刊载论文01
期刊：煤炭学报
论文题目：地铁双线隧道下穿既有车站冻结加固冻胀控制措施（2024）
作者：陈湘生，丁航，李方政，陈曦，高伟，王恒，王磊，陈汉青
简介：在冻结施工期间，地层中水分结冰后体积膨胀，导致冻胀效应。这一现象对地下结构、相邻管线、地表建（构）筑物造成严重挤压，甚至导致破坏。在地铁车站及隧道穿越障碍物等长距离大断面地下工程中，采用冻结法施工时形成的冻土体量是常规地铁联络通道冻结工程的数十倍，其冻胀效应更为显著。因此，如何有效控制此类工程中的冻胀效应，是冻结施工中亟须解决的技术难题。目前，针对城市长距离大断面地下冻结工程的冻胀变形演化规律与控制技术仍然缺乏深入研究。
本研究以上海地铁18号线下穿国权路站冻结工程为背景，通过建立三维精细化热力耦合模型，探明了错峰冻结、盐水温度调控等措施对冻胀变形的影响规律。提出了基于时空效应的冻胀控制措施，在时间和空间两个维度上对冻土体量及边界进行了有效控制，并通过现场数据验证了控制措施的有效性。研究成果为城市长距离大断面地下空间冻结工程的冻胀控制技术提供指导。
主要创新点：
1、揭示了错峰冻结模式下冻胀位移场演化规律
采用错峰冻结模式可以延长冻胀变形量达到峰值的时间点，避免同一时间段冻胀效应的叠加。在工程设计阶段，通过“分层、分区、分顺序”的方法，将拟冻结区域划分为若干冻结批次，实施渐进式积极冻结，可降低同一时间段内冻胀效应对周边构筑物的影响程度。在积极冻结过程中，也可结合取土泄压等辅助措施，降低冻胀效应的不利影响。
2、提出了基于时空效应的冻胀控制措施
针对城市长距离水平冻结清障工程，提出了基于时空效应的冻胀控制措施。在时间维度上，通过错峰冻结模式，精准调控单阶段冻土体量，以规避冻胀叠加效应的时空累积；在空间维度上，基于冻土热力学耦合作用机制，通过调控盐水温度等措施，实现对冻结壁发展速率及边界形态的精细化控制，有效降低冻胀效应对周边环境的影响。
刊载论文02
期刊：煤炭科学技术
论文题目：冻结立井井筒机械化掘进现状及发展趋势（2024）
作者：陈湘生，王恒，宋朝阳，陈汉青，陈曦，丁航，王磊
简介：钻爆法凿井是我国立井井筒施工的主要工法，炸药的应用提高了冻结井筒的掘进效率，配套的伞钻打孔、抓岩机装岩、大型井架及设备提升、大模板砌壁等大型机械化设备的应用，提高了井筒成井速度；竖井钻机、反井钻机及竖井掘进机作为特殊地层条件下立井井筒特殊凿井方式，也有各自应用范围。
面对我国西部富水弱胶结地层特点及智慧矿山发展趋势，采用冻结+钻爆法施工难以满足千米级弱胶结岩层立井井筒智能化、无人化的建设需求，而采用冻结+竖井掘进机钻井将是未来超深立井井筒技术发展方向之一。结合国外工程案例，针对我国西部富水弱胶结岩层立井井筒建设，在冻−掘−支−运协同作业方面提出了合理化建议；揭示了井壁结构与弱胶结围岩相互作用机理，优化了双层井壁结构方法，构建了竖井掘进机掘−支−运同步作业模式等，提升了井筒建设综合效率、以及信息化水平，推动立井井筒向机械化、绿色化和智能化发展。
主要创新点：
1、总结了我国立井冻结法、机械法掘砌施工特点
论述了我国冻结壁、冻结井壁的起源、发展与演化，分析我国典型的西部弱胶结岩层条件下当前机械化施工的现状，明确了井壁厚度大、钻爆法施工受限两个主要特点，需要采用新的机械破岩方法进行冻结立井井筒掘砌施工。
2、提出了适用于西部弱胶结岩层冻结井壁设计思路
深立井冻结井壁通常采用高性能混凝土、高配筋率来提高井壁强度、实现井壁减薄。然而，该工法忽视了井壁结构与围岩之间作用形式及荷载传递方式，难以揭示井壁结构的受力机理。鉴于此，以冻结设计理论为基础，通过调整井壁结构设计参数，实现井壁材料与作用荷载的双向调整，最终确定合理的井壁计算方法。
3、提出了竖井掘进机上排渣设计思路
提出了工作面→吊盘→地面的三级排渣设计形式，通过多级排渣，实现排渣、掘砌与井壁浇筑的部分平行作业，构建了竖井掘进机掘−支−运同步作业模式，提高了施工效率。同时还要从设备、数据库、信息反馈等多方面融合，共同推进智能化建设。
刊载论文03
期刊：Cold Regions Science and Technology
论文题目：A model of segregation frost heave for saturated soil freezing under overburden pressure（2023）
作者：Hanqing Chen, Xin Li*, Hao Xiong, Xiangsheng Chen, Dong Su
简介：由于冻土系统的多相性和复杂性，冻胀、冻融机理分析一直是冻土界研究的热点和难点。尤其外部压力对冻胀的抑制机制尚未明晰，当前研究仍以数值分析为主，缺乏对冻胀抑制理论的深入探究。而冻胀发育及控制机理研究，分凝冰形成发育机制分析是关键。为此，以冻结缘末分凝冰生长发育为突破口，分析了冻结缘压-吸应力分布状态，发现随着外部压力增大、分凝冰形成难度增加，导致分凝-冻结温度降低，虽然对应表面吸附力小幅增大，但因孔隙冰的阻断作用，冻结缘渗透系数快速减小，从而对水分迁移产生强烈抑制作用。据此，结合达西定律，建立了压力作用下冻土的分凝冻胀控制模型，给出了水分迁移速度方程。该研究不仅完善了现有冻胀理论，还对保障人工冻结工程施工安全和防治冻胀病害具有重要意义。
主要创新点：
1、构建了薄膜水迁移驱动力模型，给出了冰压、液压、界面压力之间关系
阐释了水分迁移驱动力既可以用液压差表示，也可以用冰压差表示，两者均代表了平衡状态下的理论压力与非平衡状态下的实际压力之差。当实际冰压达到理论冰压时，薄膜水两侧的压力达到平衡，此时水分迁移驱动力降为零，水分迁移停止。
2、构建了压-吸应力变换模型，揭示了压力变量与吸力变量之间的换算关系
阐释了冰压作用不仅可以分离土颗粒、形成分凝冰，还可以抵消与平衡理论吸力（绝对吸力），在冰压和理论吸力共同作用下，产生驱动水分迁移的表面吸附力（相对吸力）。当然，冰压和理论吸力综合作用不能简单地用数学加减表示，二者之间存在一个压、吸应力换算因子λ，且 λ=-1.09。
3、构建了分凝冻胀控制模型，揭示了外部压力对水分迁移的抑制机制
将冻土分为三个区域：冻结区、正冻结区和未冻土。其中对水分迁移速度影响最大的冻结缘位于正冻结区。随着外部压力的增大，分凝-冻结温度逐渐降低，导致表面吸附力小幅增加；但由于孔隙冰的阻塞作用，此时冻结缘总渗透系数降低速度更快，最终造成水分迁移速度大幅降低、冻胀发展得到强烈抑制。
