【正文】 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)。瞬時(shí)抗拉強(qiáng)度比長期抗拉強(qiáng)度要高出12～16倍，凍結(jié)黏性土的長期抗拉強(qiáng)度大于凍結(jié)砂土的長期抗拉強(qiáng)度，這是因?yàn)樵趬嚎s時(shí)礦物顆粒之間的距離減小，彼此相互接觸的數(shù)量增大，而在拉伸時(shí)其距離增加，從而接觸數(shù)量減少。例如日本學(xué)者木下誠一采用圓柱形式樣，具有圓柱體的兩頭直徑稍微大一些，以便能卡主。實(shí)驗(yàn)表明，凍土的抗拉強(qiáng)度明顯小于其抗壓強(qiáng)度，凍結(jié)黏土的長期抗拉強(qiáng)度大于凍結(jié)砂土的長期抗拉強(qiáng)度。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。其斷裂呈典型的脆性破壞形式，無頸縮現(xiàn)象。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)。進(jìn)行數(shù)據(jù)線性回歸，凍結(jié)粘土：，相關(guān)系數(shù)：；凍結(jié)沙土：，相關(guān)系數(shù)。 （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，～。 砂土與黏土的瞬時(shí)抗拉強(qiáng)度（見下表31）表31砂土與黏土的抗拉強(qiáng)度巖性含水量（%）瞬時(shí)抗拉強(qiáng)度（MPa）－10－15－20－25砂土22~25黏土33~35凍土的抗剪強(qiáng)度是指凍土在一定的應(yīng)力條件下（正應(yīng)力）所能承受的最大剪應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于砂土和粘性土，無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。圖32凍土的抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系其影響因素甚多，如與凍土的性質(zhì)、凍土溫度、加載速度等有關(guān)，當(dāng)凍土溫度相同時(shí)，凍結(jié)砂土較凍結(jié)粘土的抗剪強(qiáng)度高。凍土的黏結(jié)力與凍土溫度的絕對(duì)值成線性關(guān)系。中國科學(xué)院凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)安徽省淮南凍土（中砂）進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)時(shí)，試驗(yàn)常數(shù)。在荷載的長期作用下，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。在一般情況下。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。1℃15177。1℃15177。土的凍結(jié)溫度是指土體中孔隙水穩(wěn)定凍結(jié)的溫度，土體孔隙水的凍結(jié)有其自身特點(diǎn)，這是由于與土體礦物顆粒表面的相互作用和水中具有某種數(shù)量的鹽分所決定的。凍土的形成過程，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)變的過程，也是消耗冷量最多的過程。在此期間，平面圖上的等溫線是以凍結(jié)管軸心為中心的一組同心圓，此后凍結(jié)壁繼續(xù)發(fā)展，相鄰的各凍結(jié)管的凍土圓柱開始連接，即零度等溫線相遇，稱為交圈。凍結(jié)壁中等溫線如圖41所示。主面是通過凍結(jié)管的軸心，并垂直于布置凍結(jié)管的平面；界面是指相鄰兩凍結(jié)管中心連線的中垂面；軸面是通過各鄰近凍結(jié)管中心的平面。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、吸附陽離子的成分、壓力等。土體中的未凍水含量直接影響到土體的相變潛熱，進(jìn)而影響土體溫度的下降。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：式中：——無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。在該區(qū)內(nèi)，溫度變化1℃時(shí)未凍水含量的變化為1%或更大；－5℃～－10℃緩慢過渡區(qū)未凍水含量的變化量小于1%，%；－10℃以下為實(shí)際的凍透區(qū)。試驗(yàn)表明，在低含水量條件下，未凍水含量對(duì)總含水量有明顯的依賴關(guān)系，當(dāng)含冰量增大時(shí)，這種依賴關(guān)系則不明顯?？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)。在給定含水量及無外載條件下土體的凍結(jié)溫度：式中：——土體的凍結(jié)溫度（℃）； ——土體的含水量（%）； ——由土質(zhì)決定的常數(shù)，由試驗(yàn)確定。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℃。而施工方案首先應(yīng)根據(jù)施工需要選擇凍結(jié)壁的形式。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。直墻結(jié)構(gòu)受力性能較差，凍土?xí)霈F(xiàn)拉應(yīng)力，一般需要內(nèi)支撐。 （3）連拱型凍土連續(xù)墻。這樣可使墻體中出現(xiàn)壓應(yīng)力，同時(shí)還可利用未凍土體的自身拱形作用來改善受力情況。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。設(shè)計(jì)參數(shù)有凍土壁厚度，平均溫度，布孔參數(shù)，凍結(jié)時(shí)間等。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。不足之處是冷凍站制冷量大，凍結(jié)壁厚度上下不均勻。（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?？梢赃_(dá)到上部提前開挖的目的。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。分段凍結(jié)施工要求在分段處一定要有較厚的隔水層（黏土層），分段要盡量均勻，使每段供冷均衡。差異凍結(jié)也稱長短腿凍結(jié)，他使用的凍結(jié)管分長短兩種，間隔布置在一圈上。其結(jié)果使上段較下段凍結(jié)孔間距小，凍結(jié)交圈速度快，有利于凍結(jié)壁的形成，而下部只要求凍結(jié)堵水。表41為我國一些井筒差異凍結(jié)技術(shù)指標(biāo)。如沉井涌砂冒泥事故的處理等均可采用這種凍結(jié)方案。凍結(jié)法鑿井所鉆的鉆孔按用途可分為凍結(jié)孔、水位觀察孔和測溫孔3種。若凍結(jié)孔圈徑布置過大，雖然減少了由于井幫位移造成的凍結(jié)管變形，但在凍結(jié)孔間距不變情況下，等于增加了凍結(jié)孔的孔數(shù)，結(jié)果增加了打鉆和凍結(jié)費(fèi)用。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。根據(jù)《建井工程手冊》（第四版），凍結(jié)孔圈徑為：當(dāng)沖積層厚度大于等于300m時(shí)，凍結(jié)孔圈徑為：式中：——凍結(jié)壁外側(cè)厚度（m）。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。凍結(jié)加強(qiáng)孔宜布置在主凍結(jié)孔內(nèi)側(cè)，與防片幫孔合并使用，既起到加強(qiáng)孔作用又起防片幫孔的作用，起防片幫孔應(yīng)穿過黏土層，用來提高黏土層凍結(jié)強(qiáng)度，保證井幫不發(fā)生較大位移。求出孔數(shù)若為小數(shù)，則調(diào)整為整數(shù)后，再確定孔距。隨著凍結(jié)深度的增大，在允許一定偏斜率的情況下，井筒下部的偏斜率值將很大，這將影響凍結(jié)壁質(zhì)量和延長交圈時(shí)間。鉆孔偏斜值不合格時(shí)，必須重新鉆孔。而凍結(jié)深度應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件來決定，一般要進(jìn)入不透水層10m，以至20m，這樣做的目的是使凍結(jié)壁底部形成“凍結(jié)底墊”，防止底部透水事件發(fā)生?？讛?shù)1～2個(gè)，其深度應(yīng)該穿過所有含水層，但應(yīng)不大于凍結(jié)深度或偏出井筒。水位觀察孔的作用是：當(dāng)凍結(jié)圓柱交圈后，井筒周圍便形成了一個(gè)封閉的凍結(jié)井筒，由于水變成冰后體積變大，產(chǎn)生膨脹作用，水水位觀察孔內(nèi)的水位上升，以致溢出地面。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。倘若在預(yù)計(jì)交圈時(shí)間仍不交圈，要全面分析不交圈的原因，并及時(shí)處理。一般測溫孔應(yīng)在凍結(jié)壁外緣界面上。測溫孔數(shù)量根據(jù)需要而定，一般3～4個(gè)，其允許偏斜率與凍結(jié)孔相同。開鉆前，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。鉆好一個(gè)孔，鉆機(jī)底盤可自行移動(dòng)，定位后再鉆另一個(gè)孔。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。另外按規(guī)范要求確保測斜次數(shù)，關(guān)鍵部位要多測，主要以防偏為主，糾偏為輔，降低深凍結(jié)孔偏斜率，防止出現(xiàn)拐點(diǎn)變形。鉆孔傾角和方位，然后計(jì)算鉆孔偏斜率。磁性單點(diǎn)測斜儀是由球磁羅盤與外殼連在一起的照相機(jī)構(gòu)等部件組成。故球磁羅盤表面上的經(jīng)緯線可以直接反映出鉆孔的方位和傾角。磁性單點(diǎn)測斜儀外殼裝有橡膠扶正器與非磁性鉆鋌呈同一傾斜狀態(tài)。用放大鏡可讀出方位角和鉆孔傾斜角。該儀器測量精度高、操作簡單。測斜儀的精度高，可不提鉆測斜，在10m長的鉆孔內(nèi)可連續(xù)測出30個(gè)點(diǎn)的鉆孔方位和傾斜角，并打印出結(jié)果。表42陀螺測斜儀主要技術(shù)指標(biāo) 型號(hào)指標(biāo)JDTII型JDTIII型JDTV精度177。3′～177。：177?！?0176。10′投點(diǎn)誤差（mm）≤100m時(shí)，＜177。300≤300m時(shí)，＜177。）測量深度（m）凍結(jié)管內(nèi)徑（mm）密封耐壓（MPa）環(huán)境溫度（℃）井下儀器尺寸（mm）井下儀器重量（kg）功能＜6176。/h頂角0～670065～16010－10～＋45外徑60總長190015連續(xù)測，自動(dòng)打印結(jié)果15176。301000≥5110＞－10外徑47總長200010多點(diǎn)，單點(diǎn)及方位測量陀螺測斜儀的工作原理是用陀螺馬達(dá)和相應(yīng)的一套控制系統(tǒng)定向來測量鉆孔偏斜方位的。由此測出鉆孔傾斜角，根據(jù)電纜下放狀況測得鉆孔長度，然后計(jì)算鉆孔偏斜值。戴納鉆具是其中較好的一種。定子上連斜向器。定子所受的反扭矩，由鉆桿傳到地面的轉(zhuǎn)盤。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。 對(duì)接部位凍土體的開挖方式有很多種，在我國常見的淺埋大斷面隧道暗挖方法見表43。 在具體的凍土體開挖方式的選擇過程中，要綜合考慮對(duì)接部位的工程地質(zhì)條件，凍土體開挖的影響范圍，凍土體開挖面的穩(wěn)定性以及支護(hù)方式等因素，充分控制土體開挖造成的地層沉降。凍土體的開挖方式盡量選用對(duì)安全經(jīng)濟(jì)的方法，可以考慮采用人工風(fēng)鎬挖掘。這種情況下，隧道可能出現(xiàn)位移過大，管片的變形超過允許值，出現(xiàn)滲漏水等情況，影響隧道的正常使用。這種情況下，容易出現(xiàn)地下水和泥沙涌入的危險(xiǎn)。造成凍結(jié)帷幕交圈延誤。（2）凍結(jié)過程中，加強(qiáng)進(jìn)回路鹽水溫度監(jiān)測，凍土溫度監(jiān)測，卸壓孔壓力監(jiān)測，隧道變形監(jiān)測，以及地表變形監(jiān)測；（3）為了減小凍脹對(duì)隧道的影響，在凍結(jié)前隧道內(nèi)應(yīng)安裝預(yù)應(yīng)力隧道支架，施工中可根據(jù)觀測到的隧道變形情況調(diào)整支撐點(diǎn)的預(yù)應(yīng)力，以控制隧道的變形。（5）聯(lián)絡(luò)通道土體開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。若在土體開挖過程中，出現(xiàn)流沙等異常現(xiàn)象，應(yīng)立即停止開挖施工，并封閉工作面，加大制冷量。 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）。盾構(gòu)隧道洞身上方地層巖性為粉細(xì)砂層, 下方地層為淤泥質(zhì)土、粉細(xì)砂層。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，則有可能淹沒隧道。在該方案實(shí)際實(shí)施過程中， 先后三次出現(xiàn)涌沙險(xiǎn)情，每次出現(xiàn)險(xiǎn)情后均采用注漿加固，但最終均告失敗，無法繼續(xù)開挖。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挖構(gòu)筑聯(lián)絡(luò)通道的施工方案。凍結(jié)孔施工前，根據(jù)管片配筋情況，適當(dāng)調(diào)整凍結(jié)孔位置，以避開管片接縫、螺栓和主筋。圖52上行線凍結(jié)孔、測溫孔、卸壓孔及測壓孔布置圖53下行線凍結(jié)孔、測溫孔、卸壓孔及測壓孔布置根據(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）。 冷媒劑選用 CaCl2鹽水溶液，制冷劑選用氟利昂F22。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。供液管選用45 mm 鋼管，采用焊接連接；鹽水干管和集配液圈選用1596 mm無縫鋼管。凍結(jié)孔單孔流量大于5 m3/h。、融沉及隧道變形控制設(shè)計(jì)凍結(jié)過程中的凍脹控制主要采取凍結(jié)釋壓的方法。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。充填注漿可以及時(shí)充填通道拱頂混凝土不易澆注密實(shí)的部位；融沉注漿應(yīng)在充填注漿完成后，根據(jù)監(jiān)測反饋信息，組織注漿及控制注漿量。注漿以少量多次為原則，反復(fù)注漿，直至達(dá)到控制要求。為減少凍脹變形，凍結(jié)前，在隧道內(nèi)安裝預(yù)應(yīng)力支架，即在上下行線隧道的聯(lián)絡(luò)通道洞口兩側(cè)安裝兩榀預(yù)應(yīng)力鋼支架。地鐵某區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道工程自9月21日開機(jī)凍結(jié)，50 d后根據(jù)監(jiān)測數(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，具備開挖條件。表51施工工序情況時(shí)間/累計(jì)天數(shù)（d）工序名稱0土體開挖施工正式開始9在鋼護(hù)筒內(nèi)安裝6圈冷盤管，并進(jìn)行低溫鹽水循環(huán)，補(bǔ)償鋼護(hù)筒的冷量損失10在冷盤管周邊貼附3層保暖板～18～28開挖聯(lián)絡(luò)通道土體并及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)～29～33打開左行線管片～30～34打開右行線管片～30～37進(jìn)行二次襯砌36冷凍機(jī)組停止工作37拆除模板凍結(jié)法施工完成 在整個(gè)凍結(jié)施工過程中，凍結(jié)加固土層的物理性質(zhì)發(fā)生了很大變化，過量的凍脹融沉均會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生危害。為了解不同時(shí)期凍結(jié)帷幕溫度場的發(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挖施工時(shí)間，對(duì)凍結(jié)帷幕溫度場進(jìn)行了同步監(jiān)測。監(jiān)測孔內(nèi)各測點(diǎn)均采用數(shù)字式溫度傳感器，通過一總線經(jīng)遠(yuǎn)程溫度測量模塊與計(jì)算機(jī)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，實(shí)時(shí)反映施工過程中凍土帷幕溫度變化。圖54 C4測孔兩處測點(diǎn)溫度變化圖55 C7測孔兩處測點(diǎn)溫度變化 由圖中可以看出C4測控內(nèi)的溫度變化趨勢大致相同，C7測孔的兩處溫度變化趨勢也基本一致，這說明測溫孔內(nèi)的溫度變化比較穩(wěn)定，保溫措施較好。所以，在鋼護(hù)筒表面設(shè)置保溫板及增加冷凍盤管，確保冷凍效果。從溫度監(jiān)測情況（圖57）可以看出，凍土溫度保持較好，確保了凍土的強(qiáng)度，表明冷凍盤管加保溫板的方案是可行的。壓力傳感器采用YL50型振弦