1、中國礦業大學建筑工程學院土木工程專業學科前沿講座課程報告第1頁凍脹融沉的分析與防范（中國礦業大學力學與建筑工程學院土木10-7班 陳輝 學號：02100498）摘 要：工程建設是否對周邊環境產生負面或不利影響，是建設者和使用者所關注的問題。 針對地鐵工程建設中涉及的凍脹融沉，從其產生的機理到影響因素進行了細致的論述和分析，以及分析了凍脹融沉的相關影響因素，從本質上分析了其特點，憑此制定了科學、合理的防 范措施,并應用于實踐，在施工中取得較好的效果。關鍵詞：凍脹融沉；分析；防范在地鐵建設中，煤礦凍結法作為一種土體加固方法被廣泛應用，但凍結法的凍脹融沉是否對地鐵隧道及周圍環境產生影響，是建設者和使

2、用者所關注的問題。為此，我們在北方某城 市地鐵聯絡通道凍結法施工中，對凍脹融沉的產生機理及影響因素進行了認真、細致的分析,結合工程實際情況，制定了科學、合理的防范措施，取得了較好的效果。1凍結法凍脹分析凍脹是指地鐵工程在土體加固過程中，由于凍結管對土體實施凍結作用，使土體中水分 結冰而造成其體積膨脹的現象，在實際施工中，不論對天然凍土區還是人工凍土區，凍脹都是 工程建設者所面臨的棘手問題。究其原因,主要是由于含水土體在凍結過程中，一方面土中原 位水發生凍結，另一方面是未凍結水向凍結鋒面的遷移現象，從而引起土中水分的重新分布和 析冰作用。土體的凍脹分為原位凍脹和分凝凍脹，由于原位水分凍結引起的凍

3、脹量相對分凝凍 脹來講十分微小，因此，我們本次所研究的土體凍脹主要指由水分遷移引起的分凝凍脹。1.1凍脹的產生機理分凝凍脹的產生機理包括土中水分遷移和成冰作用。土體在凍結過程中，一旦土體溫度低于土的起始凍結溫度，土中就有部分液態水變成冰，但在土顆粒表面仍有一些作為吸附膜 的未凍水存在，在溫度梯度引起的負壓梯度作用下，來自未凍土的水通過未凍水膜遷入凍土層 內。由于未凍水膜的厚度隨土溫的降低而減薄 ，被遷移的水分因遷移受阻而逐漸在某個位置 聚集。此時,凍土中的未凍水含量是恒定的，即在一定負溫下，土顆粒外圍具有恒定的平衡水 膜厚度。當足夠的水分聚集起來時，由于未凍水膜的厚度增大，未凍水的自由能比冰的

4、自由能 高，原來的熱力平衡狀態被破壞。在恒定的負溫下，土水體系通過多余的未凍水釋放自由能分 凝成冰,而重新建立平衡狀態。隨著分凝冰晶便不斷積累，土體便產生了凍結膨脹。1.2凍脹的影響因素凍結過程中水分遷移和成冰作用是產生土體凍脹的直接因素，它們的強弱主要取決于土體顆粒的土質、土中水分、溫度及荷載作用等因素。1.2.1 土顆粒組成對凍脹的影響土粒表面力場的差異性影響著土凍結過程中水分遷移能力，并導致凍脹變形各不相同。 對于粗顆粒土來說，不存在土的礦物成分對凍脹的影響。在細顆粒土中，尤其是亞粘土、粘土 , 這種影響顯著地表現出來。在水分、溫度及凍結條件大致相似的情況下，各類土的凍脹性強 弱大致按下

5、列順序遞減：粉質土、 亞砂土 亞粘土 粘土礫石土（小于0. 05mm粒徑的 含量超過12% ） 粗砂 砂礫石。1.2.2 土中水對凍脹的影響試驗和工程實踐證明，只有土中水分超過一定界限之后才會產生凍脹，在外界條件相同 的情況下，土體含水量愈高，其凍脹的強度也就愈大。此外，在沒有外界水源補給的封閉系統 中,由于水分遷移受到了限制，凍脹達到一定量時就不再增長，而在有水源補給的開放系統中 只要條件適宜，凍脹就會持續增長。1.2.3溫度對凍脹的影響首先，土溫降低引起水結晶、 冰分凝,引起土體內部液態水向凍結鋒面的不斷遷移。凍 土土溫愈低，土體中未凍水含量愈少，含冰量愈大。其次，凍土的溫度梯度決定著水分

6、遷移量 的大小,凍土的溫度梯度愈小，水分遷移量愈大；凍脹量愈大，溫度梯度愈大，水分遷移量愈小 凍脹量愈小。1.2.4荷載對凍脹的影響荷載的增加會對土體的凍脹產生抑制作用，首先,荷載的增加會使得土體的凍結溫度降 低,要繼續維持土體的凍結狀態，則需要更低的凍結溫度。其次，外部壓力的作用會引起土體 內水分的重分布。若荷載的增加超過凍結鋒面所產生的界面能量時，水分則會從高應力區的凍 結鋒面向低應力區發生反向遷移，使得土體凍脹急劇減少，甚至停止。2融沉的分析2.1融沉的產生機理凍結地層溫度上升，凍土發生融化，凍土中的冰晶融化成水，土體體積縮小，加上土體 原有結構凍脹時形成的裂縫在融化時的閉合，產生融化沉

7、降；同時凍土在融化過程中未凍水 含量隨地溫的升高而增加，直至達到相變溫度點，冰全部變成孔隙水，當未凍水含量增加到 足以擺脫靜電作用時，土體便在重力和上覆荷載的作用下發生排水固結，土顆粒運動，孔隙度變小而壓密，產生固結沉降。融化終結后，排水固結并不馬上結束，而是繼續進行一段時間， 直至土體固結沉降達到穩定。凍土融化沉降的沉降量與外壓力無關，而融土固結產生的沉降與凍結過程中形成的土粒結構的穩定性、冰融化成水釋放的自由孔隙空間以及上覆荷載的大小有關。通常壓密沉降與正壓力成正比，一般凍土的融沉量要大于凍脹量，有時融沉會變為突 陷。融沉的不均勻性及突陷往往會導致地表建筑結構的破壞。2.2融沉的影響因素影

8、響凍土融沉的主要因素有：凍土的含水量（包括凍土中的未凍水和孔隙冰）、冷生構 造、干容重、上覆荷載等。2.2.1含水量對融沉的影響凍土含水量的大小是影響凍土融沉的關鍵因素 ，其含水量包括凍土中的未凍水和孔隙 冰兩個部分，各部分所占比重的大小視凍土所處的負溫而定，體積含冰量較大的富冰凍土融化 時常產生突發性下沉變形，而含冰量較少的貧冰凍土融沉時基本不會產生較大變形。2.2.2冷生構造對融沉的影響凍土的融沉與凍土在凍結過程中所形成結構有關，凍土的結構對土的融化沉降及壓密沉 降有著直接的影響，通常來講呈整體狀構造的凍土 ，其產生的融沉一般不大，而凍結時呈層狀 或網狀構造的凍土一般在融沉過程中會產生較大

9、的沉降變形。223干容重對融沉的影響干容重對凍土融沉的影響是從另一面體現了凍土中含水量的融沉的影響，凍土中含水量小時，干密度相對較大，土體中孔隙體積較少，這樣的凍土在融沉過程中不會產生較大的沉降變形；而在凍土含水量較大的情況下，凍土的干密度較小，土體 中孔隙體積相對較大，該類凍土則在荷載的作用下會產生較大的沉降壓縮變形。 2. 2. 4 荷 載對融沉的影響荷載對融沉的影響主要體現在融土的固結過程 ，隨著凍土中冰的融化，融土中含水量會 逐漸增大，形成超靜孔隙水壓力，試驗表明，融土在較大的荷載作用下，孔隙水壓力會加速 消散，隨著融土中孔隙水的排出，孔隙的壓密，融土將產生較大的壓縮沉降。3地鐵人工凍

10、結土體凍脹融沉的特點從以上的分析中可以看出，不論是人工凍土還是天然凍土 ，其凍脹融沉的產生機理及影 響因素都是相同的。但就人工凍土來講，它除具有天然凍土的特征外，還具有其自身的一些特 點,主要表現在：(1) 人工凍結土體所處地層多為淤泥質土或粘土地層等，一般含水豐富，在這樣的地層環境下，易產生較大的凍脹和融沉變形。(2) 凍結過程中，人工凍結器表面溫度通常低于-20 ,負溫梯度隨著凍結壁的擴展由 大變小，凍結速度由快變慢，凍結時間相對較短；在凍結土體融化過程中，周邊的土體溫度 相對較低，溫度梯度較小，但在其相鄰范圍的正溫土體的作用下，凍土溫度會快速升高，在此 相變過程中，由于凍結土體要吸收大量

11、的熱量，而周邊正溫土體傳導熱量的能力有限，使得凍 結土體全部融化要經歷相對較長的時間。(3) 人工凍結土體具有三維凍融的特征，在凍結過程中凍結鋒面的擴展垂直于凍結管 軸線方向，冰晶分布平行于凍結管軸線方向；在凍土融化過程中，熱量是由周圍土體或結構 向凍土內部擴散，凍土從周邊邊界開始融化。此外，人工凍結土體的凍融過程中水分的聚集和 消散同樣具有明顯的三維特征。(4) 人工凍結壁作為臨時支撐結構一般要承受一定的荷載作用，在凍結過程中荷載通常對土體的凍脹具有一定的限制和約束作用，而在融沉過程中，由于受荷載作用的影響，融 土中的孔隙水會迅速排出，土體逐漸被壓實、 壓密。4制定防范措施我們此次施工范圍內

12、土層主要為第四系全新中統相層粉土、淤泥質粉質粘土和第四系上更新統三組相層粉質粘土，其土層土質松軟、結構松散、孔隙比較大，含水豐富、承載 力低、容易壓縮和在動力作用下易流變、土體內聚力小等特點，在我們經過對凍結土體凍漲融沉產生的機理和影響因素充分分析及研究的基礎上，參照以往聯絡通道凍結法施工經驗，考慮到施工中將可能面臨或出現的各種問題，有針對性的提出了以下技術控制要點：(1) 為防止凍結土體的凍脹融沉給隧道及地面帶來不利影響 ，在聯絡通道實施土體凍結 前期，根據凍結管的布置，及時在凍結帷幕內對稱設置數個壓力釋放觀測孔 ，凍結開始后根 據檢測數據及時進行泄壓以防凍脹，保證聯絡通道開挖及結構施工質量

13、；開挖后,及時在結構 的外層臨時支護(鋼格柵)背板后用水泥砂漿充填密實，利用隧道或聯絡通道內的注漿跟蹤注 漿加以補強，以補償土層融沉，控制地表變形。(2) 由于混凝土和鋼管片相對于土層更易散熱，并且會影響隧道管片附近土體的凍結 質量,從而影響凍土整體穩定性和封土性。為此，我們考慮在冷凍區域隧道管片上鋪設保溫層， 在其對面隧道管片加設冷凍板等保溫措施 ，切斷由于溫度變化，而出現外界水源補給的現象， 以消除凍土帷幕可能存在影響安全的薄弱環節。(3) 加強凍結過程檢測，在凍土帷幕內布置測溫孔，以便正確測定凍土帷幕厚度和判斷 凍土帷幕是否交圈，并配合壓力釋放觀測孔進行檢測，在凍脹達到一定壓力時，及時泄

14、壓，減 少對周圍土體及隧道的影響。(4) 在凍結、 開挖兩側隧道內均增設環向預應力支撐，以防打開聯絡通道留口管片時， 隧道產生過大變形，而導致結構破壞。(5) 在凍結過程中，加強積極、維護凍結的質量控制，使帷幕形成整體狀凍結土體，消 除后期冷生構造對融沉產生的不利影響。(6) 由于凍土的蠕變形很強，如遇凍土帷幕有明顯變形，溫度明顯回升，立即用預制格 柵加背板支撐，必要時調整開挖構筑工藝，并同時加強凍結，防止融沉過大，對周圍環境產生不 利影響。(7) 由于聯絡通道的開挖和支護層施工時間較凍土帷幕的化凍時間短 ，根據礦山井筒凍 結經驗，由于偶然停凍對開挖安全不會產生大的影響。 但是，為了提高施工安

15、全性，應選用可 靠的凍結施工設備。(8) 在聯絡通道集水井部分施工時，一般應割除其內凍結管，在此期間將結束人工凍結 因此，必須合理安排、 保證連續施工，盡量減少溫度對其影響，同時，加強停凍時的凍工帷 幕監測,以便及時采取相關措施。(9) 由于人工凍結土體具有三維凍融的特征，因此，在聯絡通道砼襯砌結構中，分別在 結構頂面、四周側面等處設置注漿孔，預埋注漿管，在施工后期，采用注漿方式以補償解凍后 出現的結構與凍結土體間的孔隙，消除融沉可能造成的變形，注漿應配合凍土帷幕融化過程 進行，開始可注粘土水泥漿。(10) 在整個施工及解凍過程中，嚴密監測隧道變形，特別是在解凍初期15d內，做好 跟蹤補償注漿

16、工作，當監測數據出現異常，應及時在變形較大部位周圍或對應面進行注漿 ，確 保隧道等安全。5實踐經驗2005年1月11日 2005年6月11日，我們在北方某城市地鐵聯絡通道I區間、U區 間進行了兩個聯絡通道(含集水井)的凍結法施工，由于聯絡通道上方10m左右為該城市主 干道,施工期間，交通正常運行，凍結前后上部荷載不會有較大變化，在采取上述措施的同時， 除加強監測外，未考慮荷載影響，鑒于聯絡通道所處位置上方分布有較多的建筑物等，因此,我們在地面、房屋、 管線布置了 50個監測點，在隧道內布置了 162個監測點，從凍結鉆孔開始至施工結束后70d左右進行了地面變形、隧道內沉降、 水平、收斂等監測，以

17、檢查聯絡通道在凍結前期、施工過程及后期，凍脹融沉是否給隧道及周圍環境帶來不利影響，我們從 隧道內162個監測點中，選取24個點的數據。從凍結開始至解凍脹融沉的監測數據看，凍結 周圍的土體發生或多或少的變形，其中隧道內監測值均控制在-10 10 mm以內，另從地面監 測的數據看，地面沉降值均控制在-30 10 mm以內,凍漲基本發生在凍結期，其中波動主要 在凍結30d以后,融沉發生在解凍后，解凍周期一般為1 2個月，在此期間，變形波動緩慢、 平穩,因此，在施工中嚴格按照科學、合理的施工方案進行施工與控制，凍脹、融沉不會對地 鐵隧道產生不利或負面影響。參考文獻1 筍松平，等天津地鐵1號線下瓦房一一

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