冻结法原理及应用

冻结法原理及应用第一页，共六十四页，编辑于2023年，星期日主要内容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斜井冻结法第二页，共六十四页，编辑于2023年，星期日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概述第三页，共六十四页，编辑于2023年，星期日——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服务于地下工程施工期内的承载（结构功能）和密封（材料功能）1概述第四页，共六十四页，编辑于2023年，星期日——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。

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概述第五页，共六十四页，编辑于2023年，星期日——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概述第六页，共六十四页，编辑于2023年，星期日——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1概述第七页，共六十四页，编辑于2023年，星期日——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概述第八页，共六十四页，编辑于2023年，星期日——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概述第九页，共六十四页，编辑于2023年，星期日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600m1888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第十页，共六十四页，编辑于2023年，星期日地下工程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、加拿大等第十一页，共六十四页，编辑于2023年，星期日我国情况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个隧道贯通道结合部1998年，北京地铁热—八线大北窑车站南隧道水平冻结施工，长45m1概述第十二页，共六十四页，编辑于2023年，星期日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概述第十三页，共六十四页，编辑于2023年，星期日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冻结粉砂1总论第十四页，共六十四页，编辑于2023年，星期日热物理参数：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。1概述第十五页，共六十四页，编辑于2023年，星期日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人工冻结制冷系统第十六页，共六十四页，编辑于2023年，星期日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）第十七页，共六十四页，编辑于2023年，星期日2.2液化气体系统（液氮）

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人工冻结制冷系统第十八页，共六十四页，编辑于2023年，星期日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人工冻结制冷系统第十九页，共六十四页，编辑于2023年，星期日2.3两种冻结系统比较

2人工冻结制冷系统项目常规冻结系统液氮冻结系统制冷温度(℃)-10～-35-60～-150地下水流速(m/s)5．7﹡10-5不限制冷效率30%～50%50%冻土速度2cm/d20cm/d土层任何含水地层任何含水地层冷量估算Q=1.3.π.d.H.K460kg/m3第二十页，共六十四页，编辑于2023年，星期日3.1冻结法设计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第二十一页，共六十四页，编辑于2023年，星期日（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第二十二页，共六十四页，编辑于2023年，星期日

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（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

3冻结法原理与设计原则第二十三页，共六十四页，编辑于2023年，星期日

（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→冻结法的适宜性→冻结工作的可能性→冻结管的处理

（2）冻土性质 ——蠕变试验 ——三轴试验 ——冻胀试验→与时间、温度和荷载有关的强度和变形性质（设计基础）

（3）周围建筑物的评价 ——上部建筑 ——工场管线 ——交通道路→冻结工作的处理→变形，尤其是冻胀（4）冻土体设计 ——冻土体中的力和应力→冻土体的理论尺寸（5）测量程序 ——变形和温度量测→工作的观测与控制（采用特殊措施的判定基础）必要的预研究项目第二十四页，共六十四页，编辑于2023年，星期日设计工作内容

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第二十五页，共六十四页，编辑于2023年，星期日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3冻结法原理与设计原则第二十六页，共六十四页，编辑于2023年，星期日 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第二十七页，共六十四页，编辑于2023年，星期日

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 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

3冻结法原理与设计原则第二十八页，共六十四页，编辑于2023年，星期日 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 —监测系统第二十九页，共六十四页，编辑于2023年，星期日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——土体冻结第三十页，共六十四页，编辑于2023年，星期日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—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

第三十一页，共六十四页，编辑于2023年，星期日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

—确定冻结时间第三十二页，共六十四页，编辑于2023年，星期日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：第三十三页，共六十四页，编辑于2023年，星期日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）——形成盐水循环第三十四页，共六十四页，编辑于2023年，星期日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。第三十五页，共六十四页，编辑于2023年，星期日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。第三十六页，共六十四页，编辑于2023年，星期日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立井工程冻结法第三十七页，共六十四页，编辑于2023年，星期日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，冻结慢第三十八页，共六十四页，编辑于2023年，星期日l

长短管（差异）冻结方棠长短管冻结，又称“差异冻结”——指冻结管的深度不同，长短管交错布置于一圈上，一次冻结形成冻结壁的冻结方式。此方案主要用于同时冻结冲积层和含水基岩的情况。长管超出短管深度的部分主要任务是冻结基岩、封堵地下水，而上部分则与短管共同形成承受水土压力的冻结壁。3立井工程冻结法第三十九页，共六十四页，编辑于2023年，星期日l

分段（分期）冻结方案当冻结深度较大，且水文、工程地质条件比较适宜时，可将整个冻结深度自上而下分为数段，分段冻结形成冻结壁。这一方案的冻结管布置方式与一次冻全深相同，只是采用不同结构的冻结器来实现分段冻结的目的

分期冻结冻结器1配液圈2集液圈3阀门4冻结管5、6供、回液管

3立井工程冻结法第四十页，共六十四页，编辑于2023年，星期日l

局部冻结方案当只有局部地层需要冻结时，可采用局部冻结方案局部冻结冻结器隔板(b)压气隔离(c)盐水隔离(d)上下冻结3立井工程冻结法第四十一页，共六十四页，编辑于2023年，星期日3立井工程冻结法3.3热力分析冻结壁的形成冻结锋面——岩土冻结过程中，孔隙水开始发生结冰相变的面称为，是冻土与未冻土的分界面。冻结前地层有均一的初始温度。冻结初期，低温盐水与冻结管周围的地层产生剧烈的热交换，在每个冻结管周围很快形成圆柱形的冻结岩土柱第四十二页，共六十四页，编辑于2023年，星期日由于相邻冻结管间的影响，轴面比主面冻结更快，冻土柱由圆柱形变为椭圆形，再进一步扩展，直至相交圈，在井筒周围形成封闭的冻土墙—冻结壁。交圈后，原冻结管的冻结锋面连成向井内扩展的内冻结锋面和向井外扩展的外冻结锋面，且内、外冻结锋面很快地趋于平滑，当界面上的冻结壁厚度等于冻结管的间距时，内、外冻结锋面就基本上变成以井筒为中心的圆柱面。第四十三页，共六十四页，编辑于2023年，星期日冻结管测温点冻结锋面的扩展第四十四页，共六十四页，编辑于2023年，星期日冻结孔存在偏斜——冻结锋面形状不是规则园柱面在交圈初期：冻结锋面向内发展速度较交圈前慢，但随内侧未冻土范围热量减小，锋面向井心推进速度加快，而冻结锋面向井外的扩展速度较慢，扩展至距冻结管布置圈2~3rn处，扩展速度十分缓慢，来自未冻土区热量与来自冻结管的冷量趋于平衡，温度场趋于稳定，冻结壁渐成以井筒为中心的园筒体。一般冻结壁内侧厚度占冻结壁总厚的0.55~0.6倍第四十五页，共六十四页，编辑于2023年，星期日立井冻结温度场研究冻结过程中土体温度随时间变化的规律。在冻结凿井中，常以主面、界面和轴面这三个特征面上的温度分布作为判断冻土形成过程、控制温度扬的依据。“主面”：过井筒中心与冻结管中心的竖直平面“界面”：过井心和相邻管中心连线中点的竖直平面“轴面”：过两个相邻冻结管中心的竖直平面3立井工程冻结法第四十六页，共六十四页，编辑于2023年，星期日三个特征面温度状况表征冻结温度场基本特点，是测温的主要对象，尤其是界面与轴面交点上的温度值直接关系到冻结园柱是否交圈。

冻结过程冻结扩展1主面2轴面3界面4冻结管5井筒中心

3立井工程冻结法第四十七页，共六十四页，编辑于2023年，星期日冻结温度场求解求解温度场是进行热力计算的重要工作、是进行静力计算的重要前提，目的l

求冻结壁的平均温度，确定冻土强度；l

确定冻结锋面的位置，计算冻结壁的厚度；l

计算热量，确定冻结站的制冷能力；确定冻结壁的扩展速度，估算积极冻结时间。

3立井工程冻结法第四十八页，共六十四页，编辑于2023年，星期日由于冻结壁在竖直方向的尺寸较水平方向大得多，且在冻结过程中土层在竖直方向的热传导相对弱得多，故立井冻结温度场可简化为平面轴对称间题冻结温度场的求解间题是一个有相变、移动边界、内热源、边界条件复杂的不稳定导热问题。立井冻结温度场

3立井工程冻结法第四十九页，共六十四页，编辑于2023年，星期日立井冻结主面、界面温度试验研究：当冻结壁厚度与冻结管间距相同时，冻结壁的两个冻结锋面就成了与井筒同心的圆柱面；冻结壁向内侧发展得快，约占总厚度的55%~60%，主、界面温度分布试验结果

3立井工程冻结法第五十页，共六十四页，编辑于2023年，星期日为能估算冻结壁体内的平均温度、冻结壁交圈时间、确定冻结壁的强度，须研究轴面温度分布轴面温度分布试验研究结果

3立井工程冻结法第五十一页，共六十四页，编辑于2023年，星期日由于冻结管内的温度是时空变化的，为估算冻结壁的强度，又必须度量温度，在工程中首先要确定冻结壁内的平均温度。冻结壁平均温度的确定可按圆管稳定导热求解，也可根据试验、实测和模拟计算结果拟合得到。l

圆管稳定导热计算方法交圈前：冻土温度场可视为以冻结管为中心的圆管稳定导热交圈并达设计厚度后：以井心为中心的两个圆管稳定导热：内侧冻结锋面与冻结管布置圈构成的圆管I、由冻结布置圈与外侧冻结锋面构成的圆管II3立井工程冻结法第五十二页，共六十四页，编辑于2023年，星期日3立井工程冻结法第五十三页，共六十四页，编辑于2023年，星期日

3.4静力计算

冻结壁厚度的确定是冻结设计中的一项重要工作，无内忖支护设计主要基于经验公式。最早、最简单的公式是Lame公式，其中如冻结壁温度梯度、强度随温度变化、冻土蠕变等许多冻土性质未能得以反映，所得冻结壁厚度比新近研究的冻结壁设计方法的厚度大得多。3立井工程冻结法第五十四页，共六十四页，编辑于2023年，星期日随着冻结壁厚度设计计算方法的发展，冻结壁材料经历了多种假设，如完全弹性、部分弹性、部分塑性、完全塑性和完全粘性材料等冻结壁材料模式(a)完全弹性(b)部分弹性、部分塑性(c)完全塑性3立井工程冻结法第五十五页，共六十四页，编辑于2023年，星期日冻结壁的变形在时间和空间上是非线性的，变形对于冻结管和井壁的安全至关重要冻结壁变形与多种因素有关，除上述计算分析方法外，目前国内外大量应用有限元分析和物理模拟试验的方法进行计算。而物理模拟试验成为冻结壁问题研究的主要手段。

3立井工程冻结法第五十六页，共六十四页，编辑于2023年，星期日山东郭屯矿井实例6立井工程冻结法主要技术参⑴冻结方式：三圈孔加防片孔；

⑵冻结壁厚度:10.5m；冻结壁平均温度-20℃；

⑶冻结圈径：外25.5m、中19m、内15m、防13/12.5m；

冻结深度：外605m、中702/605m、内590m、防235m；

冻结孔数：外48个、中23/23个、内23个、防8/8个；

开孔间距：外1.67m、中1.29m、内2.05m、