【正文】 道變形控制設(shè)計(jì) ............................................................... 50 凍結(jié)施工情況 ........................................................................................... 51 信息化監(jiān)測(cè)技術(shù) ................................................................................................. 52 凍結(jié)帷幕溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè) ................................................................................ 52 鋼護(hù)筒內(nèi)壁溫度監(jiān)測(cè) ................................................................................ 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。專(zhuān)家預(yù)測(cè) 21 世紀(jì)是建設(shè)地下工程的世紀(jì)。 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。 在飽和含水軟弱地層中，在剛建好的兩條區(qū)間隧道再建通道、泵站，雖然可以借鑒上海地鐵一號(hào)線區(qū)間隧道旁通道施工經(jīng)驗(yàn)，但由于國(guó)內(nèi)沒(méi)有相應(yīng)的人工土凍結(jié)法施工規(guī)范，所以?xún)鼋Y(jié)法作為一種輔助施工工法，其實(shí)施的可行性、安全可靠度、施工速度、工程造價(jià)等多方面都面臨考驗(yàn)。 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)。發(fā)展和使用較晚的人工土凍結(jié)方法有直接制冷法，即不循環(huán)制冷，例如使用液氮或干冰等物質(zhì)，使它們?cè)谕馏w內(nèi)發(fā)生相變，直接作為冷媒吸收土體熱量，使土體降溫，土中水分凍結(jié)，形成凍土體。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。 本世紀(jì)是大力建設(shè)地下工程的世紀(jì)，也是我國(guó)地下空間開(kāi)發(fā)利用的高潮時(shí)期。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。 我國(guó)近年來(lái)興建了大量的高層建筑，以北京、天津、上海、廣州、深圳等地的高層建筑密度最大，由此產(chǎn)生了大量的深基坑工程，且規(guī)模 和深度不斷加大。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。 在我國(guó)煤礦豎井開(kāi)鑿中得到廣泛應(yīng)用的人工凍結(jié)法與這些方法相比，具有隔水性能好、強(qiáng)度高、整體支護(hù)性能好、土體可復(fù)原、不污染環(huán)境、凍結(jié)結(jié)構(gòu)物的性狀和擴(kuò)展范圍可控等優(yōu)點(diǎn)。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。從而在預(yù)期要開(kāi)挖的場(chǎng)地外圍構(gòu)筑起穩(wěn)定且不透水的凍結(jié)結(jié)構(gòu)，以達(dá)到維護(hù)開(kāi)挖面周?chē)馏w穩(wěn)定，抵抗周?chē)翂毫?、防止地下水侵入的目的，其?shí)質(zhì)是利用人工制冷技術(shù)臨時(shí)改變巖土的狀態(tài)以固結(jié)地層。 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。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展。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(zhuān)用方法 ， 在北京地鐵大北窯車(chē)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。由于缺乏凍結(jié)壁溫度場(chǎng)和凍土凍脹對(duì)周?chē)h(huán)境 影響等基礎(chǔ)性研究，致使人工凍結(jié)法在環(huán)境要求很高的市政巖土工程和城市地下空間開(kāi)發(fā)中未能廣泛推廣應(yīng)用。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。 日本東京環(huán) 7 線盾構(gòu)出洞的凍結(jié)施工中采用壓力釋放孔使凍結(jié)壓力降低40%。 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。 1886 年瑞典長(zhǎng)20m的人行隧道建設(shè)工程應(yīng)用了人工凍結(jié)方法。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。 1991 年在西班牙巴倫西亞地鐵建設(shè)中，鉆鑿在地下水位以下進(jìn)行，同時(shí)使用了幾種支護(hù)處理方法，結(jié)果表明土凍結(jié)法最為令人滿意。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?chē)貙觾鼋Y(jié)成一個(gè)封閉的不透水的帷幕一凍土墻 （ 簡(jiǎn)稱(chēng)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。 70年代至 80 年代主要是水動(dòng)力學(xué)模型，采用有限差分法，對(duì)土體凍結(jié)過(guò)程中的水流 和溫度進(jìn)行預(yù)報(bào)。 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。徐學(xué)祖和 Nixon 等研究發(fā)現(xiàn)分凝勢(shì)模型適合應(yīng)用于溫度梯度是在己知條件下，對(duì)于非穩(wěn)定熱狀況條件，分凝勢(shì)并不是常數(shù)，不應(yīng)再用分凝勢(shì)模型解決凍脹問(wèn)題。 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。王建平等建立了變邊界應(yīng)力碩士學(xué)位論文和移動(dòng)邊界位置的水分遷移方程， 按一維條件，對(duì)水、溫度、應(yīng)力、位移的禍合問(wèn)題進(jìn)行了研究 ； 采用準(zhǔn)禍合的處理方法，忽略水分遷移影響，對(duì)二維溫度、應(yīng)力、位移場(chǎng)的禍合問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值分析目前已取得一些成果。因此，此方向課題還有待于進(jìn)一步探討。 Everett，首先提出了第一凍脹理論即毛細(xì)理論，然而，毛細(xì)理論卻不能解釋不連續(xù)冰透鏡是如何形成的，并且該理論低估了細(xì)顆粒土中的凍脹壓力。凍結(jié)緣理論克服了毛細(xì)理論的不足。 1998 年，周?chē)?guó)慶在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，探討了飽水砂層的豎向凍結(jié)及融化過(guò)程土中結(jié)構(gòu)切向受力的變化。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。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的凍結(jié)溫度和土體含水量條件下，凍融后土 的孔隙率和含水量都增大 ； 土體承受的外界荷載對(duì)凍融土孔隙率和含水量的變化有抑制作用。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。凍土可分為天然凍土和人工凍土。 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?chē)斜さ膬鐾粒?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） 。 12 表 21 按凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間分類(lèi) 類(lèi)型 持續(xù)時(shí)間（ T） 地面溫度（ ℃ ）特征 凍融特征 多年凍土 T≥2 年 年平均溫度 ≤0 季節(jié)融化 隔年凍土 2 年 T1 年 最低月平均地面溫度 ≤0 季節(jié)凍結(jié) 季節(jié)凍土 T1 年 最低月平均地面溫度 ≤0 季節(jié)凍結(jié) 按活動(dòng)層與下臥層的類(lèi)別及其關(guān)系分類(lèi) 我國(guó)季節(jié)性?xún)鐾林饕植荚陂L(zhǎng)江流域以北、東北多年凍土南 界以南和高海拔多年凍土下界以下的廣大地區(qū)，面積約 514 萬(wàn)平方公里。 表 22 季節(jié)活動(dòng)層的類(lèi)型和分布 類(lèi)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(lèi)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。根據(jù)凍土中的易溶鹽含量或泥炭化程度劃分為鹽漬化凍土和泥炭化動(dòng)土。 表 23 鹽漬化凍土的鹽漬度界限值 土類(lèi) 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）。 表 24 泥炭化動(dòng)土的泥炭化程度界限值 土類(lèi) 粗顆粒土 粘性土 泥炭化程度（ %） 3 5 泥炭化動(dòng)土的泥炭化程度（ ζ）可按下式計(jì)算： %100d ?? gm?? 式中： ?m ——凍土中含植物殘?jiān)湍嗵康馁|(zhì)量（ g）； dg ——土骨架質(zhì)量（ g）。堅(jiān)硬凍土： vm ≤；塑性?xún)鐾粒?vm ＞ ；松散凍土： ω≤3%。 ② 一般分布在長(zhǎng)草或有樹(shù)的階地和緩坡地帶以及其他地帶。 ② 細(xì)顆粒土凍結(jié)，呈整體狀。 ① 融化后原土結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生變化。 ③ 融化后不產(chǎn)生融沉現(xiàn)象。 ② 多分布在沖 —洪積扇及階地其他地帶，地被物較茂密。 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。 ② 有少量水分滲出。 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 有一定的水源補(bǔ)給條件 ④ 土壤濕度：很濕 ωp+7＜ ω＜ ωp+15 ① 粗顆粒土如礫石被冰分離，可見(jiàn)到較多并透鏡體。 ③ 凍結(jié)強(qiáng)度高很難擊碎 ① 融化后土體積縮小。 ③ 融化后產(chǎn)生融沉現(xiàn)象。 ② 一般分布在塔頭沼澤和低洼地帶。 ② 細(xì)顆粒土凍結(jié)，凍土互層。 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 分布在低洼積水地帶，植被以塔頭、苔蘚、灌叢為主。 ② 冰體積大于土體積。 ① 融化后水土分離 現(xiàn) 象及 其明顯 ，并呈流動(dòng)體。 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)。 （ 3）溫度突變階段：水過(guò)冷以后，一旦開(kāi)始結(jié)晶，就