1、詳細科學技術內容1.技術原理深厚表土多圈管凍結下凍結壁形成過程中的溫度場、水分場和應力場三場耦合作用，考慮三場耦合條件下的凍結壁力學性能研究；凍結法鑿井壁后注漿參數優化設計研究，影響因素多，且是一個動態過程。因此，課題的研究采用理論分析、模型試驗、現場實測、凍土強度試驗以及數值模擬相結合的方法，技術原理如圖1所示：圖1 技術原理課題的具體研究方法：1.根據連續介質力學和熱力學理論，建立人工多圈管凍結下凍結壁形成過程的三場耦合模型。2.根據工程條件，應用相似原理，進行室內多圈管凍結下凍結壁形成和融化的模型試驗，量測多圈管凍融過程的水分場、溫度場和凍結應力場的變化；3.進行凍土力學性能的試驗研究，

2、包括單軸強度、單軸蠕變和三軸強度、三軸蠕變等，確定凍土的本構關系和凍土強度。4.凍融過程凍土導熱系數參數反演。5.進行現場多圈管凍結下凍結溫度、凍結應力和孔隙水壓力的量測，分析、比較模型試驗和工程條件下的差別，校驗模型試驗和理論分析的可靠性。6.在ADINA程序平臺下，研究計算凍結地層過程中的水分場、溫度場和凍結應力場的耦合計算方法。7.在ADINA程序平臺下，開發人工凍土多重屈服面本構模型子程序，分析人工多圈管凍結壁在開挖過程中的力學狀態，并進行工程實例驗算。8.根據融化和凍結時間的比值確定注漿時間及參數。2.技術方案通過對人工凍結地層三場耦合基本理論研究，建立三場耦合數學模型，為數值分析凍

3、結溫度場、水分場和凍脹應力場提供了理論基礎。研究表明：人工凍結地層溫度梯度變化是引起水分遷移和凍脹應力的最主要原因。通過深表土凍土卸載三軸蠕變試驗研究，獲得雙屈服面人工凍土蠕變本構模型。通過比較表明：兩屈服面人工凍土蠕變本構模型更接近于深井凍土的蠕變特性。（2）進行多圈管凍結下凍結壁形成和融化過程的溫度場、水分遷移場和凍結應力場的模型試驗，獲得了多圈管凍結地層的溫度場、水分場和凍結應力場的分布特征及“三場”之間的相互關系。試驗表明，三圈管凍結下水分場的分布特征可以劃分成4個區域，各個區域內的水分遷移特性是不相同的：內圈凍結管以內和外圈凍結管以外區域，土體的含水量比凍結前增加，約為：610；內、

4、中圈和中、外圈之間區域，土體凍結后的含水量比凍結前減小，約為610。而靠近凍結管位置土體的含水量比凍結前增加，約為811。試驗獲得了凍結壁形成過程中凍結應力的發展變化特點，得出了中圈凍結管位置的凍結應力最大，約為0.8MPa；而內圈管的內側和外圈凍結管的外側凍結應力相對較小，為0.2MPa以下，且發展速度相對緩慢。凍結應力的大小與凍結溫度場、凍結管布置方式和凍結管的間距有密切關系。試驗獲得了凍結壁的凍結和融化時間比值可以用一次函數來擬合，該值介于1.6-2.0之間，且與環境溫度、土層性質、凍結壁厚度和平均溫度有關。（3）實測顧橋礦南區井筒、潘一東礦井筒和謝橋礦改擴建工程井筒共8個井筒凍結溫度場

5、、凍結應力場、孔隙水壓力、井幫溫度、外層井壁凍結壓力等數據，獲得了十分寶貴的凍結與施工設計包括井壁設計資料，為保證凍結壁的安全和合理地確定施工方案，以及推進深井凍結法鑿井理論與技術都發揮了積極的作用。（4）進行了原始地應力場、凍結壓力場作用條件下，深井凍結法鑿井中凍結壁的力學性能計算。得到了凍結壁應力場和位移場的分布規律，以及控制凍結壁內部凍脹應力的有效方法。（5）根據工程實測數據（鉆孔數據、各種溫度監測數據等），采用ADINA有限元計算軟件進行反分析，獲得淮南礦區地層凍結導熱系數等參數。凍土導熱系數反分析表明：導熱系數與負溫的關系可以采用一次函數來擬合，相關系數0.98以上。（6）多圈管凍融

6、規律及融化溫度場模型研究：模型試驗獲得多圈管凍結壁形成和融化溫度場特征和凍脹力變化特點。推導結壁融化溫度場非線性數學模型，建立凍結壁融化過程的溫度、流體和固體耦合方程。（7）井壁注漿及工藝：根據模型試驗、數值模擬和現場實測等手段獲得深井多圈管凍結壁的融化規律，為井壁注漿最佳時間提供依據。3.課題研究效果分析通過課題的研究獲得了明顯的社會和經濟效益，以顧橋南區礦井為例：（1）經過凍結法鑿井溫度場的分析，在確保井筒施工安全的情況下，2個井筒共提前開挖時間30天；（2）杜絕了井筒片幫及其他工程事故，保證了井筒安全施工，社會效益明顯；同時節約大量的混凝土用量，2個井筒共計節約混凝土用量材料費用達到605萬元；（3）