冻结工程冻结法原理与设计原则

1、冻结法定义冻结法定义： 用用人工制冷人工制冷方法，将待开挖地下空间周围的土体中的水冻结方法，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为冰并与土体胶结在一起，形成一个按设计轮廓的冻土墙冻土墙或或密闭的冻土体，用以密闭的冻土体，用以抵抗土体压力、隔绝地下水抵抗土体压力、隔绝地下水，并在冻土，并在冻土墙保护下，进行地下工程施工的一种岩土特殊施工方法。墙保护下，进行地下工程施工的一种岩土特殊施工方法。3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则（一）人工地层冻结原理（一）人工地层冻结原理 制冷剂制冷剂制

2、冷有多种方式，冻结法通常是利用物质的相变，即由制冷有多种方式，冻结法通常是利用物质的相变，即由液液态态变为变为气态气态时的吸热过程来达到将土体中的水冷却、结时的吸热过程来达到将土体中的水冷却、结冰的目的。冰的目的。能通过相变循环实现制冷的物质称为能通过相变循环实现制冷的物质称为制冷剂制冷剂,制冷剂种类也制冷剂种类也较多，性能参数也有差异。较多，性能参数也有差异。3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则冻结制冷系统中一般采用冻结制冷系统中一般采用氨氨作为制冷工质。作为制冷工质。氨性质：氨性质：标准蒸发温度标准蒸发温度-33.35 最低蒸发温度可达最低蒸发温度可达-70 常温下冷凝压力

3、常温下冷凝压力1.47MPa，一般一般1.2MPa左右左右可按任何比例溶于水，每升水可溶可按任何比例溶于水，每升水可溶1300升氨，放出大量热量升氨，放出大量热量 一般规定氨中含水量不得超过一般规定氨中含水量不得超过0.2%。3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则优点：容积制冷量大，价格低廉，易得优点：容积制冷量大，价格低廉，易得缺点：氨蒸气无色，强烈刺激气味，有毒性。缺点：氨蒸气无色，强烈刺激气味，有毒性。 空气浓度达空气浓度达0.50.6%时，半小时人即中毒；时，半小时人即中毒；当浓度达当浓度达1114%时，可燃烧；时，可燃烧；当浓度达当浓度达1625%时，可引起爆炸。时，可

4、引起爆炸。适用：大、中型制冷机适用：大、中型制冷机3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则小型冻结制冷系统中一般采用小型冻结制冷系统中一般采用氟里昂氟里昂作为制冷工质。作为制冷工质。 氟里昂是饱和碳氢化合物的氟、氯、溴的衍生物的总称，氟里昂是饱和碳氢化合物的氟、氯、溴的衍生物的总称，目前主要用的是甲烷和乙烷的衍生物。目前主要用的是甲烷和乙烷的衍生物。氟里昂性质：蒸发温度较低，一般在氟里昂性质：蒸发温度较低，一般在-40-80之间；之间； 无毒、无味、安全、对金属腐蚀性小，热化学稳定性好。无毒、无味、安全、对金属腐蚀性小，热化学稳定性好。 价格昂贵，易泄漏且不易发现。价格昂贵，易泄漏

5、且不易发现。 单位容积的制冷量小，流动性差，比重较大。单位容积的制冷量小，流动性差，比重较大。名名 称称符号符号分子分子式式标准蒸发标准蒸发温度温度,临界温度临界温度, 临界压力临界压力,10-5Pa临界比容临界比容,m3/kg凝固温度凝固温度,氨氨R717NH3-33.35112.9112.94.4130-77.7二氧化碳二氧化碳R747CO2-78.5231.073.82.456-56.6二氧化硫二氧化硫R764SO2-10.01157.578.81.920-75.2氟里昂氟里昂R12R12CF2Cl2-29.80112.0441.21.793-155.0氟里昂氟里昂R40R40CH3Cl

6、-23.74143.166.82.700-97.6常用制冷剂性能参数常用制冷剂性能参数 3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则冷媒剂冷媒剂传递冷效应的物质，又称载冷剂。传递冷效应的物质，又称载冷剂。选用原则：冰点低、热容大、不腐蚀、价格低廉的物质选用原则：冰点低、热容大、不腐蚀、价格低廉的物质如如CaCl2溶液、溶液、NaCl溶液、乙醇、空气、氨、各种溶液、乙醇、空气、氨、各种卤化物。卤化物。 冻结法通常采用冻结法通常采用CaCl2溶液溶液作冷媒剂（常称为作冷媒剂（常称为盐水盐水）。）。氯化钙溶液性质：蒸发温度氯化钙溶液性质：蒸

7、发温度-25-35，溶液密度，溶液密度1.25 1.27g/cm3，波美度为波美度为2931Be，凝固温度凝固温度-34.6-42.63.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则制冷原理与制冷系统制冷原理与制冷系统1 氨制冷：氨制冷：氨为制冷剂，制冷系统由三个循环构成：氨为制冷剂，制冷系统由三个循环构成：l l 氨循环系统氨循环系统l l 盐水循环系统盐水循环系统l l 冷却水循环系统冷却水循环系统上述循环构成热泵，将地层热量通过制冷机排到大气中上述循环构成热泵，将地层热量通过制冷机排到大气中地层大气氨氨循循环环盐盐水水循循环环冷冷却却水水循循环环Q0 地层热量地层热量 L0 压缩作功

8、压缩作功QK 冷凝热量冷凝热量 9氨循环氨循环盐水循环盐水循环冷却水循环冷却水循环液态氨：液态氨：气态氨：气态氨：去油脂：去油脂：低温盐水：低温盐水：加热盐水：加热盐水：常温冷却水：常温冷却水：加热冷却水：加热冷却水：氨制冷循环：氨制冷循环：由蒸发器、氨压缩机、冷凝器和节流阀构成系统由蒸发器、氨压缩机、冷凝器和节流阀构成系统 饱和蒸气氨饱和蒸气氨(1) 压缩机压缩机等熵绝热等熵绝热压缩压缩 高温、高压过热蒸气氨高温、高压过热蒸气氨(2) 高温高压过热蒸气氨高温高压过热蒸气氨(2) 冷凝器冷凝器等压冷却等压冷却 高压常温液态氨高压常温液态氨(3) 高压常温液态氨高压常温液态氨(3) 节流阀节流阀

9、等焓降压等焓降压 低压液态氨低压液态氨(4) 低压液态氨低压液态氨(4) 蒸发器蒸发器等压蒸发等压蒸发，吸盐水热量，吸盐水热量 饱和蒸气氨饱和蒸气氨(1)周而复始循环，可获取周而复始循环，可获取-25左右的左右的低温盐水低温盐水一一级级压压缩缩制制冷冷原原理理二级压缩制冷原理二级压缩制冷原理-25低温盐水一般不能满足大型岩土工程的需要，若需要更低温盐水一般不能满足大型岩土工程的需要，若需要更低的蒸发温度低的蒸发温度二级压缩制冷二级压缩制冷本质：增加中间冷却器，用一级制冷蒸发温度冷却本质：增加中间冷却器，用一级制冷蒸发温度冷却3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则盐水循环：盐水循环

10、：将地层热量带到大气中的循环，在制冷过程中起热量传递作用将地层热量带到大气中的循环，在制冷过程中起热量传递作用一般采用氯化钙（一般采用氯化钙（CaCl2）溶液作为盐水。溶液作为盐水。盐水循环由盐水箱、盐水泵、盐水管路、集液圈、配液圈、冻盐水循环由盐水箱、盐水泵、盐水管路、集液圈、配液圈、冻结器等组成。结器等组成。其中，冻结器安设于预先钻进的冻结孔中，是低温盐水与地层其中，冻结器安设于预先钻进的冻结孔中，是低温盐水与地层进行热交换的换热器，由冻结管、供液管和回液管构成。进行热交换的换热器，由冻结管、供液管和回液管构成。3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则根据工程需要可以采用正、反

11、盐水循环系统根据工程需要可以采用正、反盐水循环系统l l 正循环：正循环：盐水由供液管进冻结管，在其中循环盐水由供液管进冻结管，在其中循环后，再由回液管返回盐水公路后，再由回液管返回盐水公路l l 反循环：反循环：方向与正循环恰好相反方向与正循环恰好相反一般用正循环，当需要先快速冻结上部地层时，一般用正循环，当需要先快速冻结上部地层时，可使用反循环。可使用反循环。通过设置在管路上的阀门进行正、反循环切换通过设置在管路上的阀门进行正、反循环切换供液管冻结管盐水回液管3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则如果说盐水循环是将地层的热量传给了氨循环，则冷却如果说盐水循环是将地层的热量传给

12、了氨循环，则冷却水循环是将热量释放给大气。水循环是将热量释放给大气。冷却水循环将压缩后的过热蒸气氨冷却为液态氨，以便冷却水循环将压缩后的过热蒸气氨冷却为液态氨，以便再蒸发。再蒸发。冷却水由水泵驱动，通过冷凝器进行热交换。冷却水由水泵驱动，通过冷凝器进行热交换。3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则经过上述循环，冻结管周围土体中温度将随时间而降低经过上述循环，冻结管周围土体中温度将随时间而降低温度 -10 0距离冻结管t1时刻冻结锋面t2时刻冻结锋面t0 t1 t2t0t1t2t1 t2 t3500mm），以防盐水中的沉淀物堵塞出口。（二）制冷设备3.3.2 冻结法原理与设计原则冻

13、结法原理与设计原则（三）冻结法设计原则（三）冻结法设计原则迄今为止，冻结土体设计尚无统一标准迄今为止，冻结土体设计尚无统一标准(规程、规程、DIN等等)若：若：(1) 遵循冻结法设计的基本原则遵循冻结法设计的基本原则(2) 充分了解和掌握冻结工程特殊边界条件、初始条件充分了解和掌握冻结工程特殊边界条件、初始条件同其他方法一样，冻结法可以达到技术可靠、经济合理同其他方法一样，冻结法可以达到技术可靠、经济合理3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则先期准备工作先期准备工作 在进行冻结设计之前，有必要评价：在进行冻结设计之前，有必要评价： 施工环境施工环境 地基的要求地基的要求 冻结方法

14、适应性等冻结方法适应性等 冻结设计的基础冻结设计的基础（1）在施工环境方面）在施工环境方面l l 环境环境允许允许竖向沉降竖向沉降和和水平位移水平位移的量值的量值l l 是否是否允许允许震动震动l l 允许噪声的大小允许噪声的大小l l 控制控制冻胀冻胀的范围和量值的范围和量值l l 冻结冻结钻进钻进的可能位置的可能位置l l 施工施工场地场地条件条件l l 施工施工工期工期和时间和时间3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则（2）在工程条件方面）在工程条件方面 l l 冻土体冻土体功能功能，(1)密封、密封、(2)承载或承载或(

15、3)密封和承载密封和承载 l l 冻土体冻土体形状形状与与尺寸尺寸 l l 地层地层特征、分层特征、分层 l l 地层地层初始温度初始温度及变化及变化 l l 土性：土性：粒径、密度、塑限与液限、含水量、饱和度粒径、密度、塑限与液限、含水量、饱和度 l l 土的土的热物理参数热物理参数，试验，试验3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则 l l 可能产生可能产生冻胀冻胀的土层，细粒土冻胀、融沉试验的土层，细粒土冻胀、融沉试验 l l 矿物质：矿物质：可融性及影响可融性及影响 l l 水水，地下水位、变化波动范围、流速、方向，地下水位、变化波动范围、流速、方向 l l 地下水地下水含

16、盐量含盐量 l l 冻土冻土强度强度和和变形变形性质性质（3）在技术方法方面在技术方法方面 冻结制冷方式，制冷机、液氮或其它冻结方式冻结制冷方式，制冷机、液氮或其它冻结方式 必要的预研究内容必要的预研究内容（1）土工性质）土工性质（2）冻土性质）冻土性质（3）环境评价）环境评价（4）冻土设计）冻土设计（5）冻土监测）冻土监测3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则（1） 土工性质土工性质内容：内容：矿物种类矿物种类密度密度含水量含水量饱和度饱和度渗透性渗透性孔隙率孔隙率物理状态指标物理状态指标目的：目的：评价冻结法的适宜性和可能性评价冻结法的适宜性和可能性考虑可能的冻结方式考虑可能

17、的冻结方式3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则（2） 冻土性质冻土性质内容：内容：蠕变试验蠕变试验三轴试验三轴试验冻胀试验冻胀试验目的：目的：掌握与时间、温度和荷载有关的强度和变形性质掌握与时间、温度和荷载有关的强度和变形性质 建立冻结设计的基础建立冻结设计的基础3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则（3） 环境评价环境评价内容：内容：上部建筑上部建筑工场管线工场管线交通道路交通道路周围建筑周围建筑目的：目的：了解变形（冻胀、融沉）的控制要求了解变形（冻胀、融沉）的控制要求确定冻结方式、冻结方案确定冻结方式、冻结方案3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计

18、原则（3） 冻土设计冻土设计内容：内容：冻土体中温度及变化冻土体中温度及变化冻土体中应力及分布冻土体中应力及分布目的：目的：计算冻土体的理论尺寸计算冻土体的理论尺寸3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则（4） 冻土监测冻土监测内容：内容：冻土及未冻土区域的应力、变形和温度量测冻土及未冻土区域的应力、变形和温度量测目的：目的：工程环境的观测与控制工程环境的观测与控制采用特殊措施的决策基础采用特殊措施的决策基础3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则设计工作内容设计工作内容进行一项技术可行、经济合理的冻结工程的前提是在施

19、工前进行一项技术可行、经济合理的冻结工程的前提是在施工前进行冻结设计。进行冻结设计。工程意义上的冻结项目的设计工作包括：工程意义上的冻结项目的设计工作包括： 冻结方案、冻结管布置；冻结方案、冻结管布置； 冻土结构、尺寸、支护、冻土结构、尺寸、支护、 冻结过程、时间、系统、设备冻结过程、时间、系统、设备 冻结监测，等冻结监测，等 3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则冻结项目的设计工作冻结项目的设计工作l l 设计冻土体结构形式设计冻土体结构形式 地质、水文地质条件地质、水文地质条件 满足工程强度和满足工程强度和/或密封需求或密封需求 方便工程施工方便工程施工 节省工程投资节省工程

20、投资l l 设计临时支护方法设计临时支护方法 纯冻结维护纯冻结维护 与其它方法结合与其它方法结合3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则l l 优选冻结方案优选冻结方案 一次冻结一次冻结 分期冻结分期冻结l l 确定冻土体尺寸确定冻土体尺寸 确定外载荷确定外载荷 确定平均温度确定平均温度 试验冻土强度试验冻土强度 计算冻土结构强度与稳定性计算冻土结构强度与稳定性l l 布置冻结管布置冻结管 确定布置方式：垂直、倾斜、水平、混合确定布置方式：垂直、倾斜、水平、混合 确定冻结管深度确定冻结管深度 确定冻结管间距确定冻结管间距l l 确定冻结过程确定冻结过程 连续冻结、冻结温度连续冻结、冻结温度 间歇冻结、冻结温度间歇冻结、冻结温度l l 确定冻结时间确定冻结时间 冻结速率冻结速率 积极冻结时间积极冻结时间 维护冻结时间维护冻结时间 与工程施工衔接与工程施工衔接 l l 设计冻结系统设计冻结系统 选择制冷剂、冷媒剂选择制冷剂、冷媒剂 计算制冷量计算制冷量设计制冷系统设计制冷系统l l 设备选型设备选型 选择制冷机组选择制冷机组 布置冻结管路布置冻结管路l l 设计监测设计监测 监测目的与内容（温度、变形、压力等）监测目的与内容（温度、变形、压力等） 监测传感器监测传感器 监测系统监测系统3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则冻结施工步骤冻结施