīng)力應(yīng)變曲線（t=－10℃）式中：——應(yīng)力（MPa）； ——應(yīng)變（%）； ——稱為可變模量（MPa），為隨時(shí)間和溫度變化的參數(shù)； ——為強(qiáng)化系數(shù)。由于在凍土內(nèi)存在冰和未凍水，故其具有流變性即凍土強(qiáng)度隨著載荷作用時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。然而，隨著負(fù)溫的增加，強(qiáng)度的增長(zhǎng)逐漸變緩，所以，強(qiáng)度并非隨溫度下降呈線性增長(zhǎng)。土中含水量未達(dá)到飽和時(shí)，凍土強(qiáng)度隨著含水率增加而增高；一旦達(dá)到飽和后，含水量再增加時(shí)，凍土強(qiáng)度反而會(huì)降低。凍土的抗拉強(qiáng)度是指凍土所能承受的最大拉應(yīng)力。例如日本學(xué)者木下誠(chéng)一采用圓柱形式樣，具有圓柱體的兩頭直徑稍微大一些，以便能卡主。式樣凍到所需要的程度，然后維持48小時(shí)后，進(jìn)行劈裂實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于砂土和粘性土，無(wú)論是原狀土還是重塑土，其凍結(jié)后的抗剪強(qiáng)度均可用庫(kù)侖公式表示：式中： ——瞬時(shí)剪切強(qiáng)度（MPa）； ——凍土的粘結(jié)力（MPa）； ——正應(yīng)力（MPa）； ——凍土的內(nèi)摩擦角。在荷載的長(zhǎng)期作用下，凍土的抗剪強(qiáng)度降低特別大，這主要是黏結(jié)力強(qiáng)烈降低造成的。1℃15177。凍結(jié)壁中等溫線如圖41所示。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：式中：——無(wú)外載條件下的未凍水含量（%）； ——凍土溫度，取絕對(duì)值（℃）； ——由土質(zhì)決定的常數(shù)，由試驗(yàn)確定?？紫端畠鼋Y(jié)的同時(shí)伴隨著土體體積增大、析冰作用、土顆粒凍結(jié)。對(duì)煤礦井筒和隧道工程等一些圓形和近圓形結(jié)構(gòu)，選用圓形和橢圓形帷幕，能充分利用凍土墻的抗壓承載能力，具有最好的受力性能，經(jīng)濟(jì)也較合理。先是根據(jù)荷載分布確定凍土帷幕的應(yīng)力及彎矩分布，然后假定凍土帷幕的性質(zhì)類似彈性體，將計(jì)算出的應(yīng)力結(jié)果與凍土強(qiáng)度隨時(shí)間及溫度的變化進(jìn)行比較。（2）異徑凍結(jié)方案當(dāng)需要加快凍結(jié)速度，盡快形成凍結(jié)壁時(shí)，可采用異徑凍結(jié)方案。差異凍結(jié)也稱長(zhǎng)短腿凍結(jié)，他使用的凍結(jié)管分長(zhǎng)短兩種，間隔布置在一圈上。凍結(jié)法鑿井所鉆的鉆孔按用途可分為凍結(jié)孔、水位觀察孔和測(cè)溫孔3種。以上計(jì)算為深厚表土的凍結(jié)孔布置圈徑設(shè)計(jì)提供了參考。鉆孔偏斜值不合格時(shí)，必須重新鉆孔。在安裝主要含水層的濾水裝置時(shí)，絕不可使各個(gè)含水層連通，以便分層觀察其水位變化，在這一點(diǎn)一定要注意。開(kāi)鉆前，先在井口修建一個(gè)帶有軌道的環(huán)形平臺(tái)，平臺(tái)基礎(chǔ)是一個(gè)灰土盤(pán)。鉆孔傾角和方位，然后計(jì)算鉆孔偏斜率。用放大鏡可讀出方位角和鉆孔傾斜角。3′～177。300≤300m時(shí)，＜177。由此測(cè)出鉆孔傾斜角，根據(jù)電纜下放狀況測(cè)得鉆孔長(zhǎng)度，然后計(jì)算鉆孔偏斜值。糾偏鉆具組合（自上而下）：142mm三牙齒輪鉆頭+戴納鉆頭+斜向器+89mm鉆桿+主動(dòng)鉆桿。這種情況下，隧道可能出現(xiàn)位移過(guò)大，管片的變形超過(guò)允許值，出現(xiàn)滲漏水等情況，影響隧道的正常使用。（5）聯(lián)絡(luò)通道土體開(kāi)挖多采用礦山法一邊挖邊臨時(shí)支護(hù)，臨時(shí)支護(hù)采用型鋼支架、木背板并噴射混凝土，能起到支護(hù)和凍土墻體保溫的雙重作用。本工程初始方案為聯(lián)絡(luò)通道范圍采用地面雙管旋噴樁加固，考慮到被加固地層為砂層、地下水流動(dòng)性較強(qiáng)，一旦出現(xiàn)漏水涌砂，則有可能淹沒(méi)隧道。圖52上行線凍結(jié)孔、測(cè)溫孔、卸壓孔及測(cè)壓孔布置圖53下行線凍結(jié)孔、測(cè)溫孔、卸壓孔及測(cè)壓孔布置根據(jù)本工程實(shí)際情況，制冷設(shè)備選擇2臺(tái)套WYSLGF300Ⅱ型螺桿壓縮機(jī)組（一臺(tái)備用）。凍結(jié)孔單孔流量大于5 m3/h。注漿以少量多次為原則，反復(fù)注漿，直至達(dá)到控制要求。為了解不同時(shí)期凍結(jié)帷幕溫度場(chǎng)的發(fā)展情況，掌握凍結(jié)鋒面的擴(kuò)展速度、凍結(jié)帷幕形成狀況以及開(kāi)挖施工時(shí)間，對(duì)凍結(jié)帷幕溫度場(chǎng)進(jìn)行了同步監(jiān)測(cè)。從溫度監(jiān)測(cè)情況（圖57）可以看出，凍土溫度保持較好，確保了凍土的強(qiáng)度，表明冷凍盤(pán)管加保溫板的方案是可行的。圖54 C4測(cè)孔兩處測(cè)點(diǎn)溫度變化圖55 C7測(cè)孔兩處測(cè)點(diǎn)溫度變化 由圖中可以看出C4測(cè)控內(nèi)的溫度變化趨勢(shì)大致相同，C7測(cè)孔的兩處溫度變化趨勢(shì)也基本一致，這說(shuō)明測(cè)溫孔內(nèi)的溫度變化比較穩(wěn)定，保溫措施較好。地鐵某區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道工程自9月21日開(kāi)機(jī)凍結(jié)，50 d后根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析： m，土體凍結(jié)平均溫度低于10℃，凍結(jié)厚度和平均溫度滿足要求，具備開(kāi)挖條件。聯(lián)絡(luò)通道主體結(jié)構(gòu)施工完畢后，凍結(jié)停止，凍土融化。通道冷卻水循環(huán)選用IS150125315 型（1臺(tái)），流量為200 m3/h，電機(jī)功率30 kW。鑒于工程工期、 施工安全以及降低工程風(fēng)險(xiǎn)，決定采用凍結(jié)法對(duì)原有加固范圍進(jìn)行凍結(jié)，完成聯(lián)絡(luò)通道施工，即采用在地鐵隧道內(nèi)水平凍結(jié)加固聯(lián)絡(luò)通道周邊土體，形成強(qiáng)度高、封閉性好的凍結(jié)帷幕，在凍土中采用礦山法開(kāi)挖構(gòu)筑聯(lián)絡(luò)通道的施工方案。 第五章 某地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工 m， m， m， m（如圖51）。造成凍結(jié)帷幕交圈延誤。 在具體的凍土體開(kāi)挖方式的選擇過(guò)程中，要綜合考慮對(duì)接部位的工程地質(zhì)條件，凍土體開(kāi)挖的影響范圍，凍土體開(kāi)挖面的穩(wěn)定性以及支護(hù)方式等因素，充分控制土體開(kāi)挖造成的地層沉降。定子上連斜向器。/h頂角0～670065～16010－10～＋45外徑60總長(zhǎng)190015連續(xù)測(cè)，自動(dòng)打印結(jié)果15176?！?0176。測(cè)斜儀的精度高，可不提鉆測(cè)斜，在10m長(zhǎng)的鉆孔內(nèi)可連續(xù)測(cè)出30個(gè)點(diǎn)的鉆孔方位和傾斜角，并打印出結(jié)果。故球磁羅盤(pán)表面上的經(jīng)緯線可以直接反映出鉆孔的方位和傾角。鉆孔時(shí)孔內(nèi)循環(huán)泥漿、以排除巖渣和維護(hù)孔壁，地面泥漿池的體積約為10～60m3。一般測(cè)溫孔應(yīng)在凍結(jié)壁外緣界面上。孔數(shù)1～2個(gè)，其深度應(yīng)該穿過(guò)所有含水層，但應(yīng)不大于凍結(jié)深度或偏出井筒。求出孔數(shù)若為小數(shù)，則調(diào)整為整數(shù)后，再確定孔距。因此應(yīng)合理確定凍結(jié)孔的布置圈徑，以保證凍結(jié)壁的厚度和強(qiáng)度。表41為我國(guó)一些井筒差異凍結(jié)技術(shù)指標(biāo)。一般將凍結(jié)段分上下兩段，先凍上段后凍下段，待上段轉(zhuǎn)入消極凍結(jié)時(shí)再凍下段。第四章 凍結(jié)法鑿井技術(shù)凍結(jié)方案的正確與否直接關(guān)系凍結(jié)法鑿井技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和工程的成敗，凍結(jié)方案大致有以下幾種。 （3）連拱型凍土連續(xù)墻。一般情況下，當(dāng)含水量為液限含水量時(shí)，粘性土類的凍結(jié)溫度為－℃～－℃左右；砂和砂性土的為－℃～0℃。當(dāng)負(fù)溫進(jìn)一步下降時(shí)，繼續(xù)發(fā)生水的相變，但總的強(qiáng)度減小了，而且，發(fā)生凍結(jié)的水的數(shù)量不僅將決定于負(fù)溫度值（主要因素），而且決定了于礦物顆粒的比表面積、吸附陽(yáng)離子的成分、壓力等。凍土的形成過(guò)程，實(shí)質(zhì)上是土中水凍結(jié)并將固體顆粒膠結(jié)成整體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生質(zhì)變的過(guò)程，也是消耗冷量最多的過(guò)程。表32不同破壞時(shí)間的抗剪強(qiáng)度（安徽淮南中砂）土溫（℃）含水量（%）破壞時(shí)間黏結(jié)力（MPa）內(nèi)摩擦角（176。凍土的黏結(jié)力與凍土溫度的絕對(duì)值成線性關(guān)系。 （2）凍土的抗拉強(qiáng)度隨負(fù)溫度的下降而增大，且在同一溫度下，～。凍土的抗拉強(qiáng)度服從于抗壓強(qiáng)度相同的規(guī)律，即抗拉強(qiáng)度隨著負(fù)溫度的增高而降低，并決定于凍土的成分、含水量及構(gòu)造等。由于脆性破壞時(shí)間很短，事先很難發(fā)現(xiàn)，也不好做相應(yīng)的準(zhǔn)備，因此按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)采用的指標(biāo)一般要提高一級(jí)。為了加快積極凍結(jié)速度可盡量降低鹽水溫度或縮小凍結(jié)孔間距，以加速凍結(jié)壁形成。負(fù)溫值剛超過(guò)0℃，空隙水便全部?jī)鼋Y(jié)，所以強(qiáng)度高。凍結(jié)壁的形成是在外力作用下，達(dá)到一定強(qiáng)度的，因而比實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的凍土試樣強(qiáng)度大，而且凍結(jié)壁是三向受力狀態(tài)，這些在設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)考慮到。凍土是一種非均質(zhì)、各向異性的非彈性材料，有其特殊的受力特征。當(dāng)土中的冰融化時(shí)，其體積縮小，在土體中產(chǎn)生沉降或固結(jié)，大小取決于融化體四周的壓力，凍土融化時(shí)的沉降量還與融層厚度、融層土的特性有關(guān)。在靠近凍結(jié)管的周?chē)?，溫度呈同心圓狀分布的特征，但越向遠(yuǎn)處，該特征越不明顯，由于土體中水冰間的相變作用，土體中的溫度分布曲線在相變溫度點(diǎn)（－℃）出現(xiàn)平臺(tái)，據(jù)此可劃分出凍結(jié)區(qū)和未凍區(qū)。當(dāng)降到負(fù)溫時(shí)，土中的自由水結(jié)冰并將土體顆粒膠結(jié)在一起形成凍結(jié)整體。國(guó)外還有一種開(kāi)路回液鹽水循環(huán)，其主要特點(diǎn)是無(wú)集液圈，每根回液管單獨(dú)回液，便于觀察每根凍結(jié)管鹽水是否漏失。鹽水循環(huán) 鹽水循環(huán)以泵為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)鹽水進(jìn)行循環(huán)，其作用為冷量傳遞。當(dāng)?shù)氐叵滤魉俪^(guò)一定限度時(shí)就會(huì)對(duì)凍結(jié)壁的形成產(chǎn)生不利的影響。在一個(gè)水利發(fā)電站建筑施工中，在試驗(yàn)水道中層進(jìn)行了巖石凍結(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)證明了小于30m/d時(shí)，處于動(dòng)態(tài)地下水可以順利的被凍結(jié)住。圖23地下水流動(dòng)示意圖地下水的自然流速就和水壓h成正比，按下式計(jì)算：式中：——地下水流動(dòng)速度（m/d）； ——產(chǎn)生最大水頭的水平距離（m）； ——水壓頭（m）； ——巖石的滲透系數(shù)，對(duì)于一定的巖石它是一個(gè)常數(shù)，它決定了該種巖石的透水性；滲透系數(shù)可以視為當(dāng)水力坡度等于1時(shí)，地下水在單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)巖層時(shí)的流速，即時(shí)等于通過(guò)巖層的流速（m/d）； ——水力坡度或稱壓力梯度。6H2O三氯化二鐵Fe2Cl3162495－冰+Fe2Cl312H2O硫酸鋅ZnSO4372－冰+ZnSO4由一價(jià)金屬和一元酸組成的鹽類稀溶液α=2~，由二價(jià)金屬和二元酸組成的鹽類α=3。自由水存在于土壤或巖石的裂隙中，它與普通水相同，服從重力定律，能傳遞靜水壓力，比重一般為1，在一個(gè)大氣壓的冰點(diǎn)為0℃。再遠(yuǎn)的水分子主要是受重力場(chǎng)作用控制，形成毛細(xì)水。由于水分子引力的作用，變薄了的水膜也不斷地從自由水中吸取水分，使凍土中的水分增大。一般在含稅豐富的砂礫層起始凍結(jié)溫度約為0℃，亞砂土和黏土中約為－℃到－℃或者更低。②融化后產(chǎn)生融陷現(xiàn)象。③凍結(jié)強(qiáng)度偏低，易擊碎。②細(xì)顆粒土凍結(jié)，可見(jiàn)到冰層狀。③土壤濕度：潮濕ωp＜ω＜ωp+7①粗顆粒土凍結(jié)，孔隙被較多冰晶充填，偶爾可見(jiàn)薄冰層。③土壤濕度：稍濕ω＜ωp(土壤的塑限)①粗顆粒土凍結(jié)，結(jié)構(gòu)較緊密，孔隙中有冰晶，可用放大鏡觀察到。凍土中易溶鹽含量超過(guò)表23數(shù)值時(shí)，稱為鹽漬化凍土。Ⅰ未凍土：處于非凍結(jié)狀態(tài)的巖、土；按土的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定名；Ⅱ凍土：肉眼看不見(jiàn)的分凝冰的凍土（N）： ①膠結(jié)性差，易碎的凍土（Nf）；②無(wú)過(guò)剩冰的凍土（Nbn）；③膠結(jié)性良好的凍土（Nb）；④有過(guò)剩冰的凍土（Nbc）；均可命名為少冰凍土（S）。試驗(yàn)結(jié)果表明，凍結(jié)飽和砂土融化過(guò)程可分為負(fù)溫升溫、相變和自由水溫升3個(gè)階段；與此對(duì)應(yīng)，融化沉降過(guò)程可分為開(kāi)始、急降和緩降3個(gè)階段；而模型結(jié)構(gòu)切向應(yīng)力則經(jīng)歷了上升、陡降和緩降3個(gè)過(guò)程，這3個(gè)階段的時(shí)間比約為1:2:2，最終模型受有切向融沉壓縮附加應(yīng)力。但是目前的研究沒(méi)有考慮凍結(jié)法施工中影響凍結(jié)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，沒(méi)有系統(tǒng)的進(jìn)行主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)地鐵水平凍結(jié)法施工中的溫度場(chǎng)及地表凍脹位移的研究，從而未能對(duì)地鐵隧道水平凍結(jié)法施工各參數(shù)的選擇提供科學(xué)可靠的參考。水動(dòng)力學(xué)模型的共同之處是沒(méi)有討論不連續(xù)的冰透鏡體的形成，也不考慮外部荷載，只是假設(shè)當(dāng)含冰量達(dá)到臨界值時(shí)會(huì)發(fā)生凍脹。此后一個(gè)多世紀(jì)里，人工凍結(jié)法在許多國(guó)家的煤礦、隧道、地鐵和建筑基礎(chǔ)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用并不斷發(fā)展。土的凍脹主要是因?yàn)闇囟葓?chǎng)引起土中原含水分和遷移而來(lái)的水分結(jié)晶，體積膨脹，引起凍土體積增大，結(jié)果在土層中產(chǎn)生凍脹力，導(dǎo)致地表出現(xiàn)變形。所以人工凍結(jié)技術(shù)被越來(lái)越多的應(yīng)用到復(fù)雜條件下的礦山、建筑物工程、港口工程及水工工程中，特別是沿海城市的地鐵隧道及其聯(lián)絡(luò)通道施工中，由于地下水位埋深淺，而且其地層軟弱（如淤泥、淤泥質(zhì)土和流砂等）常規(guī)的施工方法不能維持周?chē)馏w的穩(wěn)定，采用人工凍結(jié)法，通過(guò)在含水不穩(wěn)定土層中預(yù)先埋設(shè)凍結(jié)管，使地層中的水凍結(jié)成冰，把天然巖土變成人工凍土，增強(qiáng)其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行地鐵或其聯(lián)絡(luò)通道的施工。深基坑支護(hù)是建筑工程中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)這些問(wèn)題及對(duì)策的研究，是隨力學(xué)理論，計(jì)算技術(shù)，測(cè)試儀器以及施工機(jī)械的進(jìn)步而深入的。采用人工制冷加固（凍結(jié)法），可以使土體中的大部分水結(jié)冰，這不僅提高了土的強(qiáng)度，增強(qiáng)了土體的穩(wěn)定性和整體性，而且可以達(dá)到其他止水方法所無(wú)法比擬的隔水性能；同時(shí)隨著地層開(kāi)挖深度的增加，凍結(jié)法施工更具有經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)。各種地下工程如礦山工程、深基礎(chǔ)建筑及地下室、城市地鐵和河底、海底及穿山隧道等正在興建中，并且呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，與之俱來(lái)的基坑壁的支護(hù)、隔水等問(wèn)題也變得越來(lái)越突出，尤其是在惡劣的地質(zhì)、水文條件以及苛刻的周?chē)h(huán)境下。 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