特殊凿岩课程作业hmk.docx

冻结法特殊凿岩 课程作业冻结法原理及应用分析班级： 采矿1201班姓名： 何茂坤学号： 20121297日期： 2015.6.27指导教师： 张希巍冻结法原理及应用分析何茂坤（资土学院 采矿工程1201 20121297）摘要：用人工制冷的方法，将待开挖地下周围空间周围的土地中的水冻结为冰并与土地胶结在一起，形成一个按照设计轮廓的冻土墙或密闭的冻土体，用以抵抗土地压力，隔绝地下水，并在冻土墙的保护下，进行地下工程的施工的方法。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，本文研究分析冻结法的原理及其应用是为了让冻结法施工技术在我国今后的经济发展中能得到重视和大量的推广，加快我国经济建设的步伐。本文通过对冻结法原理的分析，及冻结法的发展简史，及在各个国家在矿井建设方面的分析引申到城市化土木工程建设，从而对我国今后城市化的土木建设中具有借鉴指导意义。关键词：冻结法原理、冻结法简史、结法优点、展望引言：用人工制冷的方法，将待开挖地下周围空间周围的土地中的水冻结为冰并与土地胶结在一起，形成一个按照设计轮廓的冻土墙或密闭的冻土体，用以抵抗土地压力，隔绝地下水，并在冻土墙的保护下，进行地下工程的施工。冻结法，一种施工方法，最早用于俄国金矿开采，后由德国工程师用于煤矿矿井建设获得专利技术趋于成熟，现在已广泛应用于地铁、深基坑、矿井建设等工程中。冻结法原理：将含水土体利用人工设置的冻结管，冻结管内循环冷媒剂，带走土体中热量从而形成强度高密封性好的冻土，起到承受荷载和密封防水的作用。它的适应性强、安全可靠、无污染，目前和其他方法相比造价略高。 冻结法是在室外用热砂浆进行砌筑，砂浆不掺外加剂，砂浆有一定强度后砌体很快冻结，融化后的砂浆强度接近于零，当气温升高转入正温后砂浆的强度继续增长。由于砂浆经冻结、融化、再硬化的三个阶段，其强度会降低，也减弱了砂浆与砖石砌体的粘结力。结构在砂浆融化阶段的变形也较大，会严重的影响砌体的稳定性。故规范规定下列工程不允许采用冻结法施工：（1）、空斗墙；（2）、毛石砌体；（3）、砖薄壳、双曲砖拱、筒式拱及承受侧压力的砌体；（4）、在解冻期间可能受到振动或其他动力荷载的砌体；（5）、在解冻时，砌体不允许产生沉降的结构。冻结土地性质的改变，若含水地层（松散土层和裂隙岩层）在结冰温度下冷却，岩石裂隙或土孔裂隙中的水转换成冰，岩土的性质将发生决定性的变化，这一变化具有双重意义：在材料方面，（1）土地中水分冻结，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。在结构方面，在普通结构内部构建了新的工程结构。冻结法的应用：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，施工完成过后，根据需要可拔出冻结管，冻土将解冻融化，土将逐渐恢复到未冻结状态。冻结法主要用于冬期施工，除冻结法，冬期施工应优先采用外加剂法（掺盐砂浆法）。在井筒开挖之前，从地面沿其外围一定距离的同心圆周上按等间距向下钻孔，孔底深入不透水层，然后向每个钻孔中沉放用无缝钢管做的下端封闭的冻结管；在地面安装冷冻设备,采用氨(NH3)为制冷剂，将冷媒剂氯化钙(CaCl2)溶液（习称盐水）冷却到-20-30C,用循环泵和插至冻结管深处的聚氯乙烯供液管将盐水送入冻结管。经低温盐水长时间连续地吸取管外的热量，使周围地层冻结。盐水吸取地层的热量后温度上升，在循环泵的作用下，经回路管回到冷冻设备和制冷剂接触而重新冷却。原为液态的氨，在减压的条件下蒸发时摄取盐水的热量后，经压缩和冷凝又使其液化，在管道内循环流动，重复使用。在每一冻结管周围形成的冻土圆柱体，其直径随时间而增大，这些圆柱体互相交接成密实而闭合的冻土墙 ，能承受水、土压力并阻隔地下水，在它的保护下开挖地层和修筑衬砌。冻结法，采用冻结法施工时，须根据施工进度、冻土墙的需要强度、开挖顺序等，确定冻土墙的厚度、冻结管群的间距与行数，以及其长度、冻结顺序和解冻顺序等，从而选择必要的冻结设备。还须制订施工中的测定温度计划和测定点。根据测定结果，以连续或间断的供冷方式保持冻土墙的冻结。同时研究地层冻结时的膨胀和解冻时的下沉情况，预先制定测定方法和对策。此外，在地下构筑物施工时,必然要在接近-5-10C的冻面处灌筑混凝土,因此最好采用低温早强混凝土,否则要埋设加热器或敷设绝热材料，以减少冻土墙对混凝土的影响。地下构筑物完成后，要对冻结的地层进行均匀而连续的解冻，对埋深不大的地下工程,可停止供应盐水,令其自然解冻；如埋深很大时,则供应温度逐渐提高的盐水,进行人工解冻。此外，各国还有用液态气体蒸发制冷的。进行冻结时，只需用储气罐将液态氮运至工地直接注入冻结管即可，因此工地设备简单，但其缺点是液态氮使用不安全，有一定的危险性。冻结法既适用于松散不稳定的冲积层和裂隙发育的含水岩层，也适用于淤泥、松软泥岩以及饱和含水和水头特别高的地层对于土中含水率非常小或地下水流速相当大的处所不适用。冻结法应用简史：1862年：英国，率先用冻结法成功进行深基坑开挖围护；1872年，德国，首先应用于矿井。鲁尔区冻结井深超过600m；1883年，德国，最早用冻结法开凿竖井，随后比利时、荷兰、英国、波兰、苏联、美国、加拿大等国也主要用此法开挖竖井。中国于1955年首次在开滦林西煤矿应用此法开凿风井以来，至1982年，已开凿190多个井筒,累计冻结深度超过3万米，最大冻结深度为415米。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。近30年来，冻结法除广泛地用于矿山井巷工程以外，也用于修建地下铁道车站和自动扶梯斜隧道、地下洞室以及桥墩的深基础等工程。冻结法具备的优点（1）安全性好，可有效的隔绝地下水；（2）适应面广，适应于任何含一定水量的松散的岩土层，在复杂的水文地质条件下，如软土、含水不稳定的土层、流沙、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）可行性较好，冻结加固土体均匀、完整；（5）经济上较合理。结论与展望： 地铁作为城市建设的重点，作为一种现代的交通工具，占用城市土地较少，基本不破坏地面景观，方便、安全、快捷。由于冻结法具有的优点，使得其在各种含水松软地层的隧道、地铁和地铁车站、排水泵房、地铁主干道间的联系通道的施工中具有广阔的应用前景。随着我国经济建设的发展，在各类地下工程中人工冻结法有着广阔的应用前景，但它在各类地下工程中的应用还远远没有打到普及。除了一定的社会原因如工程部门的观望态度等，主要是理论和技术储备还很欠缺。此外，冻结过程中土体膨胀和融化过程中土体下沉对施工和周围工程建筑物会产生不利环境影响，这使得人工冻结法在城市土木工程中的推广受到一定的阻碍。 冻融过程中土体性质的变化直接影响着地下及地下结构物。特别是在市政和隧道工程中，由于地表较浅，土壤冻胀融沉会造成地面隆起和下陷。地下管线在土体的膨胀融沉中若受到过大的拉应力和剪应力会遭到破坏。因此，要研究和预测水平冻结法隧道施工的冻结壁温度场形成的规律，以确定冻结壁强度和稳定性。同时要发分析冻结施工中伴有的冻胀量和融沉量，从而有效地预测水平冻结法施工具有积极的参考