井巷特殊施工(第二章 冻结法(节7 冻结壁计算))
冻结法施工工艺
冻结法施工工艺地铁施工旁通道冻结法施工工艺冻结法施工工法一、前言作为一种成熟的施工方法，冻结法施工技术在国际上被广泛应用于城市建设和煤矿建设中，已有100多年的历史，我国采用冻结法施工技术至今也已有40多年的历史，主要用于煤矿井筒开挖施工，其中冻结最大深度达435m，冻结表土层最大厚度达375m.自1992年起，冻结法工艺被广泛应用于上海、北京、深圳、南京等城市地铁工程施工中。
公司在上海地铁隧道旁通道工程施工中，采用了冻结法加固的施工方法，通过对施工工艺的归纳总结，以及参考有关施工技术资料，形成本工法。
二、特点冻结法适用于各类地层尤其适合在城市地下管线密布施工条件困难地段的施工，经过多年来国内外施工的实践经验证明冻结法施工有以下特点：1、可有效隔绝地下水，其抗渗透性能是其它任何方法不能相比的，对于含水量大于10%的任何含水、松散，不稳定地层均可采用冻结法施工技术；2、冻土帷幕的形状和强度可视施工现场条件，地质条件灵活布置和调整，冻土强度可达5-10Mpa，能有效提高工效；3、冻结法是一种环保型工法，对周围环境无污染，无异物进入土壤，噪音小，冻结结束后，冻土墙融化，不影响建筑物周围地下结构；4、冻结施工用于桩基施工或其它工艺平行作业，能有效缩短施工工期。
三、使用范围冻结法适用于各类地层，主要用于煤矿井筒开挖施工。
目前在地铁盾构隧道掘进施工、双线区间隧道旁通道和泵房井施工、顶管进出洞施工、地下工程堵漏抢救施工等方面也得到了广泛的应用。
四、工艺原理冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，将松散含水岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水，以便在冻结壁的保护下，进行地下工程掘砌作业。
它是土层的物理加固方法，是一种临时加固技术，当工程需要时冻土可具有岩石般的强度，如不需要加固强度时，又可采取强制解冻技术使其融化。
五、工艺流程冻结法六、施工操作要点施工时，应不断对每个施工工序进行管理。
控制冻结孔施工、冻结管安装、冻结站安装、冻结过程检测的质量。
井巷特殊施工(第二章 冻结法(节8 冻结井壁))
第2章 冻结法 章
§1 §2 §3 §4 §5 §6 §7 §8 §9 概述 蒸汽压缩制冷 冻结法施工 冻结方案 冻土物理力学性质 冻结温度场 冻结壁计算 冻结井壁 冻结法设计计算
第2章 冻结法 章
§8 冻结井壁
§8.1 §8.2 §8.3 §8.4 冻结井壁受力分析 按均压薄壁圆筒计算井壁厚度 按均压厚壁圆筒计算井壁厚度 冻结井壁环向稳定性验算
§8 冻结井壁
§8.3按均压厚壁圆筒计算井壁厚度 8.3按均压厚壁圆筒计算井壁厚度
E＞r/10时： 在冻结井壁设计中很少是薄壁圆筒，一般均按厚壁圆筒计算。外荷载按均 压，内、外层井壁厚度计算完后，再将之厚度加起来作为井壁全厚。
El = R
[ f z ] 1 [ fz ] 3 p
f z = f c + min f y
第2章 冻结法 章
§8 冻结井壁
§8.1冻结井壁受力分析 8.1冻结井壁受力分析
1——冻结压力上升阶段 井筒开挖后，冻结壁即发生蠕变变形和应力重新 分布。筑外壁后，变形被阻，对井壁产生挤压力；接着井壁后融土回冻和降温 ，产生冻胀力．外壁受到不断增长的冻结压力作用。 2——冻结压力波动阶段 套砌内壁后，混凝土水化热使外壁后的冻土融化 、湿陷，冻结压力迅速下降。过一定时间，融化的冻土再度回冻，冻结压力又 有所回升，形成凹形的压力波动阶段。此阶段的压力值，一般都小于阶段I所 达到的最大压力值。 3——压力渐变过渡阶段 冷冻站停止供冷后，冻结壁的温度不断升高，并 开始自然解冻，冻结压力逐渐下降。但与此同时，作用到井壁上的地压越来越 大，逐渐向永久地压过渡。 4――永久地压阶段 冻结壁完全解冻，地层的水土压力全部作用在井壁上 ，进入长期稳定的永久地压阶段。 井壁在1和3两个阶段经受两次外力峰值：前次是由外层井壁单独承受的最 大冻结压力，后次是由内外两层井壁分担的永久地压。
第二篇冻结设计
第二篇冻结施工组织设计1 井筒概况梁宝寺二号井是肥城矿业集团有限责任公司在梁宝寺矿区规划筹建的第二对矿井。
矿井位于山东省嘉祥县境内，年设计生产能力1.5Mt，采用立井开拓方式，布设主井、副井、风井三个井筒，主井井筒设计净直径5.0m，全深1100.5m；副井井筒设计净直径6.5m，全深1130.5m；风井井筒设计净直径5.5m，全深1028.5m。
三井均采用冻结法施工，井筒主要特征如下：表2-1-1 井筒主要技术特征表2 井筒地质及水文情况2.1 地质概况2.1.1地层概况根据梁宝寺矿井检2孔资料，井筒自上而下穿过的地层有：第四系、上第三系、二叠系上石盒子组地层。
现分别叙述如下：（1）第四系（Q）厚148.90m，为一套河湖相沉积，不整合于上第三系之上，主要由中～巨厚层粘土夹少量砂质粘土，粘土质砂及砂层组成。
粘土呈土黄、锈黄、灰绿、浅红等色，粘性、膨胀性均较强，刀切面光滑，局部含砂及姜结石。
砂质粘土呈土黄、锈黄、灰绿等色，含细、粉砂不均一，粘性较差。
粘土质砂呈灰绿、锈黄、肉红色，以中、细砂为主，含粘土不均一，较松散，局部含小砾石。
砂层上部呈土黄、锈黄色，下部呈灰绿、肉红色，细～粗粒，纯净、松散，成分以石英为主，长石次之，上部分选性较好，下部分选性较差。
本段地层粘土、砂质粘土总厚119.85m，占该段地层的80.5％。
（2）上第三系（N）厚315.50m，为一套河湖相沉积，不整合于下伏基岩之上，主要由中～巨厚层粘土夹少量砂质粘土，粘土质砂及砂层组成。
根据地址情况及其组合，可将上第三系分为上、中、下三段。
①上段：厚115.80m，主要由中～巨厚层粘土夹少量薄层砂质粘土、粘土质砂及砂层组成。
粘土以灰绿色为主，含土黄、锈黄、浅红等色，粘性、膨胀性较强，刀切面光滑，具滑面，局部半固结，含砂、姜结石及钙质团块。
砂质粘土呈浅红、锈黄、肉红色，以粉砂为主，含粘土不均一，较松散，局部含小砾石。
砂层呈灰绿、锈黄、肉红色，细～粗粒，纯净、松散，成分以石英为主，长石次之。
冻结法
济西主井 济西副井 龙固副井 赵楼主井 郭屯主井 郭屯副井 花园主井 李堂副井 程村副井 赵固一矿副井 泉店副井 涡北主井 丁集主井 丁集副井 顾北副井
最大荒径 冻结深度
7.3 8.0 11.5 11.1 9.6 11.65 8.15 8.15 8.6 10.7 10.65 5.5(净径） 净径） 净径 7.5(净径 净径) 净径 8.0 (净径 净径) 净径 12.5 488 488 650 527 702 702 512 470 485 575 500/460 476 552 550 500
(1-47,
P47 )
q—冻结管的吸热率，即式（1－80） 冻结管的吸热率，即式（ － ） 冻结管的吸热率
或经验公式： 或经验公式：q=0.263~0.292kw/m2
五、冻结壁内平均温度
第七节 冻结壁计算
冻结壁厚度 ：一般2～6m，深井时在10m以上。 一般2 6m，深井时在10m以上。 10m以上 计算方法分类： 计算方法分类： 轴对称平面应变力学模型 轴对称空间力学模型 数理统计法
复习
1. 为什么水源井要离被冻结的工程远一些， 为什么水源井要离被冻结的工程远一些， 而且要布置在地下水流方向的上方？ 而且要布置在地下水流方向的上方？ 2. 为什么粘土层难以冻结？ 为什么粘土层难以冻结？ 3. 什么叫差异冻结？为什么要采用差异 什么叫差异冻结？ 冻结？ 冻结？
冻结施工中的“三 冻结施工中的 三”
2. 多姆克公式 德国 多姆克公式(德国 德国) 假定: 理想弹塑性 弹塑性体 允许冻结壁内圈进入塑性状态, 内圈进入塑性状态 假定 理想弹塑性体, 允许冻结壁内圈进入塑性状态 外圈仍处于弹性状态 其它与拉麦无多大差别。 仍处于弹性状态. 而外圈仍处于弹性状态 其它与拉麦无多大差别。 根据第三强度理论得: 根据第三强度理论得
井巷特殊施工(第二章 冻结法(节3 冻结法施工))解析
第2章 冻结法
§3 冻结法施工
§3.2 钻孔施工
钻孔布置
冻结孔数目：N=πD0/l 式中：N—冻结孔数目； D0—冻结孔布置圈径，m； l—冻结孔间距，一般l=1~1.3m。 求出孔数若为小数，则调整为整数后，再确定孔距。冻结孔的间距一般取0.9 一1.3米。这个区间其冻结孔钻进成本、冻结器安装成本及冻结成本之和数值 变化不大。当孔间距小于0.9米或大于1.3米时成本有明显的增高。
第2章 冻结法
§3 冻结法施工
§3.1 冷冻站安装
第2章 冻结法
§3 冻结法施工
§3.1 冷冻站安装
第2章 冻结法
§3 冻结法施工
§3.1 冷冻站安装
管路耐压密封试验
压密封试验。试验前，先进行氨压缩机的空载及负荷运转，运转累计时间不
得少于24小时，合格后，再对氨循环管路压风吹洗，清除管内碎屑杂物，然
后进行耐压密封试验。试验可分压气和真空试漏两种。压气试漏时间规定为 24小时，开始6小时由于压缩空气冷却，允许压降为0.02一0.03MPa，此后18 小时内不再下降为合格。一般试压压力为正常工作压力的1.5倍。为了进一 步检查管路的密封性，还要进行真空试验，将管路抽成真空度为0.0973一 0.1013MPa，24小时后真空度仍保持在0.09337MPa以上的为合格。
第2章 冻结法
§3 冻结法施工
§3.1 冷冻站安装
冷冻站设备布置
冷冻站设备分站内、外两大区域布置。通常，站内区布置蒸发器（盐水 箱），朝向井口，接着是低压机、氨液分离器、中间冷却器和高压机。站外区 布置集油器、油氨分离器、贮氨器和冷凝器。冷却水池在冷凝器的外侧。
冷冻站安装程序
冷冻站安装与打钻同时进行。 对于氨压缩机的安装质量应予格外重视、氨压缩机的混凝土基础要严格 照图纸施工，其他设备也应按各自的技术质量标准进行安装。
特殊施工
第一章1、冻结法凿井：在井筒开挖之前，用人工制冷的方法，将井筒周围的岩层冻结形成封闭的圆筒——冻结壁，以抵抗地压，隔绝地下水与井筒的联系，然后在其保护下，进行掘砌工作的 一种特殊施工方法，其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。
2、一级压缩制冷原理1－2绝热压缩过程（等熵过程) 压缩机做功：12h h l -= kJ/kg 2－3：等压冷却过程冷凝器热荷载 32h h q k -= kJ/kg3－4绝热降压过程（等焓过程）4－1等温等压蒸发过程 制冷系数： 12410h h h h l q --==ε 单位制冷量0430q h h q >'-'=' 3、双级压缩制冷原理（串联）1—2 低压机做功（等焓过程）：121h h l -= KJ/kg2—3等压冷却：z p z p ， 2t z t 3—4高压机做功（等熵过程）：342h h l -= KJ/kg 4—5—6 等压冷却 ：k p k p ，4t k t ，冷凝器热负荷：64h h q k -= 6—7过冷到7点：7t ＝z t ＋5℃＝9t ＋5℃ 7—10节源降压：k p 0p 10—1 蒸发过程：单位制冷量（蒸发器热负荷）101h h q -= KJ/kg 6—8 节源降压：k p z p 8—3 等压蒸发：z p单位压缩功： 341221h h h h l l l -+-=+= 单位制冷量：1010h h q -= 冷凝器热荷载：64h h q k -= 制冷系数()()3412101210h h k h h h h l G l G q G g d d -+--=+=ε4、冻土形成过程大量试验证明：土中水结冰过程大致可分成五阶段：①冷却段——供冰初期，土温下降至水的冰点0℃ ②过冷段——土温降至冰点以下，自由水仍不结冰，产生水的过冷现象（水中无结晶核存在）③释放潜热段（突变段）——水过冷后，水只要一开始结冰，便有潜热放出，温度上升至冰点。
井巷特殊施工第二章冻结法节冻结法施工2讲课文档
第2章 冻结法
§3 冻结法施工
§3.2 钻孔施工
➢钻孔布置
冻结法凿井所钻的钻孔按用途分为三种：冻结孔、水位观测孔和测温孔。
1）冻结孔。
冻结孔一般按等距离布置在与井筒同心的圆周上，其圈径的大小由井筒掘进直径、 冻结壁厚度、冻结深度及钻孔允许偏斜率来确定。布置冻结孔的圈径可按下式计算 ：
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第2章 冻结法
§3 冻结法施工
§3.2 钻孔施工
➢ 测斜方法
1）磁性单点测斜仪 磁性单点测斜仪是由球形磁罗盘及与外壳联在一起的照像机构等部件所组成 ，整个仪器无论处于何种状态，球罗盘因受地球磁场作用其南、北方向永远不变 ，球内重锤体因受重力作用，球体竖轴永远指向地球中心。故球罗盘上的经纬线 可以直接反映出钻孔的方位角和倾斜角。 测斜时，将仪器放入一节非磁性钻铤内，该钻铤由强度很高的镍、铜、铝、 铁组成的蒙乃尔合金制成。磁性单点测斜仪外壳装有橡胶扶正器和非磁性钻铤呈 同一倾斜状态，按照预定时间拍出照片，用放大镜可以读出方位角和偏斜角。磁 性单点测斜仪外套直径44.5毫米，可以在直径50毫米的钻杆内不提钻测斜，精度高 、尺寸小、操作简单、耐用价廉。
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第2章 冻结法
§3 冻结法施工
§3.1 冷冻站安装
➢ 冷冻站设备布置
冷冻站设备分站内、外两大区域布置。通常，站内区布置蒸发器（盐水箱），朝 向井口，接着是低压机、氨液分离器、中间冷却器和高压机。站外区布置集油 器、油氨分离器、贮氨器和冷凝器。冷却水池在冷凝器的外侧。
➢ 冷冻站安装程序
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第2章 冻结法
§3 冻结法施工 §3.2 钻孔施工
➢ 钻孔布置
3）测温孔
井巷特殊施工总复习
1冻结法施工的井筒，砌筑中保证井壁质量的措施和方法。 1)提高混凝土等级 ----增加1~2级；2、提高入模温度 >20 ℃；加入化学添加剂 防 冻剂,早强剂,减水剂,密实剂等；3.加入矿物添加剂 硅粉、粉煤灰、矿渣等；4. 改井接茬方式 单斜面-双斜面,止水带,钢板接茬 ；5.铺泡沫塑料板隔温隔水，均压 2.井壁破裂灾害--破裂特征 1）井壁竖向压裂 2)破裂时间集中 3)破裂位置集中 -多发生在基岩与表土交接面附近。 4)地质条件相近0筒穿越较厚表土层，含水层水位下降。 5)地表明显下沉 3.井壁破裂灾害防治技术 根据竖直附加力是导致井壁破裂的主要原因这一机理，对井壁破裂灾害的治理和预防， 可采用的方法有： 1) “抗”。通过提高井壁材料的强度、加大井壁厚度来增强井壁的承载能力，承 受水平荷载和竖直荷载的共同作用。 2) “让”。改变表土段井壁结构，使其竖向可缩，以适应土层固结压缩和地层下 沉，保障井壁安全，同时井壁结构型式的改变也会反过来削减、限制附加力的增长。 3) “减”。对含水层进行充填加固，减小、甚至消除土层固结压缩，从而减小地 层下沉以及由此而引发的竖直附加力，达到保证井壁安全的目的。 4.冻结井壁施工的特点：1）足够强度和防水，适应复杂地质条件 2）采动压力 3）混凝 土保养 4）足够初期强度，抵抗冻结壁压力
1.冻结法：使用条件--各种松散不稳定含水冲积层，裂隙含水层，松软泥岩，溶洞，断 层，水压特别大的含水层 优缺点：目前比较稳定、可靠的施工方法，技术成熟，安全条件好，掘进速度快，施工组 织管理方便，施工用地少，井筒到达基岩或平巷施工过渡组织工作简单。缺点--是成 本高，施工技术水平要求较高，施工设备多，占用井口时间长，井壁质量较差 2.钻井法：使用条件-各种含水的冲积层及中等强度的岩层，一般用于对井筒偏斜程度无 严格要求和浅基岩的井筒。 优缺点：优点是机械化程度高，综合成井速度快，施工作业安全，成井质量高，人员配少， 劳动组织简单，占井口时间较短 缺点是成本较高，施工占地面积大，井筒垂直度 不好，井筒过渡期组织复杂，对环境有一定污染。 3.沉井法：使用条件--冲积层小于200m的流砂、淤泥等含水层，不适用于粒径大于300mm 的砾石层、单层厚度大于8m时的卵石层，风化段下无隔水层时慎用。 优缺点：优点是工艺简单，设备相对较少，易于操作，成本低，劳动强度低。 1）井筒掘进直径 缺点是沉井深度较浅，井筒偏斜率较大，施工速度较慢 2）冻结壁厚度及形状（对称程度） 3）掘进速度：掘进速度快段高大； 4井巷特殊施工：在松散不稳定含水地层，或在涌水量很大的稳定裂隙岩层中，采用围岩 冻结壁内平均温度 加固、堵水、超前支护或大型钻井机械施工的技术（技术主要有：冻结法、注浆法、 钻井法、沉井法、混凝土帷幕法，以及降低水位法、电渗与电化学加固法、板桩法等 5 井巷特殊施工技术按实质和特点分：超前支护类、围岩加固类、机械破岩类。 6 盐水循环系统主要设备：盐水泵、去回路盐水干管、盐水沟槽、配夜与集液圈、冻结 器 7 测温孔布置 ：深度：穿过冻土发展较慢地层，如粘土层；测温管径：一般108mm。 8水文观察孔：数量：1~3个；深度：穿过所以含水层，但不应大于冻结深度或偏出井。 9 压缩机：将饱和蒸汽氨(1)等熵压缩为高温高压的过热蒸汽氨(2)； 冷凝器：将过热蒸汽氨(2)等压冷却为高压常温液态氨(3)； 节流阀：将高压常温液态氨(3)等焓转变为低压液态氨(4)； 蒸发器：将低压液态氨(4)等压蒸发为饱和蒸汽氨(1)。 10.影响掘进段高的因素：1）冻结壁形成过程，冻结速度较快时，段高可大些。2）井筒 掘进直径。冻结壁厚度及形状（对称程度）3）冻结壁内平均温度 11.冻结井壁施工的特点：1）足够强度和防水，适应复杂地质条件 2）采动压力 3）混
冻结法1-2节解读
q0=h1- h10
qk=h4-h6
单位压缩理论功:
制冷系数:
l0=(h2-h1)+(h4-h3)
ε0= (h1- h10) / [(h2-h1)+(h4-h3)] K
4. 中间压力的确定
最佳效率法、查图法、插入法 以查图法最为简便。
四、制冷剂
1. 制冷剂
氨 、氟利昂、Co2、So2 等。
氨的特点：
正循环——盐水从供液管进入到冻结器底部，经供 液管与冻结管之间的环形空间返回到集液圈 反循环——与上相反
（3）冷却水循环
水池、水泵、冷凝器、冷却塔
▲过热蒸气被冷却成液态氨，冷却水将温度传递给大气 ▲水温比冷凝温度低5～10度
▲夏天要对冷却水降温
2.实际制冷能力计算
（1）输气系数 λ＝[1—c ( pk / p0 — 1) ] T0 / Tk
发器等换热器，单位换热量等于设备进出口的焓差。
如果 l0=0， q＝0，则 △h=0, 系统中无热量损耗。如节流阀，
外包隔热层， q≈0，等焓过程。
2.
熵（s） 热工学参数。叫比熵。
单位：kJ/kg.k(千焦/千克.凯尔文度）
熵是一个状态参数，微熵 ds = dq /T , 无简单的物理意义。 熵表示工质与外界热交换的方向性： 熵增加是吸热过程 熵减少是放热过程 熵不变是绝热过程——等熵过程
中间温度比蛇形管中氨液温度低5℃。
5. 油氨分离器
功能：
使氨蒸汽中的润滑油分离出 来。 原理： 突然降低氨蒸汽流速。 位置： 高压机之后。
参见图1－13
（p.17）：编号8
6.储氨器
功能：
储存液氨、调节和补充制冷系统中氨的用量。
井巷特殊施工
复合井壁夹层的作用：由于外层井壁处于低温养护条件的原因，不可避免的要产生裂纹和漏水。因此，外层井壁不能起到防水的作用。而复合井壁夹层则可防水，特别是薄夹层，如钢板，塑料板，材料本身就有隔水性能。夹层防水机理不单是材料本身，而是夹层具有解除内层井壁施工过程中产生的温度应力，夹层表面比较光滑，内层井壁沿井筒轴向可以任意伸缩，而不受外层井壁粗糙壁面的约束，消除内壁裂纹。
钻井设备：以钻机为主体，分钻具、旋转、提吊和洗井四个功能系统。
洗井：使用循环流动的洗井介质及时清除井底被刀具破碎了的岩渣，并将之排出井口的过程。
净化：在地面将洗井介质中的岩渣进行分离，以使洗井介质下井复用的作业。
洗井方式：正循环洗井 优点：刀具和工作面冲洗的效果好。 缺点：洗井液沿井筒上升的流速慢，由于更换钻头或接长钻杆而停钻时，岩渣便会下沉。 反循环洗井 优点：钻杆中洗井液携带岩渣上升的速度高，可以排出较重的岩块。 缺点：工作面冲洗时，洗井液的径向流速低，可能造成岩渣的重复破碎，或“泥包现象。 混合洗井 特点：采用了正反循环洗井的优点，达到工作面既得到彻底冲洗，又使洗井液有很高的上升排渣速度。采用的双层钻杆结构复杂，起下钻具的作业时间长，而且洗井成本较高。
注浆工艺流程：从浆液配置开始到浆液进入受注岩土为止的全部施工工艺过程。
地面预注浆凿井施工方案主要工序：注浆孔施工；安装注浆设备；压水实验、测定岩层的吸水率；配置浆液、注浆施工以及效果检查；井筒掘砌。
井巷特殊施工第二章冻结法节9冻结法设计计算
第2章 冻结法
§9 冻结法设计计算
十、冷却水循环系统（与盐水循环系统计算类似） 十一、低温管路隔热层厚度计算： 低温管路绝热的日的是；减少冷量损失、使绝热层外表温度高于空气露点 ，以防管路外表出现凝水结霜。绝热情况良好会使冷量损失减少到20％以内， 否则会更多。 绝热材料应是容重小，导热系数小，便易，易加工，能反复使用。—般常 用硬质泡沫塑料等材料，保温层内外均应设防潮层、油毡纸或塑料薄膜均可。
第2章 冻结法
§9 冻结法设计计算
为了正确的编制冻结法施工设计，设计前应掌握以下资料： 1．地质资料：包括详细的地质柱状图，土层的厚度和层位；主要含水层的 水压、水压、含水率、厚度、渗透系数、流向；水的化学成份，风化基岩情况 和地温等。 2．井筒位置和用途，井简设计的技术特征，结构及设备布置情况。 3．工业广场总平面布置，矿区地形，交通、水泥、电源条件及气象资料。 4．施工设备及材料情况，施工队伍的技术状况等。
4V c
(六)贮氨器选型
每个贮氨器的容积： V 0.3G2v6 0.375 G2v6
0.8n
n
(七)氨的用量计算
第一次充氨量：G＝KQ0A 应考虑到运转损失，每月应补充2.5—10％
第2章 冻结法
§9 冻结法设计计算
九、盐水循环系统计算 (一)盐水管路直径的确定 盐水管路直径按管内允许流速来定；干管C＝1.5—2.0米／秒；冻结管环形 空间：C＝0.1一0.2米／秒，供液管C＝0.6—1.5米／秒。 (二)盐水泵选择 1．盐水泵流量计算： 2．盐水泵扬程计算： 3．盐水泵功率计算； (三)氖化钙用量计算 1．盐水溶液体积： 2．固体氯化钙用量：
第2章 冻结法
§9 冻结法设计计算
一、施工方案的选择 在掌握上述资料的基础上，结合井筒穿过地层的情况，确定冻结深度。按 所确定的深度、设备能力和经济指标选择冻结方案。 二、冻结井壁厚度的计算 三、冻结壁厚度的计算 四、冻结孔的布置 五、冻结壁平均温度 六、冻结时间 七、冷冻站制冷能力
井巷特殊施工(第二章 冻结法(节5 冻土物理力学性质))解析
第2章 冻结法
§5 冻结物理力学性质
§5.1 冻土的形成
岩土中水冻结过程
土层冻结时发生水分向冻结面转移的现象，即所谓水分迁移。由于土粒 间彼此的距离很小，甚至互相接触，所以相邻两个土粒的薄膜水就汇合在一起 形成公共水化膜。在冻结过程中，增长着的冰晶不断地从邻近的水化膜中夺走 水分，造成水化膜的变薄。而相邻的厚膜中的水分子又不断地向薄膜补充。这 样，依次传递就形成了冻结时水向冻结面的迁移。由于分子引力的作用，变薄 了的水膜也要不断地从自由水中吸取水分，这就使冻土的水分增大。水变成冰 时其体积要增大9％，当这种体积膨胀足以引起土颗粒间的相对位移时，就形 成冻土的冻胀，并随之产生极大的冻胀力。由于水分迁移，变成冰的那部分水 量增大，土的冻胀量亦增大，水分迁移使冻土的冻胀加剧。
第2章 冻结法
第2章 冻结法
§5 冻结物理力学性质
§5.1 冻土的形成
岩土中水冻结过程
实验表明，土中水冻结过程曲线(土冻结时某一点的温度变化) 大致可分为五 个阶段： 1－冷却段：向土层供给冷量后，在初期使土体（包括土粒、水和气）逐步 降温以致达到水的冰点； 2一过冷段 土体降温至0℃以下，但自由水仍不结冰，产生水的过冷现象； 3一温度突变段 水过冷以后，只要一开始结晶，就有结冰潜热放出，温度迅 速上升； 4一冻结段 温度升至0℃或其附近后稳定下来，土体孔隙中的水便发生结冰 过程，使土胶结为冻土； 5一冻土继续冷却段 随着温度的降低，冻土强度逐渐增高。
人工冻结法凿井技术优点及冻结壁计算方法
ｓ ｒ ｓＮｏ １ ５ ｅｉ ． ２ ｅ Ｓｐ． ０ ６ ｅｔ２ ０
２０ ０ ６年第 ９ 期
文章 编号 ：Ｏ ４ ５ １ （Ｏ ６ ０ — ０ ７ ～０ １０～ ７６２ ０ ）９ １９ ３
・
中图分类 号 ： ２ ３ ３ 文 献标识 码 ： ＴＤ ６ ． Ｂ
钻掘工程 ・
，
人 工 冻 结 法凿 井技 术 优 点及 冻 结 壁计 算 方 法
定的介 绍， 并简略介 绍如何采用计算机模 拟来预 测冻结壁的厚度 。
关键 词 ： 工 冻 结 法 ； 人 冻结 壁 ； 点 优
在地下工程掘进之前 ， 用人工 制冷技术 ， 利 将地 下工程周 围 岩土冻结成封 闭 的冻土结 构 物——冻 结壁 ， 以承 受地 压和 隔 用
决工程 问题 。科技工作者也认识到冻结壁的工况是非常复杂的 ，
・
过 控制层位冻结壁厚 度 的计算 ， 介绍 一 下 目前 工 程实 际 中广泛
（） ２ 支护结构灵活 、 易控制 。可根据不 同地质条件 、 环境及场 地条件灵 活布置冻结孔 、 调节冷媒 水的韫度 ， 而获得 高质以采用液 氮进行 快速抢 险 ， 盐溶液 与
人工冻结法相 比， 液氮人 工冻 结法 具有温度低 、 冻结速度快 、 冻结 强度高 、 无污染等优点 。近 年来同 时可通过 地温监 测指 导施 工 ，
式 中：
ｈ
井壁厚度 ；
ｈ ——安全掘进段高 ， ｍ；
ｒ， 一 上 覆 岩 层 各 层 容 重 和厚 度 ； ｌＨｉ一 Ｋ一
冻土和冻结壁的力 学和热 学特 性都 需要从 实 测、 实验 开始进 行
绝地下水和砂的涌人 ， 然后 在冻 结壁 的保 护 下进 行 掘进 与支 护
井筒冻结法矿建施工技术
井筒冻结法矿建施工技术黄建忠中煤邯郸特殊凿井河北邯郸 056000【摘要】本文主要阐述了井筒冻结方式、冻结钻孔、井筒掘砌施工等技术问题。
【关键词】井筒冻结法；矿建施工；技术1、井筒冻结方式1.1全深冻结全深冻结是设计的所有冻结孔深度与井筒需要的冻结深度-致，全深一次冻结形成冻结壁的一种冻结方式。
按所冻地层的不同，全深冻结分为两种情况：一是以冻结不稳定冲积层为主，二是将冲积层和含水基岩一起作为冻结对象。
在基岩部分岩性破碎、裂隙发育、涌水量及地压较大的情况下，要求所形成的冻结壁能满足承载要求，这时要选择冲积层和基岩作为冻结对象而采取全深冻结方式。
全深冻结方式适应性强，施工安全可靠，被广泛采用，但对冻结段以下的地层岩性及涌水量等资料必须掌握可靠，不然，可能给冻结段以下部分的掘砌带来困难。
1.2差异冻结差异冻结即长短腿冻结，是按地层不同深度对冻结壁的不同要求而选择的一种冻结方式。
在冲积层底部的风化岩层附近赋存含水层且与冲积层有水力联系，下部有隔水层时，要求冻结壁在冲积层内以承载为主，而基岩段以封水为目的时，应采用此冻结方式。
为达到冲积层和基岩段不同的冻结目的，冻结孔在同一圆周上采取长短孔间隔布置。
长孔深度为井筒的冻结深度，短孔底部设置在进入风化岩层不小于10m的深度。
为确保长孔底部形成一定厚度的冻结壁，必须控制长孔孔底的间距，其最大间距通常要小于4.5m，以保证开挖到短孔底部之前长孔部分冻结壁已满足施工要求。
为加快上部冻结壁的形成，实现提前开挖，并使下部冻结壁尽早交圈，长短冻结孔应同时开始冻结，短孔町采用盐水反循环方式，长孔采用盐水正循环方式。
差异冻结由于冻结总长度和冷量消耗较小，并能完成较深的冻结并施工，既冻结了冲积层，又处理了基岩含水层，具有较好的经济效果，得到了广泛的应用。
1.3局部冻结在不稳定含水层位于冲积层中部或下部，而上部较稳定不需冻结；或不稳定含水层位于上部和下部，而中部较稳定不需冻结；或上部井筒已施工过而下部地层复杂或发生过事故需用冻结处理时，都可采用局部冻结方案。
冻结法凿井设计探讨
冻结法凿井设计探讨刘亚军(中煤特殊凿井(集团)有限责任公司，安徽淮北235044)脯要】在不稳定的厚表土层中建设井筒或修筑其他地T_Z-程，必须使用特殊施工法，如冻结法、钻井法、沉井法、帐幕法、掩护筒法(也称盾构法)等。
在深厚表土层中，以采用冻结法和钻井法为主。
因此，井壁(井简的永久支护结构物)和冻结壁谨：结法凿井的临时支护结构物)就成为厚表土层中地下工程设计和施工保障的主要对象。
暖；建词]冻结法；冻结壁；冻结设计；井筒冻结在不稳定的厚表土层中建设井筒或修筑其他地下工程，必须使用特殊旋工法，如冻结法、钻井法、沉井法、帐幕法、掩护筒法(也称盾构法)等。
在深厚表土层中，以采用冻结法和钻井法为主。
因此，井壁(井简的永久支护结构物)和冻结壁(冻结法凿井的临时支护结构物)就成为厚表土层中地下工程设计和施工保障的主要对象。
70年代，我国华东地区的淮南、淮北、徐州、大屯、竞州等矿区大量使用冻结法凿井，取得了很大成功。
同时在工程设计和施工中也出现了一些尚未解决的技术问题和理论问题。
煤矿深部开采，其井筒往往要穿过深厚表土层或含水丰富及碎破的基岩，采用冻结法施工是近年广泛采用的行之有效的穿过上述岩层技术方法之一。
1冻维法凿井的原理人工冻结工程(简称“冻结法”)是在松散的含水土层或破碎的含水岩层中。
在地下结构工程(简称、‘．地下工程”)建设之前，用人工制冷的方法，将地下工程周围的含水碧层、土层冻结成封闭的冻土结构物—冻结壁，用以抵抗岩土压力(简称“地压”)，隔绝冻结壁内、外地下水的联系，然后在冻结壁的保护下进行地下工程建设的施工方法。
在深犟表土层中采用冻结法开凿立并，首先在并筒周围打一定数量的陈结孔，在孔内安装冻结器。
冻结器起热交换器的作用，由带有底锥的冻结管和底部开口的供液管组成。
冷冻站制出的低温盐水(一30℃左右)经去路盐水主干管、配液圈进入供液管，从供液管底部流出，沿冻结管与供液管之间的环形空闻向上流动，至回液管、集液图，经回路盐水主干管至冷冻站的蒸发器(盐水箱)，形成盐水循环。
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§1 §2 §3 §4 §5 §6 §7 §8 §9 概述 蒸汽压缩制冷 冻结法施工 冻结方案 冻土物理力学性质 冻结温度场 冻结壁计算 冻结井壁 冻结法设计计算
第2章 冻结法 章
§7 冻结壁计算
§7.1 轴对称平面应变力学模型计算方法 §7.2 轴对称空间问题力学模型计算方法 §7.3 经验公式
从上式可见，切向应力总是大于径向应力。当r＝b时，得：
σr = p
b2 + a2 σt = 2 p b a2
第2章 冻结法 章
§7 冻结壁计算
§7.1轴对称平面应变力学模型计算方法 7.1轴对称平面应变力学模型计算方法
当r＝a时，得：
σr = 0
2b 2 σt = 2 p b a2
即最大径向应力发生在筒壁的外边缘，最大切向应力发生在筒壁的内边缘 。但由于最大切向应力远大于最大径向应力，所以危险点从厚壁简的内边缘出 现。 冻土属流变体，宜采用考虑塑性流动的强度理论，即第三强度理论(最大 剪应力理论)和第四强度理论(形状改变比能理论)。 σ 按第三强度理论认为安全工作时的强度条件是： 1 σ 3 ≤ [σ ] 即最大与最小主应力之差应小于或等于材料的容许应力[σ]，即
第2章 冻结法 章
§7 冻结壁计算
§7.1轴对称平面应变力学模型计算方法 7.1轴对称平面应变力学模型计算方法
冻结壁作用：临时支护 厚度取决于地压和冻土强度。 计算方法：轴对称平面应变力学模型；轴对称空间力学模型；数理统计 的经验法。
第2章 冻结法 章
§7 冻结壁计算
§7.1轴对称平面应变力学模型计算方法 7.1轴对称平面应变力学模型计算方法
由公式可见，冻结壁厚度取决于地压P、冻土变形模量A（τ，t），段高h 、允许位移ua以及两端约束条件ξ。在具体运用时，也可先给定壁厚，反求允 许的掘进段高。
第2章 冻结法 章
第2章 冻结法 章
§7 冻结壁计算
§7.3经验公式 7.3经验公式
近年来，我国学者总结了建国以来270多个冻结井筒的冻结壁设计与施 工的经验，采用数理统计的方法，将所有井筒掘进直径变换成8m等效直径。 以纵坐标为冻结壁厚度，横坐标为冻结深度，绘制成图。舍去断管诸点，安全 施工曲线可用幂函数曲线来拟合，冻结壁厚度可用以下经验方程来描述。
该公式适用于冻结深度≤100m左右时的冻结壁厚度计算。
E d = a( [σ ] [σ ] 3 p 1)
第2章 冻结法 章
§7 冻结壁计算
§7.1轴对称平面应变力学模型计算方法 7.1轴对称平面应变力学模型计算方法
1915年德国的多姆克(O.Domke)教授提出了新的计算方法，他把冻结壁视 为理想弹塑性体组成的无限长厚壁圆筒，并认为当冻结壁的内圈进入了塑性状 态，而其外圈仍为弹性状态时，整个冻结壁没有失去承载能力。在此基础上经 过严密的数理推导，最后进行必要的简化，得出被人们广泛应用的多姆克公式 ：
Ed =
γH hK 1 στ
第2章 冻结法 章
§7 冻结壁计算
§7.2轴对称空间问题力学模型计算方法 7.2轴对称空间问题力学模型计算方法
维亚洛夫和扎列茨基于1962年曾提出按有限长塑性厚壁筒的计算公式。假 设冻土为理想塑性体，并采用第四强度理论(抗剪极限强度 τ = σ )。根据段高 3 两端固定程度之不同，建议了下列两个公式。 1)当段高上端固定，下端固定不好(工作面处井内未冻实)时，冻结壁厚度按 下式计算： γH Ed = 3 h στ 2)当段高上下端均固定(工作面处井内基本冻实)时，法 章
§7 冻结壁计算
§7.2轴对称空间问题力学模型计算方法 7.2轴对称空间问题力学模型计算方法
1．里别尔曼公式 里别尔曼于1960年曾提出用极限平衡理论的极值原理来计算冻结壁厚度 ，他认为外压力一定时，其变形值保持常量之前，冻结壁是稳定的。这时，冻 结壁只是内达局部地带的应力达到流动极限。只有当塑性带达到冻结壁的外缘 时，厚壁筒才失去稳定性。为适应工程计算，将复杂的演算进行简化，为此作 了如下假设： (1)作用于冻结壁的侧压力为γH(γ为土层的平均容重，H为计算处深度)； (2)冻结壁在段高的上下端都是固定的； (3)视冻土为理想塑性体，根据第三强度理论抗剪极限强度为抗压极限强 度之半； (4)计算时取随时间变化的冻土强度。 最后，得出了下列计算冻结壁厚度的近似公式：
σs
按第四强度理论：E d( 4) = a[exp( 2
3p
σs
) 1]K
第2章 冻结法 章
§7 冻结壁计算
§7.2轴对称空间问题力学模型计算方法 7.2轴对称空间问题力学模型计算方法
由于分段掘砌，冻结壁在任何时候都不会同时暴露其全长，而主要是在未 支护的有限段高内起作用，而且段高上下端的约束程度对冻结壁的强度和稳定 性有很大的影响。前述那些按无限长圆筒的计算方法都忽略了这些因素，而导 致过多的强度储备。这样不仅不经济，而且在深度大时往往得出难以置信的计 算结果。但国外深井冻结的实践表明，只要合理控制段高，冻结深度大于400 米时，冻结壁厚度取5—6米，也是完全可行的。 据此，国外有不少学者建议，对深井冻结壁应按有限长厚壁圆筒计算；或 者先给定段高值，求算所需的冻结壁厚度；或者先给定壁厚，求算掘进时应采 取的段高值。并在壁厚和段高两者间进行合理的调整。 但是，按固定端(一端或两端固定)有限长圆筒计算时，使解题过程复杂化 法得到精确的数学解。然而，从工程实用出发，进行合理的简化，便可得出具 有用的计算公式。下面介绍的便是在此基础上推导出的两种公式。
在平面变形问题时，竖向应变为零，由广义虎克定律得：
εz = σz
E
E
(σ r σ t )
σ z = (σ r + σ t )
第四强度理论考虑了材料的塑性不可压缩条件(受力后体积不变) ，所以取泊桑比＝1/2，由此得：
σ z = (σ r + σ t )
1 2
将拉麦公式代入：
b2 σz = 2 p b a2
1）应用弹性厚壁筒的计算方法。 该方法是1852年法国工程师拉麦(me)提出的，他把无限长的厚壁筒， 作为平面变形问题处理。在弹性的、均质的、小变形的厚壁筒受均匀外压力P 作用下得出的应力计算公式： 2 径向应力： σ = b p [1 ( a ) 2 ]
r
b2 a2
r
b2 p a 切向应力： σ t = 2 2 [1 + ( ) 2 ] r b a
Ed = 3 γH h 2 στ
后面两个公式在推导过程中已引进了一些安全的假定，（使用长时强度代 替松弛强度）一般不再考虑安全系数。
第2章 冻结法 章
§7 冻结壁计算
§7.2轴对称空间问题力学模型计算方法 7.2轴对称空间问题力学模型计算方法
2．按变形条件冻结壁厚度的计算 冻结壁的计算一般应按两种极限状态进行，即按强度条件和变形条件。按 强度条件的计算是指确定作用于冻结壁的应力不超过其强度极限时所必须的冻 结壁厚，按变形条件的计算是指，确定冻结壁的变形不超过允许值时所必须的 冻结壁厚。 前面介绍的各种计算方法都是按强度条件进行的。自六十年代初起，国外 有些学者建议了按变形条件计算的各种方法。其中最有影响的是苏联学者维亚 洛夫和扎列茨基。他们通过对冻土流变性的研究和模拟试验表明，在蠕变大的 粘性冻土中，即使冻结壁没被破坏、也没有丧失承载能力之前，冻结壁变形可 能达到导致冻结管断裂的严重程度。如苏联一研究院对现场152例冻结管破坏 的原因分析，证明其中绝大多数是由于冻结壁径向位移过大引起的。
E d = αaH β
P P E = a[0.29( ) + 2.3( ) 2 ]
σ
σ
多姆克公式在我国广泛使用，适用于冻结深度为200m左右的井筒。
第2章 冻结法 章
§7 冻结壁计算
§7.1轴对称平面应变力学模型计算方法 7.1轴对称平面应变力学模型计算方法
国内外一些学者认为，当表土层深，地压大时，可将冻结壁视为无限长的 塑性厚壁圆筒，即让其全部进入塑性状态——极限状态，并按平面变形问题处 理。然后以—定的安全系数来保证冻结壁的安全度。下面就在此基础上推导冻 结壁厚度的计算公式，其中同时按第三和第四强度理论进行。 按第三强度理论：E d(3) = a[exp( p ) 1]K
ε im = 3
2
A(τ , t )
i
基于上述对冻结壁变形的限制和对冻土蠕变规律的认识，并假定计算图形 如图所示。经过复杂的推导，得出有限段高为h时冻结壁厚度的计算公式如下 ： 1
b (1 + m) p h 1+ m a 1+ m 1 m ( ) ( ) ] = [1 + (1 + ξ ) 1+ m a a ua 3 2 A(τ , t )
第2章 冻结法 章
§7 冻结壁计算
§7.1轴对称平面应变力学模型计算方法 7.1轴对称平面应变力学模型计算方法
危险点发生在冻结壁的内边缘，即r＝a处，由此得冻结壁内边缘的计算应 力为： b2
σ0 = 3
b2 a2 p
安全工作时的强度条件为： 冻结壁厚度的公式：
b2 3 2 p ≤ [σ ] b a2
σ max σ min ≤ [σ ]
将拉麦应力式代入，并b＝a＋Ed，得:
E d = a( [σ ] 1) [σ ] 2 p
第2章 冻结法 章
§7 冻结壁计算
§7.1轴对称平面应变力学模型计算方法 7.1轴对称平面应变力学模型计算方法
按第四强度理论认为安全工作时的强度条件是：
σ 0 = σ r2 + σ z2 + σ t2 σ r σ t σ t σ z σ zσ r ≤ [σ ]
第2章 冻结法 章
§7 冻结壁计算
§7.2轴对称空间问题力学模型计算方法 7.2轴对称空间问题力学模型计算方法
按变形条件计算时，冻结壁厚度E和段高h应根据冻结管相对挠度f不超过 容许值的原则来确定，即 f≤[f] 冻结管的挠度与冻结壁的蠕变变形密切相关。根据试验，在恒定压力下冻 结壁中冻土的蠕变有如下规律： 1+ m σ