冻结工程 概述1

1、3 冻结法施工3 冻结法施工冻结法施工3.1 概述概述3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则3.3 冻土的物理、力学和热性质冻土的物理、力学和热性质3.4 表土段冻结法施工表土段冻结法施工3.5 冻结法施工组织设计冻结法施工组织设计3.1.1 冻结法的实质与特点冻结法的实质与特点3.1.2 冻结法的起源与发展冻结法的起源与发展3.1.3 冻结技术和措施冻结技术和措施3.1.4 工程应用工程应用3.1 概述概述3.1.1 冻结法的实质与特点冻结法的实质与特点冻结法是利用冻结法是利用人工制冷技术人工制冷技术，使地层中的，使地层中的水结冰水结冰，把天然，把天然岩土变成岩土变成冻土冻土，增加

2、其强度和稳定性，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下隔绝地下水与地下工程的联系，工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行井筒或地下工程以便在冻结壁的保护下进行井筒或地下工程掘砌施工的掘砌施工的特殊施工技术特殊施工技术。3.1 概述概述冻结法的实质：冻结法的实质：利用人利用人工制冷临时改变岩土性工制冷临时改变岩土性质以固结地层。质以固结地层。3.1.1 冻结法的实质与特点冻结法的实质与特点含水地层（松散土层和裂隙岩层）在结冰温度下冷却，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岩石裂隙或土孔隙中的水转换成冰水转换成冰，岩土的性质将发，岩土的性质将发生生决定性决定性的的变化变

3、化：材料：材料：（1）土体中水分冻结，提高一定范围内岩土）土体中水分冻结，提高一定范围内岩土的强度的强度（2）减低一定范围岩土体渗透性）减低一定范围岩土体渗透性创造新工程材创造新工程材料料 结构：结构：在普通结构内部构建了新的结构。在普通结构内部构建了新的结构。3.1 概述概述3.1.1 冻结法的实质与特点冻结法的实质与特点 冻结仅临时创造冻土良好的承载、密封性能，为构筑新的冻结仅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，施工后，冻土将解冻融化，土将逐渐恢复到未地下空间服务，施工后，冻土将解冻融化，土将逐渐恢复到未冻结状态。冻结状态。 在冻结法施工中，没有像喷射混凝土时的混凝土

4、、板桩施在冻结法施工中，没有像喷射混凝土时的混凝土、板桩施工时的钢板、注浆时的浆液材料等附加物质进入地层。工时的钢板、注浆时的浆液材料等附加物质进入地层。冻结法冻结法不污染环境不污染环境，是，是“绿色绿色”施工方法。施工方法。 环境友好的施工方法！环境友好的施工方法！3.1 概述概述3.1.1 冻结法的实质与特点冻结法的实质与特点 冻结法的适用性冻结法的适用性 任何松散体（砾石层、砂层或粘性土层），当具有一定任何松散体（砾石层、砂层或粘性土层），当具有一定含水量时均可通过冻结予以加固。含水量时均可通过冻结予以加固。 冻结岩土体的方法：冻结岩土体的方法：从土体中吸热从土体中吸热 将裂隙充水砾石中

5、将裂隙充水砾石中6.5%体积的水由体积的水由+10冻结到冻结到-8，需要约需要约14000kcal热量。热量。3.1 概述概述 冻结的作用冻结的作用含水、松散土体冻结后抗压强度明显提高，类似混凝土。含水、松散土体冻结后抗压强度明显提高，类似混凝土。冻土的强度和弹性模量依赖于土的种类和含水量。冻土的强度和弹性模量依赖于土的种类和含水量。 影响冻土强度的主要因素是影响冻土强度的主要因素是冻结温度冻结温度：饱和密实砂：饱和密实砂：-15时时 抗压强度抗压强度3.5MPa、弹模弹模150MPa -20时时 抗压强度抗压强度5.5MPa、弹模弹模280MPa与混凝土力学性质明显不同，冻土抗弯强度相对较大

6、与混凝土力学性质明显不同，冻土抗弯强度相对较大3.1 概述概述3.1.1 冻结法的实质与特点冻结法的实质与特点冻结法凿井原理冻结法凿井原理1-盐水泵；盐水泵；2-蒸发器；蒸发器；4-压缩机；压缩机；7-冷凝器；冷凝器；11-节流阀；节流阀；12-盐水去路管；盐水去路管；13-配液圈；配液圈；14-冻结器；冻结器；15-集液圈；集液圈；16-盐水回路管；盐水回路管；17-井壁；井壁；18-冻结壁；冻结壁；19-测温孔测温孔3.1.1 冻结法的实质与特点冻结法的实质与特点3.1 概述概述适用性强，几乎不受地层条件限制适用性强，几乎不受地层条件限制灵活性好灵活性好污染性小污染性小经济合理经济合理冻结

7、法冻结法的特点的特点能有效隔绝地下水能有效隔绝地下水3.1.1 冻结法的实质与特点冻结法的实质与特点 冻结法设计与施工冻结法设计与施工(1) 根据工程、地质、水文和环境条件进行冻结设计：根据工程、地质、水文和环境条件进行冻结设计：确定冻土结构形式确定冻土结构形式选择制冷方式选择制冷方式布置冻结系统布置冻结系统确定冻结温度确定冻结温度估算冻结时间，等。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。掘进、支护和设备安装等工作。3.1 概述概述3.1.2 冻结法的起源与发展冻结法的起源与发展国外冻结施

8、工情况国外冻结施工情况1862年英国首先采用人工制冷方法加固建筑工程基础；年英国首先采用人工制冷方法加固建筑工程基础；1883年德国波茨舒冻结开凿年德国波茨舒冻结开凿103m井筒，获得冻结凿井专利；井筒，获得冻结凿井专利；1888年：美国，用于煤矿矿井开挖；年：美国，用于煤矿矿井开挖；1965年：加拿大，开挖年：加拿大，开挖1089米矿井，冻结深度米矿井，冻结深度684米米; 苏联苏联1928年开始采用冻结法，至年开始采用冻结法，至1990年共开凿井筒年共开凿井筒400多个多个 迄今为止，各国冻结井迄今为止，各国冻结井最大冻结深度最大冻结深度 英国英国930m，美国，美国915m，波兰，波兰8

9、60m，加拿大，加拿大634m， 比利时比利时638m，前苏联，前苏联620m，德国，德国628m，法国，法国550m， 中国中国955m3.1 概述概述3.1.2 冻结法的起源与发展冻结法的起源与发展 国内冻结施工情况国内冻结施工情况我国于我国于1955年在开滦林西风井首次采用冻结法施工第一个井年在开滦林西风井首次采用冻结法施工第一个井筒（直径筒（直径5.0m，深度，深度105m），揭开了我国在表土不稳定含水），揭开了我国在表土不稳定含水地层建设井筒的序幕。地层建设井筒的序幕。到现在已有近到现在已有近60年历史，共计施工了年历史，共计施工了500多个立井井筒，累计多个立井井筒，累计冻结总深度

10、达冻结总深度达80km。实践表明：冻结法凿井已成为我国解决深厚冲积层施工困难实践表明：冻结法凿井已成为我国解决深厚冲积层施工困难的最主要特殊施工方法。随着国民经济的发展和新矿区的开的最主要特殊施工方法。随着国民经济的发展和新矿区的开发，新建矿井穿过的冲积层厚度和冻结深度呈跳跃式增长。发，新建矿井穿过的冲积层厚度和冻结深度呈跳跃式增长。3.1 概述概述3.1.2 冻结法的起源与发展冻结法的起源与发展 国内冻结施工情况国内冻结施工情况20世纪世纪80年代年代，井筒穿过的冲积层最大厚度达到井筒穿过的冲积层最大厚度达到358.5m（潘（潘三东风井），三东风井），冻结最大深度达到冻结最大深度达到415m

11、；20世纪世纪90年代初年代初，井筒穿过的冲积层最大厚度达井筒穿过的冲积层最大厚度达374.5m（陈（陈四楼副井），四楼副井），冻结最大深度达到冻结最大深度达到435m。程村矿主、副井：程村矿主、副井：2003年年4月和月和9月顺利穿过了冻结段，创出月顺利穿过了冻结段，创出我国已建成冻结井中最早通过我国已建成冻结井中最早通过430m冲积层、冲积层、冻结深度达到冻结深度达到485m的冻结井筒冻结管无断裂，井壁无压坏和无漏水、井壁的冻结井筒冻结管无断裂，井壁无压坏和无漏水、井壁质量优良的优异成绩。质量优良的优异成绩。 3.1 概述概述3.1.2 冻结法的起源与发展冻结法的起源与发展 国内冻结施工情

12、况国内冻结施工情况安徽淮南矿业集团公司丁集矿井风井井筒冻结段所穿过的地安徽淮南矿业集团公司丁集矿井风井井筒冻结段所穿过的地层为第四、第三系表土段及基岩风化带，厚度为层为第四、第三系表土段及基岩风化带，厚度为528.65m。冻。冻结工程创造了从开机到停机仅结工程创造了从开机到停机仅365天的最短时间，确保了井筒天的最短时间，确保了井筒掘砌安全顺利通过了掘砌安全顺利通过了528.65m的冲积层，的冲积层，冻结深度冻结深度558m，且，且没有发生一根冻结管断裂事故；井筒掘砌工程创造了从正式没有发生一根冻结管断裂事故；井筒掘砌工程创造了从正式开工到井筒安全通过开工到井筒安全通过528.65m的冲积层、

13、的冲积层、550m冻结段井壁顺冻结段井壁顺利落底时间仅利落底时间仅205天，且外层井壁没有发生任何开裂现象，外天，且外层井壁没有发生任何开裂现象，外壁掘砌平均速度达壁掘砌平均速度达80.5m/月好成绩。月好成绩。3.1 概述概述3.1.2 冻结法的起源与发展冻结法的起源与发展 国内冻结施工情况国内冻结施工情况目前我国冻结法施工成功的井筒数量达目前我国冻结法施工成功的井筒数量达500多个；多个；表土层冻结深度最深的井筒是安徽口孜东矿井副井井筒厚表土层冻结深度最深的井筒是安徽口孜东矿井副井井筒厚度达度达577.1m；最大冻结深度：最大冻结深度：华能甘肃能源有限公司核桃峪煤矿副井、华能甘肃能源有限公

14、司核桃峪煤矿副井、风井的冻结深度风井的冻结深度955m。3.1 概述概述冻结管节流阀盐水盐水泵压缩机冷凝器冷却水制冷剂冷媒剂循环冷媒剂循环冷却水循环冷却水循环制冷循环制冷循环冻结地层蒸发器3.1.3 冻结技术和措施冻结技术和措施制冷技术制冷技术（制冷系统、冷媒剂循环、冷却水循环）（制冷系统、冷媒剂循环、冷却水循环）制冷循环制冷循环一般包括四个过程：一般包括四个过程：冷媒剂循环冷媒剂循环与冻结管相连，将地与冻结管相连，将地层热量带出层热量带出冷却水循环冷却水循环将冷媒剂携带的热量将冷媒剂携带的热量释放于大气释放于大气冻结法中，制冷剂一般用冻结法中，制冷剂一般用氨或氟里昂，冷媒剂通常氨或氟里昂，冷

15、媒剂通常用氯化钙溶液（盐水）用氯化钙溶液（盐水）压缩压缩冷凝冷凝降压降压蒸发蒸发3.1 概述概述3.1.3 冻结技术和措施冻结技术和措施3.1 概述概述1盐水泵；盐水泵；2蒸发器；蒸发器；3氨液分离器；氨液分离器；4氨压缩机；氨压缩机；5油氨分离器；油氨分离器；6集油器；集油器；7冷凝器；冷凝器；8储氨器；储氨器；9空气分离器；空气分离器；10冷却水泵；冷却水泵；11节流阀；节流阀；12去路盐水干管；去路盐水干管；13配液圈；配液圈；14冻结器；冻结器；15集液圈；集液圈；16回路盐水干管；回路盐水干管；17井壁；井壁；18冻结壁；冻结壁；19测温孔；测温孔；20水位观测孔水位观测孔冻结法凿井

16、示意图冻结法凿井示意图3.1.3 冻结技术和措施冻结技术和措施三大循环系统：三大循环系统：氨循环系统、盐水循环系统、冷却水循氨循环系统、盐水循环系统、冷却水循环系统。环系统。低温盐水低温盐水在沿冻结管流动过程中，不断在沿冻结管流动过程中，不断吸收孔壁周围岩土层的热量，使岩土逐渐吸收孔壁周围岩土层的热量，使岩土逐渐冷却冻结而成。盐水起传递冷量的作用，冷却冻结而成。盐水起传递冷量的作用，称为称为冷媒剂冷媒剂。盐水的冷量是利用盐水的冷量是利用液态氨气化液态氨气化时吸收盐水时吸收盐水的热量而制取的，所以氨叫做制冷剂。的热量而制取的，所以氨叫做制冷剂。3.1 概述概述20氨循环氨循环盐水循环盐水循环冷却

17、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：3.1 概述概述3.1.3 冻结技术和措施冻结技术和措施冻结管冻结管将冷量注入地层的关键设施将冷量注入地层的关键设施垂直冻结管：垂直冻结管：如基坑、矿井，垂直钻进技术，目前技如基坑、矿井，垂直钻进技术，目前技术水平，垂直钻术水平，垂直钻1000m深孔，偏斜率可控制在深孔，偏斜率可控制在3水平冻结管：水平冻结管：如隧道，必须采用特殊的水平钻孔技术。如隧道，必须采用特殊的水平钻孔技术。目前，水平冻结孔钻进长度一般目前，水平冻结孔钻进长度一般5060

18、m，德国杜塞，德国杜塞尔多夫隧道一次钻进长度达到尔多夫隧道一次钻进长度达到115m冻结管的功能特殊，强度和密封必须可靠。深井冻结冻结管的功能特殊，强度和密封必须可靠。深井冻结冻结管断裂曾是一大难题：冻结管断裂后，冷媒剂冻结管断裂曾是一大难题：冻结管断裂后，冷媒剂（盐水）将融化冻土（盐水）将融化冻土冻土体冻土体“开窗开窗”，严重时可，严重时可造成淹井事故。造成淹井事故。3.1 概述概述3.1.4 工程应用工程应用立井施工立井施工3.1 概述概述1盐水泵；盐水泵；2蒸发器；蒸发器；3氨液分离器；氨液分离器；4氨压缩机；氨压缩机；5油氨分离器；油氨分离器；6集油器；集油器；7冷凝器；冷凝器；8储氨器；储氨器；9空气分离器；空气分离器；10冷却水泵；冷却水泵；11节流阀；节流阀；12去路盐水干管；去路盐水干管；13配液圈；配液圈；14冻结器；冻结器；15集液圈；集液圈；16回路盐水干管；回路盐水干管；17井壁；井壁；18冻结壁；冻结壁；19测温孔；测温孔；20水位观测孔水位观测孔3.1.4 工程应用工程应用立井施工立井施工3.1 概述概述3.1.4 工程应用工程应用斜井施工斜井施工3.1 概述概述李家坝煤矿斜井冻结工程李家坝煤矿斜