人工地層凍結(jié)技術(shù)講座

1、人工地層凍結(jié)技術(shù)人工地層凍結(jié)技術(shù)胡向東胡向東2010.05.14大大 綱綱概述概述凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的風(fēng)險(xiǎn)凍結(jié)法的風(fēng)險(xiǎn)凍結(jié)法的施工監(jiān)測凍結(jié)法的施工監(jiān)測驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)與內(nèi)容驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)與內(nèi)容若干管理問題若干管理問題概述概述人工地層凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)人工地層凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)凍結(jié)法的發(fā)展歷史凍結(jié)法的發(fā)展歷史凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)人工地層凍結(jié)法人工地層凍結(jié)法(Artificial Ground Freezing, AGF)（簡（簡稱稱“凍結(jié)法凍結(jié)法”），是利用人工制冷技術(shù)），是利用人工制冷技術(shù),使地層中的水結(jié)冰使地層中的水結(jié)

2、冰,把天然巖土變成凍土把天然巖土變成凍土,增加其強(qiáng)度和穩(wěn)定性增加其強(qiáng)度和穩(wěn)定性,隔絕地下水與地隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系下工程的聯(lián)系,以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行地下工程掘砌施以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行地下工程掘砌施工的特殊施工技術(shù)。其實(shí)質(zhì)是利用人工制冷臨時(shí)改變巖土性工的特殊施工技術(shù)。其實(shí)質(zhì)是利用人工制冷臨時(shí)改變巖土性質(zhì)以固結(jié)地層。質(zhì)以固結(jié)地層。凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)凍結(jié)巖土性質(zhì)的改變凍結(jié)巖土性質(zhì)的改變將含水地層（松散土層或裂隙巖層）冷將含水地層（松散土層或裂隙巖層）冷卻至結(jié)冰溫度下，使土中孔隙水或巖石裂隙卻至結(jié)冰溫度下，使土中孔隙水或巖石裂隙水變成冰，巖土的性質(zhì)發(fā)生重要變化，

3、形成水變成冰，巖土的性質(zhì)發(fā)生重要變化，形成一種新的工程材料一種新的工程材料“凍土凍土” 。巖土凍結(jié)實(shí)質(zhì)巖土凍結(jié)實(shí)質(zhì)1 1凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)較高的強(qiáng)度較高的強(qiáng)度絕對的封水性絕對的封水性凍土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)凍土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2 2凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)承載承載封水封水不承載不承載凍土結(jié)構(gòu)功能凍土結(jié)構(gòu)功能3 3凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)基本原理基本原理4 4凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)冷媒劑冷媒劑(鹽水鹽水)吸熱：吸熱：氨氨 (-33.4)；干冰干冰(-78.5)直接氣化吸熱：液氮直接氣化吸熱：液氮(-195.8)；干冰干冰

4、(-78.5)制冷方法制冷方法5 5巖土工程凍結(jié)制巖土工程凍結(jié)制冷技術(shù)通常利用物質(zhì)冷技術(shù)通常利用物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài), ,即即氣化過程的吸熱現(xiàn)象氣化過程的吸熱現(xiàn)象來完成的。來完成的。有兩種類型：有兩種類型：凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)凍結(jié)系統(tǒng)常有兩種類型：凍結(jié)系統(tǒng)常有兩種類型：封閉系統(tǒng)（鹽水凍結(jié)）封閉系統(tǒng)（鹽水凍結(jié)）開放系統(tǒng)（液氮凍結(jié)）開放系統(tǒng)（液氮凍結(jié)）制冷方法制冷方法5 5凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)凍結(jié)法適用于任何地層凍結(jié)法適用于任何地層凍結(jié)法的適應(yīng)性凍結(jié)法的適應(yīng)性6 6凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)凍土帷幕的變化性凍土帷幕的變化

5、性凍土范圍可變；凍土范圍可變；凍土溫度可變；凍土溫度可變；凍土強(qiáng)度可變（強(qiáng)度是溫度的函數(shù)）凍土強(qiáng)度可變（強(qiáng)度是溫度的函數(shù)）凍土帷幕的連續(xù)性凍土帷幕的連續(xù)性水在負(fù)溫下結(jié)冰的必然性水在負(fù)溫下結(jié)冰的必然性凍土帷幕的可知性凍土帷幕的可知性通過溫度測試可判斷凍結(jié)范圍、凍土強(qiáng)度通過溫度測試可判斷凍結(jié)范圍、凍土強(qiáng)度凍結(jié)法特點(diǎn)凍結(jié)法特點(diǎn)7 7凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)安全性好安全性好凍土強(qiáng)度較高凍土強(qiáng)度較高凍土連續(xù)性可靠、封水性好凍土連續(xù)性可靠、封水性好適用性強(qiáng)適用性強(qiáng)適用于幾乎所有具有一定含水量的松散地層（包括巖石）適用于幾乎所有具有一定含水量的松散地層（包括巖石）復(fù)雜地質(zhì)條件可行（流砂、

6、大深度、高水壓）復(fù)雜地質(zhì)條件可行（流砂、大深度、高水壓）靈活性高靈活性高凍土帷幕性狀（范圍、形狀、溫度、強(qiáng)度）可控凍土帷幕性狀（范圍、形狀、溫度、強(qiáng)度）可控經(jīng)濟(jì)性較好經(jīng)濟(jì)性較好環(huán)保性能好環(huán)保性能好“綠色工法綠色工法”凍結(jié)法優(yōu)點(diǎn)凍結(jié)法優(yōu)點(diǎn)8 8凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)凍結(jié)法的基本原理與特點(diǎn)凍脹融沉凍脹融沉對環(huán)境有一定的影響，嚴(yán)重時(shí)具有一定的破壞力對環(huán)境有一定的影響，嚴(yán)重時(shí)具有一定的破壞力融沉控制不當(dāng)可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)差異沉降和長期沉降融沉控制不當(dāng)可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)差異沉降和長期沉降風(fēng)險(xiǎn)性風(fēng)險(xiǎn)性供冷不足或外部熱源可導(dǎo)致凍土帷幕性能退化（范圍、強(qiáng)度）供冷不足或外部熱源可導(dǎo)致凍土帷幕性能退化（范圍、強(qiáng)度）流水作用下凍土

7、可快速消融流水作用下凍土可快速消融局限性局限性地下水流速影響凍結(jié)效果地下水流速影響凍結(jié)效果地層含鹽影響凍結(jié)效果地層含鹽影響凍結(jié)效果含氣地層可影響凍結(jié)效果含氣地層可影響凍結(jié)效果凍結(jié)法缺點(diǎn)凍結(jié)法缺點(diǎn)9 9凍結(jié)法的發(fā)展歷史凍結(jié)法的發(fā)展歷史1862年，年，英國英國威爾士威爾士(South Wales)的的建筑基礎(chǔ)建筑基礎(chǔ)施工首次使用人工地層凍結(jié)法，施工首次使用人工地層凍結(jié)法，失敗失敗*1880年，德國工程師年，德國工程師 F.H. Poetch首先提出人工凍結(jié)法原理并獲專利首先提出人工凍結(jié)法原理并獲專利1883年，德國阿爾巴里煤礦成功地采用凍結(jié)法建造井筒年，德國阿爾巴里煤礦成功地采用凍結(jié)法建造井筒兩年

8、后兩年后（1886年年1），瑞典人開始使用冷凍，用凍結(jié)法在斯特哥爾摩掘進(jìn)了一條隧道。德國人和瑞，瑞典人開始使用冷凍，用凍結(jié)法在斯特哥爾摩掘進(jìn)了一條隧道。德國人和瑞典人之后是法國人典人之后是法國人（1906年年1 ）1888年，美國人用于煤礦礦井開挖年，美國人用于煤礦礦井開挖1928年，蘇聯(lián)在德國人的幫助下，在年，蘇聯(lián)在德國人的幫助下，在鉀礦首次成功使用人工地層凍結(jié)法鑿井鉀礦首次成功使用人工地層凍結(jié)法鑿井1933年，蘇聯(lián)在工程師特魯巴克年，蘇聯(lián)在工程師特魯巴克()領(lǐng)導(dǎo)下，在領(lǐng)導(dǎo)下，在莫斯科地鐵莫斯科地鐵1號(hào)線號(hào)線成功使用人工地層凍結(jié)法修建成功使用人工地層凍結(jié)法修建三個(gè)地鐵站的扶梯斜隧道以及若干隧

9、道工作井三個(gè)地鐵站的扶梯斜隧道以及若干隧道工作井 1942年年 ，巴西，巴西26層高樓不均勻沉降修正層高樓不均勻沉降修正11955年，中國煤礦首次采用凍結(jié)法鑿井年，中國煤礦首次采用凍結(jié)法鑿井1960年，加拿大雙拱鐵道隧道隔墻拆除工程年，加拿大雙拱鐵道隧道隔墻拆除工程11962年，日本開始使用凍結(jié)法于市政工程（大阪水管越江年，日本開始使用凍結(jié)法于市政工程（大阪水管越江2）（無礦山工程）（無礦山工程）70年代初，北京地鐵首次應(yīng)用凍結(jié)法年代初，北京地鐵首次應(yīng)用凍結(jié)法1994年年，臺(tái)北捷運(yùn)新店線臺(tái)北捷運(yùn)新店線 CH221 標(biāo)標(biāo) 1凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用土木工程、巖土工程土木工程、巖土工程礦山鑿井：豎

10、井、斜井礦山鑿井：豎井、斜井隧道施工：隧道掘進(jìn)；盾構(gòu)、頂管進(jìn)出洞、聯(lián)絡(luò)通道；隧道擴(kuò)建隧道施工：隧道掘進(jìn)；盾構(gòu)、頂管進(jìn)出洞、聯(lián)絡(luò)通道；隧道擴(kuò)建基坑工程基坑工程穿越穿越地下對接地下對接事故處理事故處理管線工程管線工程基礎(chǔ)加固基礎(chǔ)加固邊坡加固邊坡加固環(huán)境保護(hù)：環(huán)境保護(hù)：污染物處理污染物處理土工試驗(yàn)：土工試驗(yàn)：原狀土取樣原狀土取樣其他：其他：泥漿除水泥漿除水凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用 1955年，由波蘭引進(jìn)了立井凍結(jié)法鑿井技術(shù)，在開灤年，由波蘭引進(jìn)了立井凍結(jié)法鑿井技術(shù)，在開灤林西煤礦風(fēng)井建成了第一口立井，在中國開創(chuàng)了人工林西煤礦風(fēng)井建成了第一口立井，在中國開創(chuàng)了人工地層凍結(jié)法的先河地層凍結(jié)法的先河 截止

11、截止1994年未的年未的40年間，我國已采用凍結(jié)法開鑿了年間，我國已采用凍結(jié)法開鑿了390多個(gè)井筒，總長度超過多個(gè)井筒，總長度超過66km. 截止截止2007年，我國已采用凍結(jié)法開鑿了年，我國已采用凍結(jié)法開鑿了500多個(gè)井筒，多個(gè)井筒，總長度超過總長度超過70km1. 蘇聯(lián)（俄羅斯）凍結(jié)法鑿井蘇聯(lián)（俄羅斯）凍結(jié)法鑿井400多個(gè)，當(dāng)時(shí)規(guī)模最大多個(gè)，當(dāng)時(shí)規(guī)模最大 目前中國最大凍結(jié)深度達(dá)到目前中國最大凍結(jié)深度達(dá)到737米米1，水平凍結(jié)長度達(dá)，水平凍結(jié)長度達(dá)到到147.8米米豎井鑿井豎井鑿井1 1凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用主要國家最大凍結(jié)深度主要國家最大凍結(jié)深度國家國家 英國英國加拿加拿大大波蘭波蘭比利

12、比利時(shí)時(shí)德國德國 蘇聯(lián)蘇聯(lián) 法國法國 中國中國 荷蘭荷蘭最大最大凍深凍深(m)930915725638628620550737338凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用 自自1933年起，蘇聯(lián)（俄羅斯）在地鐵使用年起，蘇聯(lián)（俄羅斯）在地鐵使用人工地層凍結(jié)法修建扶梯斜隧道人工地層凍結(jié)法修建扶梯斜隧道 100多條，總多條，總長超過長超過5km.斜井、傾斜隧道斜井、傾斜隧道2 2凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用蘇聯(lián)地鐵扶梯傾斜隧道蘇聯(lián)地鐵扶梯傾斜隧道凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用Boston：隧道通過俄式百年建筑：隧道通過俄式百年建筑 隧道隧道3 3凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用瑞士：瑞士：Limmat河底隧道河底隧道 隧道隧道3

13、 3凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用盾構(gòu)進(jìn)出洞盾構(gòu)進(jìn)出洞4 4日本：日本：大直徑大直徑盾構(gòu)盾構(gòu)到達(dá)到達(dá)垂直垂直凍結(jié)凍結(jié)凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用大連路隧道大連路隧道翔殷路隧道翔殷路隧道盾構(gòu)進(jìn)出洞盾構(gòu)進(jìn)出洞4 4凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用頂管進(jìn)出洞頂管進(jìn)出洞4 4凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)5 5凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)5 5凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)5 5凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)5 5凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工5 5凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用隧道

14、擴(kuò)建隧道擴(kuò)建6 6凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用基坑基坑7 7凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用基坑基坑7 7凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用“The Big Dig”-The Central Artery Tunnel. Boston, USA穿越穿越8 8凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用穿越穿越8 8凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用日本大阪日本大阪下水管垂直錯(cuò)高對接下水管垂直錯(cuò)高對接地下對接地下對接9 9凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用日本日本 9.8m泥水盾構(gòu)泥水盾構(gòu)水下對接水下對接地下對接地下對接9 9凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用上海軌道交通上海軌道交通4號(hào)線號(hào)線董家渡坍塌隧道董家渡坍塌隧道事故修復(fù)事故修復(fù)1010凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)

15、用南京地鐵南京地鐵2號(hào)線號(hào)線“中中元元”區(qū)間坍塌隧道區(qū)間坍塌隧道事故修復(fù)事故修復(fù)1010一號(hào)線一號(hào)線左線隧道尚未施工左線隧道尚未施工一號(hào)線元通一號(hào)線元通站站二號(hào)線元通站二號(hào)線元通站 完好隧道清理完好隧道清理（鐵三局實(shí)施）（鐵三局實(shí)施）一號(hào)線元通一號(hào)線元通站站二號(hào)線元通站二號(hào)線元通站展覽中心展覽中心金奧大廈金奧大廈破損隧道范圍修復(fù)破損隧道范圍修復(fù)（隧道公司實(shí)施）（隧道公司實(shí)施）約約150m二號(hào)線中和村二號(hào)線中和村站站凍結(jié)加固區(qū)域凍結(jié)加固區(qū)域凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用盾構(gòu)長距離推進(jìn)盾尾密封鋼絲刷磨損后的更換盾構(gòu)長距離推進(jìn)盾尾密封鋼絲刷磨損后的更換（上海長江隧道）（上海長江隧道）事故修復(fù)事故修復(fù)101

16、0凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用管線工程管線工程1111凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用基礎(chǔ)加固基礎(chǔ)加固1212凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用邊坡加固邊坡加固1313凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用屏障屏障1414凍結(jié)法的應(yīng)用凍結(jié)法的應(yīng)用屏障屏障1414凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題凍土熱、物理力學(xué)性質(zhì)凍土熱、物理力學(xué)性質(zhì)熱傳導(dǎo)與溫度場熱傳導(dǎo)與溫度場土體凍脹、融沉土體凍脹、融沉凍土解凍凍土解凍凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題主要參數(shù)：比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)、潛熱、結(jié)冰溫主要參數(shù)：比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)、潛熱、結(jié)冰溫度等度等最主要影響因素：含水量最主要影響因素：含水量特點(diǎn)：凍土與未凍土的熱力學(xué)參數(shù)有明顯區(qū)別特

17、點(diǎn)：凍土與未凍土的熱力學(xué)參數(shù)有明顯區(qū)別熱力學(xué)性質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)1 1凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題強(qiáng)度：單軸抗壓、抗拉、抗剪、粘聚力、內(nèi)摩強(qiáng)度：單軸抗壓、抗拉、抗剪、粘聚力、內(nèi)摩擦角、變形模量、泊淞比等擦角、變形模量、泊淞比等主要影響因素：溫度、含水量、未凍水含量、主要影響因素：溫度、含水量、未凍水含量、粒徑、孔隙率、荷載粒徑、孔隙率、荷載特點(diǎn)：凍土是流變材料，力學(xué)性質(zhì)隨時(shí)間變化特點(diǎn)：凍土是流變材料，力學(xué)性質(zhì)隨時(shí)間變化物理力學(xué)性質(zhì)物理力學(xué)性質(zhì)2 2凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題n 隨 土 性 變 化 的 參 數(shù) ， 隨 土 性 變 化 的 參 數(shù) ， 砂性土砂性土n0.

18、5黏性土黏性土n1；a, b與凍土的孔隙度、含水量相關(guān)的系數(shù)。與凍土的孔隙度、含水量相關(guān)的系數(shù)。單軸抗壓強(qiáng)度單軸抗壓強(qiáng)度2.12.1nbta同等條件下，凍土強(qiáng)度是溫度的函數(shù)：同等條件下，凍土強(qiáng)度是溫度的函數(shù)：單軸極限抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系（日本）凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題在相同溫度下，含水量對凍在相同溫度下，含水量對凍土極限強(qiáng)度影響很大。在非飽和土極限強(qiáng)度影響很大。在非飽和時(shí)，強(qiáng)度隨含水量增長；過飽和時(shí)，強(qiáng)度隨含水量增長；過飽和時(shí)，強(qiáng)度隨含水量降低。時(shí)，強(qiáng)度隨含水量降低。其中，未凍水含量對凍土強(qiáng)其中，未凍水含量對凍土強(qiáng)度影響也很顯著。未凍水含量越度影響也很顯著。未凍水含量越高，

19、強(qiáng)度越低。高，強(qiáng)度越低。單軸抗壓強(qiáng)度單軸抗壓強(qiáng)度2.12.1單軸極限抗壓強(qiáng)度與總含水量的關(guān)系1砂；2亞砂；3黏土；4粉質(zhì)黏土（俄羅斯）凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題凍土抗拉強(qiáng)度規(guī)律與抗壓強(qiáng)度相同。強(qiáng)凍土抗拉強(qiáng)度規(guī)律與抗壓強(qiáng)度相同。強(qiáng)度隨著溫度的降低增長，同時(shí)取決于土的成度隨著溫度的降低增長，同時(shí)取決于土的成分、含水量等因素。分、含水量等因素。數(shù)值上，抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度低數(shù)值上，抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度低26倍。倍?？估⒖辜魪?qiáng)度抗拉、抗剪強(qiáng)度2.22.2凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題 導(dǎo)熱形態(tài)導(dǎo)熱形態(tài) 凍結(jié)發(fā)展動(dòng)態(tài)過程凍結(jié)發(fā)展動(dòng)態(tài)過程 溫度場與平均溫度溫度場與平均溫度熱傳

20、導(dǎo)與溫度場熱傳導(dǎo)與溫度場3 3凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)管凍結(jié)過程是非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題凍結(jié)管凍結(jié)過程是非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題凍結(jié)后期，熱交換趨于平衡，可近似看凍結(jié)后期，熱交換趨于平衡，可近似看作穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題作穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題溫度場分析時(shí)一般看作穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題溫度場分析時(shí)一般看作穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題導(dǎo)熱形態(tài)導(dǎo)熱形態(tài)3.13.1凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題單排凍結(jié)管凍結(jié)過程三階段：單管凍結(jié)、管間影響凍單排凍結(jié)管凍結(jié)過程三階段：單管凍結(jié)、管間影響凍結(jié)和管間凍土相接后凍結(jié)結(jié)和管間凍土相接后凍結(jié)單管凍結(jié)單管凍結(jié)：管間獨(dú)立凍結(jié)，凍土呈圓柱狀發(fā)展：管間獨(dú)立凍結(jié)，凍土呈圓柱狀發(fā)展管間影響凍結(jié)管間影

21、響凍結(jié)：管間相互影響，凍土在凍結(jié)管之間：管間相互影響，凍土在凍結(jié)管之間（軸向）發(fā)展快，兩側(cè)慢，凍土呈橢圓柱形（軸向）發(fā)展快，兩側(cè)慢，凍土呈橢圓柱形管間凍土相接后凍結(jié)管間凍土相接后凍結(jié)：凍土相接（：凍土相接（“交圈交圈”）后，形）后，形成波浪形凍土墻，但凹陷部位（界面）發(fā)展快，凸出部成波浪形凍土墻，但凹陷部位（界面）發(fā)展快，凸出部位（主面）發(fā)展慢，凹陷部位將很快填滿，凍土墻兩側(cè)位（主面）發(fā)展慢，凹陷部位將很快填滿，凍土墻兩側(cè)呈直線形。之后凍土直墻繼續(xù)向兩側(cè)發(fā)展。呈直線形。之后凍土直墻繼續(xù)向兩側(cè)發(fā)展。凍結(jié)發(fā)展動(dòng)態(tài)過程凍結(jié)發(fā)展動(dòng)態(tài)過程3.23.2凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題單管凍結(jié)溫

22、度場單管凍結(jié)溫度場(. , 1954 )溫度場與平均溫度溫度場與平均溫度3.23.2IIIIIIIIIIIIxyyxSt(x,y)2r0 0lnlnrrtrt單排管直墻溫度場：單排管直墻溫度場：主面主面(II-II)：界面界面(III-III)：0lnlnrytt022ln42lnrSytt平均溫度為平均溫度為主面主面平均溫度和平均溫度和界面界面平均溫度之平均：平均溫度之平均：ttSr .l nl n220凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題事實(shí)上，事實(shí)上，. 公式在凍土交圈后公式在凍土交圈后誤差很大。誤差很大。. 提出，凍結(jié)壁平均溫度提出，凍結(jié)壁平均溫度按整個(gè)凍結(jié)壁體積積分平均值計(jì)算

23、，而溫度按整個(gè)凍結(jié)壁體積積分平均值計(jì)算，而溫度公式利用公式利用. 的那些。即平均溫度為：的那些。即平均溫度為：溫度場與平均溫度溫度場與平均溫度3.23.2IIIIIIIIIIIIxyyxSt(x,y)2r0經(jīng)簡化處理后，經(jīng)簡化處理后，這個(gè)方法比這個(gè)方法比. 的方法簡單而更準(zhǔn)確的方法簡單而更準(zhǔn)確。tStyxrdxdycSl nl n 2220002凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題計(jì)算凍土帷幕平均溫度的公式還有很多：計(jì)算凍土帷幕平均溫度的公式還有很多：. . ：. . ：. . （莫斯科礦業(yè)大學(xué)）：（莫斯科礦業(yè)大學(xué)）：中國（中國（“ “成冰公式成冰公式” ”）：）：溫度場與平均溫度溫度

24、場與平均溫度3.23.2等等。等等。這這些公式均有各自的使用條件和優(yōu)點(diǎn)。些公式均有各自的使用條件和優(yōu)點(diǎn)。ttSRSdS ,0 420 0920 2020 370 01ttbbS 012ttdSS,0 32080 2ttSStcpp 11350 35208750 2660 4660 253,凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題單排管直線形凍土帷幕任意點(diǎn)(x,y)的溫度：平均溫度：其中：l為凍結(jié)管間距；為凍土帷幕單側(cè)厚度；r0為凍結(jié)管外半徑；tCT為凍結(jié)管表面溫度。直線形凍土帷幕溫度場解析解直線形凍土帷幕溫度場解析解3.33.3t x ytSrSSSySx ,l nl ncos212222

25、0chCP02ln2ttllr凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題成冰公式成冰公式假設(shè)凍結(jié)溫度為假設(shè)凍結(jié)溫度為0。以上長度單位為以上長度單位為m。當(dāng)開挖后井邦表面溫度低于當(dāng)開挖后井邦表面溫度低于0時(shí)，凍結(jié)壁有效厚度中時(shí)，凍結(jié)壁有效厚度中的平均溫度為的平均溫度為式中式中 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)， 0.250.30tn井幫溫度，井幫溫度，466. 0266. 0875. 0352. 0135. 13ElElttnttt直線形凍土帷幕溫度場解析解直線形凍土帷幕溫度場解析解3.33.3凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題雙排管直線形凍土帷幕任意點(diǎn)雙排管直線形凍土帷幕任意點(diǎn)(x,y)的溫度：

26、的溫度：直線形凍土帷幕溫度場解析解直線形凍土帷幕溫度場解析解3.33.3xlyLlxlyLllLlrltyxt2cos222cos224ln21222ln,0chch主面主面界面界面軸面軸面凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題直線形凍土帷幕直線形凍土帷幕溫度場解析解溫度場解析解3.33.3凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題平均溫度其中L為凍結(jié)管排距；l為排內(nèi)凍結(jié)管間距；為凍結(jié)管到凍土帷幕邊界的厚度。直線形凍土帷幕直線形凍土帷幕溫度場解析解溫度場解析解3.33.3CP2KLttLCT02ln 2ch2ln2KLtLtlllrll/20l/4L/2xy凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法

27、的理論與工程問題 凍脹、融沉機(jī)理凍脹、融沉機(jī)理 凍脹力凍脹力 融沉量融沉量 凍脹、融沉控制措施凍脹、融沉控制措施凍脹與融沉凍脹與融沉4 4凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題凍脹可分為凍脹可分為原位凍脹原位凍脹和和分凝凍脹分凝凍脹?？紫端粌鼋Y(jié)體積增大孔隙水原位凍結(jié)體積增大9%（原（原位凍脹），外來遷移水分則體積增大位凍脹），外來遷移水分則體積增大1.09%（分凝凍脹）。所以開放系統(tǒng)飽（分凝凍脹）。所以開放系統(tǒng)飽水土中的分凝凍脹是構(gòu)成土體凍脹的主水土中的分凝凍脹是構(gòu)成土體凍脹的主要分量。要分量。原位凍脹量非常小，土體凍脹量主原位凍脹量非常小，土體凍脹量主要取決于水分遷移通量。要取決于

28、水分遷移通量。凍脹機(jī)理凍脹機(jī)理4.14.1凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題因此，凍脹量的主要影響因素是凍土的因此，凍脹量的主要影響因素是凍土的導(dǎo)濕系數(shù)導(dǎo)濕系數(shù)和和土水勢梯度土水勢梯度。土水勢梯度由重力勢、壓力勢、滲壓勢、溫度勢、電力勢和磁力土水勢梯度由重力勢、壓力勢、滲壓勢、溫度勢、電力勢和磁力勢梯度中的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)之和組成。勢梯度中的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)之和組成。而影響這些量的外觀因素可表現(xiàn)為：而影響這些量的外觀因素可表現(xiàn)為：1. 內(nèi)因：土的粒徑、組織構(gòu)造、透水系數(shù)、鹽分濃度等；內(nèi)因：土的粒徑、組織構(gòu)造、透水系數(shù)、鹽分濃度等；2. 外因：約束應(yīng)力、凍結(jié)速度、凍結(jié)歷時(shí)、孔隙水壓等。外因：約

29、束應(yīng)力、凍結(jié)速度、凍結(jié)歷時(shí)、孔隙水壓等?？傊?，凍脹是一個(gè)非常復(fù)雜的問題。總之，凍脹是一個(gè)非常復(fù)雜的問題。凍脹機(jī)理凍脹機(jī)理4.14.1凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題土壤的凍脹敏感性土壤的凍脹敏感性土的粒徑是影響凍脹敏感性的一個(gè)重要因素，土的粒徑是影響凍脹敏感性的一個(gè)重要因素，顆粒越小凍脹性越強(qiáng)。顆粒越小凍脹性越強(qiáng)。砂性土凍脹不敏感，黏性土凍脹敏感。砂性土凍脹不敏感，黏性土凍脹敏感。凍脹機(jī)理凍脹機(jī)理4.14.1凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)參數(shù)對的凍脹量的影響凍結(jié)參數(shù)對的凍脹量的影響凍結(jié)速度：在一定范圍內(nèi)，凍脹量與凍結(jié)速度成凍結(jié)速度：在一定范圍內(nèi)，凍脹量與凍結(jié)速度成

30、正比。正比。凍結(jié)歷時(shí)：凍結(jié)時(shí)間越長，凍脹凍脹量越大。凍結(jié)歷時(shí)：凍結(jié)時(shí)間越長，凍脹凍脹量越大。凍結(jié)溫度：凍結(jié)溫度越低，凍脹凍脹量越大。凍結(jié)溫度：凍結(jié)溫度越低，凍脹凍脹量越大。凍脹機(jī)理凍脹機(jī)理4.14.1凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題衡量凍脹的主要指標(biāo)是凍脹率。衡量凍脹的主要指標(biāo)是凍脹率。凍脹率指凍土單向凍結(jié)方向上的尺寸與凍結(jié)前的比值。凍脹率指凍土單向凍結(jié)方向上的尺寸與凍結(jié)前的比值。一般按凍脹率大小來劃分土壤一般按凍脹率大小來劃分土壤凍脹等級凍脹等級。凍脹機(jī)理凍脹機(jī)理4.14.1凍脹等級不凍脹弱凍脹凍脹強(qiáng)凍脹特強(qiáng)凍脹凍脹率113.53.5661212凍脹率（俄羅斯）114477101

31、0美國（寒區(qū)研究和工程實(shí)驗(yàn)室）用凍脹速度進(jìn)行分級。美國（寒區(qū)研究和工程實(shí)驗(yàn)室）用凍脹速度進(jìn)行分級。凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題凍脹力是凍脹受到約束時(shí)產(chǎn)生的力。凍脹力是凍脹受到約束時(shí)產(chǎn)生的力。由于約束條件的差異，凍脹力數(shù)值的可比性很差。由于約束條件的差異，凍脹力數(shù)值的可比性很差。標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)可測試凍脹力，但主要用于不同土壤之間的比較，工程標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)可測試凍脹力，但主要用于不同土壤之間的比較，工程實(shí)際意義不大。實(shí)際意義不大。工程上關(guān)心的凍脹力是因凍脹結(jié)構(gòu)上受到的力，這個(gè)力不是單純工程上關(guān)心的凍脹力是因凍脹結(jié)構(gòu)上受到的力，這個(gè)力不是單純的凍脹力，因此也稱的凍脹力，因此也稱“凍結(jié)壓力凍結(jié)壓力

32、”。由于不同工程的差異性，實(shí)測凍脹力之值離散性很明顯。由于不同工程的差異性，實(shí)測凍脹力之值離散性很明顯。因此，準(zhǔn)確估計(jì)結(jié)構(gòu)上受到的凍結(jié)壓力是非常困難的。因此，準(zhǔn)確估計(jì)結(jié)構(gòu)上受到的凍結(jié)壓力是非常困難的。凍脹力凍脹力4.24.2凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題封閉式凍土帷幕的凍封閉式凍土帷幕的凍結(jié)過程中，交圈前幾乎不結(jié)過程中，交圈前幾乎不顯現(xiàn)凍脹力，開始交圈時(shí)顯現(xiàn)凍脹力，開始交圈時(shí)凍脹力開始顯現(xiàn)，在凍土凍脹力開始顯現(xiàn)，在凍土帷幕形成閉合體后，凍脹帷幕形成閉合體后，凍脹力急劇增長幾乎達(dá)到最大力急劇增長幾乎達(dá)到最大值。后續(xù)的凍結(jié)過程中，值。后續(xù)的凍結(jié)過程中，凍脹力變化不明顯，有的凍脹力變化

33、不明顯，有的略有增長，有的略有降低。略有增長，有的略有降低。凍脹力凍脹力4.24.2封閉式凍土帷幕凍脹力的發(fā)展特征（復(fù)興東路隧道）凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題凍土融化后產(chǎn)生融沉，它由凍土融化后產(chǎn)生融沉，它由融化沉融化沉降降和和壓縮沉降壓縮沉降兩部分組成。兩部分組成。凍土融化時(shí)，冰變成水體積縮小產(chǎn)凍土融化時(shí)，冰變成水體積縮小產(chǎn)生融化沉降。融化區(qū)域排水固結(jié)，導(dǎo)致生融化沉降。融化區(qū)域排水固結(jié)，導(dǎo)致土體壓縮沉降。融化沉降量與壓力無關(guān)，土體壓縮沉降。融化沉降量與壓力無關(guān)，壓縮沉降與壓力成正比。壓縮沉降與壓力成正比。工程上用融沉系數(shù)工程上用融沉系數(shù)As來描述融化沉來描述融化沉降，用壓縮系數(shù)

34、降，用壓縮系數(shù)Ar來描述壓縮沉降。來描述壓縮沉降。通常，融沉量大于凍脹量。通常，融沉量大于凍脹量。融沉機(jī)理融沉機(jī)理4.34.3（實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)）（實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)）凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題與凍脹類似，融沉的影響因素有：與凍脹類似，融沉的影響因素有：內(nèi)因：土的熱學(xué)、物理、力學(xué)性質(zhì)等。內(nèi)因：土的熱學(xué)、物理、力學(xué)性質(zhì)等。外因：溫度、溫度梯度、壓力等。外因：溫度、溫度梯度、壓力等。融沉機(jī)理融沉機(jī)理4.34.3凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題凍土融沉性，可用融沉率表示。凍土融沉性，可用融沉率表示。工程上融沉量的估算可以簡單地用融沉率與工程上融沉量的估算可以簡單地用融沉率與凍土高度的

35、乘積來計(jì)算。凍土高度的乘積來計(jì)算。融沉量融沉量4.34.3凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題抑制凍脹的措施主要有：抑制凍脹的措施主要有：1. 間歇凍結(jié)法：降低凍結(jié)速度，減小水分遷移間歇凍結(jié)法：降低凍結(jié)速度，減小水分遷移2. 快速凍結(jié)法：足夠高的凍結(jié)速度使得大量水分快速凍結(jié)法：足夠高的凍結(jié)速度使得大量水分遷移來不及，無法形成大量冰晶體遷移來不及，無法形成大量冰晶體凍脹抑制措施凍脹抑制措施4.54.5凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題減小凍脹力的措施主要有：減小凍脹力的措施主要有：1. 避免采用封閉式凍土帷幕避免采用封閉式凍土帷幕2. 限制凍結(jié)范圍限制凍結(jié)范圍3. 卸壓孔卸壓孔

36、4. 凍脹釋放管凍脹釋放管凍脹力減小措施凍脹力減小措施4.54.5凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題融沉與凍脹密切相關(guān)。通常，控制凍脹就間接控制了融沉與凍脹密切相關(guān)。通常，控制凍脹就間接控制了融沉。凍脹融沉綜合控制措施主要有：融沉。凍脹融沉綜合控制措施主要有：1.強(qiáng)制解凍，跟蹤注漿。盡快固結(jié)土體，避免長期沉降強(qiáng)制解凍，跟蹤注漿。盡快固結(jié)土體，避免長期沉降2.先注漿，后凍結(jié)。降低土壤透水系數(shù)，阻止水分遷移；先注漿，后凍結(jié)。降低土壤透水系數(shù)，阻止水分遷移；加強(qiáng)土體強(qiáng)度，減小壓縮沉降。加強(qiáng)土體強(qiáng)度，減小壓縮沉降。3.預(yù)注預(yù)注CMC。增加土體黏性，降低透水系數(shù)，阻礙水分。增加土體黏性，降低透

37、水系數(shù)，阻礙水分遷移。遷移。凍脹、融沉綜合控制措施凍脹、融沉綜合控制措施4.54.5凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題“CJG+凍結(jié)凍結(jié)”工法工法（日本）（日本）凍脹、融沉綜合控制措施凍脹、融沉綜合控制措施4.54.5凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題“CJG+凍結(jié)凍結(jié)”工法工法（日本）（日本）凍脹、融沉綜合控制措施凍脹、融沉綜合控制措施4.54.5凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題人工凍土的解凍有三種情況：人工凍土的解凍有三種情況：1. 中斷或終止凍結(jié)時(shí)的自然解凍；中斷或終止凍結(jié)時(shí)的自然解凍；2. 鹽水泄漏導(dǎo)致的解凍；鹽水泄漏導(dǎo)致的解凍；3. 強(qiáng)制解凍。強(qiáng)制解凍

38、。人工凍土解凍人工凍土解凍5 5凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題自然解凍自然解凍速度與凍土量、凍土溫度、速度與凍土量、凍土溫度、環(huán)境溫度及周圍供熱量相關(guān)。環(huán)境溫度及周圍供熱量相關(guān)。停止凍結(jié)后，每日解凍量與原先凍結(jié)時(shí)停止凍結(jié)后，每日解凍量與原先凍結(jié)時(shí)間成反比。凍結(jié)時(shí)間越長，解凍速度越低。間成反比。凍結(jié)時(shí)間越長，解凍速度越低。一般情況下，凍土厚度一般情況下，凍土厚度1米以上時(shí)，中斷米以上時(shí)，中斷12天的凍結(jié)，凍土帷幕解凍厚度基本上可以天的凍結(jié)，凍土帷幕解凍厚度基本上可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)為是安全的。忽略不計(jì)，可以認(rèn)為是安全的。但是，必須注意，如果有較大流速的地但是，必須注意，如果有較大流

39、速的地下水作用時(shí)，解凍速度會(huì)加速。下水作用時(shí)，解凍速度會(huì)加速。自然解凍自然解凍5.15.1停凍后每日解凍厚度凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題鹽水泄漏解凍鹽水泄漏解凍是鹽水?dāng)U散引起的，解凍厚是鹽水?dāng)U散引起的，解凍厚度主要與凍土溫度相關(guān)，當(dāng)然與時(shí)間也有關(guān)。度主要與凍土溫度相關(guān)，當(dāng)然與時(shí)間也有關(guān)。當(dāng)凍土帷幕足夠厚，鹽水包不與外界溝通時(shí)，當(dāng)凍土帷幕足夠厚，鹽水包不與外界溝通時(shí)，鹽水溫度被保持低溫，對凍土帷幕功能影響不大。鹽水溫度被保持低溫，對凍土帷幕功能影響不大。例如，當(dāng)凍土溫度保持例如，當(dāng)凍土溫度保持-20時(shí)，在泄漏后時(shí)，在泄漏后2個(gè)個(gè)月內(nèi)不采取任何措施的情況下，凍土帷幕解凍厚度月內(nèi)不采

40、取任何措施的情況下，凍土帷幕解凍厚度才才6cm，其安全性不必?fù)?dān)心。，其安全性不必?fù)?dān)心。但是，必須注意，在砂性凍土中，鹽水?dāng)U散快，但是，必須注意，在砂性凍土中，鹽水?dāng)U散快，解凍速度會(huì)加速。解凍速度會(huì)加速。此外，如果鹽水泄漏發(fā)生在早期，凍土溫度不此外，如果鹽水泄漏發(fā)生在早期，凍土溫度不夠低，凍土厚度不夠大，鹽水易與外界溝通，會(huì)帶夠低，凍土厚度不夠大，鹽水易與外界溝通，會(huì)帶來安全威脅。來安全威脅。鹽水泄漏解凍鹽水泄漏解凍5.25.2鹽水泄漏后解凍厚度凍結(jié)法的理論與工程問題凍結(jié)法的理論與工程問題強(qiáng)制解凍強(qiáng)制解凍是指通過凍結(jié)管循環(huán)熱鹽是指通過凍結(jié)管循環(huán)熱鹽水進(jìn)行的積極解凍，其解凍速度主要與鹽水進(jìn)行的積極

41、解凍，其解凍速度主要與鹽水溫度相關(guān)，當(dāng)然與凍土溫度、環(huán)境溫度水溫度相關(guān)，當(dāng)然與凍土溫度、環(huán)境溫度也有關(guān)。也有關(guān)。自然解凍與強(qiáng)制解凍效果的比較：凍自然解凍與強(qiáng)制解凍效果的比較：凍土厚度土厚度1.8m，強(qiáng)制解凍和自然解凍共同作，強(qiáng)制解凍和自然解凍共同作用需要用需要70，而單純自然解凍則需要約，而單純自然解凍則需要約6倍倍的時(shí)間。的時(shí)間。日本鹿島試驗(yàn)：凍土半徑日本鹿島試驗(yàn)：凍土半徑1.5米（厚米（厚度度3m）。自然解凍需要）。自然解凍需要200-300天，用天，用60熱水循環(huán)需要約熱水循環(huán)需要約60天，如用溫度天，如用溫度90，解凍時(shí)間減半（解凍時(shí)間減半（60天減到天減到30天天)。強(qiáng)制解凍強(qiáng)制解凍

42、5.35.3自然解凍和強(qiáng)制解凍厚度共同作用效果重大風(fēng)險(xiǎn)控制措施重大風(fēng)險(xiǎn)控制措施三大風(fēng)險(xiǎn)三大風(fēng)險(xiǎn): :從結(jié)構(gòu)內(nèi)向外鉆孔從結(jié)構(gòu)內(nèi)向外鉆孔 水土涌入水土涌入凍結(jié)與開挖凍結(jié)與開挖 管片變形管片變形凍土帷幕失效凍土帷幕失效 水淹與隧道坍塌水淹與隧道坍塌重大風(fēng)險(xiǎn)控制措施重大風(fēng)險(xiǎn)控制措施采用孔口防噴裝置采用孔口防噴裝置 (BOP)從結(jié)構(gòu)內(nèi)向外鉆孔從結(jié)構(gòu)內(nèi)向外鉆孔1 1Bleed valveFreeze-tubeGate valve (spherical)SegmentGroundFlaned casing-stub重大風(fēng)險(xiǎn)控制措施重大風(fēng)險(xiǎn)控制措施管片預(yù)應(yīng)力變形控制支架管片預(yù)應(yīng)力變形控制支架 隧道變形控制隧道

43、變形控制2 250t jacksegment重大風(fēng)險(xiǎn)控制措施重大風(fēng)險(xiǎn)控制措施安全門安全門 防淹裝置防淹裝置3 3steel segment凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)人工地層凍結(jié)是動(dòng)態(tài)過程，是隨時(shí)間變化人工地層凍結(jié)是動(dòng)態(tài)過程，是隨時(shí)間變化的。凍土帷幕的性狀受制冷系統(tǒng)運(yùn)行狀況、地的。凍土帷幕的性狀受制冷系統(tǒng)運(yùn)行狀況、地質(zhì)條件、邊界散熱、施工工況等諸多因素的影質(zhì)條件、邊界散熱、施工工況等諸多因素的影響。凍土性質(zhì)、凍土帷幕的結(jié)構(gòu)狀態(tài)都是溫度響。凍土性質(zhì)、凍土帷幕的結(jié)構(gòu)狀態(tài)都是溫度的函數(shù)，而凍土帷幕溫度場是隨時(shí)變化的。為的函數(shù)，而凍土帷幕溫度場是隨時(shí)變化的。為保證凍土帷幕的安全和有效，必須

44、實(shí)時(shí)掌握相保證凍土帷幕的安全和有效，必須實(shí)時(shí)掌握相關(guān)的各種參數(shù)。因此，人工地層凍結(jié)法是必須關(guān)的各種參數(shù)。因此，人工地層凍結(jié)法是必須實(shí)行信息化施工的一種工法。實(shí)行信息化施工的一種工法。 凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)凍結(jié)系統(tǒng)：鹽水溫度、流量等凍結(jié)系統(tǒng)：鹽水溫度、流量等凍土溫度：凍土帷幕狀態(tài)（厚度等）凍土溫度：凍土帷幕狀態(tài)（厚度等）凍脹：凍脹力、結(jié)構(gòu)受力及變形凍脹：凍脹力、結(jié)構(gòu)受力及變形融沉：結(jié)構(gòu)、土體、地面、構(gòu)筑物變形融沉：結(jié)構(gòu)、土體、地面、構(gòu)筑物變形監(jiān)測內(nèi)容監(jiān)測內(nèi)容1 1凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2 2凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)凍土溫度傳感

45、器凍土溫度傳感器采用美國采用美國DALLAS公司出品的公司出品的1-wire Bus（一線總線）數(shù)字溫度傳感器。按照測點(diǎn)位置（一線總線）數(shù)字溫度傳感器。按照測點(diǎn)位置需要，把若干個(gè)傳感器封裝在耐低溫套裝內(nèi)特制成凍土測需要，把若干個(gè)傳感器封裝在耐低溫套裝內(nèi)特制成凍土測溫電纜。溫電纜。鹽水溫度傳感器鹽水溫度傳感器同樣采用美國同樣采用美國DALLAS公司出公司出品的品的1-wire Bus（一線總線）數(shù)字溫度傳感器。傳感器用（一線總線）數(shù)字溫度傳感器。傳感器用不銹鋼封裝特制成管道專用測溫傳感器。不銹鋼封裝特制成管道專用測溫傳感器。 凍脹力傳感器凍脹力傳感器采用采用TYJ2.5型豎式土壓力傳感器，型豎式

46、土壓力傳感器，量程量程2.5MPa。傳感器傳感器3 3凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)凍土測溫電纜凍土測溫電纜4 4凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)鹽水溫度傳感器鹽水溫度傳感器5 5凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測功能實(shí)時(shí)監(jiān)測功能數(shù)據(jù)管理功能數(shù)據(jù)管理功能數(shù)據(jù)分析功能數(shù)據(jù)分析功能信息反饋功能信息反饋功能系統(tǒng)功能系統(tǒng)功能6 6凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)時(shí)監(jiān)測7 7凍土溫度凍土溫度鹽水溫度鹽水溫度凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析8 8凍土帷幕溫度凍土帷幕溫度場的分析是一項(xiàng)重要場的分析是一項(xiàng)重要內(nèi)容。溫度場的三維內(nèi)容。溫度

47、場的三維圖、二維云圖、等溫圖、二維云圖、等溫線圖及其復(fù)合圖，對線圖及其復(fù)合圖，對溫度場的分析很有幫溫度場的分析很有幫助。同時(shí)，這些可視助。同時(shí)，這些可視化圖形形象地反映了化圖形形象地反映了溫度場分布，對了解溫度場分布，對了解凍土帷幕狀態(tài)和施工凍土帷幕狀態(tài)和施工決策非常有幫助。決策非常有幫助。凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)凍土帷幕溫度場可視化凍土帷幕溫度場可視化9 9凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)凍土帷幕溫度場可視化凍土帷幕溫度場可視化9 9平均溫度曲線平均溫度曲線 凍土帷幕厚度時(shí)間曲線凍土帷幕厚度時(shí)間曲線 凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)凍土帷幕性狀凍土帷幕性狀10

48、10北線隧道南線隧道單 排 管 影 響 區(qū)雙 排 管 影 響 區(qū)管 片 散 熱影 響 區(qū)雙 排 管影 響 區(qū)管 片 散 熱影 響 區(qū)T S -S 3T S -S 2T S -S 1開 挖 面開 挖 面T S -N 1T S -N 2T S -N 3內(nèi) 排 凍 結(jié) 管內(nèi) 排 凍 結(jié) 管外 排 凍 結(jié) 管外 排 凍 結(jié) 管0 10 20 30 40 50 60 70 80 91 01 10 10 20 30 40 50 60 70 80 91 01 10 10 20 30 40 50 60 70 81 00 10 20 30 40 50 60 70 80 91 01 10 10 20 30 40

49、50 60 70 80 91 01 10 10 20 30 40 50 60 70 80 91 01 10 90 10 20 30 40 50 6T S -N 4T S -S 40 10 20 30 4 0 5凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)凍土帷幕形狀凍土帷幕形狀1111凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)施工溫度變化施工溫度變化1212凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)信息反饋信息反饋1313凍土帷幕性狀的最凍土帷幕性狀的最重要參數(shù)，如溫度、厚重要參數(shù)，如溫度、厚度等，都是隨時(shí)間變化度等，都是隨時(shí)間變化的，凍結(jié)系統(tǒng)異常會(huì)直的，凍結(jié)系統(tǒng)異常會(huì)直接影響到凍土帷幕性質(zhì)接影響到凍土帷幕性質(zhì)的改變。因此，凍結(jié)法的改變。因此，凍結(jié)法是一種必須嚴(yán)密監(jiān)測、是一種必須嚴(yán)密監(jiān)測、進(jìn)行信息化施工的工法。進(jìn)行信息化施工的工法。在整個(gè)凍結(jié)和開挖過程在整個(gè)凍結(jié)和開挖過程中，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)中，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，分析反饋信息，提據(jù)，分析反饋信息，提供指導(dǎo)安全施工大各種供指導(dǎo)安全施工大各種有用信息，對工程中出有用信息，對工程中出現(xiàn)的異常情況，及時(shí)作現(xiàn)的異常情況，及時(shí)作出報(bào)警，保障了凍結(jié)施出報(bào)警，保障了凍結(jié)施工的安全。工的安全。凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)凍結(jié)法信息化施工系統(tǒng)日本日本1414驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)容驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)