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1、岩岩 土土 工工 程程 施施 工工第第11章章 冻结法施工技术冻结法施工技术 11.1 概述概述1、冻结法 在要开挖的井筒周围布置冻结器（钢管等材料制作），采用机械压缩方法制冷，通过低温盐水在冻结器内循环，吸收松散含水地层的热量，使得地层冰凉，逐渐形成一个封闭的能够抵挡水土压力的人工冻结岩体壁。n冻结法在1862年英国的威尔士基础工程中出现；n德国采矿工程师.H.poetsch探索不稳定地层凿井技术，于1880年提出了冻结法凿井原理。n我国1955年开始采用冻结法施工井筒。如70年代北京地铁施工、1975年沈阳地铁2号井、80年代东海海拉尔水泥厂上料厂基坑、90年代上海地铁1号线等均运用了冻结
2、法。2 2、应用分类、应用分类 当遇到涌水、流砂、淤泥等复杂不稳定地质条件时当遇到涌水、流砂、淤泥等复杂不稳定地质条件时采用。采用。1 1、软土隧道及地铁；、软土隧道及地铁；2 2、在河下、铁道和其他建筑物下的隧道；、在河下、铁道和其他建筑物下的隧道；3 3、桥墩基础；、桥墩基础；4 4、地基托换、地基托换;5 5、矿山及地下工程、矿山及地下工程 6 6、大直径围岩、大直径围岩 7 7、市政工程中的上下管道及其它、市政工程中的上下管道及其它3 3、冻结施工方案、冻结施工方案 1 1、直立和倾斜冻结管交替冻结方案；、直立和倾斜冻结管交替冻结方案；2 2、直立冻结管冻结方案；、直立冻结管冻结方案；
3、3 3、水平布置冻结管方案、水平布置冻结管方案 4、主要施工技术 （1）水平成孔 机具、钻孔偏斜与测斜问题 （2）冻胀、融沉的控制衰减冻胀量主要措施：a 间歇冻结，人为控制冻结壁的发展；b 开挖卸压槽，减少水平冻胀力；c 把不需要的冻土体积减少到最低限；d 用真空泵抽取多余水分减少融沉措施：人为加速地层融化速度和地层注浆的方法。11.2 地层冻结原理地层冻结原理1 1、冻土的组成、冻土的组成 冻结土体是一个多相和多成分混合体系，由水、各种矿物冻结土体是一个多相和多成分混合体系，由水、各种矿物和化合物颗粒、气体等组成。和化合物颗粒、气体等组成。土中的水可有自由水、结合水、结晶水三种形态。土中的水
4、可有自由水、结合水、结晶水三种形态。当温度降到负值时，土体中的自由水结冰并将土体颗粒胶当温度降到负值时，土体中的自由水结冰并将土体颗粒胶结在一起形成整体。结在一起形成整体。土中水结冰的五个过程：土中水结冰的五个过程：（1 1）冷却段：冷却段：土体逐渐降温到冰点。土体逐渐降温到冰点。（2 2）过冷段：过冷段：土体降温到土体降温到0C0C以下，自由水尚不结冰，呈现过以下，自由水尚不结冰，呈现过冷现象。冷现象。（3 3）突变段：突变段：水过冷后，一旦结晶就立即放出结冰潜热，出现水过冷后，一旦结晶就立即放出结冰潜热，出现温升过程。温升过程。（4 4）冻结段：冻结段：温度上升到接近温度上升到接近0C0C
5、时固定下来，土体中的水便时固定下来，土体中的水便产生结冰过程，矿物颗粒胶结为一体形成冻土。产生结冰过程，矿物颗粒胶结为一体形成冻土。（5 5）冻结继续冷却，冻结继续冷却，冻土的强度逐渐增大。冻土的强度逐渐增大。2 2、地下水对冻结的影响、地下水对冻结的影响（1 1）水质影响）水质影响 水中含有一定的盐分时，水溶液的结冰温度就要水中含有一定的盐分时，水溶液的结冰温度就要降低。降低。（2 2）水的性态影响）水的性态影响 土质结构、土的固结度、土的渗透性、土中水流土质结构、土的固结度、土的渗透性、土中水流速度等对冻结速度都有一定的影响。速度等对冻结速度都有一定的影响。3 3、温度场和冻结速度、温度场
6、和冻结速度（1 1）冻结地层的温度场）冻结地层的温度场 地层冻结是通过一个个的冻结器向地层输送冷地层冻结是通过一个个的冻结器向地层输送冷量的结果。量的结果。这样在每个冻结器的周围形成以冻结管为中心这样在每个冻结器的周围形成以冻结管为中心的降温区，分围冻土区、融土降温区、常温土层区。的降温区，分围冻土区、融土降温区、常温土层区。地层中温度曲线呈对数曲线分布。地层中温度曲线呈对数曲线分布。11.2 地层冻结原理地层冻结原理（2 2）土的冻结速度）土的冻结速度 冻结器间距：冻结器间距：是影响冻柱交圈和冻结壁扩展速度的主要是影响冻柱交圈和冻结壁扩展速度的主要因素，冻结器间距增大，交圈时间延长，冻结壁扩
7、展速度减因素，冻结器间距增大，交圈时间延长，冻结壁扩展速度减慢。慢。冻结圆柱的相交初期：冻结圆柱的相交初期：交圈界的厚度发展较快，很快能交圈界的厚度发展较快，很快能赶上其他部位厚度。赶上其他部位厚度。冻结壁扩展速度：冻结壁扩展速度：随土层颗粒的变细而降低，砂层的冻随土层颗粒的变细而降低，砂层的冻结速度比黏土快。结速度比黏土快。冻结器内的盐水温度和流动状态：冻结器内的盐水温度和流动状态：是影响冻土扩展速度是影响冻土扩展速度的重要因素。盐水量降低，冻结速度提高，盐水由层流转向的重要因素。盐水量降低，冻结速度提高，盐水由层流转向紊流，冻结速度提高紊流，冻结速度提高20%20%30%30%。冻结圆柱的
8、交圈时间：冻结圆柱的交圈时间：与冻结器间距、盐水温度、盐水与冻结器间距、盐水温度、盐水流量和流动状态、土层性质、冻结管直径、地层原始温度等流量和流动状态、土层性质、冻结管直径、地层原始温度等有关。有关。11.2 地层冻结原理地层冻结原理4 4、冻胀和融沉、冻胀和融沉 土体冻结时有时会出现土体冻结时有时会出现冻胀现象冻胀现象。原因是水结冰时体积。原因是水结冰时体积要增加要增加9%9%，并有水迁移现象。，并有水迁移现象。当土体变形受到约束时就要显现当土体变形受到约束时就要显现冻胀力冻胀力。土冻结膨胀的体积与冻结前体积比称土冻结膨胀的体积与冻结前体积比称冻胀率冻胀率。把无约束情况下冻土的膨胀称为把无
9、约束情况下冻土的膨胀称为自由冻胀率自由冻胀率。把不使冻土产生体积变形时的冻胀力称为把不使冻土产生体积变形时的冻胀力称为最大冻胀力最大冻胀力。把开始产生冻胀的最小含水量称为把开始产生冻胀的最小含水量称为临界冻胀含水量临界冻胀含水量。土的冻胀和土质、含水量及土质结构有密切关系。土的冻胀和土质、含水量及土质结构有密切关系。砂土、砾石这样的动水地层一般不会出现冻胀现象。冻砂土、砾石这样的动水地层一般不会出现冻胀现象。冻胀现象主要出现在粘性土质的冻结过程中。胀现象主要出现在粘性土质的冻结过程中。11.3 人工冻土的力学特性人工冻土的力学特性1 1、冻土特性、冻土特性 冻土是一种非均质、各向异性的非弹性材
10、料。冻土是一种非均质、各向异性的非弹性材料。表现有：流变特性（蠕变）；表现有：流变特性（蠕变）；松弛特性；松弛特性；强度随时间降低。强度随时间降低。2 2、冻土强度、冻土强度 冻土的破坏形式有塑性破坏和脆性破坏两种。其影冻土的破坏形式有塑性破坏和脆性破坏两种。其影响因素有：颗粒成分、土温、含水量、应变速响因素有：颗粒成分、土温、含水量、应变速率率 11.4 常规盐水冻结常规盐水冻结1 1、常规冻结的施工工序、常规冻结的施工工序 冻结孔钻进冻结孔钻进冻结器安装冻结器安装制冷站和供冷管安装制冷站和供冷管安装地地层冻结试运转层冻结试运转地层冻结运转、维护和土木建筑施工。地层冻结运转、维护和土木建筑施
11、工。2 2、冻土壁结构设计、冻土壁结构设计 圆形和椭圆形帷幕、直墙和重力坝连续墙、连拱形冻土连续圆形和椭圆形帷幕、直墙和重力坝连续墙、连拱形冻土连续墙。墙。3 3、冻土壁参数设计、冻土壁参数设计 冻土壁厚度、平均温度、布孔参数、冻结时间。冻土壁厚度、平均温度、布孔参数、冻结时间。4 4、制冷设计、制冷设计 根据冻土孔数、冻结孔间距、盐水温度、盐水流量、管路保温条件，计根据冻土孔数、冻结孔间距、盐水温度、盐水流量、管路保温条件，计算冻结需冷量。算冻结需冷量。根据需冷量、设备新旧水平、工作条件，计算冻结站的装备制冷量。根据需冷量、设备新旧水平、工作条件，计算冻结站的装备制冷量。5 5、辅助系统设计
12、、辅助系统设计 盐水管路设计、清水管路设计、盐水管路的保温设计、地层冻结观测设盐水管路设计、清水管路设计、盐水管路的保温设计、地层冻结观测设计。计。11.5 液氮冻结液氮冻结1 1、原理、原理 利用液氮在冻结器内汽化吸热后，气氮经管路排利用液氮在冻结器内汽化吸热后，气氮经管路排出地面，管路周边急剧冻结。出地面，管路周边急剧冻结。优点：设备简单、施工速度快，适用于局部特殊优点：设备简单、施工速度快，适用于局部特殊处理和快速抢险和快速施工。处理和快速抢险和快速施工。液氮是一种比较理想的制冷剂，无色透明、稍轻液氮是一种比较理想的制冷剂，无色透明、稍轻于水、惰性强、无腐蚀、对震动、电火花是稳定的。于水
13、、惰性强、无腐蚀、对震动、电火花是稳定的。一个大气压下，液氮的汽化温度为一个大气压下，液氮的汽化温度为-195.81C-195.81C，蒸发潜热为蒸发潜热为47.9kcal/kg47.9kcal/kg。11.5 液氮冻结液氮冻结2 2、液氮冻结特征、液氮冻结特征 （1 1）液氮冻结属深冷冻结，冻土温度较常规冻）液氮冻结属深冷冻结，冻土温度较常规冻结低，梯度大，冻结器管壁温度达结低，梯度大，冻结器管壁温度达180C180C，温度曲，温度曲线呈对数曲线分布。线呈对数曲线分布。（2 2）冻土温度变化与液氮灌注状况关系很大。）冻土温度变化与液氮灌注状况关系很大。（3 3）液氮冻结地层初期冻结速度极快，
14、但随时）液氮冻结地层初期冻结速度极快，但随时间和冻土扩展半径的发展而逐渐下降。间和冻土扩展半径的发展而逐渐下降。11.5 液氮冻结液氮冻结3 3、工艺设计、工艺设计 （1 1）液氮冻结冻结器的间距不宜过大，一般为）液氮冻结冻结器的间距不宜过大，一般为0.50.50.8m0.8m。（2 2）冻结系数与冻结器管壁、土的热物理参数、土）冻结系数与冻结器管壁、土的热物理参数、土的原始温度有关。的原始温度有关。（3 3）灌注状况主要指液氮流量和汽化压力。）灌注状况主要指液氮流量和汽化压力。（4 4）冻结器的设计注重供液管和冻结管的匹配和再）冻结器的设计注重供液管和冻结管的匹配和再冷问题。防止液氮回流。冷问题。防止液氮回流。（5 5）冻土的液氮消耗量是变化的，初期冻结单位冻）冻土的液氮消耗量是变化的，初期冻结单位冻土的消耗量较小，后期增大。土的消耗量较小，后期增大。