井巷特殊施工(第二章 冻结法(节8 冻结井壁))
井巷特殊施工(第二章 冻结法(节7 冻结壁计算))
§1 §2 §3 §4 §5 §6 §7 §8 §9 概述 蒸汽压缩制冷 冻结法施工 冻结方案 冻土物理力学性质 冻结温度场 冻结壁计算 冻结井壁 冻结法设计计算
第2章 冻结法 章
§7 冻结壁计算
§7.1 轴对称平面应变力学模型计算方法 §7.2 轴对称空间问题力学模型计算方法 §7.3 经验公式
从上式可见，切向应力总是大于径向应力。当r＝b时，得：
σr = p
b2 + a2 σt = 2 p b a2
第2章 冻结法 章
§7 冻结壁计算
§7.1轴对称平面应变力学模型计算方法 7.1轴对称平面应变力学模型计算方法
当r＝a时，得：
σr = 0
2b 2 σt = 2 p b a2
即最大径向应力发生在筒壁的外边缘，最大切向应力发生在筒壁的内边缘 。但由于最大切向应力远大于最大径向应力，所以危险点从厚壁简的内边缘出 现。 冻土属流变体，宜采用考虑塑性流动的强度理论，即第三强度理论(最大 剪应力理论)和第四强度理论(形状改变比能理论)。 σ 按第三强度理论认为安全工作时的强度条件是： 1 σ 3 ≤ [σ ] 即最大与最小主应力之差应小于或等于材料的容许应力[σ]，即
第2章 冻结法 章
§7 冻结壁计算
§7.1轴对称平面应变力学模型计算方法 7.1轴对称平面应变力学模型计算方法
冻结壁作用：临时支护 厚度取决于地压和冻土强度。 计算方法：轴对称平面应变力学模型；轴对称空间力学模型；数理统计 的经验法。
第2章 冻结法 章
§7 冻结壁计算
§7.1轴对称平面应变力学模型计算方法 7.1轴对称平面应变力学模型计算方法
由公式可见，冻结壁厚度取决于地压P、冻土变形模量A（τ，t），段高h 、允许位移ua以及两端约束条件ξ。在具体运用时，也可先给定壁厚，反求允 许的掘进段高。
冻结法施工工艺
冻结法施工工艺地铁施工旁通道冻结法施工工艺冻结法施工工法一、前言作为一种成熟的施工方法，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，主要用于煤矿井筒开挖施工，其中冻结最大深度达435m，冻结表土层最大厚度达375m.自1992年起，冻结法工艺被广泛应用于上海、北京、深圳、南京等城市地铁工程施工中。
公司在上海地铁隧道旁通道工程施工中，采用了冻结法加固的施工方法，通过对施工工艺的归纳总结，以及参考有关施工技术资料，形成本工法。
二、特点冻结法适用于各类地层尤其适合在城市地下管线密布施工条件困难地段的施工，经过多年来国内外施工的实践经验证明冻结法施工有以下特点：1、可有效隔绝地下水，其抗渗透性能是其它任何方法不能相比的，对于含水量大于10%的任何含水、松散，不稳定地层均可采用冻结法施工技术；2、冻土帷幕的形状和强度可视施工现场条件，地质条件灵活布置和调整，冻土强度可达5-10Mpa，能有效提高工效；3、冻结法是一种环保型工法，对周围环境无污染，无异物进入土壤，噪音小，冻结结束后，冻土墙融化，不影响建筑物周围地下结构；4、冻结施工用于桩基施工或其它工艺平行作业，能有效缩短施工工期。
三、使用范围冻结法适用于各类地层，主要用于煤矿井筒开挖施工。
目前在地铁盾构隧道掘进施工、双线区间隧道旁通道和泵房井施工、顶管进出洞施工、地下工程堵漏抢救施工等方面也得到了广泛的应用。
四、工艺原理冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，将松散含水岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水，以便在冻结壁的保护下，进行地下工程掘砌作业。
它是土层的物理加固方法，是一种临时加固技术，当工程需要时冻土可具有岩石般的强度，如不需要加固强度时，又可采取强制解冻技术使其融化。
五、工艺流程冻结法六、施工操作要点施工时，应不断对每个施工工序进行管理。
控制冻结孔施工、冻结管安装、冻结站安装、冻结过程检测的质量。
井巷特殊施工(第二章 冻结法(节8 冻结井壁))
第2章 冻结法 章
§1 §2 §3 §4 §5 §6 §7 §8 §9 概述 蒸汽压缩制冷 冻结法施工 冻结方案 冻土物理力学性质 冻结温度场 冻结壁计算 冻结井壁 冻结法设计计算
第2章 冻结法 章
§8 冻结井壁
§8.1 §8.2 §8.3 §8.4 冻结井壁受力分析 按均压薄壁圆筒计算井壁厚度 按均压厚壁圆筒计算井壁厚度 冻结井壁环向稳定性验算
§8 冻结井壁
§8.3按均压厚壁圆筒计算井壁厚度 8.3按均压厚壁圆筒计算井壁厚度
E＞r/10时： 在冻结井壁设计中很少是薄壁圆筒，一般均按厚壁圆筒计算。外荷载按均 压，内、外层井壁厚度计算完后，再将之厚度加起来作为井壁全厚。
El = R
[ f z ] 1 [ fz ] 3 p
f z = f c + min f y
第2章 冻结法 章
§8 冻结井壁
§8.1冻结井壁受力分析 8.1冻结井壁受力分析
1——冻结压力上升阶段 井筒开挖后，冻结壁即发生蠕变变形和应力重新 分布。筑外壁后，变形被阻，对井壁产生挤压力；接着井壁后融土回冻和降温 ，产生冻胀力．外壁受到不断增长的冻结压力作用。 2——冻结压力波动阶段 套砌内壁后，混凝土水化热使外壁后的冻土融化 、湿陷，冻结压力迅速下降。过一定时间，融化的冻土再度回冻，冻结压力又 有所回升，形成凹形的压力波动阶段。此阶段的压力值，一般都小于阶段I所 达到的最大压力值。 3——压力渐变过渡阶段 冷冻站停止供冷后，冻结壁的温度不断升高，并 开始自然解冻，冻结压力逐渐下降。但与此同时，作用到井壁上的地压越来越 大，逐渐向永久地压过渡。 4――永久地压阶段 冻结壁完全解冻，地层的水土压力全部作用在井壁上 ，进入长期稳定的永久地压阶段。 井壁在1和3两个阶段经受两次外力峰值：前次是由外层井壁单独承受的最 大冻结压力，后次是由内外两层井壁分担的永久地压。
第二篇冻结设计
第二篇冻结施工组织设计1 井筒概况梁宝寺二号井是肥城矿业集团有限责任公司在梁宝寺矿区规划筹建的第二对矿井。
矿井位于山东省嘉祥县境内，年设计生产能力1.5Mt，采用立井开拓方式，布设主井、副井、风井三个井筒，主井井筒设计净直径5.0m，全深1100.5m；副井井筒设计净直径6.5m，全深1130.5m；风井井筒设计净直径5.5m，全深1028.5m。
三井均采用冻结法施工，井筒主要特征如下：表2-1-1 井筒主要技术特征表2 井筒地质及水文情况2.1 地质概况2.1.1地层概况根据梁宝寺矿井检2孔资料，井筒自上而下穿过的地层有：第四系、上第三系、二叠系上石盒子组地层。
现分别叙述如下：（1）第四系（Q）厚148.90m，为一套河湖相沉积，不整合于上第三系之上，主要由中～巨厚层粘土夹少量砂质粘土，粘土质砂及砂层组成。
粘土呈土黄、锈黄、灰绿、浅红等色，粘性、膨胀性均较强，刀切面光滑，局部含砂及姜结石。
砂质粘土呈土黄、锈黄、灰绿等色，含细、粉砂不均一，粘性较差。
粘土质砂呈灰绿、锈黄、肉红色，以中、细砂为主，含粘土不均一，较松散，局部含小砾石。
砂层上部呈土黄、锈黄色，下部呈灰绿、肉红色，细～粗粒，纯净、松散，成分以石英为主，长石次之，上部分选性较好，下部分选性较差。
本段地层粘土、砂质粘土总厚119.85m，占该段地层的80.5％。
（2）上第三系（N）厚315.50m，为一套河湖相沉积，不整合于下伏基岩之上，主要由中～巨厚层粘土夹少量砂质粘土，粘土质砂及砂层组成。
根据地址情况及其组合，可将上第三系分为上、中、下三段。
①上段：厚115.80m，主要由中～巨厚层粘土夹少量薄层砂质粘土、粘土质砂及砂层组成。
粘土以灰绿色为主，含土黄、锈黄、浅红等色，粘性、膨胀性较强，刀切面光滑，具滑面，局部半固结，含砂、姜结石及钙质团块。
砂质粘土呈浅红、锈黄、肉红色，以粉砂为主，含粘土不均一，较松散，局部含小砾石。
砂层呈灰绿、锈黄、肉红色，细～粗粒，纯净、松散，成分以石英为主，长石次之。
矿井井筒冻结法施工过程中的常见问题与处理
face bottom heave, and freezing wall deformation may occur, which seriously affect the shaft construction. These are also common problems
in the construction process of shaft freezing method, which are discussed in this article.
作者简介院张星宇（1986-），男，河北黄骅人，本科，现任中煤邯郸 特殊凿井有限公司丁家梁项目部技术部长。
环、氨循环三个循环系统构成。在井筒开挖之前，首先需要 在井筒开凿处的周边根据冻结范围的需要，打出一定数量 的冻结孔，然后在冻结孔内安装冻结器。低温盐水以循环 泵为动力在冻结器内循环流动，不断吸收周围土体热量使 其降温冻结并形成多个冻结圈，最后冻结圈逐渐扩大连接 在一起形成坚固稳定且不透水的冻结壁，以防止开凿区域 土体变形。在冻结圈的保护下可进行井筒及砌衬施工，待 掘砌施工到预定深度后并在井筒周围形成坚固砌体后，即 可停止冻结，撤出冻结器和冻结管。
1.2 井筒冻结法施工的技术特点 淤安全性好。冻结形成的坚固稳定的冻结壁，其强度 可达到 10MPa。可有效抵御围岩压力和防止土体变形，还 能隔绝地下水，增强施工区域地层的稳定性，确保施工安 全。于操作灵活。可根据冻结需要合理控制冻结体的形状 和范围，提高冻结效率。盂环保无污染。冻结施工仅通过温 度变化来改变土体形态，不会对施工区域造成污染；土方 施工主要为冻结孔打孔，土方作业量较小，对地层破坏影 响也较小。榆不影响工期。冻结施工可与其它矿井施工项 目平行作业，因此对工期影响较小。 2 矿井井筒冻结法施工过程中的常见技术问题与处理 由于施工区域地层情况的复杂性和地下空间的不确 定性，采用冻结法进行井筒施工时有时会遇到一些技术问 题。比如冻结井壁破裂、冻结管断裂、冻结壁变形、工作面 底鼓等，都是冻结法井筒施工时经常遇到的问题，通过采 取适当的措施即可消除问题隐患，保证顺利施工。 2.1 冻结管断裂 冻结管断裂主要是由于土层冻涨力对冻结管形成的 挤压作用所致，与冻结壁变形过大、冻结孔偏斜和冻结管 连接质量等都有一定的关系。特别是厚粘土层区域施工 时，冻结管断裂的现象更加常见。可采取以下措施予以防
井巷特殊施工(第二章 冻结法(节3 冻结法施工))解析
第2章 冻结法
§3 冻结法施工
§3.2 钻孔施工
钻孔布置
冻结孔数目：N=πD0/l 式中：N—冻结孔数目； D0—冻结孔布置圈径，m； l—冻结孔间距，一般l=1~1.3m。 求出孔数若为小数，则调整为整数后，再确定孔距。冻结孔的间距一般取0.9 一1.3米。这个区间其冻结孔钻进成本、冻结器安装成本及冻结成本之和数值 变化不大。当孔间距小于0.9米或大于1.3米时成本有明显的增高。
第2章 冻结法
§3 冻结法施工
§3.1 冷冻站安装
第2章 冻结法
§3 冻结法施工
§3.1 冷冻站安装
第2章 冻结法
§3 冻结法施工
§3.1 冷冻站安装
管路耐压密封试验
压密封试验。试验前，先进行氨压缩机的空载及负荷运转，运转累计时间不
得少于24小时，合格后，再对氨循环管路压风吹洗，清除管内碎屑杂物，然
后进行耐压密封试验。试验可分压气和真空试漏两种。压气试漏时间规定为 24小时，开始6小时由于压缩空气冷却，允许压降为0.02一0.03MPa，此后18 小时内不再下降为合格。一般试压压力为正常工作压力的1.5倍。为了进一 步检查管路的密封性，还要进行真空试验，将管路抽成真空度为0.0973一 0.1013MPa，24小时后真空度仍保持在0.09337MPa以上的为合格。
第2章 冻结法
§3 冻结法施工
§3.1 冷冻站安装
冷冻站设备布置
冷冻站设备分站内、外两大区域布置。通常，站内区布置蒸发器（盐水 箱），朝向井口，接着是低压机、氨液分离器、中间冷却器和高压机。站外区 布置集油器、油氨分离器、贮氨器和冷凝器。冷却水池在冷凝器的外侧。
冷冻站安装程序
冷冻站安装与打钻同时进行。 对于氨压缩机的安装质量应予格外重视、氨压缩机的混凝土基础要严格 照图纸施工，其他设备也应按各自的技术质量标准进行安装。
特殊施工
第一章1、冻结法凿井：在井筒开挖之前，用人工制冷的方法，将井筒周围的岩层冻结形成封闭的圆筒——冻结壁，以抵抗地压，隔绝地下水与井筒的联系，然后在其保护下，进行掘砌工作的 一种特殊施工方法，其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。
2、一级压缩制冷原理1－2绝热压缩过程（等熵过程) 压缩机做功：12h h l -= kJ/kg 2－3：等压冷却过程冷凝器热荷载 32h h q k -= kJ/kg3－4绝热降压过程（等焓过程）4－1等温等压蒸发过程 制冷系数： 12410h h h h l q --==ε 单位制冷量0430q h h q >'-'=' 3、双级压缩制冷原理（串联）1—2 低压机做功（等焓过程）：121h h l -= KJ/kg2—3等压冷却：z p z p ， 2t z t 3—4高压机做功（等熵过程）：342h h l -= KJ/kg 4—5—6 等压冷却 ：k p k p ，4t k t ，冷凝器热负荷：64h h q k -= 6—7过冷到7点：7t ＝z t ＋5℃＝9t ＋5℃ 7—10节源降压：k p 0p 10—1 蒸发过程：单位制冷量（蒸发器热负荷）101h h q -= KJ/kg 6—8 节源降压：k p z p 8—3 等压蒸发：z p单位压缩功： 341221h h h h l l l -+-=+= 单位制冷量：1010h h q -= 冷凝器热荷载：64h h q k -= 制冷系数()()3412101210h h k h h h h l G l G q G g d d -+--=+=ε4、冻土形成过程大量试验证明：土中水结冰过程大致可分成五阶段：①冷却段——供冰初期，土温下降至水的冰点0℃ ②过冷段——土温降至冰点以下，自由水仍不结冰，产生水的过冷现象（水中无结晶核存在）③释放潜热段（突变段）——水过冷后，水只要一开始结冰，便有潜热放出，温度上升至冰点。
新旧《煤矿井巷工程施工规范》中冻结法施工的对比分析
新旧《煤矿井巷工程施工规范》中冻结法施工的对比分析摘要：文章介绍了新旧《煤矿井巷工程施工规范》中冻结法施工的有关主要内容的区别，并进行了分析和解说，以加强工程技术及施工人员对新规范的理解和应用。
关键词：规范；冻结法施工；主要区别；分析Abstract: the article introduces the new and old the linxin coal mine construction project in the “code of freezing method constructio n on the main contents of the difference, and analyzed the settlement said, to enhance the engineering and construction personnel of a new understanding of the norms of the and application.Keywords: standard; Freezing method construction; The main difference; analysis0 引言国家颁布的《煤矿井巷工程施工规范》（GB50511-2010，以下简称2010规范）与旧《矿山井巷工程施工及验收规范》（GBJ213-90，以下简称90规范）中的冻结法施工是冻结法凿井施工的基础规范。
《2010规范》是在《90规范》的基础上进行了广泛的调查研究，总结了煤矿建设行业多年应用实践经验，吸取了十几年的新技术及科技成果编制而成，总体来说变化不是很大，但对于工程技术人员而言在规范的应用上还是有不少地方值得注意，现就新旧规范中冻结法施工的不同之处进行对比分析。
1 冻结深度的确定1.1 主要区别（见表1）1.2 分析《2010规范》中冻结孔深度是根据冻结孔的种类和作用确定。
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[ fz ] =
γk
fz
第2章 冻结法 章
§8 冻结井壁
§8.3冻结井壁环向稳定性验算 8.3冻结井壁环向稳定性验算
初选井壁厚度之后，还要对井壁圆环进行稳定性验算，如果初选井壁厚 度不能保证井壁圆环稳定，则要调整井壁厚度，直到满足环向稳定为止。 内外层井壁可分开验算横向稳定性。两层井壁的整体横向稳定性可不必 验算。 受均压时厚壁圆环强度验算、竖向钢筋抗拉及混凝土抗裂验算、井 壁抗裂验算，具体详细的计算可以参考《建井工程结构》。
第2章 冻结法 章
§8 冻结井壁
§8.1冻结井壁受力分析 8.1冻结井壁受力分析
(一)井壁受力过程 要正确进行冻结井筒井壁的设计和施工，必须先了解并壁在施工和生产期 间受力的大小和变化规律。为此，我国曾在近十个冻结井筒进行过井壁内外力 的实测研究。实测表明，井壁在施工期间要承受冻结压力，在解冻后和生产期 间要承受永久地压。另外，施工期间由于温度的剧烈变化，在井壁内产生较大 的温度应力。所以，冻结井壁的受力情况要比其它井壁更为复杂。 一般外力的变化可分为四个阶段。
第2章 冻结法 章
§1 §2 §3 §4 §5 §6 §7 §8 §9 概述 蒸汽压缩制冷 冻结法施工 冻结方案 冻土物理力学性质 冻结温度场 冻结壁计算 冻结井壁 冻结法设计计算
第2章 冻结法 章
§8 冻结井壁
§8.1 §8厚壁圆筒计算井壁厚度 冻结井壁环向稳定性验算
§8 冻结井壁
§8.3按均压厚壁圆筒计算井壁厚度 8.3按均压厚壁圆筒计算井壁厚度
E＞r/10时： 在冻结井壁设计中很少是薄壁圆筒，一般均按厚壁圆筒计算。外荷载按均 压，内、外层井壁厚度计算完后，再将之厚度加起来作为井壁全厚。
El = R
[ f z ] 1 [ fz ] 3 p
f z = f c + min f y
第2章 冻结法 章
§8 冻结井壁
§8.1冻结井壁受力分析 8.1冻结井壁受力分析
1——冻结压力上升阶段 井筒开挖后，冻结壁即发生蠕变变形和应力重新 分布。筑外壁后，变形被阻，对井壁产生挤压力；接着井壁后融土回冻和降温 ，产生冻胀力．外壁受到不断增长的冻结压力作用。 2——冻结压力波动阶段 套砌内壁后，混凝土水化热使外壁后的冻土融化 、湿陷，冻结压力迅速下降。过一定时间，融化的冻土再度回冻，冻结压力又 有所回升，形成凹形的压力波动阶段。此阶段的压力值，一般都小于阶段I所 达到的最大压力值。 3——压力渐变过渡阶段 冷冻站停止供冷后，冻结壁的温度不断升高，并 开始自然解冻，冻结压力逐渐下降。但与此同时，作用到井壁上的地压越来越 大，逐渐向永久地压过渡。 4――永久地压阶段 冻结壁完全解冻，地层的水土压力全部作用在井壁上 ，进入长期稳定的永久地压阶段。 井壁在1和3两个阶段经受两次外力峰值：前次是由外层井壁单独承受的最 大冻结压力，后次是由内外两层井壁分担的永久地压。
第2章 冻结法 章
§8 冻结井壁
§8.1冻结井壁受力分析 8.1冻结井壁受力分析
(二)复合井壁夹层的作用 防水、缓冲地压，允许外壁上下和径向滑动。
第2章 冻结法 章
§8 冻结井壁
§8.2按均压薄壁圆筒计算井壁厚度 8.2按均压薄壁圆筒计算井壁厚度
El＜R/10 时：
El =
γ k pR
fc
第2章 冻结法 章