岩土特殊施工-第1章-冻结法1 (1)

1.1.3 冻结法的优点与适用条件
• 优点：
– – – – 绝对不透水； 冻土墙的形状、尺寸和强度在一定范围内可调； 形状、尺寸和深度基本不受限制； 适应复杂的地质和水文地质条件。
• 适用条件：
– 含水地层； – 地下水含盐量不过高(曾用于-26℃结冰情况下) – 地下水流速较小时(一般<17m/d) 返回
1.3.1 制冷站安装
1.3.1 制冷站安装
1.3.1 制冷站安装
1.3.1 制冷站安装
1.3.1 制冷站安装
1.3.2 钻孔施工与冻结器安装
• 钻孔类型
– 冻结孔 – 水文孔 – 测温孔
• 冻结孔布置
– 圈（排）数：1~4，冻结壁越厚越多 – 圈径：根据冻结壁厚度、掘进直径，考虑冻结管偏斜、 冻土发展情况定 – 孔间距：主排孔1~1.4m，其它孔1.2~4m – 圈（排）距：1~4m – 孔径：比冻结管 (直径127~159mm)外箍大 15~30mm – 深度：比冻结深度大0.5m以上，主孔要深入不透水层 8~15m
1.3.2 钻孔施工与冻结器安装
• 水文观察孔布置
– 作用：
• 判断冻结壁是否交圈 • 释放能量
1.3.2 钻孔施工与冻结器安装
• 水文观察孔布置
– – – – – – – – – – 结构：1~3层，可实现单管多报导 位置：距井心1m左右，不影响测量 数量：1~3个 深度：分别穿过主报导含水层 注意：防含水层窜水影响交圈 作用：确定冻结壁厚度和平均温度 数量：2~5个 位置：内缘、外缘，两圈之间 深度：穿过冻土发展较慢地层，如粘土层 测温管径：一般108mm
1.1.1 冻结法的实质与原理
• 原理：
大 气
– – – –
制 冷 剂
冷 媒 剂
地
层
• 向岩土供冷的方式：
直接冻结：制冷剂(氨、氟里昂等)直接汽化吸热； 干冰冻结：干冰由固态变气态吸热； 液氮冻结：液氮由液态变气态吸热； 盐水冻结：利用冷媒剂（盐水）吸热。
1.1.1 冻结法的实质与原理
• 盐水循环冻结：钻孔——安冻结器——循环低温盐水
制冷站
1.1.1 冻结法的实质与原理
• 盐水循环冻结器
– 盐水正循环：盐水从供液管下 方出来，经环形空间向上，从 回液管至制冷站； – 盐水反循环：盐水流向与正循 环相反；
1.1.1 冻结法的实质与原理
• 液氮冻结：钻孔——安冻结器—— 液氮孔中气化
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1.1.2 冻结法的发展概况
• • • • • • • 1862年，英国，基础施工，加固土壤； 1883年，德国，开凿井筒，加固、隔水； 1955年，中国，开凿井筒，加固、隔水； 1970年，中国，北京地铁，加固、隔水。 最大冻结岩石深度930m,英国,隔水; 最大冻结土层深度571m,苏联,隔水、加固; 中国最大冻结深度802m（门克庆煤矿主 井）；在建的甘肃核桃峪煤矿主井冻结深度 达955m,世界纪录。 • 施工近550个井筒,总长近120km。 返回
G2 G1 G3
G3 (h3 -h8 ) G1 (h 2 -h3 ) G1 (h 6 -h7 )
G2 h2 h7 K G1 h3 h8
1.2.3 二级压缩制冷
热参数计算
1.2.3 二级压缩制冷
中间压力的确定：
– 最佳效率法 – 插入法
1.2.3 二级压缩制冷
1.2.3 二级压缩制冷
焓的概念
l0——活塞单位压缩理论功，kJ/kg； g——重力加速度，g=9.8m/s2； q——汽缸之比热损耗，kJ/kg； u1，u2——工质进出口的比内能，kJ/kg；
c1，c2 ——工质进出口的速度，m/s；
v1，v2——工质进出口的比容，m3/kg； p1，p2——工质进出口的压力，Pa； z1,，z2 ——工质进出口的标高，m。
1 1 2 流入能量： l0 u1 c12 g z1 p1 v1 流出能量： q u 2 c2 g z 2 p2 v2 2 2
令： h u p v
对气缸来说，有： c1 c2
0
z1 z2
因此有： q h1 h2 l 0 h l
深度H↑→地压↑→冻土强度↑→ 平均温度↓→盐水温度ty↓→冷凝温度tk↓→ 压力差(pk-p0) ↑和压力比(pk/p0) ↑ → 排气温度t2↑→润滑油碳化→压缩机损坏 输气系数λ↓→流量G ↓→总制冷效率下降
1.2.3 二级压缩制冷
二级压缩制冷原理
1.2.3 二级压缩制冷
中间冷却器热平衡 方程：
T
1.2.1 焓、熵及压-焓图
压焓图
试查p=0.5MPa、h=1600kJ/kg 时的x、t、v、s
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1.2.2 一级压缩制冷
原理：由氨循环、冷却水循环、盐水循环构成
制冷系数： 0
Gq0 h1 h4 Gl0 h2 h1
1.2.2 一级压缩制冷
氨循环系统：
– 蒸发器、压缩机、冷凝器、节流阀
1.2.4 制冷工质与冷媒剂
冷媒剂：
– 也叫载冷剂，是传递冷效应的物质。盐水、氨， 乙醇等
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1.2.5 制冷设备
1）压缩机
– 活塞式、螺杆式、离心式等
1.2.5 制冷设备
1.2.5 制冷设备
1.2.5 制冷设备
2）冷凝器与蒸发器：
– 换热器
1.2.5 制冷设备
3）节流阀：
– 减压到蒸发压力，为制冷剂蒸发创造条件。
1.3 冻结法施工
施工内容
制冷站安装 钻 孔 安冻 结器
冻 结
掘 砌
收 尾
1.3 冻结法施工
外层 井壁 地层
冻结管
内层 井壁
冻结壁
冻结壁和井壁是冻结法凿井技术的核心！
1.3.1 制冷站安装
任务：
– 建成能输出足够量的-25~-40℃盐水的制冷站
位置：
– 不影响凿井设备布置和永久设施的施工 – 离井口尽量近 – 符合防火、通风等安全要求
• 钻孔纠偏
– 偏斜原因
• 地层方面：软硬不均，倾角不同，有空洞、裂隙等 • 安装与操作技术方面：导向管和钻机主轴安装不正， 钻压过大，泥浆质量不好等
• 管路耐压、密封试验
– 按规程规范要求进行压气、抽真空或压水试漏
• 管路保温—冷量损失由25%降至10%以下
– 主要用现场发泡法形成泡沫材料保温层 – 包扎保温材料
• 灌盐wenku.baidu.com、充氨
– 防盐水结晶
• 水源井位置-地下水流速小于5m/d不影响
– 上游300m以外 – 抽水加大流速，下游水体水位下降，含水层窜通
4）中间冷却器
– 冷却过热气体 – 过冷液氨5度左右 – 分离油氨
5）油氨分离器
– 分离氨蒸汽中的润滑油微粒
6）贮氨器：
– 贮存、调节、补充氨
7）氨液分离器
– 使来自蒸发器的液氨分离出去，防止进缸。
1.2.5 制冷设备
3）节流阀：
– 减压到蒸发压力，为制冷剂蒸发创造条件。
4）中间冷却器
– 冷却过热气体 – 过冷液氨5度左右 – 分离油氨
5）油氨分离器
– 分离氨蒸汽中的润滑油微粒
6）贮氨器：
– 贮存、调节、补充氨
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1.2.5 制冷设备
3）节流阀：
– 减压到蒸发压力，为制冷剂蒸发创造条件。
4）中间冷却器
– 冷却过热气体 – 过冷液氨5度左右 – 分离油氨
5）油氨分离器
– 分离氨蒸汽中的润滑油微粒
6）贮氨器：
– 贮存、调节、补充氨
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布置：
– 蒸发器离井筒最近 – 符合规程、规范要求
1.3.1 制冷站安装
安装：
– 应与冻结钻孔平行作业 – 氨、盐水、冷却水三大系统安装尽量平行作业 – 各系统的安装顺序：
基 础 和 沟 槽 施 工
设 备 安 装
管 路 联 接
密 封 性 试 验
隔 热 层 施 工
灌 介 质 试 盍 运 转
1.3.1 制冷站安装
后视为等焓过程
1.2.1 焓、熵及压-焓图
熵的概念
1-2为一可逆过程 A-B段为其微过程，在该微过程中温度可视为定值，吸收 dq 的热量为dq, 该段的微熵定义为： dS T 2 2 dq 则有： S S 2 S1 1 dS 1 单位质量的熵称为比熵s ，是状态参数，单位是kJ/(kg K) 吸热熵增大，反之减小，等熵过程为绝热的。
– 外能：物体的宏观动能 1 2 m c2 、重力位能 mgz 。
1.2.1 焓、熵及压-焓图
基本概念：
– 流动功：推动流体流动所做的功, 单位质量的流动功为pv
dw p f ds p dV p v dm
dw pv dm
– 稳定流动过程：控制体内质量和能量不随时间变化的过程
1.2.1 焓、熵及压-焓图
1.1.1 实质与原理 1.1.2 发展概况 1.1.3 优点与适用条件
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1.1.1 冻结法的实质与原理
• 实质：
– 天然岩土———— 人工冻土，改变岩性，岩土 强度由弱变强，形成承载/隔水的冻土墙（结 构），然后在冻土墙的保护下进行施工。
人工制冷
• 核心问题：
– 需要什么样（形状、尺寸和强度）的冻土墙？ – 如何形成所需的冻土墙？
– 实际输气量： G V / v1 Vh – 实际制冷量： Q0 Gq0 – 实际压缩功： L0 Gl0 – 实际冷凝热量： Qk Gqk – 电动机总功率(摩擦、传动)： N
K ( Ni N f )
p
1.2.2 一级压缩制冷
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：将高压常温液态氨等焓转变为低压液态氨(4)；
1.2.4 制冷工质与冷媒剂
制冷工质：
– 也叫制冷剂，在制冷机系统中起循环变化的物质， 用于实现制冷的目的。氨，氟里昂、溴化锂
要求：
– – – – – – 临界温度高，普通温度下不液化； pk-p0和 pk/p0不宜过大； 有较大的容积制冷量； 能与水化合、能溶于润滑油； 无毒、不爆炸； 价廉等等
• 测温孔布置
1.3.2 钻孔施工与冻结器安装
• 钻孔施工
– 设备：专用钻机、大能力地质钻机、水文孔钻机 – 方式：减压钻进
• 钻孔测斜
– – – – 设备：磁性单点测斜仪、陀螺测斜仪等 内容：孔长、倾角、方位角 指导思想：以防为主，纠偏为辅 测试频率：50~80m左右测一次
1.3.2 钻孔施工与冻结器安装
h称为比焓，也是状态参数，单位是kJ/kg
1.2.1 焓、熵及压-焓图
公式讨论： q h1 h2 l0 h l 0
若气缸热损耗小，则q≈0，因此有：l0=h2-h1 若无压缩机做功（如换热器），则l0=0， 因此有：q=h1-h2
若进一步有q=0，则有h1=h2，一般将节流阀节流前
1 岩土工程冻结法
中国矿业大学力学与建筑工程学院岩土工程研究所 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室
提纲
1.1 概述 1.2 蒸汽压缩制冷 1.3 冻结法施工 1.4 冻结方案 1.5 冻土物理力学性质 1.6 冻结温度场 1.7 冻结壁计算 1.8 冻结井壁 1.9 冻结法设计计算
1.1 概述
盐水循环系统：
– 盐水箱、盐水泵、管路与阀门 – 冻结器
• 冻结管、供液管、回液管
冷却水循环系统：
– 水泵、管路和阀门、冷凝器
1.2.2 一级压缩制冷
实际制冷能力计算：
–
pk T0 输气系数(反映余隙的影响)： 1 c p 1 T 0 K
蒸发器：将低压液态氨(4)等压蒸发为饱和蒸汽氨(1)。
1.2.2 一级压缩制冷
制冷循环中的过冷与过热：
– 过冷：降节流前的温度，以提高制冷系数 – 过热：氨制冷应尽量避免。
制冷系数：
Gq h h 0 0 1 4 Gl0 h2 h1
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1.2.3 二级压缩制冷
为何要用？
– 设备要求(强度)：pk-p0≤1.37MPa , pk/p0≤8
1.2.1 焓、熵及压-焓图
基本概念：
– 显热：只有温度变化时物体所吸收或放出的热量 – 潜热：只有相态变化时物体所吸收或放出的热量 – 比热容C：使单位质量物质的温度升高1K所需热 量，分为定压比热Cp和定容比热Cv – 比热比(绝热指数)： κ= Cp / Cv
– 内能：物体分子所具有的分子动能与位能之和。
1.2 蒸汽压缩制冷
1.2.1 焓、熵及压-焓图 1.2.2 一级压缩制冷 1.2.3 二级压缩制冷 1.2.4 制冷工质与冷媒剂 1.2.5 制冷设备
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1.2.1 焓、熵及压-焓图
基本状态参数(注：只与状态有关，与过程无关的参数)：
– 温度T – 压力p – 密度ρ – 比容v =1 / ρ – 比内能u: 单位质量物质的内能。