现代土木工程施工技术-冻结法施工
隧道施工中的冻结法与冻结技术
隧道施工中的冻结法与冻结技术隧道施工是现代城市建设中不可或缺的一环。
为确保施工过程中的安全和高效，各种施工方法和技术被不断探索和应用。
本文将重点介绍隧道施工中的冻结法与冻结技术。
冻结法是一种常见的施工方法，适用于软弱的土层、湿润的土壤或需要减少水流量的地下工程。
冻结法主要依靠冻结地层来形成临时支撑，确保施工区域不坍塌。
在隧道施工中，冻结法通常分为两种：直接冻结法和间接冻结法。
直接冻结法是将低温冷液注入到地下，通过地热传导使土壤温度迅速下降，形成冷冻带。
这种方法在施工过程中可以提供坚实的工作面，有效控制水流和土壤的塌方。
多年来，直接冻结法在各类隧道施工中被广泛应用，如地铁隧道、水利工程等。
间接冻结法则是通过为空气或低温液体进行冷却，而不将冷液直接注入地下。
间接冻结法的优点是可以减少对周围环境的影响，并且能够更好地控制冷却速度和范围。
然而，由于需要对冷却设备和管道进行布置，间接冻结法的成本相对较高。
除了冻结法外，冻结技术也在隧道施工中发挥重要作用。
冻结技术主要通过控制和利用地下水的冻结状态来实现隧道施工的稳定和安全。
其中，最常用的冻结技术包括冷却井冻结、屏幕冻结和管状冻结。
冷却井冻结是一种通过在施工区域周围钻探和排列冷却井，将冷却液注入地下，使邻近土层冷却并形成冻结带的技术。
这种技术适用于较深的施工区域，可以提供稳定的工作面和高效的施工环境。
屏幕冻结则是通过在土层中钻孔并注入冷却液，形成冷却屏障来控制水流。
屏幕冻结常用于需要临时封堵水源的地下工程，如地铁隧道和隧道底板。
管状冻结是一种将冷却液通过管道注入地下，形成管状冷冻体的技术。
管状冻结可以形成坚固的冷冻带，提供稳定的支撑和环境，适用于较大规模的隧道施工。
隧道施工中的冻结法和冻结技术在保障施工过程中的安全和高效方面发挥着重要作用。
通过冻结地层或控制水流，这些方法和技术能够提供稳定的工作面、减少地层塌方的风险，并有效控制水流和地下水位。
总之，隧道施工中的冻结法与冻结技术在现代城市建设中扮演着重要角色。
冻结法施工技术
冻结法施工技术嘿，朋友们！今天咱来聊聊冻结法施工技术。
这玩意儿可神奇啦，就好像给大地施了个魔法，让它乖乖听话。
你想想看，那泥土本来松松软软的，要在上面搞建设可不容易，一个不小心就塌啦陷啦。
可冻结法施工技术一来，就像给泥土穿上了一层坚硬的冰铠甲。
这层冰铠甲可厉害啦，能让泥土变得坚固无比，就跟石头似的，咱就可以在上面放心大胆地施工啦。
它是怎么做到的呢？其实就是利用一些特殊的设备和材料，把泥土里的水分给冻成冰。
这就好比冬天的时候，水会结成冰一样。
只不过这个过程是咱人为控制的。
这可需要技术和经验呢，可不是随随便便就能弄好的。
比如说吧，你得知道用什么温度去冻，温度太高了不行，冻不起来；温度太低了也不行，容易把其他东西也给弄坏了。
而且还要掌握好时间，冻的时间短了不结实，长了又浪费资源。
这就跟做饭似的，火候和时间都得恰到好处，才能做出美味的菜肴。
还有啊，冻结法施工也不是一劳永逸的。
在施工过程中，你还得时刻注意着这层冰铠甲的情况。
要是它有一点点松动或者融化的迹象，那可得赶紧采取措施，不然可就麻烦啦。
这就好像你穿了一件新衣服，得小心呵护着，别给弄脏弄破了。
再说说这冻结法施工技术的好处吧。
它能让一些本来很难施工的地方变得容易起来。
比如说在地下水位高的地方，或者是地质条件复杂的地方，用了它，就能大大提高施工的安全性和效率。
这可真是帮了大忙啦！而且啊，它还很环保呢。
比起其他一些施工方法，它不会产生那么多的废弃物和污染。
这多好啊，既干了活，又保护了环境，一举两得。
不过呢，任何事情都有两面性，冻结法施工技术也不例外。
它的成本可不低啊，那些设备和材料都不便宜。
而且要是操作不当，还可能会出现一些问题，比如冰铠甲突然破裂啦，那可就糟糕啦。
但咱不能因为这些就否定它呀，就像咱不能因为走路可能会摔跤就不走路了吧。
只要咱认真学习，掌握好技术，这些问题都是可以避免的。
总之呢，冻结法施工技术是个很有用的东西。
它就像一把神奇的钥匙，能打开很多施工难题的大门。
冻结法施工原理
冻结法施工原理冻结法在地下工程中应用较广泛，特别是在地铁、隧道和沿海工程中得到了较好的应用效果。
本文将主要阐述冻结法在地下工程中的施工原理。
冻结法概述冻结法，是一种利用低温材料将地下的水固化，形成临时的坚固物质来防止水和泥土进入地下工程中的技术。
通过这种技术，可以保证地下工程不受地下水压力和泥水流影响，达到施工的目的。
冻结法原理冻结法的原理是将地下的水通过注入低温物质的方式使其冻结，在形成一层冰壳之后将其视作固体，使其对地下施工具有一定的支撑作用。
具体来说，由于地下水中的大多数矿物和大颗粒物质都会随着水一同被冻结在冰中，因此冰的强度会显著增加。
这就使得内部水压力无法将冰层挤破，从而达到了抵抗水压力的效果。
此外，施工时，在冰层上方填充泥浆、混凝土等松散质料时，由于冰的支撑作用，可以有效避免松散质料倾泻到施工区域，对施工造成影响。
冻结法施工流程冻结法施工流程大致分为以下几个步骤：1.确定施工区域范围和冻结液注入点，根据需要选择注入点的数量和位置，注入点之间应该均匀分布，以达到较好的效果。
2.在注入点注入冻结液，通常会采用井孔灌注的方式进行，将注入孔灌注到达一定的强度时，便可形成冰层。
注入冻结液的过程中，要注意掌握液体的渗透速度，避免影响效果。
3.冻结液注入完成后，需要等待一段时间，直至冰的结构和强度达到要求，才可进行下一步施工。
4.在冰层上方填充泥浆或混凝土等松散质料，进行二次施工。
5.当施工完成后，需要及时回收注入的冻结液，避免对环境造成影响。
冻结法的优势与其他施工方式相比，冻结法在以下几个方面具有明显优势：1.强度高。
冻结法在地下工程中形成的冰层硬度较高，能够有效支撑工程结构，避免结构坍塌。
2.抗水性强。
由于冻结法形成的冰层具有较高的抗水性，能够有效避免地下水渗漏，对工程的成品质量有着保障作用。
3.适用范围广。
冻结法在地下工程中的适用范围广，可以在砂质土、黏土、岩石等地质条件下适用。
4.施工工艺简单。
土体冻结法施工工艺顺序
序号
施工步骤
主要内容及要求
1
施工准备
确定施工方案，准备施工设备、材料，包括冻结管、冷冻机组、盐水泵等。安装并调试设备，确保其正常运行。
2
开孔与钻孔
在设计位置进行开孔，开孔间距误差控制在±20mm内。利用冻结管作为钻杆进行钻孔，控制钻进深度，确保钻孔垂直度，偏斜过大则进行纠偏。
3
5
冻结过程监测与控制
启动冷冻机组，开始冻结过程。定期监测冻结管去回路温度、盐水流量、冷却循环水进出水温度等参数。根据监测结果调整制冷系统参数，确保冻土墙厚度和强度达到设计要求。
6
开挖与支护
冻结完成后，根据冻土墙强度进行开挖。开挖时采用分区、分段方式进行，确保施工安全。开挖过程中及时安装临时支护结构（如钢支架、喷射混凝土等），防止土体坍塌。
冻结管安装与试漏
选择合适的冻结管（如φ63×4mm无缝钢管），采用丝扣联接加焊接，确保密封性。安装完成后进行水压试漏，初压力0.8MPa，观察30分钟，降压≤0.05MPa，再延长15分钟压力不装冷冻站设备，包括冷冻机组、盐水泵、冷却水塔等。按1.5倍制冷系数选配制冷设备，并安装足够的备用制冷机组。设备安装完毕后进行调试和试运转，确保各系统正常运行。
7
永久支护与结构施工
开挖完成后，进行永久支护结构（如钢筋混凝土结构）的施工。安装防水层、绑扎钢筋、浇筑混凝土等，确保结构强度和稳定性。
8
解冻与后续处理
地下构筑物施工完成后，对冻结的地层进行解冻。解冻方式可根据实际情况选择自然解冻或人工解冻。解冻过程中需密切监测地层变形情况，确保施工安全。
冻结法施工工法
冻结法施工工法冻结法施工工法是一种在土壤或地下水中适用的特殊工法，通过使用低温冻结土壤，以达到固结土壤、提高土壤强度的目的。
该工法被广泛应用于地铁隧道、地下工程以及水利工程等领域。
一、工法原理及步骤冻结法施工工法的原理是通过将导热性能较好的冷媒注入到土层中进行冷冻，降低土壤温度，使土壤中的水分形成冰，进而形成冻结固结的效果。
以下是冻结法施工工法的基本步骤：1. 前期准备工作：包括确定施工区域、进行地质勘探、设计冻结井孔等。
根据具体工程的要求，确定冻结井孔的深度和间距，并进行相应的测量放线工作。
2. 预冷：在施工区域进行预冷，通过降低区域温度，使土壤开始结冰。
预冷可以使用喷淋水或者其他降温设备。
3. 钻井：根据设计要求，在施工区域进行钻井，并安装冻结井孔。
冻结井孔的数量和位置应严格按照设计要求进行设置。
4. 注冷液：将冷媒通过冻结井孔注入土体中，并控制注入速度和密度。
冷媒冷却土壤中的水分，使其凝结为冰。
在注入过程中，需要利用监测设备进行实时监控，确保施工的效果和质量。
5. 冻结维持：在冷却液注入完成后，需要维持一定的冷却时间，以保证土壤完全冻结。
同时，需要对温度进行监控，确保土壤的冷冻效果。
6. 结冰固化：待土壤冷冻完全固化后，可以进行下一步的施工工作。
在这个阶段，冰固体将充当支撑结构的作用，可以避免土壤下陷或发生坍塌。
7. 结束施工：当施工工作完成后，需要进行冰体融化处理。
根据具体情况，可以使用加热水或者其他加热设备加快融冰过程。
融冰后，土体恢复正常状态，可以进行后续的工程施工。
二、冻结法施工工法的优点1. 提高土体强度：冻结法施工工法可以将土壤中的水分冻结成冰，使原本松散的土体变得坚实。
这有助于提高土壤的强度和稳定性，保证施工过程中的安全性。
2. 控制水位与土层状况：通过冻结法施工工法，可以有效地控制水位，避免地下水渗透到施工区域。
这对于地铁隧道、水利工程等需要在地下进行施工的项目尤为重要。
3. 提高施工效率：与传统的地下施工工法相比，冻结法施工工法能够提高施工效率。
冻结法施工过程
冻结法施工过程嘿，咱今儿就来唠唠冻结法施工过程这档子事儿！你知道吗，这冻结法施工就像是给大地施了个魔法。
想象一下啊，在那地下，要挖个大洞或者修个什么通道啥的，周围的土啊石啊可不能随便塌下来。
这时候冻结法就闪亮登场啦！就好像冬天里的那股寒劲儿，能把一切都给冻得硬邦邦的。
先得有个精心的准备，就跟咱出门前得收拾得妥妥当当一个样。
得把各种设备啊、材料啊都准备齐全喽，可不能到时候缺这少那的。
然后呢，就开始在地下打那些特殊的管子，就像给大地扎针似的。
这些管子可重要了，它们是传递“魔法”的通道呢！接着，通过这些管子把低温的介质送进去，哇哦，那温度就开始唰唰地降下来啦。
土啊石啊就开始慢慢地被冻结起来，变得坚固无比。
这就好比给大地穿上了一层厚厚的冰铠甲，多厉害呀！在这冻结的过程中，可不是随随便便就行的，得时刻关注着温度啊、压力啊这些指标，就跟咱得时刻留意自己的身体状况一样。
要是有啥不对劲，那可得赶紧调整，不然出了岔子可就麻烦啦。
等冻结得差不多了，就可以开始施工啦！工人们就可以在这坚固的“冰城堡”里安心地干活儿，不用担心周围会塌下来。
不过，可别以为这就大功告成咯。
施工完成后，还得慢慢地让这冻结解除呢。
这可不是一下子就能搞定的事儿，得慢慢来，就像春天来了，冰要一点点地融化一样。
要是太着急，说不定又会出啥问题呢。
你说这冻结法施工是不是很神奇？它就像是建筑领域里的一个秘密武器，能解决好多难题呢！虽然过程有点复杂，需要好多专业知识和技术，但一旦用好了，那效果可真是杠杠的！咱得佩服那些搞建筑的师傅们，他们能把这么复杂的事儿给干得漂漂亮亮的，真了不起啊！所以啊，下次你要是看到什么大工程在进行，说不定里面就用到了冻结法施工呢。
好好想想，这神奇的过程就在地下悄悄地进行着，多有意思呀！咱生活中的这些建筑背后，可都有着无数人的智慧和汗水呢，可不能小瞧了它们呀！。
冻结法施工工法
冻结法施工工法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。
工艺流程冻结法施工工艺流程图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。
1、冻结孔施工1.1开孔间距误差控制在±20mm内。
在打钻设备就位前，用仪器精确确定开孔孔位，以提高定位精度。
1.2准确丈量钻杆尺寸，控制钻进深度。
1.3按要求钻进、用灯光测斜，偏斜过大则进行纠偏。
钻进3m时，测斜一次，如果偏斜不符合设计要求，立即采取调整钻孔角度及钻进参数等措施进行纠偏，如果钻孔仍然超出设计规定，则进行补孔。
2、冻结管试漏与安装2.1选择φ63×4mm无缝钢管，在断管中下套管，恢复盐水循环。
2.2冻结管(含测温管)采用丝扣联接加焊接。
现代土木工程施工技术-冻结法施工
2、应用分类 当遇到涌水、流砂、淤泥等复杂不稳定地质条件时采用。 1、软土隧道及地铁； 2、在河下、铁道和其他建筑物下的隧道； 3、桥墩基础； 4、地基托换; 5、矿山及地下工程 6、大直径围岩 7、市政工程中的上下管道及其它
3、冻结施工方案 1、直立和倾斜冻结管交替冻结方案； 2、直立冻结管冻结方案； 3、水平布置冻结管方案
土中水结冰的五个过程： （1）冷却段：土体逐渐降温到冰点。 （2）过冷段：土体降温到0°C以下，自由水尚不结冰，呈现过冷现象。 （3）突变段：水过冷后，一旦结晶就立即放出结冰潜热，出现温升过程。 （4）冻结段：温度上升到接近0°C时固定下来，土体中的水便产生结冰过程，矿物颗粒胶结为一体形成冻土。 （5）冻结继续冷却，冻土的强度逐渐增大。
冻土特性
冻土是一种非均质、各向异性的非弹性材料。 表现有：流变特性（蠕变）； 松弛特性； 强度随时间降低。
01
冻土强度
冻土的破坏形式有塑性破坏和脆性破坏两种。其影响因素有：颗粒成分、土温、含水量、应变速率
02
11.3 人工冻土的力学特性
制冷设计
4
冻土壁参数设计
3
冻土壁结构设计
2
1
常规冻结的施工工序
冻结器间距：是影响冻柱交圈和冻结壁扩展速度的主要因素，冻结器间距增大，交圈时间延长，冻结壁扩展速度减慢。
冻结圆柱的相交初期：交圈界的厚度发展较快，很快能赶上其他部位厚度。
冻结壁扩展速度：随土层颗粒的变细而降低，砂层的冻结速度比黏土快。
冻结器内的盐水温度和流动状态：是影响冻土扩展速度的重要因素。盐水量降低，冻结速度提高，盐水由层流转向紊流，冻结速度提高20%～30%。
2、地下水对冻结的影响 （1）水质影响 水中含有一定的盐分时，水溶液的结冰温度就要降低。 （2）水的性态影响 土质结构、土的固结度、土的渗透性、土中水流速度等对冻结速度都有一定的影响。
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4、主要施工技术 （1）水平成孔 机具、钻孔偏斜与测斜问题 （2）冻胀、融沉的控制
衰减冻胀量主要措施： a 间歇冻结，人为控制冻结壁的发展； b 开挖卸压槽，减少水平冻胀力； c 把不需要的冻土体积减少到最低限； d 用真空泵抽取多余水分
减少融沉措施： 人为加速地层融化速度和地层注浆的方法。
1、常规冻结的施工工序 冻结孔钻进——冻结器安装——制冷站和供冷管安装——地 层冻结试运转——地层冻结运转、维护和土木建筑施工。
2、冻土壁结构设计 圆形和椭圆形帷幕、直墙和重力坝连续墙、连拱形冻土连续 墙。
3、冻土壁参数设计 冻土壁厚度、平均温度、布孔参数、冻结时间。
4、制冷设计 根据冻土孔数、冻结孔间距、盐水温度、盐水流量、管路保温条件，计 算冻结需冷量。 根据需冷量、设备新旧水平、工作条件，计算冻结站的装备制冷量。
11.2 地层冻结原理
1、冻土的组成 冻结土体是一个多相和多成分混合体系，由水、各种矿物
和化合物颗粒、气体等组成。 土中的水可有自由水、结合水、结晶水三种形态。 当温度降到负值时，土体中的自由水结冰并将土体颗粒胶
结在一起形成整体。
土中水结冰的五个过程： （1）冷却段：土体逐渐降温到冰点。 （2）过冷段：土体降温到0°C以下，自由水尚不结冰，呈现过
（2）土的冻结速度 冻结器间距：是影响冻柱交圈和冻结壁扩展速度的主要
因素，冻结器间距增大，交圈时间延长，冻结壁扩展速度减 慢。
冻结圆柱的相交初期：交圈界的厚度发展较快，很快能 赶上其他部位厚度。
冻结壁扩展速度：随土层颗粒的变细而降低，砂层的冻 结速度比黏土快。
冻结器内的盐水温度和流动状态：是影响冻土扩展速度 的重要因素。盐水量降低，冻结速度提高，盐水由层流转向 紊流，冻结速度提高20%～30%。
11.5 液氮冻结
3、工艺设计 （1）液氮冻结冻结器的间距不宜过大，一般为 0.5～0.8m。 （2）冻结系数与冻结器管壁、土的热物理参数、土 的原始温度有关。 （3）灌注状况主要指液氮流量和汽化压力。 （4）冻结器的设计注重供液管和冻结管的匹配和再 冷问题。防止液氮回流。 （5）冻土的液氮消耗量是变化的，初期冻结单位冻 土的消耗量较小，后期增大。
冷现象。 （3）突变段：水过冷后，一旦结晶就立即放出结冰潜热，出现
温升过程。 （4）冻结段：温度上升到接近0°C时固定下来，土体中的）冻结继续冷却，冻土的强度逐渐增大。
2、地下水对冻结的影响 （1）水质影响
水中含有一定的盐分时，水溶液的结冰温度就要 降低。 （2）水的性态影响
土质结构、土的固结度、土的渗透性、土中水流 速度等对冻结速度都有一定的影响。
3、温度场和冻结速度 （1）冻结地层的温度场
地层冻结是通过一个个的冻结器向地层输送冷 量的结果。
这样在每个冻结器的周围形成以冻结管为中心 的降温区，分围冻土区、融土降温区、常温土层区。
地层中温度曲线呈对数曲线分布。
11.2 地层冻结原理
蒸发潜热为47.9kcal/kg。
11.5 液氮冻结
2、液氮冻结特征 （1）液氮冻结属深冷冻结，冻土温度较常规冻
结低，梯度大，冻结器管壁温度达180°C，温度曲 线呈对数曲线分布。
（2）冻土温度变化与液氮灌注状况关系很大。 （3）液氮冻结地层初期冻结速度极快，但随时 间和冻土扩展半径的发展而逐渐下降。
冻结圆柱的交圈时间：与冻结器间距、盐水温度、盐水 流量和流动状态、土层性质、冻结管直径、地层原始温度等 有关。
11.2 地层冻结原理
4、冻胀和融沉 土体冻结时有时会出现冻胀现象。原因是水结冰时体积
要增加9%，并有水迁移现象。 当土体变形受到约束时就要显现冻胀力。 土冻结膨胀的体积与冻结前体积比称冻胀率。 把无约束情况下冻土的膨胀称为自由冻胀率。 把不使冻土产生体积变形时的冻胀力称为最大冻胀力。 把开始产生冻胀的最小含水量称为临界冻胀含水量。 土的冻胀和土质、含水量及土质结构有密切关系。 砂土、砾石这样的动水地层一般不会出现冻胀现象。冻
5、辅助系统设计 盐水管路设计、清水管路设计、盐水管路的保温设计、地层冻结观测设 计。
11.5 液氮冻结
1、原理 利用液氮在冻结器内汽化吸热后，气氮经管路排
出地面，管路周边急剧冻结。 优点：设备简单、施工速度快，适用于局部特殊
处理和快速抢险和快速施工。 液氮是一种比较理想的制冷剂，无色透明、稍轻
于水、惰性强、无腐蚀、对震动、电火花是稳定的。 一个大气压下，液氮的汽化温度为-195.81°C，
2、应用分类 当遇到涌水、流砂、淤泥等复杂不稳定地质条件时 采用。 1、软土隧道及地铁； 2、在河下、铁道和其他建筑物下的隧道； 3、桥墩基础； 4、地基托换; 5、矿山及地下工程 6、大直径围岩 7、市政工程中的上下管道及其它
3、冻结施工方案
1、直立和倾斜冻结管交替冻结方案；
2、直立冻结管冻结方案；
胀现象主要出现在粘性土质的冻结过程中。
11.3 人工冻土的力学特性
1、冻土特性 冻土是一种非均质、各向异性的非弹性材料。 表现有：流变特性（蠕变）； 松弛特性； 强度随时间降低。
2、冻土强度 冻土的破坏形式有塑性破坏和脆性破坏两种。其影
响因素有：颗粒成分、土温、含水量、应变速率
11.4 常规盐水冻结