冻结法原理及应用
冻结法在地下工程施工中的应用
中的应用 [ J] . 建井技术, 2005( 4) : 38 ~ 40. [ 2] 高树峰. 冻结加固技术在城市深基 坑工程中的 应用 [ J] . 西 部
探矿工程, 2006( 4 ): 39~ 41. [ 3] 樊良本, 段继伟. 一种新 型的基 坑支护 方法 人工 冻结 法
[ J]. 浙江建筑, 2005 ( 6) : 23 ~ 24. [ 4] 汪崇鲜, 楼根达, 马玉峰. 繁华 市区含水 地层水平 冻结及暗 挖
冻结法施 工工 序是: 施 工准 备 冻 结孔 施工 ( 同时安装冻结制冷系统 ) 安装冻结盐水系统和 检测系统 冻结 试挖 掘砌施工和围护冻结 现 场监测 冻结管拔除与冻结系统拆除。
冻结法具有封水性、复原性、绕障性、强度高、适 应性强、施工方便、环保无公害等特点, 是一种技术 可靠、工艺成熟的方法。它可在密集建筑区和现有 工程建筑物下施工, 不需进行基坑排水, 可避免因抽 水引起地基沉降造成对周围建筑物的不利影响。基 坑越深、开挖体积越大, 冻结法施工越具优越性。当 挖掘深度大于 10 m、地层复杂和邻近有重要建筑物 或生命线工程而不允许降水的情况下, 冻结法则是 最好的选择。
( 3) 拔管及充填。先拔靠近槽壁且位于隧道内 的第 1排冻结管, 依次拔第 2排, 最后拔隧道两侧冻 结管, 实行边拔边充填。所有钻孔共充填了 9. 5 m3 细砂, 2. 5 t水泥。
3 应注意的问题
3. 1 应用冻结法应注意的问题 ( 1) 水质对冻结 的影响。水中含有 一定盐份
冻结法施工原理
摘要冻结法施工在公路隧道、基坑等工程中已被世界各国的工程界广泛地使用,可为地下工程的施工提供更加安全、便利的施工条件。
阐述了冻结法加固地层的原理及优点,结合工程实例介绍了冻结法在地铁工程中的应用,并就冻结法加固的水平钻孔及土体的冻胀、融沉问题进行了分析研究。
关键词地铁,地基加固,冻结法施工1 冻结法加固地层的原理及优点1.1 冻结法加固地层的原理冻结技术源于天然冻结现象。
人类首次成功地使用人工制冷加固土壤,是在1862年英国威尔士的建筑基础施工中。
1880年德国工程师F.H.Poetch首先提出了人工冻结法原理,并于1883年在德国阿尔巴里煤矿成功地采用冻结法建造井筒。
从此,这项地层加固特殊技术被广泛地应用到世界许多国家的矿井、隧道、基坑及其它岩土工程建设中,成为岩土工程,尤其是地下工程施工的重要方法之一。
冻结法加固地层的原理,是利用人工制冷的方法,将低温冷媒送入地层,把要开挖体周围的地层冻结成封闭的连续冻土墙,以抵抗土压力,并隔绝地下水与开挖体之间的联系;然后在这封闭的连续冻土墙的保护下,进行开挖和做永久支护的一种地层特殊加固方法。
进入地层内的冷媒通过进、回管路与地层相连,通过冻结管与地层进行热交换,将冷量传递给周围地层,而将地层中热量带走。
由此使冻结管周围地层由近向远不断降温,逐渐使地层中的水变成冰,把原来松散或有空隙的地层通过冰胶结在一起,形成不透水的冻土柱。
若干个这样的冻结管排列起来,通过冻结管内的冷媒不断循环,使这些冻结管周围土都冻成冻土柱。
随着冻土柱半径不断扩展,相邻冻土柱就会相连,彼此通过冰紧密结合在一起,形成密封连续墙。
1.2 冻结法施工的优点1)封水性———有自由水(一般情况下含水率应大于10%,否则要采取增加土层湿度的辅助工法)就能冻结成冻土,形成冻土壁。
无论是透水层,还是隔水层,冻土壁可以阻隔地下水侵入,形成干燥的施工环境。
2)强度高———一般认为冻土是一种黏弹塑性材料,其强度同土质、容重、含水率、含盐量及温度等因素有关,一般可达到2~10 MPa,远大于融土强度,从而起到结构支撑墙的作用。
第1章 冻结法
第1章冻结法1、冻结法的定义、实质、特点。
----冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行井筒或地下工程掘砌施工的特殊施工技术。
-----冻结法的实质：利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。
---- 冻结法的特点：能有效隔绝地下水；适用性强，几乎不受地层条件限制；灵活性好；污染性小；经济合理；2、冻结法的三大循环系统、各系统的功能。
三大循环系统：盐水循环、氨循环和冷却水循环。
氨循环：在制冷过程中起主导作用。
为了使地热传递给冷却水再释放给大气，必须将压缩机中之饱和蒸汽氨（1）压缩成为高压高温的过热蒸汽（2），使与冷却水产生温差，在冷凝器中将热量传递给冷却水，同时过热蒸汽氨冷凝成液态氨（3），实现气态到液态的转变。
液态氨经节流阀将压流入蒸发器中蒸发，再吸收其周围盐水中之热量(地热)变为饱和蒸汽氨。
第1章冻结法2、冻结法的三大循环系统、各系统的功能。
三大循环系统：盐水循环、氨循环和冷却水循环。
盐水循环：在制冷过程中起着冷量传递作用。
循环方式分类。
冷却水循环：在制冷过程中作用是将压缩机排出的过热蒸汽冷却成液态氨，以便进入蒸发器中重新蒸发。
二级压缩增加中间冷却器，其作用是冷却过热蒸汽氨，过冷液态氨。
3、冻结井筒掘进施工的特点。
井内无淋水、涌水，不需井筒排水设备，无需临时支护，设备防冻。
4、掘进段高的影响因素。
掘进段高是指掘进段未经支护的高度。
岩土性质、地压、掘进速度、平均温度、冻结壁形成过程等。
5、冻结井壁的结构型式。
钢筋混凝土双层复合井壁的组成及各部分功能。
单层钢筋混凝土井壁、钢筋混凝土双层复合井壁等。
钢筋混凝土双层复合井壁组成部分：内层井壁(密封、承受水压)、外层井壁(临时支护、承受冻结压力、永久地压)、内外层井壁间塑料板(隔热、解除内外壁约束)、外层井壁和冻结壁间泡沫板(隔热、缓压)。
6、常用冻结方案及其适用条件。
冻结法原理及应用
板
去路
回路
非冻区
冻结区
局部冻结管底锥 加工工艺
盾构穿越区
1、 当盾构进出 洞洞口加固区范 围内无任何管线、 箱涵及建筑物等 时可采用垂直冻 结法进行洞口加 固； 局部冻结加固区
2、为减少冻结需 冻量和控制土体 冻胀、融沉，垂 直冻结加固盾构 进出洞土体时， 设计采用局部冻 结方式施工。
一、冻结法施工技术概况
• 中国的冻结法凿井技术后来者居上，整体 水平处世界领先水平；
体现： 1）、制冷设备 2）、工程的难度 3）、冻结设计及工程管理 4）、产品的多样性
一、冻结法施工技术概况
• 人工冻结法施工技术分常规冻结和低温冻 结；
• 常温冻结的冻结温度 -35~-25℃； • 低温冻结的冻结温度-180~-70℃左右。
层主要特征的描述、 地质构造及地温、 常规土工试验指标、 冲积层、基岩 中各含水层的特征，地下水流速。 2）人工冻土物理力学性能试验报告。 内容包括：冻胀试验、单轴抗压强度、三轴剪切强度、温度导热系数、热容量、 冻结温度等。 3） 构筑物上下场所地形地貌特征； 4） 构筑物周围永久、临时设施（含管线、建筑物、设备等）布置； 5） 构筑物施工图； 6 ）地区气象资料。
五、冻结法设计及施工组织
冻结法
冻结法
冻结法施工是利用冻土具有强度高、可隔水的性质进行土层加固，然后在冻土壁的围护下进行地下结构施工，其原理是将低温冷媒(通常为低温盐水)送入地层，通过热质交换来冻结地层。
土冻结后强度显著提高，若冻土形成连续、封闭冻土壁则可以起到支护、隔水的作用，可以在冻土壁的维护下进行地下空间施工。
人工水平冻结法能够适应复杂的工程地质和水文地质，其冻结管布置具有任意性, 用作地层加固时，冻土壁形状不受加固场合的限制;冻土壁具有隔水性，不需进行基坑排水，可避免因抽水引起的地基沉降对邻近建筑物的影响，冻结地层具有复原性，施工结束土层恢复原状，对土层破坏小，不会影响日后建筑物管线的埋设。
人工冻结法的施工工艺流程主要包括以下五个阶段：
①冻结工作站安装；
冻结工作站主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀、中间冷
却器、低温盐水循环系统设备组成。
②铺设冻结管；
钻冻结孔，在冻结孔内设置冻结器, 将不同冻结孔内的冻结器
连成一个系统，并与冻结站连接。
③积极冻结期；
冻结壁首先从每个冻结管向外扩展，在每个冻结管周围形成冻
结圆柱，当各冻结管的冻结圆柱交圈时，随着冻结时间的延长，地
层的平均温度逐渐降低，冻土墙的强度也逐渐增大。
当地层温度达
到设计温度时，该阶段结束。
④维护冻结期；
此阶段主要是补充地层的冷量损失，维持地层的温度稳定。
⑤解冻期；
当地层开挖和永久结构施工完成，就可以解冻，拔除冻结管。
(冷冻法施工)解析
地铁施工技术交流材料冷冻法联络通道施工技术及风险控制措施一、冻结法的基本原理与特点采用冻结法对地层土体进行加固，是指利用人工制冷技术,使地层中的水结冰，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行地下工程掘砌施工的特殊施工技术.其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。
1、岩土冻结实质岩土冻结性质的改变，即将含水地层（松散土层或裂隙岩层）冷却至结冰温度下,使土中孔隙水或岩石裂隙水变成冰,岩土的性质发生重要变化,形成一种新的工程材料--“冻土” .2、冻土结构特点而冻土结构具有较高的强度和绝对的封水性.3、冻土结构功能冻土结构的承载功能和封水的不承载功能。
4、制冷方法其制冷技术方法，通常使用制冷设备,利用物质由液态变为气态,即气化过程的吸热现象来完成的。
4。
1、有两种类型:⑴、冷媒剂（盐水）吸热：氨 (—33.4℃)；干冰（—78。
5℃)；⑵、直接气化吸热:液氮(—195.8℃)；干冰（—78。
5℃）4。
2、冻结系统常有两种类型：⑴、封闭系统（盐水冻结）；⑵、开放系统（液氮冻结）5、冻结法的适应性冻结法加固与其它加固方法相比，其适应性更强,能够适应粘土、粉土、砂层以及砾石、卵石等任何地层。
6、冻结法的特点6。
1、冻土帷幕的变化性：⑴、冻土范围可变；⑵、冻土温度可变；⑶、冻土强度可变（强度是温度的函数)6.2、冻土帷幕的连续性：水在负温下结冰的必然性;6.3、冻土帷幕的可知性:通过温度测试可判断冻结范围、冻土强度7、冻结法施工的优点7.1、安全性好:⑴、冻土强度较高;⑵、冻土连续性可靠、封水性好7.2、适用性强：⑴、适用于几乎所有具有一定含水量的松散地层（包括岩石）;⑵、复杂地质条件可行(流砂、大深度、高水压）7.3、灵活性高：⑴、冻土帷幕性状（范围、形状、温度、强度）可控8、冻结法施工缺点由于冻结法所形成的冻土帷幕其范围、温度、强度具有变化性，其冻结范围、强度随温度的变化而变化，如果供冷不足或外部热源可导致冻土帷幕性能（范围、强度）退化，安全性能降低，施工风险增大。
冻结法原理及其应用
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.
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 冻结法设计原则
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
2.9 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
(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。
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。
总结人工冻结法原理和特点
总结人工冻结法原理和特点冻结法是一种使用人工制冷的方法，将待开挖的地下空间周围的土地中的水冻结为冰，并且与土体胶结在一起，形成一个按照设计轮廓的冻土墙或密闭的冻土体，用于抵抗土压力，隔绝地下水并在冻土墙的保护下，进行地下工程施工的一种岩土特殊施工方法。
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。
我国采用冻结法施工技术至今已有四十多年的历史，早先一般应用于竖井工程，后来冻结法工艺被广泛应用于我国特大城市的城市地铁工程施工中，由于如今超级高层建筑和地下工程的不断增多，冻结法施工在深基坑支护中也开始了广泛的应用。
1、使用人工冻结法进行地下工程施工的基本原理和特点人工冻结法施工是利用人工制冷技术，使地层中的水变成冰，然后把岩土变成冻土，使其增加强度还有稳定性，隔绝地下水与地下工程之间的联系，从而方便在冻结壁的保护下进行地下工程的施工的技术。
冻结壁是一种临时支护的结构，永久支护形成后，停止冻结，冻结壁就会融化。
岩土工程的冻结还有制冷技术通常情况下，都是利用物质由液态变为气态，就是液体气化过程中吸收热的现象来完成的。
使用冻结法进行地下工程施工适用于各类地层，特别是在，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使用冻结法进行地下工程施工有以下特点：1.1、冻结法进行地下工程施工可有效隔绝地下水，其抗渗透性能是其他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。
1.2、冻结法进行地下工程施工时，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，冻土强度一般可达五到十兆帕，能够有效的提高工效。
1.3、使用冻结法进行地下工程施工比较环保对周围环境无污染，没有异物进入土壤中，噪音比较小，冻结结束之后，冻土墙会融化掉，不会影响建筑物周围地下的结构。
1.4、使用冻结法进行地下工程施工由于其便捷性，能够有效地缩短施工的工期，从而可以降低建筑成本。
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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四个领域： —— 立井工程 —— 地基基础 —— 基坑稳定 —— 隧道工程 —— 其他岩土工程
1 总论
1.4 力学与热性质
抗压强度：冻土的主要力学性质
随温度减低，冻土抗压强度 提高； 抗拉强度相对抗压强度较低 ，且随温度减低不再增加
1 概述
我国情况 ➢ 70年代初，北京地铁冻结长90m，垂深28m ➢ 1975年，沈阳地铁2号井 ➢ 上世纪80年代，东海拉尔水泥厂的上料仓基坑；南通建筑物旁
开挖的沉淀池工程 ➢ 1988年，凤台淮河大桥主桥墩基础工程 ➢ 1993年，上海地铁一线1个泵站和3个隧道贯通道结合部 ➢ 1998年，北京地铁热—八线大北窑车站南隧道水平冻结施工，
2 人工冻结制冷系统
2.1氨（氟利昂）－盐水冻结系统
盐水循环系统（冷媒剂循环）
冷媒剂是传递冷效应的物质，又称载冷剂。
氨循环系统（制冷系统）
通过相变循环实现制冷的物质
冷却水循环（冷却水循环）
将热量释放给大气
2.1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
主要内容
1 冻结法概述 2 人工冻结制冷系统 3 冻结法原理与设计原则 4 立井工程冻结法 5 斜井冻结法
1 概述
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土体中的水 冻结为冰并与土体胶结在一起，形成一个按设计轮廓的冻 土墙或密闭的冻土体，用以抵抗土体压力、隔绝地下水， 并在冻土墙的保护下，进行地下工程的施工。
通过流动气体在管系统中进行循环的方式，将地层中的热量 带出，从而制冷，最常用的是液氮（LN2）。
1 概述
——环境友好的施工方法 冻结只是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。
在冻结法施工中，没有象喷射混凝土时的混凝土、板桩施 工时的钢板或注浆时的浆液材料那些附加物质进入地层。
冻结法不污染环境，是“绿色”施工方法
(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
——冻土的形成
为构造高承载力和密封防水的冻土体，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——形成冻土
σ(MPa)
冻结粉砂
抗压强度
抗拉强度
θ (℃)
1 概述
热物理参数：导温系数、热容、导热系数以及相变潜热等 影响冻土热物理参数因素很多，温度、含水量、孔隙率、矿 物含量、未冻水含量等。确定土热物理参数比较复杂。
静力计算：确保冻土结构在所处工程条件下强度和稳定性 简单方法：将冻土体视为具有弹性模量E的弹性体。 若冻土体极限承载力已知：可直接从破坏状态入手计算 若考虑冻土体处于多向应力状态：其承载性能将有所提高 若安设支护：则承载功能由支护/冻土系统共同承担。 有限元等数值模拟方法在冻土结构中得到了越来越多的应用。 考虑了与实际工程相近的冻土非线性变形性质。
冷媒剂循环：与冻结 管相连，将地层热量 带出
冷却水Hale Waihona Puke 环：将冷媒 剂携带的热量释放于 大气中
冷却水 节流阀
冷凝器 冷却水循环
冻结地层 制冷循环
冻结管
冷媒剂循环
蒸发器
压缩 机
盐水泵
盐水 制冷剂
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 人工冻结制冷系统
2. 2液化气体系统（液氮）
1 概述
——冻结岩土体的方法
从土体中吸热。
——冻结的作用
含水、松散土体冻结后抗压强度明显提高。
——冻结法处理对象
岩土体中的水 水在冻结过程中将发生明显体积变化
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。
1 概述
——方法具备的优点
(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。
1.2 冻结法简史 矿井建设
➢ 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702m
地下工程
➢ 1979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
1 概述
——冻结土体性质的改变 若将含水地层（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转换成冰，岩土的性质将发生决定性的 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服务于地下工程施工期内的 承载（结构功能）和密封（材料功能）