冻结法原理及其应用

1 概述
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——环境友好的施工方法 冻结只是临时改变岩土的承载、密封性能，为构筑新的地下空 间服务，施工完成后，根据需要可拔除冻结管，冻土将解冻融 化，土将逐渐恢复到未冻结状态。
冻结法不污染环境，是“绿色”施工方法
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——冻结法具备的优点
相变是指物质固态、液态、气态三者之间变化过程。在 相变过程中要吸收或放出热量。相变制冷就是利用物质相变 时的吸热效应，如固体物质在一定温度下的融化或升华，液 体汽化。
干冰是固态的二氧化碳（CO2），它是一种良好的制冷剂 ，广泛应用于实验研究、食品工业、医疗、机械加工和焊接 等方面。干冰的平均相对密度为1.56，干冰在化学上稳定，对 人无害。在大气压力下升华温度为－78.5℃，升华潜热为 573.6kJ/(kg·K)。
2.3蒸气压缩制冷
蒸气压缩制冷和气体压缩制冷同属于压缩式制冷循环， 它是以消耗一定量的机械能为代价的制冷方法。压缩制冷是 最常用的制冷方式。由于气体压缩制冷过程中制冷剂不发生 相态变化，无潜热利用，其单位制冷量小，要提供一定制冷 量，则需相对大的设备。蒸气压缩式制冷采用在常温下及普 通低温下即可液化的物质为制冷剂（如氨、氟利昂等）。制 冷剂在循环过程中周期性地以蒸气和液体形式存在。
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我国情况 1955年，我国首次在开滦林西风井使用盐水冻结法凿井并获得 成功；至今已经冻结近1000个井筒. 70年代初，北京地铁冻结长90m，垂深28m
➢ 上世纪80年代，东海拉尔水泥厂的上料仓基坑； ➢ 1988年，凤台淮河大桥主桥墩基础工程 ➢ 1993年，上海地铁一号线1个泵站和3个隧道贯通道结合部 ➢ 1998年，北京地铁大北窑车站南隧道水平冻结施工，长45m ➢ 2000年以后,上海大量越江隧道和地铁工程使用冻结法.
岩石裂隙或土孔隙中的水变成冰，岩土的性质发生决定性的变 化。这一变化具有双重意义：
材料：（1）土体中水分冻结，提高一定范围内岩土的强度 （2）减低一定范围岩土体渗透性——创造新工程材料
结构：在普通结构内部构建了新的工程结构。 ——冻结法 将这一性质改良后的冻结岩土(冻土)用于地下工程施工期内的 承载（结构功能）和密封（材料功能）
（4） 冻结壁设计 ——冻结壁中的力和应力
（5） 施工监测（信息化施工） ——变形、温度、压力等监测
必要的预研究项目
→ 冻结法的适用性 → 冻结工作的可能性 → 冻结管的处理
→ 与时间、温度和荷载有关的强度和变形性质 （设计基础）
→ 冻结工作的处理 → 变形，尤其是冻胀
→ 冻结壁的理论尺寸
→ 特殊内容的观测与控制 （采用特殊措施的判定基础）
在热电制冷装置的应用中，热电装置常称为热电块，一个热电块由多个冷接头、热 接头串接而成。热电块中的电流方向决定接头是吸热还是放热的。电流如果由N型半导体进 入P型半导体，则连接N型、P型半导体的接头是吸热的，称为冷接头；电流方向相反时则 连接N型、P型半导体的接头放热（称为热接头）。
2 冻结系统种类
（3）干冰系统 制冷温度 ：-20 ℃ ～-70 ℃ 土 层 ：任何含水地层表面 地下水流速：不能有动水 冷量估算 ： 600kg/ m3 制冷效率 ：70% 冻土速度 ：10cm/d
2.9 四种系统的适用范围，设备容量和主要 技术指标
（4）混合系统 制冷温度 ：-40 ℃ ～-70 ℃ 土 层 ：任何含水地层 地下水流速：少量动水
（3）在技术方法方面 冻结制冷方式，制冷机、液氮或其它冻结方式
（1） 地质、水文地质及土性研究 ——土矿物种类 ——土密度 ——含水量 ——渗透性 ——孔隙体积
（2）冻土性质 ——单轴、三轴试验 ——蠕变试验 ——冻胀试验、结冰温度试验
（3）周围建筑物的评价 ——上部建筑 ——工场管线 ——交通道路
2 冻结系统种类
吸收式制冷系统按使用热源的种类分为：
✓ 燃油 ✓ 燃气 ✓ 蒸气 ✓ 电加热 ✓ 太阳能
• 岩土工程冻结制冷技术常用的有：
盐水循环氨制冷冻结 液氮冻结 干冰冻结 混合冻结
2 冻结系统种类
2.5 氨（氟利昂）－盐水冻结系统（Brine System）
盐水循环------盐水吸收地层热量，在盐水箱内将热量 传递给蒸发器中的液氨；
2 冻结系统种类
2.2热电制冷
热电制冷又称温差电效应、电子制冷等，它是建立在珀尔帖效应原理上的。 1834年珀尔贴发现当一块N型半导体（电子型）和一块P型半导体（空穴型）联成电偶时 ，在这个电路中接上一个直流电源，电偶上有电流通过时，就发生了能量转移，在一个接 头上吸收热量，而在另一个接头上放出热量。
3 冻结法设计原则
（2）在工程条件方面 l 冻结壁功能，密封、承载或密封和承载 l 冻结壁形状与尺寸 l 地层特征、分层 l 地层初始温度及变化 l 土性，粒径、密度、塑限与液限、含水量、饱和度 l 土的热参数的获取，经验或试验 l 可能产生冻胀的土层，实验室试验
3 冻结法设计原则
l 地下水，水位、变化波动范围、流速、方向 l 地下水的含盐量 l 冻土的强度和变形性质
冷量估算 ： Q=1.3.π.d.H.K
制冷效率 ：60% 冻土速度 ：3cm/d 盐水加入乙二醇
3 冻结法设计原则
3.1 冻结法设计
先期准备工作 在进行冻结设计之前，有必要评价有关施工环境的要求以及冻结方 法的适应性等，这是冻结设计的基础。 （1）在施工环境方面
l 允许沉降和水平位移的量值 l 允许震动的可能性、噪声的大小 l 控制冻胀的范围和量值 l 冻结钻进的可能位置 l 施工场地条件 l 施工工期和时间
1在施工环境方面ll允许沉降和水平位移的量值ll允许震动的可能性噪声的大小ll控制冻胀的范围和量值ll冻结钻进的可能位置ll施工场地条件ll施工工期和时间3冻结法设计原则2在工程条件方面ll冻结壁功能密封承载或密封和承载ll冻结壁形状与尺寸ll地层特征分层ll地层初始温度及变化ll土性粒径密度塑限与液限含水量饱和度ll土的热参数的获取经验或试验ll可能产生冻胀的土层实验室试验3冻结法设计原则ll地下水水位变化波动范围流速方向ll地下水的含盐量ll冻土的强度和变形性质3在技术方法方面冻结制冷方式制冷机液氮或其它冻结方式3冻结法设计原则1地质水文地质及土性研究土矿物种类土密度含水量饱和度渗透性孔隙体积稠度冻结法的适宜性冻结工作的可能性冻结管的处理2冻土性质蠕变试验三轴试验冻胀试验与时间温度和荷载有关的强度和变形性质设计基础3周围建筑物的评价上部建筑工场管线交通道路冻结工作的处理变形尤其是冻胀4冻结壁设计冻结壁中的力和应力冻结壁的理论尺寸5测量程序变形和温度量测工作的观测与控制采用特殊措施的判定基础必要的预研究项目设计工作内容进行一项技术可行经济合理的岩土冻结工程的前提是在冻结施工前进行冻结设计
2 冻结系统种类
2.6 液化气体系统（液氮） 利用液氮的潜热实现地层冻结
一个大气压下气化潜热197.6KＪ/Kg。氮的显热为1.05KＪ/（Kg.K）
2 冻结系统种类 液氮冻结原理图
2 冻结系统种类
2 冻结系统种类
2.7 二氧化碳（干冰，CO2）制冷
干冰是固态的二氧化碳（CO２），它是一种良好 的制冷剂，广泛应用于实验研究、食品工业、医 疗、机械加工和焊接等方面。干冰的平均相对密 度为1.56ｇ／ｃｍ３，干冰在化学上稳定，对人 无害。在大气压力下升华温度为－78.5℃，升华 潜热为573.6kJ/(kg·K)。
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1.3 工程应用简介
目前，冻结法在地下工程中广泛应用于以下领域： —— 立井工程 —— 斜井工程 —— 地基基础 —— 基坑稳定 —— 隧道工程 —— 其他岩土工程
2 冻结系统种类
可用来获得低温的方法很多，一般有以下几种 相变制冷 蒸气压缩制冷 吸收制冷 热电制冷
2 冻结系统种类
2.1相变制冷
蒸发器中产生的低压制冷剂蒸气在压缩机中被压缩到冷 凝压力，经冷却水、空气等介质冷却后变成液体，再经节流 阀膨胀到蒸发压力成为汽、液两相混合物，温度降到饱和温 度，在蒸发器中蒸发，吸收热量而制冷，汽化后的蒸气被压 缩机吸回，完成一个循环。
2 冻结系统种类
2.4吸收式制冷
吸收式制冷是利用溶液对其低沸点组分的蒸气具有强 烈的吸收作用而在加热状态下，低沸点组分挥发出来的特 点达到制冷目的。
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1.1 人工地层冻结法
冻结法定义：
用人工制冷的方法，将待开挖地下空间周围的岩土中的水 冻结为冰并与岩土胶结在一起，形成一个预定设计轮廓的 冻结壁或密闭的冻土体，用以抵抗水土压力、隔绝地下水 ，并在冻结壁的保护下，进行地下工程的施工。
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——冻结岩土性质的改变 将含水地层（松散土层和裂隙岩层）在结冰温度下冷却，
制冷技术（制冷系统、冷媒剂循环、冷却水循环） 制冷循环一般包括四个过程：压缩—冷凝—降压—蒸发
冷媒剂循环：在冻结 管内循环，将地层热 量带出
冷却水循环：将制冷 系统的热量释放于大 气中
冷却水 节流阀
冷凝器 冷却水循环
冻结地层 制冷循环
冻结管
冷媒剂循环
蒸发器
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ压缩
机
盐水泵
盐水 制冷剂
冻结法中，制冷剂一般用 氨或氟里昂，冷媒剂通常 用氯化钙溶液（盐水）
2.8 混合系统,盐水液氮混合冻结较多采用,前 期用液氮快速冻结,后期用盐水维持。
2.9 四种系统的适用范围，设备容量和主要 技术指标
2.9 四种系统的适用范围，设备容量和主要 技术指标
（1）盐水系统 制冷温度 ：-10 ℃ ～-35 ℃ 土 层 ：任何含水地层 地下水流速：υ≤5．7﹡10-5m/s 冷量估算 ：Q=1.3.π.d.H.K 制冷效率 ：30% ~50% 冻土速度 ：2cm/d
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——冻结法设计与施工
(1) 根据工程、地质、水文和环境条件进行冻结设计：
——确定冻土结构形式 ——选择制冷方式 ——布置冻结系统 ——确定冻结温度 ——估算冻结时间，等。
(2) 待设计冻土结构形成后，在其保护下进行地下工程的掘进、 支护和设备安装等工作。
1.2 冻结法简史 国外
➢ l862年：英国，率先用冻结法成功进行深基坑开挖围护 ➢ l872年：德国，首先应用于矿井建设。鲁尔区冻结井深超过600m ➢ 1888年：美国，用于煤矿矿井开挖 ➢ l965年：加拿大，开挖l089米矿井，冻结深度684米 ➢ 1952至l98l年间：北美，用冻结法凿井达29个 ➢ 迄今为止，各国冻结井最大冻结深度：英国930m，美国915m， 波兰860m，加拿大634m，比利时638m，前苏联620m，德国531m， 法国550m，中国702m
2.9 四种系统的适用范围，设备容量和主要 技术指标
（2）液氮系统 制冷温度 ：-60 ℃ ～-150 ℃ 土 层 ：任何含水地层 地下水流速：不限 冷量估算 ： 460kg/ m3 制冷效率 ：50% 冻土速度 ：20cm/d 配备储气罐：大于5000升
2.9 四种系统的适用范围，设备容量和主要 技术指标
1 概述
——冻土的形成
为构造高承载力和密封防水的冻结壁，在土中相应位置布置 和施工冻结孔——安设冻结管，通过冻结管中循环的低温冷 媒剂将土体中的热量带出，使地层降温并使土中水结为冰。
在冻结初期，冻土仅在紧靠冻结管周围形成冻土柱；随冻 结过程的继续，冻土柱渐渐扩大并相互连接，在预计的冻结 时间后，冻土体达到设计厚度——形成冻结壁.
1979年：美国，地下核电站基坑、直径40m、深6m基础 ➢ 80年代：苏联，城市地铁大厅35座、隧道35项，高l38.5m、重
27000吨大楼基坑开挖支护 ➢ 1962以来：日本，超过300个大型冻结工程，其中有通过河流、铁
路、公路和其它构筑物下的隧道工程、挡土墙工程、与盾构施工有 关的工程等 ➢ 20世纪中叶起：波兰、德国、法国、瑞士、比利时、意大利、奥地 利、挪威、西班牙、芬兰、澳大利亚、法国、荷兰、加拿大等
吸收式制冷采用的工质是由低沸点物质和高沸点物质 组成的工质对，其中低沸点物质为制冷剂，高沸点物质为 吸收剂。
吸收式制冷不同于压缩式制冷，它是用热能替代机械 能来完成冷冻循环的。吸收式制冷系统还可以使用天然气 、液化石油气、蒸气或电加热器作为能源。
2 冻结系统种类
目前广泛使用的是溴化锂水溶液吸收式制冷机。水为制 冷剂，溴化锂为吸收剂，用来制作0℃以上的冷源发生器 。1个大气压下，溴化锂的沸点1265℃，水的沸点为100℃ 。因此，在溴化锂水溶液上方的蒸气几乎全部为水蒸气， 而溴化锂对水的吸引力很强，使溶液面上方水蒸气饱和压 力比相同温度下水的饱和蒸气压低得很多。在这样低的压 力下，水就可以在比常温低的温度下蒸发，吸收热量，达 到制冷的目的。
氨循环------液氨变为饱和蒸气氨，再被氨压缩机压缩 成过热蒸气进入冷凝器冷却，高压液氨从冷凝器经 贮氨器，经节流阀流入蒸发器液氨在蒸发器中气化 吸收周围盐水的热量；
冷却水循环--------冷却水在冷却水泵，冷凝器和管路 中的循环叫冷却水循环。将地热和压缩机产生的热 量传递给大气。
2.5氨（氟利昂）－盐水冻结系统
(1) 安全性好，可有效的隔绝地下水； (2) 适应面广，适用于任何含一定水量的松散岩土层，在复杂水文地质
(如软土、含水不稳定土层、流砂、高水压及高地压地层)条 件下冻结技术
有效、可行； (3) 灵活性好，可以人为地控制冻结体的形状和扩展范围，必要时可以 绕过地下障碍物进行冻结； (4) 可控性较好，冻结加固土体均匀、完整； (5) 经济上较合理。