冻结原理及其应用

3 立井工程冻结法
冻结法凿井主要工艺过程包括： —— 冷冻站安装 —— 钻孔施工 —— 井筒冻结 —— 井筒掘砌
等四大内容
3.2 冻结方案
针对不同水文、地质和工程条件，采用不同冻结方案，以达到最佳经济 效益。实际工程常用冻结方案有：
l 一次冻全深 ➢ 所有冻结孔的深度与最大冻结深度一致，并且全深一次冻结形成冻结 壁的冻结方式。包括单圈管、双圈管和异径管。 ➢ 一般采用单圈管冻结方案，即只在井筒周围布置一圈冻结管 ➢ 当表土厚，要求冻结壁厚、平均温度低时可采用双圈管冻结，即在井 筒周围布置两圈冻结管 ➢ 为加速上部冻结，尽早开挖，可采用上粗下细异径管冻结，上部冻结 管吸热面积大，冻结快，下部管吸热面积小，冻结慢
（2）在工程条件方面 l 冻土体功能，密封、承载或密封和承载 l 冻土体形状与尺寸 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，细粒土的实验室实验
3 冻结法原理与设计原则
l 融或不可融矿物质 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
抗拉强度
θ (℃)
1 概述
热物理参数：导温系数、热容、导热系数以及相变潜热等 影响冻土热物理参数因素很多，温度、含水量、孔隙率、矿 物含量、未冻水含量等。确定土热物理参数比较复杂。
静力计算：确保冻土结构在所处工程条件下强度和稳定性 简单方法：将冻土体视为具有弹性模量E的弹性体。 若冻土体极限承载力已知：可直接从破坏状态入手计算 若考虑冻土体处于多向应力状态：其承载性能将有所提高 若安设支护：则承载功能由支护/冻土系统共同承担。 有限元等数值模拟方法在冻土结构中得到了越来越多的应用。 考虑了与实际工程相近的冻土非线性变形性质。
目前，冻结法在地下工程中广泛应用于以下四个领域： —— 立井工程 —— 地基基础 —— 基坑稳定 —— 隧道工程 —— 其他岩土工程
1 总论
1.4 力学与热性质
抗压强度：冻土的主要力学性质
随温度减低，冻土抗压强度 提高； 抗拉强度相对抗压强度较低 ，且随温度减低不再增加
σ(MPa)
冻结粉砂
抗压强度
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、地基的要求以及 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
3 冻结法原理与设计原则
冷媒剂循环：与冻结 管相连，将地层热量 带出
冷却水循环：将冷媒 剂携带的热量释放于 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
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 人工冻结制冷系统
2. 2液化气体系统（液氮）
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。
1 概述
——冻结岩土体的方法
从土体中吸热。
——冻结的作用
含水、松散土体冻结后抗压强度明显提高。
——冻结法处理对象
岩土体中的水 水在冻结过程中将发生明显体积变化
（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 ——饱和度 ——渗透性 ——孔隙体积 ——稠度
（2）冻土性质 ——蠕变试验 ——三轴试验 ——冻胀试验
（3）周围建筑物的评价 ——上部建筑 ——工场管线 ——交通道路
主要内容
1 冻结法概述 2 人工冻结制冷系统 3 冻结法原理与设计原则 4 立井工程冻结法 5 斜井冻结法
1 概述
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土体中的水 冻结为冰并与土体胶结在一起，形成一个按设计轮廓的冻 土墙或密闭的冻土体，用以抵抗土体压力、隔绝地下水， 并在冻土墙的保护下，进行地下工程的施工。
1 概述
——冻结土体性质的改变 若将含水地层（松散土层和裂隙岩层）在结 冰温度下冷却，岩石裂隙或土孔隙中的水转 换成冰，岩土的性质将发生决定性的变化。 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
1 概述
——环境友好的施工方法 冻结只是临时创造冻土良好的承载、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。
3 冻结法原理与设计原则
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。 工程意义上的冻结项目的设计工作包括：
冻土体结构形式、支护方法、冻结方案、冻土体尺寸、冻 结管布置、冻结过程、冻结时间、冻结系统、冻结设备、监 测等
3 冻结法原理与设计原则
冻结项目的设计工作 l 设计冻土体结构形式，需考虑如下因素 — 地质、水文地质条件 — 满足工程强度和/或密封需求 — 方便施工 — 节省投资 l 临时支护方法 — 纯冻结 — 与其它加固方法组合
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——形成冻土
1.2 冻结法简史 矿井建设
➢ 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
低温盐水在冻结器中流动，吸收 周围地层热量，形成冻结圆柱， 冻结圆柱逐渐扩大并连接成封闭 的冻结壁，直至达到其设计厚度 和强度。 通常将冻结壁扩展到设计厚度所 需的时间称为积极冻结期，将维 护冻结壁的期间称作消极（或维 护）冻结期。
吸收了地层热量的盐水，在盐水 箱内将热量传递给蒸发器中的液 氨，使液氨变为饱和蒸气氨，再 被氨压缩机（4）压缩成过热蒸 气进入冷凝器（7）冷却，将地 层和压缩机产生的热量传递给冷 却水，最后将这些热量传给大气 。
3 冻结法原理与设计原则
l 优选冻结方案 — 一次冻结 — 分期冻结
l 确定冻土体尺寸 — 确定外载荷 — 确定平均温度 — 试验冻土强度 — 计算冻土结构强度与稳定性
3 冻结法原理与设计原则
l 合理布置冻结管 — 确定布置方式：垂直、倾斜、水平、混合 — 确定冻结管深度 — 确定冻结管间距
l 选择冻结阶段的冻结过程 — 连续冻结、冻结温度 — 间歇冻结、冻结温度
—冻结站设备布置。一般站内布置氨循环系统和盐水循环系统，站 外布置冷却水循环系统
—冻结站安装程序。冻结站安装可与冻结孔钻进同时进行
—管路耐压密封试验。安装完毕，进行耐压、密封试验
—管路隔热保温。低压、低温部分隔热、保温，减少损失
—管路灌注制冷剂和冷媒剂
若设计用液氮冻结冻结，则 冻结站安装工作要简化得多
项目 制冷温度(℃)
地下水流速 (m/s)
制冷效率
常规冻结系统 -10 ～-35 5．7﹡10-5
30% ～ 50%
液氮冻结系统 -60 ～-150
不限
50%
冻土速度 土层 冷量估算
2cm/d
20cm/d
任何含水地层 任何含水地层
Q=1.3.π.d.H 460kg/ m3
3 冻结法原理与设计原则
3.1 冻结法设计
（4） 冻土体设计 ——冻土体中的力和应力
（5） 测量程序 ——变形和温度量测
必要的预研究项目
→ 冻结法的适宜性 → 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
→ 冻土体的理论尺寸
→ 工作的观测与控制 （采用特殊措施的判定基础）
3 冻结法原理与设计原则
3.2冻结施工步骤
一般地，用氨——盐水循环制冷系统进行土体冻结工程施工主要 有三大部分组成，即
——冻结站安装 ——冻结孔施工 ——土体冻结
3 冻结法原理与设计原则
冻结站安装
—冻结站位置选择。以供冷、电、水及排水方便为原则，考虑对环 境的影响以及消防、通风等安全要求，靠近工地
3 冻结法原理与设计原则
冻结孔施工 — 钻孔布置 — 冻结孔钻进 — 冻结孔测斜 — 冻结管安装
土体冻结 — 盐水流量观测 — 管路温差观测 — 土体温度观测 — 确定冻结时间
3 立井工程冻结法
3.1 概述
120年，含水、软弱、不稳定地层矿山立井建设的成熟技术
国外：
最大冻深(m)
1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
1 概述
我国情况 ➢ 70年代初，北京地铁冻结长90m，垂深
28m ➢ 1975年，沈阳地铁2号井 ➢ 上世纪80年代，东海拉尔水泥厂的上料仓基
坑；南通建筑物旁开挖的沉淀池工程 ➢ 1988年，凤台淮河大桥主桥墩基础工程 ➢ 1993年，上海地铁一线1个泵站和3个隧道
1 概述
1.3 工程应用简介
l 冻结时间确定 — 冻结速率 — 积极冻结时间 — 维护冻结时间 — 与岩土工程施工的衔接
l 冻结系统设计 — 选择制冷剂、冷媒剂 — 计算制冷量 — 制冷系统设计
l 冻结设备选型 — 选择制冷机组 — 布置冻结管路
l 监测设计 — 监测目的与内容（温度、变形、压力等） — 监测传感器 — 监测系统
通过流动气体在管系统中进行循环的方式，将地层中的热量 带出，从而制冷，最常用的是液氮（LN2）。
2 人工冻结制冷系统
2. 2液化气体系统（液氮）
采用液氮冻结时，直接将液氮从罐车中导入冻结管，循环气 化后排到大气中。在局部冻结工程或抢险工程中常采用液氮 冻结技术。
2 人工冻结制冷系统
2. 3 两种冻结系统比较
地下工程
➢ 1979年：美国，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
2 人工冻结制冷系统
2.1氨（氟利昂）－盐水冻结系统
盐水循环系统（冷媒剂循环）
冷媒剂是传递冷效应的物质，又称载冷剂。
氨循环系统（制冷系统）
通过相变循环实现制冷的物质
冷却水循环（冷却水循环）
将热量释放给大气
2.1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
1 概述
——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 概述
——冻土的形成
为构造高承载力和密封防水的冻土体，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。
在冻结法施工中，没有象喷射混凝土时的混凝土、板桩施 工时的钢板或注浆时的浆液材料那些附加物质进入地层。
冻结法不污染环境，是“绿色”施工方法
1 概述
——方法具备的优点
(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
930 915 860
638 634
702 620
550 531
英国 美国 波兰 比利时 加拿大 前苏联 法国 德国 中国
冻结法凿井利用氨循环制冷系统。 为形成能抵抗地压、隔绝地下水的 冻结壁，首先在欲开挖井筒周围钻 进一定数量冻结孔，安设冻结器。 冻结站制出的-25~-35℃低温盐水， 经去路盐水干管（12）、配液圈（ 13）到供液管底部、沿冻结管和供 液管之间的环形空间上升到回液管 、集液圈（15）、回路盐水干管（ 16）至蒸发器（2）——形成盐水 循环