人工冻结技术
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地基处理技术 Technical of Soil Improvement
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Artificially ground freezing method
人工冻结技术
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人工冻结技术
1.冻结法应用的回顾与发展趋势 2.岩土的冻结过程 3.冻土的物理力学特性 4.矿山的冻结法施工技术
主要特点
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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。
四.冻土热容量
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单位体积土体温度改变1℃所需要的热量称作热容量， 其单位kJ/m3.K
Cu Cdu u
C f C fu f
Cdf
Csu wCw Cdu 1 w
Csf ( w wu )Ci wu Cw 1 w
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我国的人工地层冻结技术始于1955年，首次在开滦林西风井 应用，并一举获得了成功。随后，冻结法在煤矿井筒施工中得 到了普遍的应用。冻结法在我国应用已达50年，据不完全统计 利用冻结法开凿的煤矿井筒已达到了500多个，累计长度超过 80km，在工程实践中积累了丰富的实践经验‘”。
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冻土的形成过程
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2）含水量的影响
实验证明，岩土中的含水量对 抗压强度影响甚大。当岩土中的 含水量未达饱和之前，抗压强度 随含水量增加而增高，但含水量 达饱和之后，含水量增加时，冻 土的抗压强度反而降低。
3）岩土类型（颗粒）的影响 岩土矿物成分对冻土抗压强度影响甚小，而岩土颗粒则影响显 著。实践证明，岩土颗粒越大，在相同冻结温度条件下，其抗 压强度就大。
Q FT h
三.导温系数：
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又称热扩散系数，指土中某一点在其相邻点温度变化时，改 变自身温度能力的指标,单位(m2/h)。是研究温度场变化的基本 热学指标，主要取决于土的成分，含水量，密度参数，其变化 规律与导热系数相似。
CM s
2.冻土的力学性质
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1.冻土抗压强度；冻土所能承受的最大压应力。
计算人工冻结法挖掘的竖井和基坑冻土墙强度等具有重要的意义。 1）温度对冻土抗压强度的影响
冻土的抗压强度随冻土温度 的降低而增大，主要是因为温 度降低导致冻土中的不冻水含 量减少，相对含冰量增加，使 岩土颗粒间的胶结力增强。
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工程应用情况
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早在19世纪80年代，英国工程师南威尔士就成功地运用了 人工冻结技术来加固土壤。1880年德国工程师波茨舒 (F.H.Poetsch)提出了人工冻结法原理并获得了专利，1883 年首次将该技术应用于德国阿尔巴里德煤矿井筒施工(冻结 深度为103m)，并获得了成功。 在此后的17年里，人工冻结法用于矿山施工达到60次以上。 该方法同时很快地被推广到城市土木工程施工中， 例如:1886年瑞典24m长的人行隧道建设工程; 1906年横断法国塞纳一马恩省河底的地铁工程; 1942年巴西26层大厦不均匀下沉的调整; 1968年英国一上水管渠遂道工程;1973年美国湖底取水 竖井安装工程等。
5.交通土建工程中的冻结法施工技术
人工冻结技术 （Artificially ground freezing method)
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冻结法施工技术： 指在复杂水文地质条件下掘进各类地下工程时，在其 四周建造临时冻结壁，以保证不稳定的饱和土体在掘进 施工中稳定性的方法。适用于开挖竖井，地铁隧道，深 基坑支护及其他岩土工程建设中是利用。 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 650m，冻结表土层最大厚度达567.7m。
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二.导热系数：
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每单位温度梯度下单位时间内通过的单位面积土体的热量称 作导热系数。它是反映冻土传热快慢的指标。 主要取决于土的成分，含水量，密度和温度，并与土的结构有 关。冻土和融土的导热系数均与干密度近似直线关系。干密度 相同时，随总含水量和含冰量的增大而增大；干密度和含水量 相同时，粗颗粒土比细颗粒大，随负温降低而缓缓增大。
人工地层冻结法除了在煤矿立井凿井工程中得到了大量应用 以外，我国在城市地铁工程的旁通道施工、盾构掘进机进出洞 施工、桥墩基础施工等工程中也大量应用冻结法技术。 20世纪70年代以来我国先后将冻结法应用到北京地铁、沈阳 地铁2#线、上海地铁1#线、广州地铁、深圳地铁、南京地铁等 旁通道施工; 在上海地铁1#线延安东路隧道盾构进出口、广州 地铁中山纪念堂车站、南京地铁张府园车站等的施工中也采用 了冻结法施工:
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2.岩土的冻结过程
冻土的形成过程，实际 上是土中的水结冰并胶结 固体颗粒的过程。
1.冷却段：向土层传递冷量后， 土体逐步降温至水的冰点 2.过冷段：土体温度降到零度 以下，但自由水仍为结冰，产 生水的过冷现象。
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3.温度突变段：水过冷后，一旦开始结晶你就会放出结晶潜热，使温度迅速 上升。 4.冻结段：温度升至零度或零度或其附近稳定下来，土体空隙中的水发生结 冰过程，使土颗粒胶结形成冻土。 5.冻土的继续冷却段：随着温度的降低，冻土的强度逐渐提高。
3.冻土的物理力学性质
冻土的热物理力学性质 一.比热：
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1.质量比热：使1kg的冻土温度改变I℃所需热量。KJ/（kg.K) 2.容积比热：单位体积的冻土温度变化1℃所需热量。KJ/（m3.K)
CM
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4.矿山冻结法施工技术
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在井简开挖以前，在井筒周围钻造一圈或数圈钻孔，并在钻 孔内下放冻结管(冻结器)，利用人工制冷的方法，降低盐水 〔冷媒剂)温度，通过低温盐水在冻结管内循环吸收地层热量， 使地层形成一个连续、封闭的冻土结构— 冻结壁(冻土墙)，以 抵抗地层的水土压力，隔绝地下水与井简开挖工作面的联系， 在冻结壁的保护下进行井筒施工。 冻结法的实质是将天然岩土中的水冻结成冰，使天然岩土变 成冻土，实现了可靠的隔水目的，从而大大提高了土体自身的 强度和稳定性。 冻结法在矿井建设中多用于竖井的开凿，也用于其他地下工 程的不稳定地层或含水极丰富的裂隙岩层施工。通常地下水含 盐量不大，且地下水流速较小时，均可使用冻结法，在卵石， 砂砾层，粗颗粒砂中冻结速度最快；在亚砂土，中颗粒与细颗 粒砂中稍慢，在亚粘土与粘土中最慢。
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2.冻土的抗拉强度 是指冻土所能承受的最大拉应 力。影响抗拉强度因素基本相 同于冻土抗压强度的因素。试 验采用劈裂法进行。 3）冻土的抗剪强度
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2P t Dh
是指在一定的应力条件下所 能承受的最大剪应力。随着 冻土上荷载作用历时的延长， 冻土中的冰特别是矿物颗粒 接触点处的冰，产生缓缓塑 流而具有流变性，从而导致 冻土强度随荷载作用持续时 间的延长而降低。
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在桥墩基础工程施工中也有一些应用，比如;凤台斜拉桥桥墩 基础施工(1988年)、广州丫髻沙大桥桩基处理工程(1999年)、 湖口大桥东塔桩基(1998年)、润扬大桥南锚特大深基坑(基础尺 寸为70.5mx52.5mx29m，并创造了冻结一排桩工法)等; 冻结法还在建筑基坑开挖中得到了应用，比如东海拉尔水泥 厂开挖上料仓基坑、南通钢厂沉淀池基坑等。 人工地层冻结法具有独特的隔水效果、适应任何复杂地质条 件、使用灵活等特点，越来越受到岩土工程界的重视，并广泛 的被应用于复杂的岩土工程施工中。 1998年在北京地铁国贸桥车站东侧的南隧道，采用水平冻结 方案(长度45m)取得成功。随即上海地铁2号线的4个旁通道采用 地层水平冻结和暗挖施工，解决了重要建筑物、交通要道和黄 浦江下连通道暗挖施工的技术难题。 2000年广州地铁工程中海珠广场站至公园前站区间广东贸易 中心附近隧道、越秀地铁车站施工的相继成功等等.
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进入20世纪90年代后，国际上对人工地层冻结技术的应用更为广泛. 例如:1991年西班牙巴伦西亚地铁建设中，大量的采用了冻结法 施工，并获得好评; 美国威斯康森州米尔沃基市在建设输洪大直径深隧道含多种复杂 地层的一段50m深竖井时，利用传统的支护方法出现了许多问题， 因此，采用冻结法形成一个直径为6.1m的冻土围堰，并控制了冻土 围堰的变形，达到了支护和止水效果; 德国Dusseldorf市中心火车站附近地铁隧道要经过几座居民区建 筑和闹市街道，隧道顶部与建筑基础只有很小一段距离，在三段各 40m长的隧道施工中使用了人工冻结法，其中两条挖掘断面为45m2， 冻土挡墙的厚度为1.5m，另一条挖掘断面为96m2时，冻土挡墙厚度 为2.2m,整个工程施工获得了成功; 日本名古屋在建造一地下输电隧道时，需垂直连接两个不同直径 的隧道，在连接处成功地应用了人工冻结法，整个工程历时323天; 等等
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1.冻结法应用的回顾与发展趋势 2.岩土的冻结过程 3.冻土的物理力学特性 4.矿山的冻结法施工技术
主要特点
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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。
四.冻土热容量
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单位体积土体温度改变1℃所需要的热量称作热容量， 其单位kJ/m3.K
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我国的人工地层冻结技术始于1955年，首次在开滦林西风井 应用，并一举获得了成功。随后，冻结法在煤矿井筒施工中得 到了普遍的应用。冻结法在我国应用已达50年，据不完全统计 利用冻结法开凿的煤矿井筒已达到了500多个，累计长度超过 80km，在工程实践中积累了丰富的实践经验‘”。
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2）含水量的影响
实验证明，岩土中的含水量对 抗压强度影响甚大。当岩土中的 含水量未达饱和之前，抗压强度 随含水量增加而增高，但含水量 达饱和之后，含水量增加时，冻 土的抗压强度反而降低。
3）岩土类型（颗粒）的影响 岩土矿物成分对冻土抗压强度影响甚小，而岩土颗粒则影响显 著。实践证明，岩土颗粒越大，在相同冻结温度条件下，其抗 压强度就大。
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三.导温系数：
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又称热扩散系数，指土中某一点在其相邻点温度变化时，改 变自身温度能力的指标,单位(m2/h)。是研究温度场变化的基本 热学指标，主要取决于土的成分，含水量，密度参数，其变化 规律与导热系数相似。
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2.冻土的力学性质
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1.冻土抗压强度；冻土所能承受的最大压应力。
计算人工冻结法挖掘的竖井和基坑冻土墙强度等具有重要的意义。 1）温度对冻土抗压强度的影响
冻土的抗压强度随冻土温度 的降低而增大，主要是因为温 度降低导致冻土中的不冻水含 量减少，相对含冰量增加，使 岩土颗粒间的胶结力增强。
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早在19世纪80年代，英国工程师南威尔士就成功地运用了 人工冻结技术来加固土壤。1880年德国工程师波茨舒 (F.H.Poetsch)提出了人工冻结法原理并获得了专利，1883 年首次将该技术应用于德国阿尔巴里德煤矿井筒施工(冻结 深度为103m)，并获得了成功。 在此后的17年里，人工冻结法用于矿山施工达到60次以上。 该方法同时很快地被推广到城市土木工程施工中， 例如:1886年瑞典24m长的人行隧道建设工程; 1906年横断法国塞纳一马恩省河底的地铁工程; 1942年巴西26层大厦不均匀下沉的调整; 1968年英国一上水管渠遂道工程;1973年美国湖底取水 竖井安装工程等。
5.交通土建工程中的冻结法施工技术
人工冻结技术 （Artificially ground freezing method)
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冻结法施工技术： 指在复杂水文地质条件下掘进各类地下工程时，在其 四周建造临时冻结壁，以保证不稳定的饱和土体在掘进 施工中稳定性的方法。适用于开挖竖井，地铁隧道，深 基坑支护及其他岩土工程建设中是利用。 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 650m，冻结表土层最大厚度达567.7m。
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二.导热系数：
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每单位温度梯度下单位时间内通过的单位面积土体的热量称 作导热系数。它是反映冻土传热快慢的指标。 主要取决于土的成分，含水量，密度和温度，并与土的结构有 关。冻土和融土的导热系数均与干密度近似直线关系。干密度 相同时，随总含水量和含冰量的增大而增大；干密度和含水量 相同时，粗颗粒土比细颗粒大，随负温降低而缓缓增大。
人工地层冻结法除了在煤矿立井凿井工程中得到了大量应用 以外，我国在城市地铁工程的旁通道施工、盾构掘进机进出洞 施工、桥墩基础施工等工程中也大量应用冻结法技术。 20世纪70年代以来我国先后将冻结法应用到北京地铁、沈阳 地铁2#线、上海地铁1#线、广州地铁、深圳地铁、南京地铁等 旁通道施工; 在上海地铁1#线延安东路隧道盾构进出口、广州 地铁中山纪念堂车站、南京地铁张府园车站等的施工中也采用 了冻结法施工:
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2.岩土的冻结过程
冻土的形成过程，实际 上是土中的水结冰并胶结 固体颗粒的过程。
1.冷却段：向土层传递冷量后， 土体逐步降温至水的冰点 2.过冷段：土体温度降到零度 以下，但自由水仍为结冰，产 生水的过冷现象。
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3.温度突变段：水过冷后，一旦开始结晶你就会放出结晶潜热，使温度迅速 上升。 4.冻结段：温度升至零度或零度或其附近稳定下来，土体空隙中的水发生结 冰过程，使土颗粒胶结形成冻土。 5.冻土的继续冷却段：随着温度的降低，冻土的强度逐渐提高。
3.冻土的物理力学性质
冻土的热物理力学性质 一.比热：
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1.质量比热：使1kg的冻土温度改变I℃所需热量。KJ/（kg.K) 2.容积比热：单位体积的冻土温度变化1℃所需热量。KJ/（m3.K)
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4.矿山冻结法施工技术
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在井简开挖以前，在井筒周围钻造一圈或数圈钻孔，并在钻 孔内下放冻结管(冻结器)，利用人工制冷的方法，降低盐水 〔冷媒剂)温度，通过低温盐水在冻结管内循环吸收地层热量， 使地层形成一个连续、封闭的冻土结构— 冻结壁(冻土墙)，以 抵抗地层的水土压力，隔绝地下水与井简开挖工作面的联系， 在冻结壁的保护下进行井筒施工。 冻结法的实质是将天然岩土中的水冻结成冰，使天然岩土变 成冻土，实现了可靠的隔水目的，从而大大提高了土体自身的 强度和稳定性。 冻结法在矿井建设中多用于竖井的开凿，也用于其他地下工 程的不稳定地层或含水极丰富的裂隙岩层施工。通常地下水含 盐量不大，且地下水流速较小时，均可使用冻结法，在卵石， 砂砾层，粗颗粒砂中冻结速度最快；在亚砂土，中颗粒与细颗 粒砂中稍慢，在亚粘土与粘土中最慢。
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是指在一定的应力条件下所 能承受的最大剪应力。随着 冻土上荷载作用历时的延长， 冻土中的冰特别是矿物颗粒 接触点处的冰，产生缓缓塑 流而具有流变性，从而导致 冻土强度随荷载作用持续时 间的延长而降低。
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在桥墩基础工程施工中也有一些应用，比如;凤台斜拉桥桥墩 基础施工(1988年)、广州丫髻沙大桥桩基处理工程(1999年)、 湖口大桥东塔桩基(1998年)、润扬大桥南锚特大深基坑(基础尺 寸为70.5mx52.5mx29m，并创造了冻结一排桩工法)等; 冻结法还在建筑基坑开挖中得到了应用，比如东海拉尔水泥 厂开挖上料仓基坑、南通钢厂沉淀池基坑等。 人工地层冻结法具有独特的隔水效果、适应任何复杂地质条 件、使用灵活等特点，越来越受到岩土工程界的重视，并广泛 的被应用于复杂的岩土工程施工中。 1998年在北京地铁国贸桥车站东侧的南隧道，采用水平冻结 方案(长度45m)取得成功。随即上海地铁2号线的4个旁通道采用 地层水平冻结和暗挖施工，解决了重要建筑物、交通要道和黄 浦江下连通道暗挖施工的技术难题。 2000年广州地铁工程中海珠广场站至公园前站区间广东贸易 中心附近隧道、越秀地铁车站施工的相继成功等等.
Henan Polytechnic Universi ty
进入20世纪90年代后，国际上对人工地层冻结技术的应用更为广泛. 例如:1991年西班牙巴伦西亚地铁建设中，大量的采用了冻结法 施工，并获得好评; 美国威斯康森州米尔沃基市在建设输洪大直径深隧道含多种复杂 地层的一段50m深竖井时，利用传统的支护方法出现了许多问题， 因此，采用冻结法形成一个直径为6.1m的冻土围堰，并控制了冻土 围堰的变形，达到了支护和止水效果; 德国Dusseldorf市中心火车站附近地铁隧道要经过几座居民区建 筑和闹市街道，隧道顶部与建筑基础只有很小一段距离，在三段各 40m长的隧道施工中使用了人工冻结法，其中两条挖掘断面为45m2， 冻土挡墙的厚度为1.5m，另一条挖掘断面为96m2时，冻土挡墙厚度 为2.2m,整个工程施工获得了成功; 日本名古屋在建造一地下输电隧道时，需垂直连接两个不同直径 的隧道，在连接处成功地应用了人工冻结法，整个工程历时323天; 等等