冻结法原理及其应用

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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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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
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。
(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。
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。
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——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.
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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，
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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.
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
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）
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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
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