冻结工程概述

3冻冻结法法施工工3冻冻结法法施工工3.1概概述3.2冻冻结法法原理理与设设计原原则3.3冻冻土的的物理理、力力学和和热性性质3.4表表土段段冻结结法施施工3.5冻冻结法法施工工组织织设计计3.1.1冻结法的的实质与与特点3.1.2冻结法的的起源与与发展3.1.3冻结技术术和措施施3.1.4工程应用用3.1概述§3.1.1冻结法的的实质与与特点冻结法是是利用人工制冷冷技术，使地层层中的水结冰，把天然然岩土变变成冻土，增加其其强度和和稳定性性，隔绝地下下水与地地下工程程的联系系，以便在冻冻结壁的的保护下下进行井井筒或地地下工程程掘砌施施工的特殊施工工技术。3.1概述冻结法的的实质：：利用人工工制冷临临时改变变岩土性性质以固固结地层层。§3.1.1冻结法的的实质与与特点含水地层层（松散散土层和和裂隙岩岩层）在在结冰温温度下冷冷却，岩岩石裂隙隙或土孔孔隙中的的水转换成成冰，岩土的的性质将将发生决定性的变化：材料：（1）土土体中水水分冻结结，提高高一定范范围内岩岩土的强强度（2）减减低一定定范围岩岩土体渗渗透性———创造造新工程程材料结构：在普通结结构内部部构建了了新的结结构。3.1概述§3.1.1冻冻结结法的实实质与特特点冻结仅临临时创造造冻土良良好的承承载、密密封性能能，为构构筑新的的地下空空间服务务，施工工后，冻冻土将解解冻融化化，土将将逐渐恢恢复到未未冻结状状态。在冻结法法施工中中，没有有像喷射射混凝土土时的混混凝土、、板桩施施工时的的钢板、、注浆时时的浆液液材料等等附加物物质进入入地层。。冻结法不污染环环境，是“绿色”施工方方法。环境友好好的施工工方法！！！3.1概述§3.1.1冻冻结结法的实实质与特特点冻结法的的适用性性任何松散散体（砾砾石层、、砂层或或粘性土土层），，当具有有一定含含水量时时均可通通过冻结结予以加加固。冻结岩土土体的方方法：从土体中中吸热将裂隙充充水砾石石中6.5%体体积的水水由+10℃冻冻结到-8℃，，需要约约14000kcal热量。3.1概述冻结的作作用含水、松松散土体体冻结后后抗压强强度明显显提高，，类似混混凝土。。冻土的的强度和和弹性模模量依赖赖于土的的种类和和含水量量。影响冻土土强度的的主要因因素是冻结温度度：饱和密实实砂：-15℃℃时抗抗压强度度3.5MPa、、弹模150MPa-20℃℃时抗抗压强度度5.5MPa、、弹模280MPa与混凝土土力学性性质明显显不同，，冻土抗抗弯强度度相对较较大3.1概述§3.1.1冻结法的的实质与与特点冻结法凿凿井原理理1-盐水水泵；2-蒸发发器；4-压缩缩机；7-冷凝凝器；11-节节流阀；；12-盐水去去路管；；13-配配液圈；；14-冻结器器；15-集集液圈；；16-盐水回回路管；；17-井井壁；18-冻冻结壁；；19-测测温孔§3.1.1冻结法的的实质与与特点3.1概述适用性强强，几乎乎不受地地层条件件限制灵活性好好污染性小小经济合理理冻结法的特点能有效隔隔绝地下下水§3.1.1冻结法的的实质与与特点冻结法设设计与施施工(1)根根据工工程、地地质、水水文和环环境条件件进行冻冻结设计计：——确定冻土土结构形式——选择制冷冷方式——布置冻结结系统——确定冻结结温度——估算冻结结时间，等。。(2)待设设计冻土结构构形成后，在在其保护下进进行地下工程程的掘进、支支护和设备安安装等工作。。3.1概述§3.1.2冻结法的起起源与发展展国外冻结施施工情况1862年年英国首先先采用人工工制冷方法法加固建筑筑工程基础础；1883年年德国波茨茨舒冻结开开凿103m井筒，，获得冻结结凿井专利利；1888年年：美国，，用于煤矿矿矿井开挖挖；1965年年：加拿大大，开挖1089米米矿井，冻冻结深度684米;苏联1928年开始始采用冻结结法，至1990年年共开凿井井筒400多个迄今为止，，各国冻结结井最大冻结深深度英国930m，美国国915m，波兰860m，，加拿大634m，，比利时638m，前前苏联620m，德德国628m，法国国550m，中国955m3.1概述§3.1.2冻结法的起起源与发展展国内冻结施施工情况我国于1955年在开滦林林西风井首首次采用冻冻结法施工工第一个井井筒（直径径5.0m，深度105m）），揭开了了我国在表表土不稳定定含水地层层建设井筒筒的序幕。。到现在已有有近60年年历史，共共计施工了了500多多个立井井井筒，累计计冻结总深深度达80km。实践表明：：冻结法凿凿井已成为为我国解决决深厚冲积积层施工困困难的最主主要特殊施施工方法。。随着国民民经济的发发展和新矿矿区的开发发，新建矿矿井穿过的的冲积层厚厚度和冻结结深度呈跳跳跃式增长长。3.1概述§3.1.2冻结法的起起源与发展展国内冻结施施工情况20世纪80年代，井筒穿过的的冲积层最最大厚度达达到358.5m（（潘三东风风井），冻结最大深深度达到415m；20世纪90年代初初，井筒穿过的的冲积层最最大厚度达达374.5m（陈陈四楼副井井），冻结最大深深度达到435m。程村矿主、、副井：2003年年4月和9月顺利穿穿过了冻结结段，创出出我国已建建成冻结井井中最早通通过430m冲积层层、冻结深度达达到485m的冻结井筒筒冻结管无无断裂，井井壁无压坏坏和无漏水水、井壁质质量优良的的优异成绩绩。3.1概述§3.1.2冻结法的起源源与发展国内冻结施工工情况安徽淮南矿业业集团公司丁丁集矿井风井井井筒冻结段段所穿过的地地层为第四、、第三系表土土段及基岩风风化带，厚度度为528.65m。冻冻结工程创造造了从开机到到停机仅365天的最短短时间，确保保了井筒掘砌砌安全顺利通通过了528.65m的的冲积层，冻结深度558m，且没有发生生一根冻结管管断裂事故；；井筒掘砌工工程创造了从从正式开工到到井筒安全通通过528.65m的冲冲积层、550m冻结段段井壁顺利落落底时间仅205天，且且外层井壁没没有发生任何何开裂现象，，外壁掘砌平平均速度达80.5m/月好成绩。。3.1概述§3.1.2冻结法的起源源与发展国内冻结施工工情况目前我国冻结结法施工成功功的井筒数量量达500多个；表土层冻结深深度最深的井井筒是安徽口口孜东矿井副副井井筒厚度度达577.1m；最大冻结深度度：华能甘肃能源源有限公司核核桃峪煤矿副副井、风井的的冻结深度955m。3.1概述§3.1.3冻结技术和措措施制冷技术（制冷系统、、冷媒剂循环环、冷却水循循环）制冷循环一般包括四个个过程：冷媒剂循环与冻结管相连连，将地层热热量带出冷却水循环将冷媒剂携带带的热量释放放于大气冻结法中，制制冷剂一般用用氨或氟里昂昂，冷媒剂通通常用氯化钙钙溶液（盐水水）压缩—冷凝——降压—蒸发发3.1概述§3.1.3冻结技术和措措施3.1概述冻结法凿井示示意图§3.1.3冻结技术和措措施三大循环系统统：氨循环系统、、盐水循环系系统、冷却水水循环系统。。低温盐水在沿冻结管流流动过程中，，不断吸收孔孔壁周围岩土土层的热量，，使岩土逐渐渐冷却冻结而而成。盐水起起传递冷量的的作用，称为为冷媒剂。盐水的冷量是是利用液态氨气化时吸收盐水的的热量而制取取的，所以氨氨叫做制冷剂剂。3.1概述20氨循环盐水循环冷却水循环液态氨：气态氨：去油脂：低温盐水：加热盐水：常温冷却水：：加热冷却水：：3.1概述§3.1.3冻结技术和措措施冻结管——将冷量注注入地层的关关键设施垂直冻结管：：如基坑、矿井井，垂直钻进进技术，目前前技术水平，，垂直钻1000m深孔，偏斜率率可控制在3‰水平冻结管：：如隧道，必须须采用特殊的的水平钻孔技技术。目前，，水平冻结孔孔钻进长度一一般50~60m，德国杜塞尔尔多夫隧道一一次钻进长度度达到115m冻结管的功能能特殊，强度度和密封必须须可靠。深井井冻结冻结管管断裂曾是一一大难题：冻冻结管断裂后后，冷媒剂（（盐水）将融融化冻土———冻土体“开开窗”，严重重时可造成淹淹井事故。3.1概述§3.1.4工程应用立井施工3.1概述§3.1.4工程应用立井施工3.1概述§3.1.4工程应用斜井施工3.1概述李家坝煤矿斜斜井冻结工程程李家坝回风斜斜井设计冻结结孔数357个，测温孔12个，总计造孔孔数为369个，设计造孔孔量为46450米。冻结段水水平长度139.5米，斜长152.7米，冻结段垂垂直深度62.1米。回风斜井冻结结站装配2台HLG20ⅢⅢA250型氨螺杆压缩缩机、6台HLG20ⅢⅢAB110型氨螺杆压缩缩机、3台JZLG20型氨螺杆压缩缩机及