人工地层冻结技术讲座.pdf

1人工地层冻结技术人工地层冻结技术胡向东胡向东2011.06.15大纲大纲大纲大纲概述冻结法的理论与工程问题冻结法的风险冻结法的施工监测验收标准与内容若干管理问题概述冻结法的理论与工程问题冻结法的风险冻结法的施工监测验收标准与内容若干管理问题概述概述人工地层冻结法的基本原理与特点人工地层冻结法的基本原理与特点冻结法的发展历史冻结法的发展历史冻结法的应用冻结法的应用冻结法的基本原理与特点冻结法的基本原理与特点人工地层冻结法人工地层冻结法(Artificial Ground Freezing,AGF)（简称（简称“冻结法冻结法”），是利用人工制冷技术），是利用人工制冷技术,使地层中的水结冰使地层中的水结冰,把天然岩土变成冻土把天然岩土变成冻土,增加其强度和稳定性增加其强度和稳定性,隔绝地下水与地下工程的联系隔绝地下水与地下工程的联系,以便在冻结壁的保护下进行地下工程掘砌施工的特殊施工技术。其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。以便在冻结壁的保护下进行地下工程掘砌施工的特殊施工技术。其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。冻结法的基本原理与特点冻结法的基本原理与特点冻结岩土性质的改变将含水地层（松散土层或裂隙岩层）冷却至结冰温度下，使土中孔隙水或岩石裂隙水变成冰，岩土的性质发生重要变化，形成一种新的工程材料冻结岩土性质的改变将含水地层（松散土层或裂隙岩层）冷却至结冰温度下，使土中孔隙水或岩石裂隙水变成冰，岩土的性质发生重要变化，形成一种新的工程材料“冻土冻土”。岩土冻结实质岩土冻结实质1 1冻结法的基本原理与特点冻结法的基本原理与特点?较高的强度较高的强度?绝对的封水性绝对的封水性冻土结构特点冻土结构特点2 22冻结法的基本原理与特点冻结法的基本原理与特点?结构结构承载承载?封水封水不承载不承载冻土结构功能冻土结构功能3 3冻结法的基本原理与特点冻结法的基本原理与特点基本原理基本原理4 4冻结法的基本原理与特点冻结法的基本原理与特点?盐水冻结（封闭系统）：一般可达盐水冻结（封闭系统）：一般可达-30?液氮冻结（开放系统）：液氮冻结（开放系统）：-195.8制冷方法制冷方法5 5岩土工程冻结制冷技术通常利用物质由液态变为气态,即气化过程的吸热现象来完成的。常用两种类型：岩土工程冻结制冷技术通常利用物质由液态变为气态,即气化过程的吸热现象来完成的。常用两种类型：冻结法的基本原理与特点冻结法的基本原理与特点冻结法适用于任何地层冻结法适用于任何地层冻结法的适应性冻结法的适应性6 6冻结法的基本原理与特点冻结法的基本原理与特点?冻土帷幕的变化性冻土帷幕的变化性冻土范围可变；冻土范围可变；冻土温度可变；冻土温度可变；冻土强度可变（强度是温度的函数）冻土强度可变（强度是温度的函数）?冻土帷幕的连续性冻土帷幕的连续性水在负温下结冰的必然性水在负温下结冰的必然性?冻土帷幕的可知性冻土帷幕的可知性通过温度测试可判断冻结范围、冻土强度通过温度测试可判断冻结范围、冻土强度冻结法特点冻结法特点7 7冻结法的基本原理与特点冻结法的基本原理与特点?安全性好安全性好冻土强度较高冻土强度较高冻土连续性可靠、封水性好冻土连续性可靠、封水性好?适用性强适用性强适用于几乎所有具有一定含水量的松散地层（包括岩石）适用于几乎所有具有一定含水量的松散地层（包括岩石）复杂地质条件可行（流砂、大深度、高水压）复杂地质条件可行（流砂、大深度、高水压）?灵活性高灵活性高冻土帷幕性状（范围、形状、温度、强度）可控冻土帷幕性状（范围、形状、温度、强度）可控?经济性较好经济性较好?环保性能好环保性能好“绿色工法绿色工法”冻结法优点冻结法优点8 8粉土 砂 砾石 地层类型 黏土 细 中 粗 细 中 粗 细中粗卵石 0.01 0.1 1 10 mm颗粒尺度 渗透系数 10-7 10-6 10-5 10-4-310-21010-1 m/s降水法 水泥注浆 膨润土注浆 化学注浆 冻结法 压气法 胡向东制 3冻结法的基本原理与特点冻结法的基本原理与特点?冻胀融沉冻胀融沉对环境有一定的影响，严重时具有一定的破坏力对环境有一定的影响，严重时具有一定的破坏力融沉控制不当可导致结构差异沉降和长期沉降融沉控制不当可导致结构差异沉降和长期沉降?风险性风险性供冷不足或外部热源可导致冻土帷幕性能退化（范围、强度）供冷不足或外部热源可导致冻土帷幕性能退化（范围、强度）流水作用下冻土可快速消融流水作用下冻土可快速消融?局限性局限性地下水流速影响冻结效果地下水流速影响冻结效果地层含盐影响冻结效果地层含盐影响冻结效果含气地层可影响冻结效果含气地层可影响冻结效果冻结法缺点冻结法缺点9 9冻结法的发展历史冻结法的发展历史?1862年，年，英国英国威尔士威尔士(South Wales)的建筑基础的建筑基础施工首次使用人工地层冻结法，施工首次使用人工地层冻结法，失败失败*?1880年，德国工程师年，德国工程师 F.H.Poetch首先提出人工冻结法原理并获专利首先提出人工冻结法原理并获专利?1883年，德国阿尔巴里煤矿成功地采用冻结法建造井筒年，德国阿尔巴里煤矿成功地采用冻结法建造井筒?两年后（两年后（1886年年1），瑞典人开始使用冷冻，用冻结法在斯特哥尔摩掘进了一条隧道。德国人和瑞典人之后是法国人（），瑞典人开始使用冷冻，用冻结法在斯特哥尔摩掘进了一条隧道。德国人和瑞典人之后是法国人（1906年年1）?1888年，美国人用于煤矿矿井开挖年，美国人用于煤矿矿井开挖?1928年，苏联在德国人的帮助下，在年，苏联在德国人的帮助下，在钾矿首次成功使用人工地层冻结法凿井钾矿首次成功使用人工地层冻结法凿井?1933年，苏联在工程师特鲁巴克年，苏联在工程师特鲁巴克()领导下，在领导下，在莫斯科地铁莫斯科地铁1号线号线成功使用人工地层冻结法修建三个地铁站的扶梯斜隧道以及若干隧道工作井成功使用人工地层冻结法修建三个地铁站的扶梯斜隧道以及若干隧道工作井?1942年，巴西年，巴西26层高楼不均匀沉降修正层高楼不均匀沉降修正1?1955年，中国煤矿首次采用冻结法凿井年，中国煤矿首次采用冻结法凿井?1960年，加拿大双拱铁道隧道隔墙拆除工程年，加拿大双拱铁道隧道隔墙拆除工程1?1962年，日本开始使用冻结法于市政工程（大阪水管越江年，日本开始使用冻结法于市政工程（大阪水管越江2）（无矿山工程）（无矿山工程）?70年代初，北京地铁首次应用冻结法年代初，北京地铁首次应用冻结法?1994年，台北捷運新店線年，台北捷運新店線 CH221 標標1冻结法的应用冻结法的应用?土木工程、岩土工程土木工程、岩土工程矿山凿井：竖井、斜井隧道施工：隧道掘进；盾构、顶管进出洞、联络通道；隧道扩建基坑工程穿越地下对接事故处理管线工程基础加固边坡加固矿山凿井：竖井、斜井隧道施工：隧道掘进；盾构、顶管进出洞、联络通道；隧道扩建基坑工程穿越地下对接事故处理管线工程基础加固边坡加固?环境保护：环境保护：污染物处理污染物处理?土工试验：土工试验：原状土取样原状土取样?其他：其他：泥浆除水泥浆除水冻结法的应用冻结法的应用?1955年，由波兰引进了立井冻结法凿井技术，在开滦林西煤矿风井建成了第一口立井，在中国开创了人工地层冻结法的先河年，由波兰引进了立井冻结法凿井技术，在开滦林西煤矿风井建成了第一口立井，在中国开创了人工地层冻结法的先河?截止截止1994年未的年未的40年间，我国已采用冻结法开凿了年间，我国已采用冻结法开凿了390多个井筒，总长度超过多个井筒，总长度超过66km.?截止截止2007年，我国已采用冻结法开凿了年，我国已采用冻结法开凿了500多个井筒，总长度超过多个井筒，总长度超过70km1.?苏联（俄罗斯）冻结法凿井苏联（俄罗斯）冻结法凿井400多个，当时规模最大多个，当时规模最大?目前中国最大冻结深度达到目前中国最大冻结深度达到737米米1，水平冻结长度达到，水平冻结长度达到147.8米米竖井凿井竖井凿井1 1冻结法的应用冻结法的应用主要国家最大冻结深度主要国家最大冻结深度国家 英国加拿大波兰比利时德国 苏联法国中国 荷兰最大冻深国家 英国加拿大波兰比利时德国 苏联法国中国 荷兰最大冻深(m)9309157256386286205507373384冻结法的应用冻结法的应用?自自1933年起，苏联（俄罗斯）在地铁使用人工地层冻结法修建扶梯斜隧道年起，苏联（俄罗斯）在地铁使用人工地层冻结法修建扶梯斜隧道 100多条，总长超过多条，总长超过5km.斜井、倾斜隧道斜井、倾斜隧道2 2冻结法的应用冻结法的应用苏联地铁扶梯倾斜隧道苏联地铁扶梯倾斜隧道冻结法的应用冻结法的应用Boston：隧道通过俄式百年建筑：隧道通过俄式百年建筑隧道隧道3 3冻结法的应用冻结法的应用瑞士：瑞士：Limmat河底隧道河底隧道隧道隧道3 3冻结法的应用冻结法的应用盾构进出洞盾构进出洞4 4日本：大直径盾构日本：大直径盾构到达到达垂直垂直冻结冻结5冻结法的应用冻结法的应用大连路隧道翔殷路隧道大连路隧道翔殷路隧道盾构进出洞盾构进出洞4 4液氮冻结液氮冻结冻结法的应用冻结法的应用盾构进出洞冻结盾构进出洞冻结4 4冻结法的应用冻结法的应用顶管进出洞顶管进出洞4 4冻结法的应用冻结法的应用隧道联络通道冻结隧道联络通道冻结5 5冻结法的应用冻结法的应用隧道联络通道冻结隧道联络通道冻结5 5冻结法的应用冻结法的应用隧道联络通道冻结隧道联络通道冻结5 56冻结法的应用冻结法的应用隧道联络通道冻结隧道联络通道冻结5 5冻结法的应用冻结法的应用隧道联络通道冻结法施工隧道联络通道冻结法施工5 5冻结法的应用冻结法的应用隧道扩建隧道扩建6 6冻结法的应用冻结法的应用基坑基坑7 7冻结法的应用冻结法的应用基坑基坑7 7冻结法的应用冻结法的应用“The Big Dig”-The Central Artery Tunnel.Boston,USA穿越穿越8 87冻结法的应用冻结法的应用穿越穿越8 8冻结法的应用冻结法的应用日本大阪下水管垂直错高对接日本大阪下水管垂直错高对接地下对接地下对接9 9冻结法的应用冻结法的应用日本日本9.8m泥水盾构水下对接泥水盾构水下对接地下对接地下对接9 9冻结法的应用冻结法的应用上海轨道交通上海轨道交通4号线董家渡坍塌隧道号线董家渡坍塌隧道事故修复事故修复1010冻结法的应用冻结法的应用南京地铁南京地铁2号线号线“中中元元”区间坍塌隧道区间坍塌隧道事故修复事故修复1010一号线一号线左线隧道尚未施工左线隧道尚未施工一号线元通站一号线元通站二号线元通站二号线元通站完好隧道清理（铁三局实施）完好隧道清理（铁三局实施）一号线元通站一号线元通站二号线元通站二号线元通站展览中心展览中心金奥大厦金奥大厦破损隧道范围修复（隧道公司实施）破损隧道范围修复（隧道公司实施）约约150m二号线中和村站二号线中和村站冻结加固区域冻结加固区域冻结法的应用冻结法的应用盾构长距离推进盾尾密封钢丝刷磨损后的更换（上海长江隧道）盾构长距离推进盾尾密封钢丝刷磨损后的更换（上海长江隧道）事故修复事故修复10108冻结法的应用冻结法的应用管线工程管线工程1111冻结法的应用冻结法的应用基础加固基础加固1212冻结法的应用冻结法的应用边坡加固边坡加固1313冻结法的应用冻结法的应用屏障屏障1414冻结法的应用冻结法的应用屏障屏障1414冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题?冻土热、物理力学性质冻土热、物理力学性质?热传导与温度场热传导与温度场?土体冻胀、融沉土体冻胀、融沉?冻土解冻冻土解冻?含盐地层含盐地层9冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题?主要参数：比热、热传导系数、潜热、结冰温度等主要参数：比热、热传导系数、潜热、结冰温度等?最主要影响因素：含水量最主要影响因素：含水量?特点：冻土与未冻土的热力学参数有明显区别特点：冻土与未冻土的热力学参数有明显区别热力学性质热力学性质1 1冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题?强度：单轴抗压、抗拉、抗剪、粘聚力、内摩擦角、变形模量、泊淞比等强度：单轴抗压、抗拉、抗剪、粘聚力、内摩擦角、变形模量、泊淞比等?主要影响因素：温度、含水量、未冻水含量、粒径、孔隙率、荷载主要影响因素：温度、含水量、未冻水含量、粒径、孔隙率、荷载?特点：冻土是流变材料，力学性质随时间变化特点：冻土是流变材料，力学性质随时间变化物理力学性质物理力学性质2 2冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题n随土性变化的参数，砂性土随土性变化的参数，砂性土n0.5黏性土黏性土n1；a,b与冻土的孔隙度、含水量相关的系数。与冻土的孔隙度、含水量相关的系数。单轴抗压强度单轴抗压强度2.12.1nbta+同等条件下，冻土强度是温度的函数：同等条件下，冻土强度是温度的函数：单轴极限抗压强度与温度的关系（日本）冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题在相同温度下，含水量对冻土极限强度影响很大。在非饱和时，强度随含水量增长；过饱和时，强度随含水量降低。其中，未冻水含量对冻土强度影响也很显著。未冻水含量越高，强度越低。在相同温度下，含水量对冻土极限强度影响很大。在非饱和时，强度随含水量增长；过饱和时，强度随含水量降低。其中，未冻水含量对冻土强度影响也很显著。未冻水含量越高，强度越低。单轴抗压强度单轴抗压强度2.12.1单轴极限抗压强度与总含水量的关系1砂；2亚砂；3黏土；4粉质黏土（俄罗斯）冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题冻土抗拉强度规律与抗压强度相同。强度随着温度的降低增长，同时取决于土的成分、含水量等因素。数值上，抗拉强度比抗压强度低冻土抗拉强度规律与抗压强度相同。强度随着温度的降低增长，同时取决于土的成分、含水量等因素。数值上，抗拉强度比抗压强度低26倍。倍。抗拉、抗剪强度抗拉、抗剪强度2.22.2冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题?导热形态导热形态?冻结发展动态过程冻结发展动态过程?温度场与平均温度温度场与平均温度热传导与温度场热传导与温度场3 310冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题?冻结管冻结过程是非稳态导热问题冻结管冻结过程是非稳态导热问题?冻结后期，热交换趋于平衡，可近似看作稳态导热问题冻结后期，热交换趋于平衡，可近似看作稳态导热问题?温度场分析时一般看作稳态导热问题温度场分析时一般看作稳态导热问题导热形态导热形态3.13.1冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题单排冻结管冻结过程三阶段：单管冻结、管间影响冻结和管间冻土相接后冻结单排冻结管冻结过程三阶段：单管冻结、管间影响冻结和管间冻土相接后冻结?单管冻结单管冻结：管间独立冻结，冻土呈圆柱状发展：管间独立冻结，冻土呈圆柱状发展?管间影响冻结管间影响冻结：管间相互影响，冻土在冻结管之间（轴向）发展快，两侧慢，冻土呈椭圆柱形：管间相互影响，冻土在冻结管之间（轴向）发展快，两侧慢，冻土呈椭圆柱形?管间冻土相接后冻结管间冻土相接后冻结：冻土相接（：冻土相接（“交圈交圈”）后，形成波浪形冻土墙，但凹陷部位（界面）发展快，凸出部位（主面）发展慢，凹陷部位将很快填满，冻土墙两侧呈直线形。之后冻土直墙继续向两侧发展。）后，形成波浪形冻土墙，但凹陷部位（界面）发展快，凸出部位（主面）发展慢，凹陷部位将很快填满，冻土墙两侧呈直线形。之后冻土直墙继续向两侧发展。冻结发展动态过程冻结发展动态过程3.23.2冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题单管冻结温度场单管冻结温度场(.,1954)温度场与平均温度温度场与平均温度3.23.2IIIIIIIIIIIIxyyxSt(x,y)2r0()0lnlnrrtrt=单排管直墙温度场：主面单排管直墙温度场：主面(II-II)：界面：界面(III-III)：0lnlnrytt=022ln42lnrSytt+=平均温度为主面平均温度和界面平均温度之平均：平均温度为主面平均温度和界面平均温度之平均：ttSr.lnln=220冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题事实上，事实上，.公式在冻土交圈后误差很大。公式在冻土交圈后误差很大。.提出，冻结壁平均温度按整个冻结壁体积积分平均值计算，而温度公式利用提出，冻结壁平均温度按整个冻结壁体积积分平均值计算，而温度公式利用.的那些。即平均温度为：的那些。即平均温度为：温度场与平均温度温度场与平均温度3.23.2IIIIIIIIIIIIxyyxSt(x,y)2r0经简化处理后，这个方法比经简化处理后，这个方法比.的方法简单而更准确。的方法简单而更准确。tStyxrdxdycSlnln=+2220002冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题计算冻土帷幕平均温度的公式还有很多：计算冻土帷幕平均温度的公式还有很多：?.：.：?.：.：?.（莫斯科矿业大学）：.（莫斯科矿业大学）：?中国（“成冰公式”）：中国（“成冰公式”）：温度场与平均温度温度场与平均温度3.23.2等等。这些公式均有各自的使用条件和优点。等等。这些公式均有各自的使用条件和优点。ttSRSdS,=+0 420 0920 2020 370 01ttbbS=+012ttdSS,=+0 32080 2ttSStcpp=[phone] 2660 4660 253,冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题单排管直线形冻土帷幕任意点(x,y)的温度：平均温度（胡向东）：其中：l为冻结管间距；为冻土帷幕单侧厚度；r0为冻结管外半径；tCT为冻结管表面温度。直线形冻土帷幕温度场解析解直线形冻土帷幕温度场解析解3.33.3()t x ytSrSSSySx,lnlncos=+2122220chCP02ln2ttllr=+11:l0.5-16-12-8-400.40.60.811.21.4l/mtcp积分梯形(l/5)梯形(l/4)成冰公式:l1.5-16-14-12-10-8-60.40.60.811.21.4l/mtcp积分梯形(l/5)梯形(l/4)成冰公式冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题成冰公式成冰公式假设冻结温度为假设冻结温度为0。以上长度单位为。以上长度单位为m。当开挖后井邦表面温度低于。当开挖后井邦表面温度低于0时，冻结壁有效厚度中的平均温度为式中时，冻结壁有效厚度中的平均温度为式中 经验系数，经验系数，0.250.30tn井帮温度，井帮温度，466.0266.0875.0352.0135.13+=ElElttnttt+=直线形冻土帷幕温度场解析解直线形冻土帷幕温度场解析解3.33.3冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题双排管直线形冻土帷幕任意点双排管直线形冻土帷幕任意点(x,y)的温度：的温度：直线形冻土帷幕温度场解析解直线形冻土帷幕温度场解析解3.33.3()()+=xlyLlxlyLllLlrltyxt2cos222cos224ln21222ln,0chch主面界面轴面主面界面轴面冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题直线形冻土帷幕温度场解析解直线形冻土帷幕温度场解析解3.33.3冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题平均温度（胡向东）：其中L为冻结管排距；l为排内冻结管间距；为冻结管到冻土帷幕边界的厚度。直线形冻土帷幕温度场解析解直线形冻土帷幕温度场解析解3.33.3CP2KLttL+=+()CT02ln 2ch2ln2KLtLtlllrl+=+l/20l/4L/2xy冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题?冻胀、融沉机理冻胀、融沉机理?冻胀力冻胀力?融沉量融沉量?冻胀、融沉控制措施冻胀、融沉控制措施冻胀与融沉冻胀与融沉4 4冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题冻胀可分为冻胀可分为原位冻胀原位冻胀和和分凝冻胀分凝冻胀。孔隙水原位冻结体积增大。孔隙水原位冻结体积增大9%（原位冻胀），外来迁移水分则体积增大（原位冻胀），外来迁移水分则体积增大1.09%（分凝冻胀）。所以开放系统饱水土中的分凝冻胀是构成土体冻胀的主要分量。原位冻胀量非常小，土体冻胀量主要取决于水分迁移通量。（分凝冻胀）。所以开放系统饱水土中的分凝冻胀是构成土体冻胀的主要分量。原位冻胀量非常小，土体冻胀量主要取决于水分迁移通量。冻胀机理冻胀机理4.14.112冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题因此，冻胀量的主要影响因素是冻土的因此，冻胀量的主要影响因素是冻土的导湿系数导湿系数和和土水势梯度土水势梯度。土水势梯度由重力势、压力势、渗压势、温度势、电力势和磁力势梯度中的某一项或几项之和组成。而影响这些量的外观因素可表现为：。土水势梯度由重力势、压力势、渗压势、温度势、电力势和磁力势梯度中的某一项或几项之和组成。而影响这些量的外观因素可表现为：1.内因：土的粒径、组织构造、透水系数、盐分浓度等；内因：土的粒径、组织构造、透水系数、盐分浓度等；2.外因：约束应力、冻结速度、冻结历时、孔隙水压等。外因：约束应力、冻结速度、冻结历时、孔隙水压等。总之，冻胀是一个非常复杂的问题。总之，冻胀是一个非常复杂的问题。冻胀机理冻胀机理4.14.1冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题土壤的冻胀敏感性土壤的冻胀敏感性土的粒径是影响冻胀敏感性的一个重要因素，颗粒越小冻胀性越强。砂性土冻胀不敏感，黏性土冻胀敏感。土的粒径是影响冻胀敏感性的一个重要因素，颗粒越小冻胀性越强。砂性土冻胀不敏感，黏性土冻胀敏感。冻胀机理冻胀机理4.14.1冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题冻结参数对的冻胀量的影响冻结参数对的冻胀量的影响冻结速度：在一定范围内，冻胀量与冻结速度成正比。冻结速度：在一定范围内，冻胀量与冻结速度成正比。冻结历时：冻结时间越长，冻胀冻胀量越大。冻结历时：冻结时间越长，冻胀冻胀量越大。冻结温度：冻结温度越低，冻胀冻胀量越大。冻结温度：冻结温度越低，冻胀冻胀量越大。冻胀机理冻胀机理4.14.1冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题衡量冻胀的主要指标是冻胀率。冻胀率指冻土单向冻结方向上的尺寸与冻结前的比值。一般按冻胀率大小来划分土壤衡量冻胀的主要指标是冻胀率。冻胀率指冻土单向冻结方向上的尺寸与冻结前的比值。一般按冻胀率大小来划分土壤冻胀等级冻胀等级。冻胀机理冻胀机理4.14.1冻胀等级不冻胀弱冻胀冻胀强冻胀特强冻胀冻胀率113.53.5661212冻胀率（俄罗斯）1144771010美国（寒区研究和工程实验室）用冻胀速度进行分级。美国（寒区研究和工程实验室）用冻胀速度进行分级。冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题冻胀力是冻胀受到约束时产生的力。由于约束条件的差异，冻胀力数值的可比性很差。标准试验可测试冻胀力，但主要用于不同土壤之间的比较，工程实际意义不大。工程上关心的冻胀力是因冻胀结构上受到的力，这个力不是单纯的冻胀力，因此也称冻胀力是冻胀受到约束时产生的力。由于约束条件的差异，冻胀力数值的可比性很差。标准试验可测试冻胀力，但主要用于不同土壤之间的比较，工程实际意义不大。工程上关心的冻胀力是因冻胀结构上受到的力，这个力不是单纯的冻胀力，因此也称“冻结压力冻结压力”。由于不同工程的差异性，实测冻胀力之值离散性很明显。因此，准确估计结构上受到的冻结压力是非常困难的。由于不同工程的差异性，实测冻胀力之值离散性很明显。因此，准确估计结构上受到的冻结压力是非常困难的。冻胀力冻胀力4.24.2冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题封闭式冻土帷幕的冻结过程中，交圈前几乎不显现冻胀力，开始交圈时冻胀力开始显现，在冻土帷幕形成闭合体后，冻胀力急剧增长几乎达到最大值。后续的冻结过程中，冻胀力变化不明显，有的略有增长，有的略有降低。封闭式冻土帷幕的冻结过程中，交圈前几乎不显现冻胀力，开始交圈时冻胀力开始显现，在冻土帷幕形成闭合体后，冻胀力急剧增长几乎达到最大值。后续的冻结过程中，冻胀力变化不明显，有的略有增长，有的略有降低。冻胀力冻胀力4.24.2 3#北线冻胀力-0.50.00.51.01.52.02.53.03.51-142-32-233-144-34-235-13日期冻胀力/MPa34封闭式冻土帷幕冻胀力的发展特征（复兴东路隧道）13冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题冻土融化后产生融沉，它由冻土融化后产生融沉，它由融化沉降融化沉降和和压缩沉降压缩沉降两部分组成。冻土融化时，冰变成水体积缩小产生融化沉降。融化区域排水固结，导致土体压缩沉降。融化沉降量与压力无关，压缩沉降与压力成正比。工程上用融沉系数两部分组成。冻土融化时，冰变成水体积缩小产生融化沉降。融化区域排水固结，导致土体压缩沉降。融化沉降量与压力无关，压缩沉降与压力成正比。工程上用融沉系数As来描述融化沉降，用压缩系数来描述融化沉降，用压缩系数Ar来描述压缩沉降。通常，融沉量大于冻胀量。来描述压缩沉降。通常，融沉量大于冻胀量。融沉机理融沉机理4.34.3（实验室试验）（实验室试验）冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题与冻胀类似，融沉的影响因素有：内因：土的热学、物理、力学性质等。外因：温度、温度梯度、压力等。与冻胀类似，融沉的影响因素有：内因：土的热学、物理、力学性质等。外因：温度、温度梯度、压力等。融沉机理融沉机理4.34.3冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题冻土融沉性，可用融沉率表示。工程上融沉量的估算可以简单地用融沉率与冻土高度的乘积来计算。冻土融沉性，可用融沉率表示。工程上融沉量的估算可以简单地用融沉率与冻土高度的乘积来计算。融沉量融沉量4.34.3冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题抑制冻胀的措施主要有：抑制冻胀的措施主要有：1.间歇冻结法：降低冻结速度，减小水分迁移间歇冻结法：降低冻结速度，减小水分迁移2.快速冻结法：足够高的冻结速度使得大量水分迁移来不及，无法形成大量冰晶体快速冻结法：足够高的冻结速度使得大量水分迁移来不及，无法形成大量冰晶体冻胀抑制措施冻胀抑制措施4.54.5冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题减小冻胀力的措施主要有：减小冻胀力的措施主要有：1.避免采用封闭式冻土帷幕避免采用封闭式冻土帷幕2.限制冻结范围限制冻结范围3.卸压孔卸压孔4.冻胀释放管冻胀释放管冻胀力减小措施冻胀力减小措施4.54.5冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题融沉与冻胀密切相关。通常，控制冻胀就间接控制了融沉。冻胀融沉综合控制措施主要有：融沉与冻胀密切相关。通常，控制冻胀就间接控制了融沉。冻胀融沉综合控制措施主要有：1.强制解冻，跟踪注浆。尽快固结土体，避免长期沉降强制解冻，跟踪注浆。尽快固结土体，避免长期沉降2.地层改良冻结法地层改良冻结法：先注浆，后冻结。降低土壤透水系数，阻止水分迁移；加强土体强度，减小压缩沉降。：先注浆，后冻结。降低土壤透水系数，阻止水分迁移；加强土体强度，减小压缩沉降。3.预注预注CMC（纤维素）。增加土体黏性，降低透水系数，阻碍水分迁移。（纤维素）。增加土体黏性，降低透水系数，阻碍水分迁移。冻胀、融沉综合控制措施冻胀、融沉综合控制措施4.54.514冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题“CJG+冻结冻结”工法（日本）工法（日本）冻胀、融沉综合控制措施冻胀、融沉综合控制措施4.54.5冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题“CJG+冻结冻结”工法（日本）工法（日本）冻胀、融沉综合控制措施冻胀、融沉综合控制措施4.54.5冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题“地层改良冻结法地层改良冻结法”（胡向东）（胡向东）冻胀、融沉综合控制措施冻胀、融沉综合控制措施4.54.5冻胀等级不冻胀弱冻胀冻胀强冻胀特强冻胀冻胀率（%）113.53.5661212冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题“地层改良冻结法地层改良冻结法”（胡向东）（胡向东）冻胀、融沉综合控制措施冻胀、融沉综合控制措施4.54.5融沉等级不融沉弱融沉融沉强融沉特强融沉融沉率（%）11 55 1010 2525 冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题人工冻土的解冻有三种情况：人工冻土的解冻有三种情况：1.中断或终止冻结时的自然解冻；中断或终止冻结时的自然解冻；2.盐水泄漏导致的解冻；盐水泄漏导致的解冻；3.强制解冻。强制解冻。人工冻土解冻人工冻土解冻5 5冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题自然解冻自然解冻速度与冻土量、冻土温度、环境温度及周围供热量相关。停止冻结后，每日解冻量与原先冻结时间成反比。冻结时间越长，解冻速度越低。一般情况下，冻土厚度速度与冻土量、冻土温度、环境温度及周围供热量相关。停止冻结后，每日解冻量与原先冻结时间成反比。冻结时间越长，解冻速度越低。一般情况下，冻土厚度1米以上时，中断米以上时，中断12天的冻结，冻土帷幕解冻厚度基本上可以忽略不计，可以认为是安全的。但是，必须注意，如果有较大流速的地下水作用时，解冻速度会加速。天的冻结，冻土帷幕解冻厚度基本上可以忽略不计，可以认为是安全的。但是，必须注意，如果有较大流速的地下水作用时，解冻速度会加速。自然解冻自然解冻5.15.1停冻后每日解冻厚度15冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题盐水泄漏解冻盐水泄漏解冻是盐水扩散引起的，解冻厚度主要与冻土温度相关，当然与时间也有关。当冻土帷幕足够厚，盐水包不与外界沟通时，盐水温度被保持低温，对冻土帷幕功能影响不大。例如，当冻土温度保持是盐水扩散引起的，解冻厚度主要与冻土温度相关，当然与时间也有关。当冻土帷幕足够厚，盐水包不与外界沟通时，盐水温度被保持低温，对冻土帷幕功能影响不大。例如，当冻土温度保持-20时，在泄漏后时，在泄漏后2个月内不采取任何措施的情况下，冻土帷幕解冻厚度才个月内不采取任何措施的情况下，冻土帷幕解冻厚度才6cm，其安全性不必担心。但是，必须注意，在砂性冻土中，盐水扩散快，解冻速度会加速。此外，如果盐水泄漏发生在早期，冻土温度不够低，冻土厚度不够大，盐水易与外界沟通，会带来安全威胁。，其安全性不必担心。但是，必须注意，在砂性冻土中，盐水扩散快，解冻速度会加速。此外，如果盐水泄漏发生在早期，冻土温度不够低，冻土厚度不够大，盐水易与外界沟通，会带来安全威胁。盐水泄漏解冻盐水泄漏解冻5.25.2盐水泄漏后解冻厚度冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题强制解冻强制解冻是指通过冻结管循环热盐水进行的积极解冻，其解冻速度主要与盐水温度相关，当然与冻土温度、环境温度也有关。自然解冻与强制解冻效果的比较：冻土厚度是指通过冻结管循环热盐水进行的积极解冻，其解冻速度主要与盐水温度相关，当然与冻土温度、环境温度也有关。自然解冻与强制解冻效果的比较：冻土厚度1.8m，强制解冻和自然解冻共同作用需要，强制解冻和自然解冻共同作用需要70，而单纯自然解冻则需要约，而单纯自然解冻则需要约6倍的时间。日本鹿岛试验：冻土半径倍的时间。日本鹿岛试验：冻土半径1.5米（厚度米（厚度3m）。自然解冻需要）。自然解冻需要200-300天，用天，用60热水循环需要约热水循环需要约60天，如用温度天，如用温度90，解冻时间减半（，解冻时间减半（60天减到天减到30天天)。强制解冻强制解冻5.35.3自然解冻和强制解冻厚度共同作用效果冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题?含盐地层含盐地层冻结温度下降冻结温度下降：冻土厚度减小、温度场理论不适、冻结时间延长：冻土厚度减小、温度场理论不适、冻结时间延长?含盐地层含盐地层导热系数下降导热系数下降：冻结速度下降：冻结速度下降?含盐地层含盐地层冻土强度下降冻土强度下降：冻土承载力降低：冻土承载力降低含盐地层问题含盐地层问题6 6冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题冻结温度下降冻结温度下降6.16.1冻结温度冻结温度/冰点冰点 t0 0?含盐土冻结温度随含盐量的增加而显著降低。含盐土冻结温度随含盐量的增加而显著降低。重塑土冻结温度盐度曲线-2.5-2-1.5-1-0.500510152025盐度冻结温度()冻结温度冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题冻结温度下降冻结温度下降6.16.1?冻结温度冻结温度/冰点冰点 t0 0冻结时间延长冻结时间延长冻结温度下降导致冻结时间延长-5.00 0.005.0010.0015.0020.0011-13 11-20 11-27 12-4 12-11 12-18 12-251-11-81-151-22日期温度/t0延时12dt0=-1.7C冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题冻结温度下降冻结温度下降6.16.1?冻结温度冻结温度/冰点冰点 t0 0冻土帷幕厚度减小冻土帷幕厚度减小冻结温度下降时冻土帷幕厚度减薄率冻结温度下降时冻土帷幕厚度减薄率 盐水温度-28，距冻结管1m处00.00%10.00%20.00%30.00%40.00%50.00%-5-4-3-2-10土层冻结温度/冻结壁厚度减薄率特鲁巴克单管巴霍尔金单排巴霍尔金双排巴霍尔金双排总厚16冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题冻结温度下降冻结温度下降6.16.1?冻结温度冻结温度/冰点冰点 t0 0原有温度场理论不适修正后：原有温度场理论不适修正后：I I II II III III x y y x l t(x,y)r0(),),(2ln,0100tyxmllrlttyxt+=冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题导热系数下降导热系数下降6.26.2?导热系数下降导热系数下降冻结时间延长冻结时间延长重塑土导热系数盐度曲线0.00.40.81.21.62.00510152025盐度导热系数未冻土导热系数冻土导热系数冻结法的理论与工程问题冻结法的理论与工程问题冻土强度下降冻土强度下降6.36.3?冻土强度下降冻土强度下降冻土帷幕承载力降低冻土帷幕承载力降低S-8-15-20-25-3002.673.3144.895.54100.630.971.172.233.01降幅（）降幅（）76.470.770.7%50.3%45.7%不同温度下冻土强度降幅（上海不同温度下冻土强度降幅（上海2）重大风险控制措施重大风险控制措施三大风险:三大风险:?从结构内向外钻孔从结构内向外钻孔 水土涌入水土涌入?冻结与开挖冻结与开挖 管片变形管片变形?冻土帷幕失效冻土帷幕失效 水淹与隧道坍塌水淹与隧道坍塌重大风险控制措施重大风险控制措施采用孔口防喷装置采用孔口防喷装置(BOP)从结构内向外钻孔从结构内向外钻孔1 1Bleed valveFreeze-tubeGate valve(spherical)SegmentGroundFlaned casing-stub重大风险控制措施重大风险控制措施管片预应力变形控制支架管片预应力变形控制支架隧道变形控制隧道变形控制2 250t jacksegment17重大风险控制措施重大风险控制措施安全门安全门防淹装置防淹装置3 3steel segment冻结法信息化施工系统冻结法信息化施工系统人工地层冻结是动态过程，是随时间变化的。冻土帷幕的性状受制冷系统运行状况、地质条件、边界散热、施工工况等诸多因素的影响。冻土性质、冻土帷幕的结构状态都是温度的函数，而冻土帷幕温度场是随时变化的。为保证冻土帷幕的安全和有效，必须实时掌握相关的各种参数。因此，人工地层冻结法是必须实行信息化施工的一种工法。人工地层冻结是动态过程，是随时间变化的。冻土帷幕的性状受制冷系统运行状况、地质条件、边界散热、施工工况等诸多因素的影响。冻土性质、冻土帷幕的结构状态都是温度的函数，而冻土帷幕温度场是随时变化的。为保证冻土帷幕的安全和有效，必须实时掌握相关的各种参数。因此，人工地层冻结法是必须实行信息化施工的一种工法。冻结法信息化施工冻结法信息化施工?冻结系统：盐水温度、流量等冻结系统：盐水温度、流量等?冻土温度：冻土帷幕状态（厚度、平均温度等）冻土温度：冻土帷幕状态（厚度、平均温度等）?冻胀：冻胀力、结构受力及变形冻胀：冻胀力、结构受力及变形?融沉：结构、土体、地面、构筑物变形融沉：结构、土体、地面、构筑物变形监测内容监测内容1 1冻结法信息化施工系统冻结法信息化施工系统系统结构系统结构2 2测算精度的影响因素测算精度的影响因素3 3冻结法信息化施工冻结法信息化施工?三个重要影响参数：三个重要