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1、ANHUIJ1ANZHUUNIVERSITY2013届本科毕业论文人工冻结发的施工技术研究学院土木工程学院专业班级09勘查二班学号学生姓名王洪强指导教师汪东林提交日期摘要：本文首先介绍了选题的目的与意义、国际及国内人工冻结法的研究与应用现状及冻胀融沉机理及试验研究。接下来介绍了人工冻土的分类和构造以，及地下水对冻土形成的影响。在冻土形成的过程中，物理力学性质也发生了很大的变化，于是在文中进一步研究了冻土的抗拉强度、抗压强度、抗剪强度。并阐述了人工冻结法的原理、设计以及冻结壁形成过程中温度场的变化。在上述理论的基础上，进一步了解冻结法的设计和施工。于是本文主要从冻结方案选取、冻结孔的布置与施工以
2、及土体开挖过程对人工冻结法进行阐述。最后结合某地铁隧道联络通道冻结法施工技术，对人工冻结发法在实际工程中的应用，进行了深一步的了解。关键词：人工冻结法、冻土、冻结壁、冻结孔Abstract:Frist,thispaperintroducesthetopicsofthepurposeandsignificaneeofinternationalanddomesticArtificialFreezingMethodResearchandApplicationStatusandfrostthawMechanismandExperimentalStudy.Nextcomestheclassificati
3、onofartificialfrozensoilandstructure,aswellastheimpactofgroundwaterontheformationofthefreezingsoil.Intheprocessoftheformationofthefreezingsoil,thephysicalandmechanicalpropertiesgreatchangeshavetakenplace.Sothispaperstudythetensilestrength,compressivestrengthandshearstrengthofthefreezingsoilinthetext
4、forfurther.Anddescribestheprinciplesofartificialfreezingmethod,design,andthechangesofthefreezingwalltemperaturefieldduringtheformation.Itbasedontheabovetheory,learnmoreaboutthedesignandconstructionoffreezing.Thenselectofthearticleelaboratesartificialfreezingmethodfromthefrozensolution,freezingholela
5、youtandconstructionaswellasduringtheexcavationofsoil.Finally,asubwaytunnelconnectingpassagefreezingconstructiontechnology,madeofartificialfreezingmethodinpracticalengineeringapplications,conductsadeepunderstandingofstep.Keywords:artificialfreezing,frozen,freezewall,freezinghole目录第一章绪论51.1选题意义51.2问题提
6、出61.3国内外研究现状81.4冻胀融沉机理及试验研究10第二章冻土描述及其性质112.1冻土定义1122冻土分类11按含冰特征11按冻结状态持续时间分类11按活动层与下卧层的类别及其关系分类12其他类型的冻土122.3冻土构造类别142.4冻土形成过程152.5地下水对冻土影响17土粒与水的相互作用17水质与流速对岩土冻结影响18第三章人工冻结法原理及其力学参数和特性263.1人工冻结法原理26制冷技术26地下水对冻结的影响27温度场和冻结速度27冻胀和融沉效应283.2人工冻土的力学参数283.3冻土强度29单轴抗压强度29单轴抗拉强度31抗剪强度323.4冻结壁的温度场34冻结壁形成34
7、冻结壁温度场的影响因素353.5人工土冻结法设计37冻土墙结构设计37设计方法38第四章冻结法凿井技术394.1冻结方案选取39一次冻全深方案39分段冻结方案39差异冻结方案39局部冻结方案404.2钻孑L布置及钻孑L施工41钻孔布置41422冻结孔钻进43423磁性单点测斜仪43陀螺测斜仪444.3冻土体开挖及风险分析45冻土体开挖45联络通道冻结加固暗挖法风险分析47第五章某地铁隧道联络通道冻结法施工485.1工程概况485.2冻结法的设计及施工49冻结孔布置设计49冻结系统设计及技术指标50冻胀、融沉及隧道变形控制设计50冻结施工情况515.3信息化监测技术52冻结帷幕温度场监测52钢护
8、筒内壁温度监测53盾构管片背后土体冻胀压力监测54盾构隧道变形监测555.4冻结过程中若干问题及对策57盐水冻结系统运转的控制57冻胀的控制57融沉的控制58施工过程中对关键技术的控制58结论与展望60参考文献61第一章绪论1.1选题意义随着社会经济的不断发展，人口的不断增长和土地资源的稀缺性。开发地下空间已经成为人类扩大生存空间的重要手段和发展趋势。专家预测21世纪是建设地下工程的世纪。各种地下工程如矿山工程、深基础建筑及地下室、城市地铁和河底、海底及穿山隧道等正在兴建中，并且呈现不断增加的趋势，与之俱来的基坑壁的支护、隔水等问题也变得越来越突出，尤其是在恶劣的地质、水文条件以及苛刻的周围环
9、境下。人工土冻结法由于基本不受支护范围和支护深度的限制，以及能有效防止涌水以及施工中相临土体的变形而受到越来越多的重视，并将是完成地下工程的主要技术手段之一。完善和发展人工土冻结理论和技术体系不仅具有重要的社会效益，而且具有良好的经济前景。在饱和含水软弱地层中，在刚建好的两条区间隧道再建通道、泵站，虽然可以借鉴上海地铁一号线区间隧道旁通道施工经验，但由于国内没有相应的人工土冻结法施工规范，所以冻结法作为一种辅助施工工法，其实施的可行性、安全可靠度、施工速度、工程造价等多方面都面临考验。如何保证工程及周围环境的安全，采用何种施工技术，如何确定合理的冻结参数并降低造价等，具有很大的意义。地层土人工
10、冻结技术是一种起源于天然冻结现象的土层加固技术。传统上较普遍的人工土冻结是使用盐溶液间接制冷法，就是将盐溶液用氨或氟里昂压缩方法冷却后，作为冷媒在土体内埋设的管道中循环，吸收土体热量，增加自身显热，不断循环制冷，直到土体冻结，达到加固和稳固土体的目的。发展和使用较晚的人工土冻结方法有直接制冷法，即不循环制冷，例如使用液氮或干冰等物质，使它们在土体内发生相变，直接作为冷媒吸收土体热量，使土体降温，土中水分冻结，形成冻土体。采用人工制冷加固（冻结法），可以使土体中的大部分水结冰，这不仅提高了土的强度，增强了土体的稳定性和整体性，而且可以达到其他止水方法所无法比拟的隔水性能；同时随着地层开挖深度的增
11、加，冻结法施工更具有经济上的优势。此外，冻结法施工不污染环境，不受冻结深度和冻结范围的限制。1.2问题提出随着社会和经济的进一步发展，人口的不断增长和生存空间的相对缩小，开发地下空间已成为人类扩大生存空间的重要手段和发展趋势。本世纪是大力建设地下工程的世纪，也是我国地下空间开发利用的高潮时期。发达国家已把对城市地下空间的开发利用作为解决城市人口、资源、环境三大危机的重要措施和医治城市综合症”实施城市可持续发展的重要途径。我国目前在城市进行市政岩土工程及地下空间开发中遇到许多传统岩土工程方法难于解决的问题，如地铁、隧道中一些不能用盾构法施工的小而形状不一的工程和湖底、河底近距离隧道工程及河岸近距
12、离基坑工程等。例如南京地铁在盾构进出洞及连通道暗挖中面临普通工法难以解决的问题，这就给岩土工程界提出了新的课题，为此必须寻求一种既安全又较为合理的新方法。我国近年来兴建了大量的高层建筑，以北京、天津、上海、广州、深圳等地的高层建筑密度最大，由此产生了大量的深基坑工程，且规模和深度不断加大。深基坑支护是建筑工程中的热点和难点问题，对这些问题及对策的研究，是随力学理论，计算技术，测试仪器以及施工机械的进步而深入的。常规支护方法是采用注浆、深层搅拌桩、地下连续墙法、当地下水位较高时可以人工降低水位法，这些方法在我国基础工程施工中已取得许多成功的经验，但也存在一些问题。随着城建规模的迅猛发展，基坑的跨
13、度和深度不断的增加，在一些沿海地区的地基属软弱地基，常伴有淤泥及流沙，在这种条件下进行大型的开挖，坑壁维护越来越困难，成本越来越高，有时占整个建筑成本的10%,为此必须寻找一种既比较安全又经济的新的坑壁维护方法，冻结法既为其中之一。在我国煤矿竖井开凿中得到广泛应用的人工冻结法与这些方法相比，具有隔水性能好、强度高、整体支护性能好、土体可复原、不污染环境、冻结结构物的性状和扩展范围可控等优点。因此在一定的地质，环境条件下采用冻结法形成冻土墙用于深基坑支护是一种具有可行性和竞争力的技术手段。地铁隧道冻结法施工冻结壁温度场及地表冻胀位移数值试验研究人工地层冻结技术用于采矿凿井在国外有100余年的历史
14、，在中国也有40余年，然而，它在其他岩土工程的应用中尚处于起步阶段。地层人工冻结技术是利用人工制冷的方法，降低土体的温度使含水地层形成冻结体。从而在预期要开挖的场地外围构筑起稳定且不透水的冻结结构，以达到维护开挖面周围土体稳定，抵抗周围水土压力、防止地下水侵入的目的，其实质是利用人工制冷技术临时改变岩土的状态以固结地层。所以人工冻结技术被越来越多的应用到复杂条件下的矿山、建筑物工程、港口工程及水工工程中，特别是沿海城市的地铁隧道及其联络通道施工中，由于地下水位埋深浅，而且其地层软弱（如淤泥、淤泥质土和流砂等）常规的施工方法不能维持周围土体的稳定，采用人工冻结法，通过在含水不稳定土层中预先埋设冻
15、结管，使地层中的水冻结成冰，把天然岩土变成人工冻土，增强其强度和稳定性，以便在冻结壁的保护下进行地铁或其联络通道的施工。近些年来，随着地下铁道建设的兴起，人工冻结技术己开始逐步被应用于城市地下铁道的隧道施工。地下铁道的隧道水平冻结技术是在含水不稳定的地层中钻铺水平冻结器，利用低温盐水循环降低地层温度，将天然岩土变成冻土，形成完整性好、强度高、不透水的临时水平冻结加固体，从而在其保护下进行隧道开挖和补砌。随着我国经济建设的发展。富含水的困难地质条件下的城市地下工程将日益增多，人工冻结技术在建筑物密集的城市地区越来越广泛的应用，从而为冻结法的应用提供了广阔的空间。由于国内各大城市地铁隧道、公路隧道
16、等地下工程的兴建，冻结法基本上已经成为地下隧道中联络通道、泵站和盾构进出洞等重要工程施工的一种专用方法，在北京地铁大北窑车站区间隧道施工首次成功地采用了局部水平冻结技术，水平冻结长度超过40m。目前土冻结理论中有较成熟的关于冻结速度、冻结温度场及冻土墙强度的计算方法，但对冻软土、融土物理力学性能和冻胀特性、模型以及冻胀对周围环境影响的计算方法等，国内尚未进行系统研究，国外也很少报导。由于缺乏冻结壁温度场和冻土冻胀对周围环境影响等基础性研究，致使人工冻结法在环境要求很高的市政岩土工程和城市地下空间开发中未能广泛推广应用。土的冻胀主要是因为温度场引起土中原含水分和迁移而来的水分结晶，体积膨胀，引起冻土体积增大，结果在土层中产生冻胀力，导致地表出现变形。过量的冻胀会对地表建筑、交通和地下管线产生破坏作用。不同土质条件冻胀也不同，粘土变形量大，粉质粘土、砂土次之（粗粒土一般不产生冻涨），虽然冻胀对工程影
