冻结法原理及其应用

主要内容1冻结法概述2人工冻结制冷系统3冻结法设计原则4冻土物理和热学性质5冻土力学性质6土体冻结基本理论7立井工程冻结法实例8地铁联络通道冻结法施工技术9城市地下工程冻结法实例10冻胀、融沉控制及强制解冻技术11冻结信息化监测技术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岩土中的水冻结为冰并与岩土胶结在一起，形成一个预定设计轮廓的冻结壁或密闭的冻土体，用以抵抗水土压力、隔绝地下水，并在冻结壁的保护下，进行地下工程的施工。1概述——冻结岩土性质的改变将含水地层（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变成冰，岩土的性质发生决定性的变化。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(冻土)用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——冻土的形成为构造高承载力和密封防水的冻结壁，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——形成冻结壁.1概述1概述1概述1概述1概述1概述1概述——环境友好的施工方法冻结只是临时改变岩土的承载、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。冻结法不污染环境，是“绿色”施工方法1概述——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——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1.2冻结法简史国外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600m1888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702m1979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、加拿大等我国情况1955年，我国首次在开滦林西风井使用盐水冻结法凿井并获得成功；至今已经冻结近1000个井筒.70年代初，北京地铁冻结长90m，垂深28m上世纪80年代，东海拉尔水泥厂的上料仓基坑；1988年，凤台淮河大桥主桥墩基础工程1993年，上海地铁一号线1个泵站和3个隧道贯通道结合部1998年，北京地铁大北窑车站南隧道水平冻结施工，长45m2000年以后,上海大量越江隧道和地铁工程使用冻结法.1概述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领域：——立井工程——斜井工程——地基基础——基坑稳定——隧道工程——其他岩土工程1概述可用来获得低温的方法很多，一般有以下几种相变制冷蒸气压缩制冷吸收制冷热电制冷2冻结系统种类2.1相变制冷相变是指物质固态、液态、气态三者之间变化过程。在相变过程中要吸收或放出热量。相变制冷就是利用物质相变时的吸热效应，如固体物质在一定温度下的融化或升华，液体汽化。干冰是固态的二氧化碳（CO2），它是一种良好的制冷剂，广泛应用于实验研究、食品工业、医疗、机械加工和焊接等方面。干冰的平均相对密度为1.56，干冰在化学上稳定，对人无害。在大气压力下升华温度为－78.5℃，升华潜热为573.6kJ/(kg·K)。2冻结系统种类2.2热电制冷热电制冷又称温差电效应、电子制冷等，它是建立在珀尔帖效应原理上的。1834年珀尔贴发现当一块N型半导体（电子型）和一块P型半导体（空穴型）联成电偶时，在这个电路中接上一个直流电源，电偶上有电流通过时，就发生了能量转移，在一个接头上吸收热量，而在另一个接头上放出热量。在热电制冷装置的应用中，热电装置常称为热电块，一个热电块由多个冷接头、热接头串接而成。热电块中的电流方向决定接头是吸热还是放热的。电流如果由N型半导体进入P型半导体，则连接N型、P型半导体的接头是吸热的，称为冷接头；电流方向相反时则连接N型、P型半导体的接头放热（称为热接头）。2冻结系统种类2.3蒸气压缩制冷蒸气压缩制冷和气体压缩制冷同属于压缩式制冷循环，它是以消耗一定量的机械能为代价的制冷方法。压缩制冷是最常用的制冷方式。由于气体压缩制冷过程中制冷剂不发生相态变化，无潜热利用，其单位制冷量小，要提供一定制冷量，则需相对大的设备。蒸气压缩式制冷采用在常温下及普通低温下即可液化的物质为制冷剂（如氨、氟利昂等）。制冷剂在循环过程中周期性地以蒸气和液体形式存在。蒸发器中产生的低压制冷剂蒸气在压缩机中被压缩到冷凝压力，经冷却水、空气等介质冷却后变成液体，再经节流阀膨胀到蒸发压力成为汽、液两相混合物，温度降到饱和温度，在蒸发器中蒸发，吸收热量而制冷，汽化后的蒸气被压缩机吸回，完成一个循环。2冻结系统种类2.4吸收式制冷吸收式制冷是利用溶液对其低沸点组分的蒸气具有强烈的吸收作用而在加热状态下，低沸点组分挥发出来的特点达到制冷目的。吸收式制冷采用的工质是由低沸点物质和高沸点物质组成的工质对，其中低沸点物质为制冷剂，高沸点物质为吸收剂。吸收式制冷不同于压缩式制冷，它是用热能替代机械能来完成冷冻循环的。吸收式制冷系统还可以使用天然气、液化石油气、蒸气或电加热器作为能源。2冻结系统种类目前广泛使用的是溴化锂水溶液吸收式制冷机。水为制冷剂，溴化锂为吸收剂，用来制作0℃以上的冷源发生器。1个大气压下，溴化锂的沸点1265℃，水的沸点为100℃。因此，在溴化锂水溶液上方的蒸气几乎全部为水蒸气，而溴化锂对水的吸引力很强，使溶液面上方水蒸气饱和压力比相同温度下水的饱和蒸气压低得很多。在这样低的压力下，水就可以在比常温低的温度下蒸发，吸收热量，达到制冷的目的。2冻结系统种类吸收式制冷系统按使用热源的种类分为：燃油燃气蒸气电加热太阳能岩土工程冻结制冷技术常用的有：盐水循环氨制冷冻结液氮冻结干冰冻结混合冻结2冻结系统种类2冻结系统种类2.5氨（氟利昂）－盐水冻结系统（BrineSystem）盐水循环------盐水吸收地层热量，在盐水箱内将热量传递给蒸发器中的液氨；氨循环------液氨变为饱和蒸气氨，再被氨压缩机压缩成过热蒸气进入冷凝器冷却，高压液氨从冷凝器经贮氨器，经节流阀流入蒸发器液氨在蒸发器中气化吸收周围盐水的热量；冷却水循环--------冷却水在冷却水泵，冷凝器和管路中的循环叫冷却水循环。将地热和压缩机产生的热量传递给大气。2.5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却水循环制冷循环冻结地层蒸发器冷媒剂循环：在冻结管内循环，将地层热量带出冷却水循环：将制冷系统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）2冻结系统种类一个大气压下气化潜热197.6KＪ/Kg。氮的显热为1.05KＪ/（Kg.K）2.6液化气体系统（液氮）利用液氮的潜热实现地层冻结2冻结系统种类液氮冻结原理图2冻结系统种类干冰是固态的二氧化碳（CO２），它是一种良好的制冷剂，广泛应用于实验研究、食品工业、医疗、机械加工和焊接等方面。干冰的平均相对密度为1.56ｇ／ｃｍ３，干冰在化学上稳定，对人无害。在大气压力下升华温度为－78.5℃，升华潜热为573.6kJ/(kg·K)。2.7二氧化碳（干冰，CO2）制冷2冻结系统种类2.8混合系统,盐水液氮混合冻结较多采用,前期用液氮快速冻结,后期用盐水维持。2.9四种系统的适用范围，设备容量和主要技术指标2.9四种系统的适用范围，设备容量和主要技术指标（1）盐水系统制冷温度：-10℃～-35℃土层：任何含水地层地下水流速：υ≤5．7﹡10-5m/s冷量估算：Q=1.3.π.d.H.K制冷效率：30%~50%冻土速度：2cm/d2.9四种系统的适用范围，设备容量和主要技术指标（2）液氮系统制冷温度：-60℃～-150℃土层：任何含水地层地下水流速：不限冷量估算：460kg/m3制冷效率：50%冻土速度：20cm/d配备储气罐：大于5000升2.9四种系统的适用范围，设备容量和主要技术指标（3）干冰系统制冷温度：-20℃～-70℃土层：任何含水地层表面地下水流速：不能有动水冷量估算：600kg/m3制冷效率：70%冻土速度：10cm/d2.9四种系统的适用范围，设备容量和主要技术指标（4）混合系统制冷温度：-40℃～-70℃土层：任何含水地层地下水流速：少量动水冷量估算：Q=1.3.π.d.H.K制冷效率：60%冻土速度：3cm/d盐水加入乙二醇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冻结法设计原则（2）在工程条件方面l冻结壁功能，密封、承载或密封和承载l冻结壁形状与尺寸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，实验室试验3冻结法设计原则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冻结法设计原则（1）地质、水文地质及土性研究——土矿物种类——土密度——含水量——渗透性——孔隙体积→冻结法的适用性→冻结工作的可能性→冻结管的处理（2）冻土性质——单轴、三轴试验——蠕变试验——冻胀试验、结冰温度试验→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）冻结壁设计——冻结壁中的力和应力→冻结壁的理论尺寸（5）施工监测（信息化施工）——变形、温度、压力等监测→特殊内容的观测与控制（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：冻结壁结构形式、支护方法、冻结方案、冻结壁尺寸、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冻结法设计原则冻结项目的设计工作l设计冻结壁结构形式，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冻结法设计原则l优选冻结方案—一次冻结—分期冻结—局部冻结l确定