凍結(jié)法在地下空間的應用

凍結(jié)法在地下空間近接工程中的應用與創(chuàng)新目錄一、概述二、人工地層凍結(jié)法關鍵要素三、幾個地下空間近接凍結(jié)應用四、結(jié)語一、概述1.地下工程面對三大難題：A.

（地下）水B.

（地層）軟C.

（被開挖圍巖）變形難以預測一、概述2.解決地下工程索面的三大難題途徑A.

治“水”采取的措施“排”（小水量時，降水）或（和）“堵”（注漿等）、“隔”（排樁（管幕）、地連墻、護筒（盾構）等等）。B.

抗“軟”采取各種圍巖“加固”（依靠圍巖承載：注漿、錨桿（索）等）、“初支+圍巖（或加固的圍巖）”、上面A.中各種“隔”水措施同時也可以“抗”軟。C.

對付“被開挖圍巖變形難以預測”，用若干計算等預測手段、根據(jù)工程類比和現(xiàn)場信息化手段，選擇上述多項措施中合適的手段來解決解決。上面任何一種方法都會或多或少對地層產(chǎn)生環(huán)境影響（污染、地層內(nèi)加入其他材料）。而地層凍結(jié)法相對來說是地下工程解決這三大難題的一種綠色技術。一、概述3.人工地層凍結(jié)法地層凍結(jié)法源于天然凍結(jié)現(xiàn)象。1850年代蒸汽壓縮式冷凍機發(fā)明后，人類第一次使用地層凍結(jié)法是1862年在Wales基坑中；1880年德國工程師Poetch首先提出地層凍結(jié)法原理，并于1883年在德國阿爾巴里德煤礦成功地采用凍結(jié)工法建造103m深的豎井。我國第一次應用地層凍結(jié)法是1955年開灤煤礦林西風井（直徑5m，凍深105m）。地層凍結(jié)的核心是把地層里幾乎“沒有強度”的水變成“強度極高且可以粘結(jié)土顆?！钡谋冶膹姸群蛷椥阅Ａ侩S負溫度降低而增大。由此可以根據(jù)對凍土結(jié)構要求而隨時調(diào)節(jié)凍結(jié)溫度來確保凍土結(jié)構的穩(wěn)定。一、概述3.人工地層凍結(jié)法地層凍結(jié)的核心是把地層里幾乎“沒有強度”的水變成“強度極高且可以粘結(jié)土顆?！钡谋冶膹姸群蛷椥阅Ａ侩S負溫度降低而增大。由此可以根據(jù)對凍土結(jié)構要求而隨時調(diào)節(jié)凍結(jié)溫度來確保凍土結(jié)構的穩(wěn)定。所以，要了解水凍成冰的要素：地層里水的冰點、含鹽、地層溫度、水力聯(lián)系和周邊影響溫度的邊界條件等，還有凍土結(jié)構相關連影響穩(wěn)定的邊界條件。在設計凍土結(jié)構時，要充分了解其受力狀態(tài)、簡化的受力模型、需要的力學指標等。還有土壤的凍脹和融沉特性一、概述3.人工地層凍結(jié)法（優(yōu)點）(1)高強度和大彈性模量(2)完整不透水的密封性。(3)不同地層交互也可形成連續(xù)一體凍結(jié)結(jié)構。(4)與其相鄰構造物具有很好密結(jié)性。(5)安全性高。(6)施工的確定性好。(7)對地層沒有公害。(8)復原性好。(9)施工管理確定性好。一、概述3.人工地層凍結(jié)法（缺點和注意事項）（1）土層里含水量不宜低于5%，（2）土層里水的冰點不能太低（如含鹽等），（3）土層內(nèi)水的流速不能太大，（4）土層內(nèi)的水位變化凍結(jié)效果不好，甚至無法形成凍土墻，（5）要有條件可以進行凍結(jié)孔的施工。（6）同樣負溫的凍結(jié)砂性土（非過飽和）的強度（無側(cè)限抗壓、直接剪切或三軸剪切、抗拉強度等）大于凍結(jié)粘性土的。（7）一般情況下凍土墻的平均溫度為-8～-20℃,取決于所承受外載。（8）形成隔水封閉體的關聯(lián)結(jié)構（隔水地層、已有結(jié)構或其他工法即將形成的結(jié)構）與凍土之間的結(jié)合緊密程度和可靠性。（9）開挖體內(nèi)的水文觀測孔設計好；（10）土壤凍結(jié)致直接凍脹融沉。（11）凍土發(fā)展和凍土封閉體形成的檢測和監(jiān)控是凍結(jié)法成功的關鍵之一。因此，信息化系統(tǒng)在凍結(jié)工法中極為重要。一、概述3.人工地層凍結(jié)法（缺點和注意事項）1）

了解地層物理力學性質(zhì)；2）全面掌握所在地層的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)詳細情況，；3）充分認知所要凍結(jié)地層的凍土物理力學性質(zhì)；4）選取最恰當凍土結(jié)構的設計模型；5）使用最合適鉆機和鉆孔糾偏與測斜儀；6）信息化檢測監(jiān)控系統(tǒng)包括全方位的凍土結(jié)構形成的檢測等；7）務必進行全過程的信息化施工；8）涉及到重大財產(chǎn)和人生安全地方的凍結(jié)工程應具備的應急措施（如液氮槽車等搶險設備）；9）在信息化施工基礎上對融化過程跟蹤注漿彌補地層融沉量；10）凍融地層工后變形和永久結(jié)構穩(wěn)定性跟蹤。二、人工地層凍結(jié)法關鍵要素四個方面工程地質(zhì)和水文地質(zhì)及關鍵物理力學指標（客觀的）設計要素（主觀的：模型和手段）施工要素（主觀與客觀對接）管理等關聯(lián)要素（主觀與客觀對接的調(diào)節(jié)）二、人工地層凍結(jié)法關鍵要素1.工程地質(zhì)和水文地質(zhì)及關鍵物理力學指標1）.施工范圍內(nèi)及關聯(lián)的地層分布、水位（含氣?）含水層及水力聯(lián)系、流速流向、含鹽量、隔水層、土的基本力學性質(zhì)、比熱、熱傳導系數(shù)、潛熱、結(jié)冰溫度等2）.土壤凍脹和融沉（凍土解凍）；單軸抗壓、抗拉、抗剪(粘聚力、內(nèi)摩擦角)、三軸強度、變形模量、泊淞比（受溫度、含水量、未凍水含量、粒徑、孔隙率、荷載、時間等影響）二、人工地層凍結(jié)法關鍵要素2.設計要素首先是建立凍土結(jié)構受力模型（純凍土結(jié)構、和其它結(jié)構共同承載、作為其它結(jié)構承載的封水等）其次是在所選結(jié)構模型下全面考量全過程可能影響凍土強度、凍土結(jié)構本身可能影響周邊環(huán)境或者影響維護結(jié)構本身穩(wěn)定和安全的可能性再次是按所選凍土結(jié)構受力模型進行對應的凍土力學性能試驗而獲得必要的計算參數(shù)、并對凍土結(jié)構的凍脹融沉進行量化、針對計算結(jié)構進行措施補充（包括所有檢測監(jiān)控）最后就是實施這一設計進行施工組織設計二、人工地層凍結(jié)法關鍵要素3.施工要素凍結(jié)孔施工、凍結(jié)管安裝以及質(zhì)量的檢測；地層內(nèi)溫度檢測和鹽水等檢測系統(tǒng)的可靠性；達到凍結(jié)設計要求的檢測和確認；凍脹檢測和控制、融沉監(jiān)測和控制；開挖和支護，凍土結(jié)構變形實時檢測。二、人工地層凍結(jié)法關鍵要素4.管理等關聯(lián)要素凍結(jié)法是面對“水、軟、變形難以預測”的高風險地方的工法，故對于上述各個環(huán)節(jié)必須進行多次反復檢查和檢驗，動態(tài)監(jiān)測控制、精細化施工、嚴格監(jiān)理管理,達到安全可靠。此外還有諸如凍土力學參數(shù)實驗方法、凍脹與融沉、礦井凍結(jié)與市政凍結(jié)的差異等等也非常重要二、人工地層凍結(jié)法關鍵要素4.1、人工凍土力學參數(shù)試驗注意事項礦山凍結(jié)鑿井中凍土試驗全面正確認識凍土：凍土是由固相（土壤顆粒、冰）、液相（未凍水）、氣相（氣泡）組成——多相介質(zhì)（非飽和土）

。土樣取樣、凍土試樣是否固結(jié)、是否達到固結(jié)度就是關鍵了。由于礦山鑿井深度比較深，土樣取樣后應力釋放而體積和容重都發(fā)生變化。如果在凍土試驗前不盡可能恢復到原來指標，顯然所得結(jié)果不能反映真實情況。因此，在凍結(jié)前對式樣進行固結(jié)并盡可能到達原來的固結(jié)度是非常必要的。到目前，試驗和工程應用人員還沒有充分認識到這一點。在深凍結(jié)井中除了凍土抗壓強度外，長時強度、蠕變特性極為重要，這些指標決定著凍結(jié)鑿井的成敗。市政工程中地層凍結(jié)凍土試驗而在市政工程的地層凍結(jié)中，除了凍土抗壓強度外，有時候抗拉強度、抗剪強度、抗彎強度極為重要。二、人工地層凍結(jié)法關鍵要素4.2、人工凍土強度特征32.525201510521.51WC90CS309PJ258LD175XQ226PJ314PJ258XQ212XQ226XQ260LD170LD175LD199TT1500.5-5-10-15溫度-20-25度人工凍土三軸剪切強度粘聚力C與溫度的關系（內(nèi)摩擦角φ不隨溫度變化而變化）5-5度-25度432100-5-10-15-20-25溫度

度人工凍土無側(cè)限抗壓強度與溫度的關系02040時間t6080100h人工凍土強度與時間的關系二、人工地層凍結(jié)法關鍵要素4.2、地層凍脹與融沉問題在市政工程的地層凍結(jié)中，土壤的凍脹和融沉大小對關聯(lián)建/構筑物影響至關重要，尤其是近接工程更是如此。因此，在那些凍敏性土壤中應用凍結(jié)法，要特別注意相關聯(lián)建/構筑物安全要求和土壤本身凍脹和融沉特性，通過試驗和工程類比估算出凍脹和融沉量。根據(jù)這種估算采取必要的措施。二、人工地層凍結(jié)法關鍵要素4.2、地層凍脹與融沉問題（名詞、機理）凍脹的主要原因是液態(tài)水凍結(jié)后變成固態(tài)冰,其體積增加9%產(chǎn)生“凍脹”。對于凍結(jié)時那些土壤內(nèi)產(chǎn)生水分不斷向凍結(jié)鋒面遷移而不斷集聚凍結(jié)成冰鏡體（凍敏性土），對于原土體來說體積增加了遷移來的水的體積加上這些液態(tài)水變成固態(tài)冰體積增加9%，即增加了新遷移水109%的體積（遷移水凍脹）。前者叫土體“原位凍脹”，后者叫“遷移水凍脹”或者叫

“分凝凍脹”二、人工地層凍結(jié)法關鍵要素4.2、地層凍脹與融沉問題（機理）在工程中原位凍脹很難消除（除非對土壤孔隙水做某種處理），主要是盡可能減少遷移水凍脹。這種凍脹是一種在土壤凍結(jié)時形成一種勢（能量）使水能在連通的非常細小的土壤孔隙里不斷向凍結(jié)封面遷移，所謂“土水勢”。它是一項目前還不能完全清晰表達的物理量。它由重力勢、壓力勢、滲壓勢、溫度勢、電力勢和磁力勢中的某些和組成。二、人工地層凍結(jié)法關鍵要素4.3、地層凍脹與融沉控制途徑速凍法：快速降溫使凍結(jié)速度超過水分遷移所需勢形成的速度，使水分來不及遷移動態(tài)平衡式凍結(jié)法：達到凍結(jié)厚度后控制制冷量使凍土不再發(fā)展，減小水分遷移；間歇大幅變溫凍結(jié)；土壤改良法：凍結(jié)前對土壤進行某種改良，達到阻礙水力通道的目的把凍脹控制了，融沉就基本控制了80—90%。對于沉降要求很嚴的地方，可以采取跟蹤注漿等方式控制沉降量。三、幾個地下空間近接凍結(jié)應用1.江底近接地鐵盾構隧道聯(lián)絡通道凍結(jié)我國第一個河流下全封閉水平凍結(jié)聯(lián)絡通道泵站工程——上海地鐵二號線陸家嘴站至河南中路站區(qū)間隧道聯(lián)絡通道（以下簡稱聯(lián)絡通道）。它位于兩站區(qū)間隧道中部，聯(lián)絡通道位于黃浦江下,作為地鐵運營中隧道的集、排水泵站及上、下行隧道間的安全聯(lián)絡通道。其結(jié)構由兩個分別與上、下行隧道相交的喇叭口、通道及泵站組成(見后圖)。按設計，上、下行隧道中心標高分別為－26.301m和－26.337m，中心線間距12.394m。聯(lián)絡通道開挖區(qū)頂面標高－23.958m；泵站開挖區(qū)底面標高－31.891m。三、幾個地下空間近接凍結(jié)應用1.江底近接地鐵盾構隧道聯(lián)絡通道凍結(jié)聯(lián)絡通道和凍結(jié)管布置方式（此處為借用圖）三、幾個地下空間近接凍結(jié)應用2.運營地鐵車站底板下新建車站凍結(jié)上海地鐵上體館站底板下新建換乘站關系立交橋柱狀圖覆土12填土粘土穿越段B-B剖面圖3淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土1號線站廳層1號線行車層4淤泥質(zhì)粘土明珠線穿越段45砂質(zhì)粉土粘土穿越段A-A剖面圖三、幾個地下空間近接凍結(jié)應用2.運營地鐵車站底板下新建車站凍結(jié)明珠線（4號線）二期上體場站工程因施工引起的1號線地鐵結(jié)構變形必須滿足列車安全運行條件：軌道高差（縱向）4mm/10m軌道高差（橫向）2mm軌距變化-2~+6mm地鐵結(jié)構絕對沉降量及水平位移量≤20mm（含各種加載和卸載的最終位移量，施工中地鐵站底板絕對沉降按-5~+5mm控制）隧道變形曲線的曲率半徑r≥15000mm結(jié)構相對變曲≤1/2500日地鐵結(jié)構沉降量及水平位移量≤1mm在施工中，對地鐵1號線站底板絕對沉降按-5~+5mm進行控制。三、幾個地下空間近接凍結(jié)應用2.運營地鐵車站底板下新建車站凍結(jié)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)及關鍵物理力學指標溫度(℃)-5單軸抗壓強度(MPa)彎拉強度(MPa)備注1.93.45.2-102.1彎拉強度只做-10℃-15三、幾個地下空間近接凍結(jié)應用2.運營地鐵車站底板下新建車站凍結(jié)理一號線車站底板未凍土地連墻隧道結(jié)構支護層凍土帷幕一號線車站底板上臺階開挖下臺階開挖凍土帷幕未凍土凍土帷幕未凍土山字型凍土帷幕斷面圖左右導洞開挖平面圖山字型凍土帷幕上、下臺階開挖方式地連墻防護門

一號線結(jié)構底板托換樁南線隧道一號線車站底板北線隧道保溫層冷凍管冷凍管地梁凍土帷幕φ

73X4冷凍管主凍結(jié)孔輔凍結(jié)孔加熱孔(兼作凍結(jié)孔)三、幾個地下空間近接凍結(jié)應用2.運營地鐵車站底板下新建車站凍結(jié)采用高幅間歇凍結(jié)模式控制凍脹（融沉）三類凍結(jié)模式的凍脹發(fā)展情況比較1.41.2連續(xù)凍結(jié)試驗組別凍結(jié)深度最大凍脹1.00.80.6凍結(jié)模式連續(xù)凍結(jié)分步凍結(jié)凍脹率0.089840.083340.02233（cm）（mm）間歇凍結(jié)A1B1C17.8127.6107.0447.0186.3421.5730.40.201611162126313641t/d大幅低頻小幅高頻連續(xù)間隙凍結(jié)C27.20.50410.007間歇凍結(jié)大幅高頻C37.9640.17520.0022連續(xù)凍結(jié)可見在凍結(jié)深度相當?shù)那闆r下連續(xù)間間歇凍結(jié)或連續(xù)控溫凍結(jié)兩種模式都必須以連

歇凍結(jié)的凍脹量和凍脹率最小，尤以大幅續(xù)快速凍結(jié)為先行，才能收到既使凍土帷幕具

高頻和小幅高頻的效果最好。有強度和厚度，又能抑制凍脹的良好效果。三、幾個地下空間近接凍結(jié)應用2.運營地鐵車站底板下新建車站凍結(jié)一號線車站底板穿越段南線通道車站底板中心沉降曲線凍結(jié)孔測溫孔泄壓孔凍脹釋放孔加熱孔凍土帷幕通道橫斷面注漿孔布置圖通道縱斷面注漿孔布置圖三、幾個地下空間近接凍結(jié)應用2.運營地鐵車站底板下新建車站凍結(jié)穿越段開完支護體系南線北線上體館高架24.0000凍土帷幕一號線車站底板上行線隧道區(qū)間下行線隧道區(qū)間南北隧道斷面分臺階劃分圖鋼板300X200X1220#工字鋼螺栓M18節(jié)點法蘭盤支架結(jié)構及連接示意三、幾個地下空間近接凍結(jié)應用2.運營地鐵車站底板下新建車站凍結(jié)穿越段南線通道車站底板中心沉降曲線293229330.0080.0070.0060.0050.0040.0030.0020.00100

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96120144168192216293429354579012

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1080-0.0002-0.0004-0.0006-0.0008-0.0010-0.0002-0.0004-0.0006-0.0008-0.001639964016403640564076409639964016403640564076409-0.0012-0.0014-0.0016-0.0018-0.002-0.0012-0.0014-0.0016-0.0018-0.002012

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108-0.001時間/h時間/h時間/h293229332934293545790163248

64809612000000.010.0090.0080.0070.0060.0050.0040.0030.0020.00100-0.00005-0.0001-0.00015-0.0002-0.00025-0.0003-0.00035-0.0004-0.00045-0.000510000008000006000004000002000000實測計算8m處計算值14m處計算值28m處實測值4m處實測值-0.001024

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216時間/h024487296108時間/h時間/h上臺階開挖隧道底板豎向位移實測與計算比較三、幾個地下空間近接凍結(jié)應用2.運營地鐵車站底板下新建車站凍結(jié)1.000.50穿越段南線通道車站底板中心沉降曲線0.00-0.50-1.003-11

3-18

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4-14-8

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4-22

4-29

5-6

5-13

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5-27

6-3日期1.501.000.500.00-0.50-1.00-1.50穿越段北線通道車站底板中心沉降曲線12-1

12-11

12-21

12-31

1-101-20日期1-302-92-192-293-10三、幾個地下空間近接凍結(jié)應用3.地下河床鐵路橋墩截樁凍結(jié)帷幕本標段原設計沒有采用冷凍法，而是采用單管旋噴法，1#豎井向西破壁進洞后發(fā)現(xiàn)，單管旋噴加固地層的效果較好，但止水效果不理想，成樁效果不理想，同時不能拆除的地下管溝、檢查井等，造成旋噴加固出現(xiàn)盲點或死角。三、幾個地下空間近接凍結(jié)應用3.地下河床鐵路橋墩截樁凍結(jié)帷幕凍結(jié)站正常運轉(zhuǎn)10d后,對12個測溫孔分別在5m、10m、15m、20m、25m處進行測溫，根據(jù)測溫資料發(fā)現(xiàn)整個凍結(jié)段在8～12m深度段水平降溫緩慢，其中A、E線最不理想，遠小于預期效果，每天降溫僅為0.1℃，有時甚至溫度回升，凍土平均發(fā)展速度僅有7～8mm/d，遠小于預期的22

mm/d。經(jīng)分析系地下水位太高、流速過大所致，竟采取相應措施后，基本正常。這從另一個方面驗證了單管旋噴對本地層的不適應性。凍結(jié)平面圖見后。三、幾個地下空間近接凍結(jié)應用3.地下河床鐵路橋墩截樁凍結(jié)帷幕三、幾個地下空間近接凍結(jié)應用3.地下河床鐵路橋墩截樁凍結(jié)帷幕三、幾個地下空間近接凍結(jié)應用3.地下河床鐵路橋墩截樁凍結(jié)帷幕從凍結(jié)孔縱向溫度反映，在8--14米水平溫度明顯偏高，說明在該水平地下水流速都很大，使其帶走的冷量很多，其最嚴重的是E25#--E30#孔和A18#--A22#孔溫差達8--9℃,說明該位置是暗河的兩個主要進出口，因暗河的存在使該水平E25--E30，A18--A22凍結(jié)孔冷量散失嚴重，致使凍結(jié)孔縱向溫度在該水平溫度明顯升高,造成該水平凍土發(fā)展緩慢。根據(jù)測試8--12米水平溫度偏高，說明該區(qū)段地下熱交換很大，致使凍結(jié)管冷量散失嚴重，地下水流速太大是該地層降溫緩慢的主要原因。原資料所提地下水最大流速為15m/d。根據(jù)凍結(jié)管冷量散失情況，流速實際達40—60m/d，遠遠大于15m/d流速，致使8—12m水平凍結(jié)緩慢，更有甚者，在E線E1，E2測孔10米水平十多天溫度一直不降，且偶有回升趨勢。長此下去凍土根本無法發(fā)展。三、幾個地下空間近接凍結(jié)應用3.地下河床鐵路橋墩截樁凍結(jié)帷幕2003年2月17日組織凍結(jié)、注漿、地質(zhì)等專家進行了論證分析。大家一致認為,造成8—12m水平交圈困難的原因是由地下水流速太大所致。采取封、堵、泄，加大制冷能力等措施減小地下水流速。自2月18日第一眼降水井工作以來，從測溫數(shù)據(jù)可看出E210米水平,2月13、2月17日溫度分別為19.6℃、19.1℃，5天只降了0.4℃。降水后,2月19日、2月24日其溫度分別為17.2℃、14.9℃,5天下降了2.3℃，其降溫速度是原來的6倍，到3月20日E210米水平溫度已達-5.3℃，凍結(jié)壁厚度達到1.25m。三、幾個地下空間近接凍結(jié)應用4.建筑物下雙圈凍結(jié)帷幕先盾構后擴圈深圳地鐵7號線福鄰站凍結(jié)加固暗挖隧道位于福鄰站左線北端車站叉線錐形隧道斷面，暗挖段隧道上方為邊檢生活小區(qū)，有一棟二層球場，無管線。三、幾個地下空間近接凍結(jié)應用5.近接建筑物水平管幕間凍結(jié)封水暗挖隧道中心埋深-17.09m，所處地層為強風化花崗巖。暗挖隧道采用二次襯砌結(jié)構，一襯為型鋼支架+噴射混凝土，二襯為400mm厚C35鋼筋混凝土結(jié)構。圖中粉紅色的為出洞加固的凍結(jié)孔，藍色的為擴挖加固凍結(jié)孔。出洞加固凍結(jié)孔60個，孔深5.2-26m。擴挖加固凍結(jié)孔74個(其中28個與出洞加固共用)，孔深26m。垂直孔3個，孔深29m。暗挖段隧道長度19.88m，擴挖直徑7.4m。一襯厚度300mm（含木背板），二襯厚度400mm。三、幾個地下空間近接凍結(jié)應用5.近接建筑物水平管幕間凍結(jié)封水1ELEMENTSFEB17201421:49:46/EXPANDEDYZXFile:shenzhen通過有限元計算，凍結(jié)壁強度滿足《旁通道凍結(jié)法技術規(guī)程》，設計采用凍結(jié)壁厚度2.4m，平均溫度-10℃能夠滿足施工要求。凍結(jié)加固范圍內(nèi)土層主要為⑧2強風化花崗巖，參考本地凍結(jié)土樣凍土力學性能試驗數(shù)據(jù)，取凍土強度指標：抗壓6.4MPa，抗折3.0MPa，抗剪5.5MPa（-10℃）。設計取-10℃凍土的彈性模量和泊松比分別取210MPa和0.

3。

未凍土彈性模量和泊松比分別為5.2MPa和0.3，凍結(jié)壁土的平均重度取19.0kN/m3。其中水平通道外圍凍結(jié)壁有效厚度為2.4m，凍結(jié)壁平均溫度為不高于-10℃。凍土壁承載力驗算采用許用應力法，根據(jù)《旁通道凍結(jié)法技術規(guī)程》中的Ⅲ類凍結(jié)壁強度檢驗，同時考慮本工程安全性質(zhì)，安全系數(shù)?。嚎箟?.0，抗折3.0，抗剪2.0。三、幾個地下空間近接凍結(jié)應用5.近接建筑物水平管幕間凍