冻结在工程上应用ppt

1、市政工程市政工程冻结理论和实践的若干问题冻结理论和实践的若干问题 单单 位：中国矿业大学位：中国矿业大学报报 告告 人：岳丰田人：岳丰田时时 间：间：2005年年9月月提纲提纲l一一 人工冻结制冷系统人工冻结制冷系统l二二 冻结法在市政工程中的应用冻结法在市政工程中的应用l三三 冻土物理力学性质冻土物理力学性质l四四 土体冻结基本理论土体冻结基本理论q 冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水冻结，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行隧道、立井和地下工程开挖与衬砌的施工技术。l 其实质是利用人工制冷技术临时改变岩土的状态以固结地层。l 应用

2、范围：矿井建设、地基基础、水利工程、河底隧道、地下铁道等地下工程中。l 适用条件：遇到不稳定地层或含水量丰富的裂隙岩层，只要地下水含盐量不大，而且流速较小（1710-3m/s），采用冻结法阻断地下水、固结地层容易获得成功。一一 人工冻结制冷系统人工冻结制冷系统 一一 人工冻结制冷系统人工冻结制冷系统 1 氨（氟利昂）盐水冻结系统（氨（氟利昂）盐水冻结系统（Brine System）；）； 2 液化气体系统（液氮）（液化气体系统（液氮）（Liquefied Gas System， Liquid Nitrogen） 3 二氧化碳（干冰，二氧化碳（干冰，CO2）；）； 4 混合冻结系统（盐水混合冻结

3、系统（盐水+干冰；盐水干冰；盐水+液氮）。液氮）。 四种主要的制冷系统四种主要的制冷系统 l盐水循环盐水循环-盐水吸收地层热量，在盐水箱内将盐水吸收地层热量，在盐水箱内将热量传递给蒸发器中的液氨热量传递给蒸发器中的液氨l氨循环氨循环-液氨变为饱和蒸气氨，再被氨压缩机液氨变为饱和蒸气氨，再被氨压缩机压缩成过热蒸气进入冷凝器冷却，高压液氨从冷凝压缩成过热蒸气进入冷凝器冷却，高压液氨从冷凝器经贮氨器，经节流阀流入蒸发器液氨在蒸发器中器经贮氨器，经节流阀流入蒸发器液氨在蒸发器中气化吸收周围盐水的热量气化吸收周围盐水的热量l冷却水循环冷却水循环-冷却水在冷却水泵，冷凝器和冷却水在冷却水泵，冷凝器和管路中

4、的循环叫冷却水循环。将地热和压缩机产生管路中的循环叫冷却水循环。将地热和压缩机产生的热量传递给大气。的热量传递给大气。l 1 氨（氟利昂）盐水冻结系统（氨（氟利昂）盐水冻结系统（Brine System）；）； 氨（氟利昂）盐水冻结系统原理图氨（氟利昂）盐水冻结系统原理图 2 液化气体系统（液氮）利用液氮的潜热实现地层冻结液化气体系统（液氮）利用液氮的潜热实现地层冻结一个大气压下气化潜热197.6KJ/Kg。氮的显热为1.05KJ/（Kg.K）液氮冻结原理图3 二氧化碳（干冰，二氧化碳（干冰，CO2）制冷制冷l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、

5、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/(kgK)。 4. 混合系统混合系统,盐水液氮混合冻结较多采用盐水液氮混合冻结较多采用, ,前前 期用液氮快速冻结期用液氮快速冻结, ,后期用盐水维持。后期用盐水维持。 5. 5. 四种系统的适用范围，设备容量和主要四种系统的适用范围，设备容量和主要 技术指标技术指标 l5. 5. 四种系统的适用范围，设备容量和主四种系统的适用范围，设备容量和主要要l 技术指标技术指标l（1 1）盐水系统）盐水系统l 制冷温度：-10 -35 l 土层：任何含水地层l

6、 地下水流速：1710-3m/s l 冷量估算 ：Q=1.3.d.H.Kl 制冷效率 ：30% 50%l 冻土速度 ：2cm/dll 5. 5. 四种系统的适用范围，设备容量和主要四种系统的适用范围，设备容量和主要 技术指标技术指标（2 2）液氮系统）液氮系统 制冷温度：-60 -150 土层：任何含水地层 地下水流速：不限 冷量估算 ： 460kg/ m3 制冷效率 ：50% 冻土速度 ：20cm/d 配备储气罐：大于5000升5. 5. 四种系统的适用范围，设备容量和主要四种系统的适用范围，设备容量和主要 技术指标技术指标（3 3）干冰系统）干冰系统 制冷温度：-20 -70 土层：任何含

7、水地层表面 地下水流速：不能有动水 冷量估算 ： 600kg/ m3 制冷效率 ：70% 冻土速度 ：10cm/d5. 5. 四种系统的适用范围，设备容量和主要四种系统的适用范围，设备容量和主要 技术指标技术指标（4 4）混合系统）混合系统 制冷温度：-40 -70 土层：任何含水地层 地下水流速：少量动水 冷量估算 ： Q=1.3.d.H.K 制冷效率 ：60% 冻土速度 ：3cm/d 盐水加入乙二醇在+15时 凝固温度 密度波美度浓度1.2124.121.9-21.21.2225.122.8-23.31.2326.123.8-25.71.2427.124.7-28.31.2528.125.

8、7-31.21.2529.026.6-34.61.2629.927.5-38.61.2730.828.4-42.61.2831.729.4-50.11.2032.229.9-55.0l盐水溶液的凝固点取决于盐的浓度，在一定范围内浓度增加则凝固点下降，当浓度增大到某个值时，凝固点反而升高。随着浓度的增加，存在一个最低的凝固温度，该温度叫共晶点，此时的浓共晶点，此时的浓度叫共晶浓度度叫共晶浓度。l如氯化钠水溶液的共晶浓度为23.1；氯化钙水溶液共晶浓度为29.9，共晶温度为选择水浓度时，一般使它对应的凝固点比制冷剂蒸发温度低。 l溶液浓度除用密度表示外，还可以用波美度表示，符号“oBe”表示浓度单

9、位。波美度的定义为：l oBe=145(-1)/ l式中 盐水的密度g/cm3,当=1 g/cm3时，oBe=0。6 冻结法的优缺点l优点:l万能的施工方法、强度可控、防水性好、适合地层广泛、绿色环保。l缺点：l冻胀和融沉l价格昂贵二二 冻结法在市政工程中的应用冻结法在市政工程中的应用 1 冻结法在浅基坑上的应用2 冻结法在深基坑上的应用3 冻结法在隧道穿越透水、破碎岩层上的应用广州市轨道交通三号线天河客运站折返线l广州市轨道交通三号线天河客运站折返线及风道位于广州市天河区广汕公路。折返线斜穿广汕公路和沙河立交桥，风道在折返线北端。附近有新天河商贸城和天河汽车客运站。l广汕公路是连接广州与汕头

10、、增城之间的重要交通干道，交通繁忙，不能封路施工。因此采用暗挖法施工，隧道顶面距离地表最小约为8m，最大开挖跨度约为13.4m。折返线双线隧道地层冻结长度约为140.8m，采用全断面帷幕冻结l双线隧道净断面为马蹄形，隧道净高9146mm，净宽11400mm。双线隧道北端左、右轨面绝对标高为7.987m。双线隧道断面上部为R5256mm的半圆，腰部曲率断面半径均为R2600mm，底部仰拱曲率断面半径分别为R9130。隧道临时支护为厚350mm的C20网喷混凝土，内衬为C30厚450mm的现浇钢筋混凝土。折返线暗挖隧道分段冻结壁交圈示意图折返线暗挖隧道分段冻结壁交圈示意图折返线暗挖隧道分段冻结壁交

11、圈示意图4 冻结法用作切断地下水与开挖面之间的联系l下图是美国西部的科罗拉多州建立一个最新型的铁路-煤-汽车卸载设施，需开挖一个深26英尺的T型基坑。该处的土质较差，主要由砂、砂砾、鹅卵石等构成，工程首先采用了传统的施工方法，但是因无法解决地下水流入的问题而面临停工。后采用冻结法在欲开挖的土体四周形成了一个T字形的深33英尺、厚4英尺总长500英尺的冻土墙，来切断外部水分的侵入。 5 冻结法用于修复出故障的掘进机器等 l下图为美国西雅图的金属管道修复工程。直径7英尺埋深20英尺的波形排水管道发生损坏。该管道损坏处的上部覆有松软的砂土，而且位于两条铁路轨道之间，距离两旁的轨道10英尺。为了防止管

12、道修复过程中轨道发生沉降，工程采用了冻结法将管道周围土体加固。工人从旁边的检修孔进入波形管内进行修复。6 现有建筑物周围的地基加固l下图为在美国华盛顿某变电站周围的土体受到碳氢化合物的污染而必须立即挖走。但是该处土体为流砂，且距离建筑物距离较近，先前的开挖方法造成了变电站下部地基的破坏，而且土体周围有通向变电站的输水隧道。工程采用了冻结技术来保持周围土体的稳定，并切断工作面与外界之间的水力联系。该工程顺利完成，没有对周围建筑造成破坏。7 冻结法用于道路的路基加固l美国最大的地下结构将于2005全部完工的波士顿中心隧道工程共包括一条通往南部海湾的铁道及其下部3条隧道的建设，三条隧道需从上部有每天

13、300辆去南部车站的通勤列车经过的路轨下面穿过。隧道宽80英尺，高38英尺，矩形截面，采用顶进技术施工。隧道顶部与路轨之间有一层深40英尺高的土体。施工过程遇到了在隧道顶进过程中无法对上部土层进行支护的技术难题。工程采用了冻结法将该层土体加固。美国波士顿中心隧道工程1-90/1-93州际高速交叉处穿越段冻结工程8 冻结法用于边坡加固9 盾构隧道等的地下对接盾构隧道等的地下对接l下图为美国华盛顿的一个管道搭接工程。工程需要修建一个直径为4英尺的管道，搭接到一个埋身26英尺、直径11英尺的排水管道中。工程周围的土体为湿砂及淤泥，为了保证在管道搭接过程中有稳定且干燥的工作环境，采用了冻结法形成冻土帷

14、幕来防止周围水分的流入。10 地铁下、建筑物下等冻结施工地铁下、建筑物下等冻结施工 l（1）波士顿公路隧道穿越l下图为美国耗资16亿美元、历时20年建成的波士顿公路隧道的一部分。隧道首次同时采用了新奥法和冻结法技术。325英尺长的双拱隧道，直径27英尺，必须从有100年历史的俄罗斯码头大楼下面穿过，码头大楼底部为45英尺长的木桩基础。为了保障该大楼的安全，在穿越之前对该大楼下部的土体进行了冻结法加固，冻土拱棚厚度2米3米。（2）上海市轨道交通明珠线二期工程上体场车站穿越l上海市轨道交通明珠线二期工程上体场车站穿越地铁一号线上体馆站段与地铁一号线斜交成约79，方向大致为由东向西。穿越段结构由相邻

15、的上行线隧道（北通道）、二线换乘通道和下行线隧道（南通道）三部分组成，结构横截面尺寸约为高5.74m宽21.45m，因设计变更取消换乘通道，实际只施工南通道和北通道，穿越段顶面紧贴地铁一号线车站站底板，穿越段结构顶部绝对标高约为-10.08m，底板底标高约为-15.82m，地面绝对标高为4.19m。穿越段总长度约22.6m。该工程采用矿山法开挖，冻结法加固地层。冻土帷幕一号线车站底板南线隧道北线隧道主冻结孔辅冻结孔加热孔(兼作冻结孔)(3) 日本大阪平野川河下管道工程冻结防护日本大阪平野川河下管道工程冻结防护l盐水系统，水平冻结、垂直和蛇形管冻结l为河道下2m处铺设2道水下管21050mm，土

16、 层为软弱粉土、砂，渗透系数很大l河床下布置蛇形冻结排管，以形成冻土板。另外 在管道外围布置冻结管形成环状封闭冻土体。垂 直冻结以形成冻土护岸l为了冻结孔施工在河两侧开凿工作井，深度 8.75m(3)水体下冻结工程水体下冻结工程(3) 水体下冻结工程水体下冻结工程(3) 水体下冻结工程水体下冻结工程11 盾构进、出洞冻结法l （1）上中路大直径盾构出洞冻结l上中路越江隧道采用大直径泥水平衡盾构,外径14.87m，盾构长度12.6m。出洞口中心标高-11.35m，洞口中心埋深16.25m。工作井净宽43.6m,盾构中心离工作井侧墙中心10.8m。钢筋混凝土槽壁厚度1.2m，盾构出洞后下行坡度为4

17、.5%。（2）南京地铁张府圆站北端头井盾构出洞液氮冻结l采用全断面局部冻结，单排冻结孔，地面以下6.5m不冻结，冻结孔数13个，冻结孔中心间距675mm，边对边距离516mm，冻结孔深度16m，冻结管采用159*7mm无缝钢管，材质为20#低碳钢。地面布置温度监测孔2个，出洞口壁面布置测温孔46个见下图。(3) 日本千叶县盾构在私铁国道和管道下进洞加固日本千叶县盾构在私铁国道和管道下进洞加固l盐水水平和垂直冻结l盾构隧道距铁道基础7.5m，盾构直径3.14ml施工土层为砂性土l水平圆筒型冻土，冻土长度26m，冻土体积 670m，冷冻机75KWl洞口槽壁前冻成冻土板块1 铁道下冻结工程 4 宜山

18、路3#盾构进洞辅助冻结12 地铁泵站和旁通道建设地铁泵站和旁通道建设l上海大连路隧道工程连接通道，二个连接通道均位于黄浦江底下，两个连接通道相距约400m，位于浦东岸边的通道二，隧道中心间距27.6m。位于浦西的通道一隧道中心间距33.26m，隧道间高差2.91m，净距约22.31m。见下图（1）日本东京麻布共同沟神谷町和环）日本东京麻布共同沟神谷町和环2两分支两分支接头部位扩大工程接头部位扩大工程 冻结管、测温管和冻结抑制管设置情况冻结管、测温管和冻结抑制管设置情况 神谷町扩大部位环口扩大部位冻结孔（个）测温孔（个）冻结抑制孔（个）1203224144322413 13 其他特殊冻结工程其他

19、特殊冻结工程 1 铁道下冻结工程 13 13 其他特殊冻结工程其他特殊冻结工程 (2) 龙固矿井位于山东巨野龙固矿井位于山东巨野县，设计年生产能力为县，设计年生产能力为600万吨万吨/年，立井开拓，设两年，立井开拓，设两主一副一风四个井筒，其中主一副一风四个井筒，其中副井和风井的表土段及基岩副井和风井的表土段及基岩上部含水层采用冻结法施工。上部含水层采用冻结法施工。副井冻结深副井冻结深650米，是目前米，是目前国内表土最深的矿井，在世国内表土最深的矿井，在世界上也属少见的，采用冻结界上也属少见的，采用冻结法施工，无论在设计还是施法施工，无论在设计还是施工中，都没有先例可以借鉴。工中，都没有先例可以借鉴。二二 冻结法在市政工程中的应用冻结法在市政工程中的应用 （1） 科学合理的冻结方案，风险分析，风险施工预案科学合理的冻结方案，风险分析，风险施工预案 ；（2） 良好质量的冻结造孔技术；良好质量的冻结造孔技术；（3）