冻结法最终版
冻结法原理及其应用
1 概述
1 概述
1 概述
1 概述
1 概述
1 概述
1 概述
——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
1 概述
——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。
1 概述
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.
垂直冷冻施工技术
3-2-8垂直冷冻施工技术1前言1.1冻结法概述1.1.1冻结法冻结法是利用人工制冷技术，在地下开挖体周围需加固的含水软弱地层中钻孔铺管，安装冷冻器，然后利用制冷压缩机提供冷气，通过低温盐水在冻结器中循环，带走地层热量，使地层中的水结冰，将天然岩土变成冻土，形成完整、密闭、高强度的临时加固体，从而达到加固地层、隔绝地下水与地下工程联系的目的。
然后，在冻结体的保护下进行地下工程的开挖施工，待衬砌支护完成后，冻结地层逐步解冻，最终恢复到原始状态。
1.1.2地层冻结技术的特点同其它土体加固方法相比，冻结法具有以下优点：1、冻结加固使土体中的大部分水分结冰，提高了土的强度，而且强度均匀。
2、整体支护性能好，冻结帷幕形成后，冻结帷幕内不会存在任何缝隙，是一个完整的支护体；封水效果好，可保证开挖工作面在无水条件下作业。
3、能适应不同的地质条件，冻结深度不受限制，而注浆、地下连续墙等方法对地质条件的适应能力差，而且其加固深度有一定的限制。
4、适应各种结构形状地下工程的施工。
冻结加固体的形状、大小，可以根据需要灵活设计。
5、环保型工法。
由于冻结法是一种临时措施，所冻地层最终要恢复到原始状况，因而能够保护城市地层地质结构和地下水不受污染。
6、施工方便，简单，经济上合理。
国外的工程实例表明，冻结工程成本与其它施工（如注浆和旋喷）处于相同的数量级，而且随着加固深度的加大，冻结工法的经济性越来越来明显。
基于以上优点，冻结法在城市地下工程越来越受到重视，已经被广泛应用于地基基础工程、城市地铁、隧道工程、水利工程等市政工程中。
1.2冻结法的适用条件根据相关资料及《建井工程手册》规定，冻结法主要适用于含水量超过10%，地下水速度不大于10m/d的软弱围岩隧道预加固工程中，遇有流砂、淤泥、卵石、砂砾等含水不稳定冲击层或裂隙中含水的岩层时都可采用。
目前冻结法在城市隧道工程中主要应用于：1.盾构法隧道施工中，盾构进出洞土体加固。
盾构进出洞时，承受着工作井附近土体产生的巨大地压和水压，可能导致涌水和土体坍塌。
冻结法
冻结法在地铁中的应用甄精莲1郑有才2段仲源3 贾瑞晨4（1,3,4南华大学城市建设学院421001 , 2湖南地勘局409队425000）摘要：通过对某地铁施工进行监测，分析冻结法隧道施工过程中土层温度、荷载与沉降的关系。
关键词：监测，冻结，沉降Application of the ground freezing method in the subwayZhen jinglian(Nanhua University city construction college 421001),Zheng youcai(Geological perambulation office 409team of Hunan 425000) ,Duan zhongyuan, Jia ruichen (Nanhua University city construction college 421001)Abstract:Appling freezing method to construct the subway should investigate the relationship among temperature, load and Settlement by monitoring.Key words: Monitoring, Freezing , Settlement1 引言人工制冷技术的发展，推动了工程冻结法的发展。
1862年在英国南威尔士建筑施工中首次使用冻结法加固土壤；我国首次于1955年在开滦林西风井采用冻结法凿井并获得成功。
此后，我国冻结法主要应用于不稳定含水地层里的凿井工程。
随着我国地下工程的增多，冻结工法逐渐由矿井建设工程向岩土工程领域推广应用，如市政工程、隧道及地铁工程等。
2 工程概况某市轨道交通折返线斜穿公路和一座立交桥，附近有商贸城和其他建筑商铺。
由于该区段道路两侧地下管线纵横交错，数目较多，上面的公路又是重要交通干道，交通繁忙，不能封路施工。
浅谈城市地下工程冻结法施工技术
浅谈城市地下工程冻结法施工技术城市地下工程冻结法施工是通过运用人工制冷的技术手段，将待施工区域周边的不稳定含水岩土层冻结，将其变成封闭的冻结墙壁，从而将地下水隔绝，提高岩土的稳定性和强度，有效避免地下水给地下工程施工带来的不利影响，从而保证地下工程施工的安全性，对于城市地下工程的建设有着重要意义。
一、城市地下工程冻结法施工技术概述（一）冻结法施工技术的基本原理在地下工程中，天然土体受其自身性质影响，在强度、稳定性以及隔水能力等方面都会或多或少的存在一定不足，冻结法施工技术能够在很大程度上对这些问题进行改善，其基本原理是通过在地下工程周边的土层上开挖钻孔，然后通过人工制冷技术，利用开挖的钻孔来对土层制冷，将土体中的自由水变为结晶水并与土体颗粒发生胶结，使其成为一个封闭的结构，把地下水隔绝在外的同时，提高土体的强度和稳定性，提高对周边岩土压力的抵抗能力，从而保证地下工程开挖施工的安全[1]。
冻结法施工技术是一个物理力学变化的过程，其冻土结构的形成可分为5个阶段，具体内容为：（1）冷却阶段：在冷冻开始阶段，土体温度由正常向冰点逐渐降低；（2）过冷阶段：土体的温度降低到0℃以下，自由水表现出过冷现象，但没有结冰；（3）突变阶段：在过冷后，自由水发生结晶而产生散热升温现象；（4）冻结阶段：土体的温度上升并稳定在0℃附近，水体开始结冰并与土壤颗粒胶结，最终形成冻土；（5）强化阶段：在制冷条件下，冻土持续冷却，其强度不断提高。
（二）冻结法施工技术的优缺点1.冻结法施工技术的优点首先，冻结法施工可以提高土体的抗渗透能力，有效将地下水隔绝在外，对于含水率过高、松散和稳定性差的地下土层施工有着重要作用；其次，污染性小，冻结法施工仅是通过降温来改变土体的强度，在此过程中并没有杂物进入土壤，也没有改变地层的成分，不会对周围环境形成污染，且施工过程噪音较小，在施工完成后冻土融化也不会给地下工程结构造成影响；第三，在地下工程的桩基础或者其他平行工艺施工过程当中，利用冻结施工技术，能够有效缩短施工周期。
冻结施工方案设计
冻结施工方案设计冻结施工方案设计由于穿越段开挖范围内有近4m厚的超细粉砂层，且地下水水压较高，施工时很容易发生水砂突出灾难性事故。
尤其是穿越段上方紧挨原地铁车站，要求施工引起的原地铁车站结构沉降要控制在毫米级以内，对施工方案选择提出了很高的要求。
根据以往施工经验，目前在隧道工程施工中经常采用的降水、注浆、管棚以及顶管等工法在该工程中都难以实施，或存在极大的风险，因而必须寻找一种新的施工方法，以彻底解决堵水、加固和有效控制周围地层及建筑物变形的难题。
地层冻结法是用人工制冷的方法使含水地层冻结，形成冻土，从而提高地层稳定性和止水性的地层加固方法，适用于饱和砂土、淤泥等各种复杂地层加固。
地层冻结法技术可靠，对施工条件要求宽，国际工程界认为它是在其他地层加固方法难以应用时的最终解决方案。
尽管地层冻结法有很多优点，但根据分析，在穿越段工程中应用该项技术还存在一些技术难题。
首先是地层冻结时会产生冻胀变形，最大冻胀量可以达到冻土体积的7%以上，而冻土解冻时又会发生收缩融沉，且收缩量可以超过冻胀量，从而使周围地层出现明显隆起和沉降现象，引起周围建筑物移位或产生变形破坏。
其次是穿越段工程冻结边界条件极为复杂，冻结区与地铁一号线车站底板、围护地下连续墙等易散热物体直接接触，使得接触面处特别容易出现冻结薄第三是在拟开挖隧道从而影响冻结维护结构的强度与封水性。
弱区，周围施工冻结钻孔和安装冻结管难度较大，钻孔时容易发生水砂突出事故。
下行线隧道与上行线隧道均采用“田”字形断面的冻结壁形式，冻结设计参数见附表。
冻结系统设计最低盐水温度为-28～-30℃，维护冻结盐水温度为-20℃，单孔盐水流量为5～7m3/h.每条隧道计算需冷量为470MJ/h，实际装机制冷量为700MJ/h。
3、冻结施工关键技术3.1 水平冻结孔施工技术（1）采用二次开孔工艺，以防钻透地下连续墙时大量出泥出水。
一次开孔采用金刚石取心钻在地下连续墙上钻进300mm深左右，不钻透连续墙。
施工 最终版 施工组织与设计 笔记
1土壁塌方的原因：①边坡过陡，使土体的稳定性不够；②雨水、地下水渗入基坑，使土体泡软、重量增大及抗剪能力降低；基坑上边边缘附近大量堆土或者停放机具、材料，或由于动力荷载的作用，使土体中的剪应力超过土体的抗剪强度；④土方开挖顺序、方法未遵循“从上往下，分层开挖；开槽支撑；先撑后挖”的原则。
防治塌方的措施：放足边坡（即边坡的留设应符合规范要求，其坡度的大小，则应根据土壤的性质、水文地质条件、施工方法、开挖深度、工期的长短等因素确定）设置支撑（为了缩小施工面，减少土方，或受场地的限制不能放坡时，应设置土壁支撑）。
2 填土压实的要求：必须满足强度及水稳性两方面要求，即必须合理设计填方边坡，正确选择土料和填筑方法填土密实的质量检验：用环刀法取样测定土的实际干密度3 流沙产生的原因：①内在原因是土壤的性质，当土的孔隙度大含水量大、粘粒含量少、粉粒多、渗透系数小，排水性能差；流砂象现象发生在细砂、粉砂和亚粘土中，②外在原因是地下水及产生动水压力的小。
4 防治流砂1）原则：治砂必治水 2）途径①减小或平衡动水压力；②截住地下水流；③改变动水压力的方向。
3）措施：①枯水期施工②打板桩③水中挖土⑤地下连续墙法⑥抛大石块，抢速度施工5 ①正铲挖土机特点：向前向上，强制切土②反铲挖土机特点：后退向上，强制切土③拉铲挖土机特点：后退向下，自重切土。
6 基坑验槽1）观察验槽①观察土质和颜色是否一样②土的坚硬程度是否均匀一致，有无局部过软或过硬③土的含水量是否异常，有无过干或过湿④在坑（槽）底行走或夯拍时有无震颤或空穴声音等现象。
2）钎探验槽：用锤将钢钎打入坑（槽）底以下土层内的一定深度，根据锤击次数和入土的难易程度来判断土的软硬情况及有无土洞，枯井和软弱下卧土层等。
7 地基加固①原理：将土质由松变实，将土的含水量由高变低。
②目的：改善地基性质，提高承载力、增加稳定性，减少地基变形和基础埋深。
8 地基加固方法：挖（去软土）填（用好土）换（换砂石、灰土、矿渣、三合土）夯（密实与挤水）压（压实排水固结）挤（挤密土壤、排水固结（使用填充料）拌（改良土壤结构9①落锤特点：构造简单，使用方便，费用低，但施工速度慢、效率不高且对桩的损伤较大，适用于小直径桩。
冻结法原理及应用资料
冻结法施工的原理图
去路
盐水泵
盐水箱
螺杆压缩机
清水泵
冷却塔
回路
闸阀
去路 回路
盐水系统
氟系统
清水系统
一、冻结法施工技术概况
3、国内外现状： 1）、国外：广泛应用于城市基坑施工、地下铁隧道、煤 矿井筒等工程领域；煤矿井筒冻结深度最大930米。 2）、国内：1955年从前苏联引进冻结法凿井技术，冻 结煤矿井筒约600多个，冻结冲积层最大厚度近600米， 冻结最大深度737米，冻结法凿井技术应用于城市市政 工程起始于上世纪90年代，至今冻结市政工程项目超过 200个，水平冻结最长140米。上世纪末冻结法凿井技术 进一步推广到交通、水利领域，使用冻结法凿井技术施 工桥墩基础、引水通道等。
4、冻土具有冻胀性和融沉性
四、冻土特性
抗压强度
无侧限抗压强度 MPa
30 0.7358T 1.0962
16
12
8
4
0
0
-5
-10
-15
-20
温度 ℃
图6 冻结细砂无侧限抗压强度与负温的关系
四、冻土特性
弹性模量
E50 1.1398T 2 41.301T 36.607
弹性模量 MPa
400
300
五、冻结法设计及施工组织
• 冻结壁厚度设计与强度检验 1）冻结壁应按承载力要求设计冻结壁厚度。 2）冻结壁内力宜采用通用结构力学计算方法计算。冻结壁的力学计算模
型可按均质线弹性体简化，其力学特性参数宜取冻结壁平均温度下 的冻土力学特性试验值。 3）冻结壁内力和变形计算可考虑设置有内支撑的工况，但必须对内支撑 的结构形式、承载力及其施工时序等有明确的设计。设内支撑时， 冻结壁的空帮时间不宜大于24小时。 4）冻结壁强度检验安全系数要满足有关规程要求。有特殊要求时验算冻 结壁的变形。
冻结法土体加固施工方案_secret
xx站xx路站区间联络通道及泵站施工1.1.1概述1.1.1.1 工程概况xx站xx路站区间联络通道及泵站位于两站区间隧道之间，该联络通道及泵站所在里程为K4+050，所在地面标高为7.17m，底板底埋深19.4m，左、右隧道中心距离为12m，该工程地面为xx河河堤。
工程结构由两个与隧道相交的喇叭口、通道及泵站等组成。
其结构为隧道管片相接的喇叭口和直墙圆弧拱结构的通道两个部分组成。
xx站xx路站区间联络通道及泵站工程采用联络通道及泵站合建模式。
它既保证左、右线隧道间的联络作用和必要时乘客安全疏散的功能，又起到地铁运营中两车站之间集排水作用，工程结构由两个与隧道相交的喇叭口、通道及泵站等组成。
其结构为隧道管片相接的喇叭口、直墙圆弧拱结构的通道及中部矩形集水井三个部分组成。
衬砌都采用二次衬砌方式，所有临时支护层厚度均为200mm；通道墙和集水井的结构层为450mm厚的现浇钢筋混凝土，支护层和结构层之间安装PVC防水层。
1.1.1.2 工程地质及水文地质条件根据地质资料，xx站xx路站区间联络通道及泵站处所在地层主要为：③7粘质粉土、④3淤泥质粉质粘土、⑥2淤泥质粉质粘土组成。
沿线浅部地下水属潜水类型，主要赋存于上部填土层及粉土、砂土层中，补给来源主要为大气降水及地表水，其静止水位一般在深1～4m，并随季节性变化。
1.1.2施工方案的选择1.1.2.1 冻结法土体加固、矿山法开挖构筑方案xx站xx路站区间联络通道及泵站位于建设河河堤下，无地面施工条件，结合其他地铁联络通道施工的经验，采用“隧道内水平冻结加固土体、隧道内矿山法开挖构筑”的全隧道内施工方案。
即在隧道内利用水平孔和部分倾斜孔冻结加固地层，使联络通道及集水井外围土体冻结，形成强度高，封闭性好的冻结帷幕。
然后，根据“新奥法”的基本原理，在冻土中采用矿山法进行联络通道及泵站的开挖构筑施工。
联络通道及泵站结构施工完成后，为确保业主工期要求，减小地面沉降，采取强制解冻冻土方案。
经验交流：湖口大桥东塔桩基冻结法施工（二）
4.5 冻结需冷量计算 设计冷冻盐⽔温度为-25℃～-28℃，考虑施⼯期内湖⼝地区的⽓候条件，冷量损失取15％，则总需冷量为：Q=1.15nsHq 式中：n――冷冻管根数，取n=(19+5+3)×4=108（根） s――冷冻管直径，s=0.5m H――冻结深度，H=43m q――冷冻管吸冷量，考虑施⼯⽔位较⾼，围堰封⽔不安全，取q=879.23kj/m2h(210千卡/m2h)即Q=1878.2MJ/h(44.86万千卡/⼩时) 4.6 冻结时间计算 根据长期实践证明，表⼟层冻⼟发展速度为22mm～25mm/⽶，基岩交圈速度为40mm/天，据此推算，冻结壁厚度达到1.83m需时为1830/(25×2)=35(⽶)。
4.7 东塔桩基基岩段钻爆法施⼯设计 当冻结期结束后，测温资料表明冻结壁交圈且强度可满⾜桩基开挖要求时，即开始进⾏开挖⼯作。
对桩孔通过的冲积层部分，采⽤传统⼈⼯挖孔施⼯，对基岩部分则采⽤钻爆法施⼯。
根据对冻结法施⼯和钻孔法挖孔施⼯特点的综合分析，决定对湖⼝⼤桥东塔桩基基岩段按光⾯爆破设计钻爆法施⼯，采⽤T220防冻⽔胶炸药和秒延期段发电雷管进⾏爆破施⼯，为防⽌⼀次爆深过⼤造成对冻结壁的破坏，决定以每次爆深不超过1⽶的原则来控制炮眼布置及装药量。
4.7.1 炮眼布置 根据桩孔开挖形状，将炮孔布置成圆圈状，圈径定为D1=0.7m，D2=1.9m，D3=3.1m，炮眼间距取：掏槽眼0.45m，辅助眼0.6m，周边眼0.4m，每孔布置炮眼41个。
4.7.2 装药量 辅助眼0.5-0.8Kg/眼，周边眼0.3-0.5Kg/眼，正向装药，爆破参数。
4.8 东塔桩基低温混凝⼟施⼯ 确保确保低温条件下桩基混凝⼟免受冻害是东塔桩基冻结法施⼯成败的关键，根据煤炭系统多年来冻结施⼯的经验，冻结壁在混凝⼟浇注后⼏个⼩时，由于受低温环境的影响，靠近孔壁的混凝⼟出现降温，随后由于混凝⼟⽔化热所产⽣的热量⽐低温环境吸去的热量多，孔壁混凝⼟开始出现升温，随着热交换的进⾏，混凝⼟的热量进⼀步散失⽽进⼊降温过程，直⾄0℃以下。
人工地层冻结法-陈厚文
液氮冻结原理图
氨（氟利昂）－盐水冻结系统
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
冷凝器 冷却水 冷却水循环
冷媒剂循环
制冷循环
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
制冷温度(℃) 地下水流速(m/s) 制冷效率 冻土速度 土 层
冷量估算
冻结法具备的优点
(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
冻胀过程线 (hpdg-3) 4 3 2 1 0 0 20 40 时间/h 60 80
位移/mm
时间/h 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 10 20 30 40 50 60 70
冻深/cm
冻深过程线 (hpdg-3)
冻胀的基本原理
冻胀
冻结过程
冻土
融土
水分迁移
冰分凝
水分补给
土体冻胀示意图
冻土的融沉
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; (6)冻结法不污染环境，是“绿色”施工方法。
冻结法工程应用
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 冻土力学性质
冻土工程设计和施工中最重要的冻土力学性质
冻结法1-2节
3. 热参数计算
单位理论制冷量:
单位冷凝热量:
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
34
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。
30℃ －30℃
冷却塔
26
27
2.实际制冷能力计算
（1）输气系数 λ＝[1—c ( pk / p0 — 1) ] T0 / Tk
（1—16）
= [1— 0.01×(942.5 / 166.2 —1 ) ] 250 / 296 = 0.81 式中 c－气缸的余隙系数，卧式压缩机为1.5~3%, 立式 为1％。 本例压缩机为立式； pk—冷凝压力 p0—蒸发压力
l0 ＋ h1 = q + h2
比热损耗：
比容 压力
q = （h1 －h2）＋ l0=△h＋ l0 （1－4）
单位理论压缩功， kJ/kg
14
q = （h1 －h2）＋ l0=△h＋ l0
即：等于进、出口工质的焓差与单位压缩理论功
之和。 讨论：
如果q＝0，气缸的热损耗很小，则 △h= l0 ，如压缩 机。 如果 l0=0，无压缩机对工质做功，则 △h=q ，如冷 凝器、蒸发器等换热器，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。
冻结法6-8节
假定: 理想弹塑性体, 允许冻结壁内圈进入塑性状态, 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:
根据第四强度理论得:
应用较为广泛,适合于冻深200m左右的井筒
我国的特定条件公式: 冻结壁内半径6～8m, 孔距1.3m，盐水温度－30℃， 冻结管直径146mm，塑性区半径＝a＋0.3Ed：
(1—136）
三、井壁验算
1、井壁环形稳定性验算 横向长细比应满足： l0/El≤24（素砼），l0/El≤30 （钢筋砼） l0——井壁环向计算长度。 均匀径向临界应力应满足： pk=（公式1-139）≥2.5p p —侧压力
验算步骤： 初选井壁厚度，判断是否需要验算（1－139、1－140式）； 如要验算，按（1－139）验算； 不能满足时要调整井壁厚度。 ▲内外层可分开验算横向稳定性。 ▲两层井壁的整体横向稳定性可不验算。
第六节 冻结温度场
一、温度场的数学模型
二、冻结过程
三、冻结管吸热能力
四、冻结时间
五、冻结壁内平均温度
一、温度场的数学模型
温度场：研究冻结过程中，井筒周围空间 温度随时间变化的规律。 是一个相变的、移动边界的、有内热源的、 边界条件复杂的、不稳定的导热问题。 求解方法： 解析法 模拟法 数值法：最有效。近似方法。 导热方程： 取单位厚度（1m）薄片 均质、连续、轴对称、平面问题
（1－127）
στ为松弛强度，
取长时强度 σc 。
2.
维亚洛夫、扎列茨基公式
假设与里别尔曼相同，按第四强度 理论计算得：
段高上端固定： （1－128） 段高上下端均固定：
（1－129）
3. 按变形条件确定冻结壁厚度
假定：冻结壁的径向变形与冻结管的变形一 致。冻结壁的最大变形不超过其最大容许值时 所必须的厚度：
冻结法最终版
2、冻土墙墙体嵌固深度的确定
2、冻土墙墙体嵌固深度的确定
2、冻土墙墙体嵌固深度的确定
②按抗隆起稳定确定嵌固深度 抗隆起稳定采用极限承载力法来计算， 该方法是将围护结构的底平面作为极限承载 力的基准面，其滑动线如图9-3-3所示。参 照普朗德尔极限承载力公式及抗隆起安全因 素可以反算嵌固深度，要求抗隆起安全系数 KL=1.10～1.20
作用在冻土墙上的主要荷载
2、冻土墙墙体嵌固深度的确定
（1）按临时支护作用考虑 冻土墙的嵌固深度与基坑抗隆起稳定、 挡墙抗滑动稳定、墙体整体稳定、管涌等因 素有关。墙体嵌固深度主要取决于土的强度 与墙体的稳定性，而不是变形的大小，即嵌 固深度满足墙体稳定最小值要求的条件下， 与变形量关系不大。因此，确定冻土墙嵌固 深度时应通过稳定性验算取最不利条件下所 需的嵌固深度。
前言
01
人工地层冻结法技术概述
目录
02
冻结法加固地层的原理
03
冻结法技术设计计算
04
冻结法施工几个技术问题
一、人工地层冻结法概述
1
什么是人工 地层冻结法 ？
2
冻结法有哪些 优缺点 ？
3
适用范围及发 展状况如何 ？
人工地层冻结法的定义
75%
冻结法是利用人工制冷技术， 将待开挖的土体中的水冻结为冰并 与土体胶结在一起，形成满足一定 要求的冻土体，用以抵抗土压力， 增加其强度和稳定性，隔绝地下水 与地下工程的联系，以便在冻结壁 的保护下进行隧道、立井和地下工 程的开挖与衬砌的一种特殊岩土施 工方法。
常用冻结壁的形式
2、加固地层的具体方法
通过冻结管同周围地层发生热 交换而形成冻土柱。控制冻结管与 地层产生热交换的长度，就可控制 冻土柱的长度，若干管子排列在一 起，控制冻土墙的高度或范围。
冻结法施工技术
冻结法施工技术冻结法施工技术，即是利用人工制冷的方法把土壤中的水冻结成冰形成冻土帷幕，用人工冻土帷幕结构体来抵抗水土压力，以保证人工开挖工作顺利进行。
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。
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冻结法施工对周围环境无污染，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。
人工冻结法在南京地铁张府园车站的应用摘要：南京地铁一期工程张府园车站南隧道盾构法施工时，洞门两侧出现大量流砂，附近区域的沉降量较大，为了确保地下管线和地面交通的正常使用和安全运行，在南京首次实施了地下工程的人工冻结法施工。
本文论述了冻结法在该工程中的冻结设计、施工工艺及对周围环境影响等问题和实际取得的效果。
关键词：冻结法,地铁,盾构引言我国冻结法现已成为成熟的凿井施工技术，但在城市岩土工程中的应用还不多。
冻结技术可在地面城市地下工程中的应用范围包括：盾构隧道盾构进墙、深层搅拌桩以及压密注浆对土体进行加固，在凿除洞门钢筋混凝土时发现洞门中心处东、西两侧有流砂涌入，迅速采用双液注浆堵水，过了两天又在有大量流砂涌入，对周围环境产生较大的影响，其中端头井东侧的沉降量增大，东部20 平方米区域下陷1.5 m 左右(图1)。
在这种情况下施工单位及时出洞土体加固、盾构隧道地下或海底对接时土体加采取措施，以保证施工以及周围环境的安全。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
冻土墙墙体嵌固深度 冻土墙墙体的厚度
三
四
冻土墙的高度 热工设计计算
五
1、作用在冻土墙上的主要荷载
在深基坑围护结构中，外界荷载由冻 土墙和混凝土内衬共同来承担，但冻土墙 对围护探基坑的稳定性及地下结构工程的 施工安全性定到主导作用。因此，在进行 深基坑围护结构设计之前，有必要清楚冻 土墙承受的主要荷载情况，为设计出安全、 可靠的深基坑围护结构提供可靠的依据。
作用在冻土墙上的土压力称为侧土压力，侧土压力 分为静止土压力、主动土压力和被动土压力三种， 侧土压力是作用在冻土墙上的最主要荷载。
侧土压力 冻土自重 温度荷载 其他荷载
在深基坑围护体系结构中，作为承担主要外界荷载 的冻土墙，其自重在围护体系的设计和计算中是不 容忽视的 冻土墙与板桩、重力式挡土墙、地下连续墙、土钉 墙等支护方式所受荷载有一个显著不同之处，即其 在自身温度场作用下，要承受温度荷载。 基坑施工现场周围存在的建筑物、大型管道等地下构 筑物会产生永久荷载；同时，冻土墙周围道路上汽车 的行驶会产生振动荷载，由于降水使地下水位受到影 响以及现场施工设备的重量和工作会产生施工荷载。
常用冻结壁的形式
2、加固地层的具体方法
通过冻结管同周围地层发生热 交换而形成冻土柱。控制冻结管与 地层产生热交换的长度，就可控制 冻土柱的长度，若干管子排列在一 起，控制冻土墙的高度或范围。
另一方面，由于冻土墙的强度取决 于其平均温度，而平均温度又取决 于冷媒的温度及流量，从而可通过 控制冷媒的温度或流量，来控制冻 土墙的强度，以及发展范围。因而， 可随时根据工程进展和结构要求来 改变冷媒温度和流量，以达到所需 冻土墙的强度。
5、热工设计计算
（3）冷冻机容量确定。
5、热工设计计算
（4）冻结时间计算。
Qs T1 = 24Qd
R d T 1.15Q R r DN T 24Qd
2
5、热工设计计算
（4）冻结时间计算。 式中： T——冻结时间（d）； R——冻结半径（m）； r——冻结管半径（m）； D——冻结管插入深度（m）； N——冻结孔数。
5、热工设计计算
Q=Q1 Q2 Q3
Q1 =Cv = Cs Cw d 0 f
5、热工设计计算
Cv、Cs、Cw
Cv、Cs、Cw
d
0、f
Q2 = Cs Cw -u CI d f d
u
CI
d
d
冻结法的适用范围
75%
（1）冻结松散不稳定的冲积层和 裂隙发育的含水岩层。 （2）淤泥、松软泥岩. （3）饱和含水和水头特别高的地 层。 （4）对于土中含水率非常小或地 下水流速相当大的处所不适用。
冻结法的发展状况
75%
人工冻结技术的应用始1886 年瑞典24m长人行隧道建设工程。 在此后的一个多世纪里，人工冻结 技术在许多国家的煤矿、隧道、地 铁、建筑基础、工程抢险和环境保 护等领域中得到不断应用和发展， 并且成为许多工程唯一可选的方法。
5、热工设计计算
（4）冻结时间计算。
Rg =a 2 D
Tg
1.15Q Rg r DN
2
24Qd
5、热工设计计算
（4）冻结时间计算。 ④冻结交排时间计算。
1 2 2
BREAD PPT DESIGN
人工地层冻结法技术
班级：地质1204班 组员：田嵩山 高炎林 魏大川 吕波 主讲：王少华
目前，地层加固的方法有 多种，不论何种方式，目的是 1、特殊地层凿井 的有效特殊方法，在国外的应用 提高地层的强度和稳定性，以 已有100多年的历史，在我国 煤 及隔水性能，从而形成一个支 2、地铁工程土层加固 炭建设中的应用也有整整 40年的 护系统。人工冻结的应用和研 历史了。而在其它岩土工程中的 究是以天然冻结条件下冻土的 3、隧道工程土体加固 应用则刚刚起步。一方面是岩土 物理力学性质研究为基础，并 界对这一特殊方法还比较陌生， 随着人工冻结凿井逐步发展起 4、桥梁桩基工程 另一方面冻结法的成本，应用条 来的。 件及随之而生的问题，也有影响。 人工地层冻结法(简称:冻结 5 、特殊地段工程事故处理 目前在以下几个方面应用较多： 法)作为岩土工程(包括地下工程) 建设中一种建造临时隔水支护
01 现场勘探
冻结法围护 的工艺流程
阶段一
积极冻结期
Байду номын сангаас
阶段二
维护冻结期
阶段三
解冻(恢复)期
冻结法施工的三个阶段
01 冻结站安装 02 冻结管施工. 03 地层冻结 04 地下工程掘进施工
冻结法施工四大工序
冻结法施工阶段及各阶段的作业内容
冻结法施工按进度顺序可分为四个阶段：
（1）准备期 指进行冻结管、输液管、监测设备和冷冻机械安 装平行作业的时间 （2）积极冻结期 指从低温盐水在冻结管内循环、地基土冻结开始 至冻结壁达到设计厚度和强度的时间 （3）维护冻结期 指挖掘、砌筑时间，在此期间内只需保持冻土墙 不升温即可。 （4）解冻期 指完成工程项目所需时间。
作用在冻土墙上的主要荷载
2、冻土墙墙体嵌固深度的确定
（1）按临时支护作用考虑 冻土墙的嵌固深度与基坑抗隆起稳定、 挡墙抗滑动稳定、墙体整体稳定、管涌等因 素有关。墙体嵌固深度主要取决于土的强度 与墙体的稳定性，而不是变形的大小，即嵌 固深度满足墙体稳定最小值要求的条件下， 与变形量关系不大。因此，确定冻土墙嵌固 深度时应通过稳定性验算取最不利条件下所 需的嵌固深度。
为避免冻土墙解冻后地基土的融沉，应在起拔冻结 管的同时，用砂砾充填，注意夯实。若遇有沉降很 大的地基时，应采用下列方法：设计的结构物应具 有一定柔性；冻结前在结构物下面设支承桩或灌注 灰浆、化学浆液增加地基承载力。 (3)做好主体工程施工和冻结施工两者的密切配合是 完成冻结法施工的必要条件，应组织设计、施工和 监测人员组成的施工领导小组，统一协调施工。
3、冻结法的冻结系统
在开挖之前，用人工制冷的 方法，将开挖空间周围含水地层 冻结成一个封闭的不透水帐幕一 冻结壁，用以抵抗地压、水压， 隔绝地下水；而后， 在其保护下 进行挖砌施工。大体上由三个主 要的循环系统构成。
制冷三大循环系统
盐水 循环
氨循环
冷却水 循环
三大系统构成 热泵，其功能 是将地层中的 热量通过压缩 机排到大气中 去。
4、冻土墙墙体高度的确定
冻土墙高度(包括挡土部分高度和基坑底面 下的入土深度)与基坑设计深度、土压力、墙体 稳定系数关系密切。当基坑设计深度以下有含 水层且其埋藏深度在基坑设计深度70％一80％ 范围内时，冻土墙高度应穿过含水层，坐落在 隔水层中，并进行坑底抗隆起和管涌验算。
5、热工设计计算
（1）冻结负荷计算。
各阶段的作业内容如下表
冻结法施工应注意的事项
(1)做好现场监测是冻结法施工成败的关键步骤之一。
应定时重点检测循环盐水的温度和流量、冻土墙的温度、开 挖期冻土墙体的变形量、地面冻胀和融沉量等。
(2)地基土的冻结膨胀和解冻后的融沉及其对邻近 建筑物的影响
为减少冻胀影响，施工中应设置一定数量的减压孔。对于 有2-3排冻结孔的情况，可采用不同时冻结的方法，避免 封闭型冻结。在冻结维护期也可采用间歇冻结法。 为减缓开挖过程中侧向冻胀力的释放速度，基坑开挖宜 由中心向边缘逐步推进。
结 系 统
围护 工艺 流程
E
施 Click here 工 to add your text. 技 Click here to add 术 your text.
适用 的地 基条 件
F
G
现 场 监 测
原理示意图
冻结的方式 冻结壁形式
加 固 地 基 原 理
冻结管并联和串联冻结原理示意图
直接式冻结法
间接式冻结法
2、冻土墙墙体嵌固深度的确定
2、冻土墙墙体嵌固深度的确定
2、冻土墙墙体嵌固深度的确定
2、冻土墙墙体嵌固深度的确定
（2）按止水作用考虑 冻土墙作为止水帐幕有两种作用，一种 是防止流土出现；另一种是阻止或减少坑外 地下水向坑内的渗流。
2、冻土墙墙体嵌固深度的确定
①防止流土的嵌固深度验算
2、冻土墙墙体嵌固深度的确定
5、热工设计计算
Q3 =q -u d
Qs =1.15QT
5、热工设计计算
（2）冻结管配置。 根据所需冻土墙的壁厚和深度及地基土的 条件和工期，配置冻结管。一般配置原则为单 排冻结管间距1．0一2．5m，双排或双排以上 的辅助冻结管间距可放宽至3m左右。软弱地基、 高含水量土层及地下水流速大且工期紧时，冻 结管间距宜相应缩小；冻结管的排数视冻土墙 的厚度而定：墙厚≤3m以单排为宜；＞3m以双 排为宜。排间冻结管布设以梅花状为宜。冻结 管的插入深度与冻土墙的深度相同。
地基土宜 为砂性土、 粘性土及强 风化基岩。.
地基土 的含水量 ＞10％。.
地下水 临界流速 ＜2m／d。
冻结法围护适用的地基条件
低温盐水温度 和流量监测
冻土壁及外围地 基土温度监侧 土体水平、竖 向位移和应力 监测 地下水位监测
冻结法现场监测主要内容
冻 结 法 的 设 计 计 算
一
二
作用在冻土墙上的主要荷载
2、冻土墙墙体嵌固深度的确定
2、冻土墙墙体嵌固深度的确定
2、冻土墙墙体嵌固深度的确定
②按抗隆起稳定确定嵌固深度 抗隆起稳定采用极限承载力法来计算， 该方法是将围护结构的底平面作为极限承载 力的基准面，其滑动线如图9-3-3所示。参 照普朗德尔极限承载力公式及抗隆起安全因 素可以反算嵌固深度，要求抗隆起安全系数 KL=1.10～1.20
冻结法的优点
1.可有效隔绝地下水
冻结法的缺点
1.需要较大功 率的电源
2.几乎不受地 层条件限制 3.施工灵活