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1、详细科学技术内容1.技术原理深厚表土多圈管冻结下冻结壁形成过程中的温度场、水分场和应力场三场耦合作用，考虑三场耦合条件下的冻结壁力学性能研究；冻结法凿井壁后注浆参数优化设计研究，影响因素多，且是一个动态过程。因此，课题的研究采用理论分析、模型试验、现场实测、冻土强度试验以及数值模拟相结合的方法，技术原理如图1所示：图1 技术原理课题的具体研究方法：1.根据连续介质力学和热力学理论，建立人工多圈管冻结下冻结壁形成过程的三场耦合模型。2.根据工程条件，应用相似原理，进行室内多圈管冻结下冻结壁形成和融化的模型试验，量测多圈管冻融过程的水分场、温度场和冻结应力场的变化；3.进行冻土力学性能的试验研究，
2、包括单轴强度、单轴蠕变和三轴强度、三轴蠕变等，确定冻土的本构关系和冻土强度。4.冻融过程冻土导热系数参数反演。5.进行现场多圈管冻结下冻结温度、冻结应力和孔隙水压力的量测，分析、比较模型试验和工程条件下的差别，校验模型试验和理论分析的可靠性。6.在ADINA程序平台下，研究计算冻结地层过程中的水分场、温度场和冻结应力场的耦合计算方法。7.在ADINA程序平台下，开发人工冻土多重屈服面本构模型子程序，分析人工多圈管冻结壁在开挖过程中的力学状态，并进行工程实例验算。8.根据融化和冻结时间的比值确定注浆时间及参数。2.技术方案通过对人工冻结地层三场耦合基本理论研究，建立三场耦合数学模型，为数值分析冻
3、结温度场、水分场和冻胀应力场提供了理论基础。研究表明：人工冻结地层温度梯度变化是引起水分迁移和冻胀应力的最主要原因。通过深表土冻土卸载三轴蠕变试验研究，获得双屈服面人工冻土蠕变本构模型。通过比较表明：两屈服面人工冻土蠕变本构模型更接近于深井冻土的蠕变特性。（2）进行多圈管冻结下冻结壁形成和融化过程的温度场、水分迁移场和冻结应力场的模型试验，获得了多圈管冻结地层的温度场、水分场和冻结应力场的分布特征及“三场”之间的相互关系。试验表明，三圈管冻结下水分场的分布特征可以划分成4个区域，各个区域内的水分迁移特性是不相同的：内圈冻结管以内和外圈冻结管以外区域，土体的含水量比冻结前增加，约为：610；内、
4、中圈和中、外圈之间区域，土体冻结后的含水量比冻结前减小，约为610。而靠近冻结管位置土体的含水量比冻结前增加，约为811。试验获得了冻结壁形成过程中冻结应力的发展变化特点，得出了中圈冻结管位置的冻结应力最大，约为0.8MPa；而内圈管的内侧和外圈冻结管的外侧冻结应力相对较小，为0.2MPa以下，且发展速度相对缓慢。冻结应力的大小与冻结温度场、冻结管布置方式和冻结管的间距有密切关系。试验获得了冻结壁的冻结和融化时间比值可以用一次函数来拟合，该值介于1.6-2.0之间，且与环境温度、土层性质、冻结壁厚度和平均温度有关。（3）实测顾桥矿南区井筒、潘一东矿井筒和谢桥矿改扩建工程井筒共8个井筒冻结温度场
5、、冻结应力场、孔隙水压力、井帮温度、外层井壁冻结压力等数据，获得了十分宝贵的冻结与施工设计包括井壁设计资料，为保证冻结壁的安全和合理地确定施工方案，以及推进深井冻结法凿井理论与技术都发挥了积极的作用。（4）进行了原始地应力场、冻结压力场作用条件下，深井冻结法凿井中冻结壁的力学性能计算。得到了冻结壁应力场和位移场的分布规律，以及控制冻结壁内部冻胀应力的有效方法。（5）根据工程实测数据（钻孔数据、各种温度监测数据等），采用ADINA有限元计算软件进行反分析，获得淮南矿区地层冻结导热系数等参数。冻土导热系数反分析表明：导热系数与负温的关系可以采用一次函数来拟合，相关系数0.98以上。（6）多圈管冻融
6、规律及融化温度场模型研究：模型试验获得多圈管冻结壁形成和融化温度场特征和冻胀力变化特点。推导结壁融化温度场非线性数学模型，建立冻结壁融化过程的温度、流体和固体耦合方程。（7）井壁注浆及工艺：根据模型试验、数值模拟和现场实测等手段获得深井多圈管冻结壁的融化规律，为井壁注浆最佳时间提供依据。3.课题研究效果分析通过课题的研究获得了明显的社会和经济效益，以顾桥南区矿井为例：（1）经过冻结法凿井温度场的分析，在确保井筒施工安全的情况下，2个井筒共提前开挖时间30天；（2）杜绝了井筒片帮及其他工程事故，保证了井筒安全施工，社会效益明显；同时节约大量的混凝土用量，2个井筒共计节约混凝土用量材料费用达到605万元；（3）2个井筒冻结段施工时间提前80天，节约冻结时间60天，直接节约冻结费用1000万元；（4）合理确定井壁注浆时机和注浆参数，节约成本1000万元；顾桥南区冻结法凿井直接经济效益：2605万元。
