井巷特殊施工(第二章 冻结法(节3 冻结法施工))解析
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。
冻结法施工技术
冻结法施工技术冻结法施工技术，即是利用人工制冷的方法把土壤中的水冻结成冰形成冻土帷幕，用人工冻土帷幕结构体来抵抗水土压力，以保证人工开挖工作顺利进行.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.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冻结法施工对周围环境无污染，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。
人工冻结法在南京地铁张府园车站的应用摘要：南京地铁一期工程张府园车站南隧道盾构法施工时,洞门两侧出现大量流砂，附近区域的沉降量较大,为了确保地下管线和地面交通的正常使用和安全运行,在南京首次实施了地下工程的人工冻结法施工。
本文论述了冻结法在该工程中的冻结设计、施工工艺及对周围环境影响等问题和实际取得的效果。
关键词：冻结法，地铁，盾构引言我国冻结法现已成为成熟的凿井施工技术，但在城市岩土工程中的应用还不多。
冻结技术可在地面城市地下工程中的应用范围包括：盾构隧道盾构进墙、深层搅拌桩以及压密注浆对土体进行加固,在凿除洞门钢筋混凝土时发现洞门中心处东、西两侧有流砂涌入,迅速采用双液注浆堵水,过了两天又在有大量流砂涌入,对周围环境产生较大的影响，其中端头井东侧的沉降量增大，东部20 平方米区域下陷1.5 m 左右（图1)。
在这种情况下施工单位及时出洞土体加固、盾构隧道地下或海底对接时土体加采取措施，以保证施工以及周围环境的安全。
井筒冻结法施工的常见问题及防治措施
井筒冻结法施工的常见问题及防治措施xxx xxx xxx（中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州221116）摘要：在不稳定表土层中施工井筒时，冻结法具有大量的优点，主要包括：适应性强；支护结构灵活、易控制；隔水性好；对环境影响小等。
因此，冻结法在井筒的特殊施工中被大量应用。
我国煤矿于1955年在开林西风井首次使用冻结法凿井，此后，冻结法凿井技术逐渐推广。
现在，我国已是世界上用冻结法凿井穿过表土层最厚的国家之一，但是井筒在冻结法施工中，仍然存在很多的问题，这些问题必须引起我们的高度重视。
本文主要是介绍了冻结法施工的原理及共存在的主要问题，并提出了相关的防治措施。
岩土工程冻结法通常是利用物质气化过程的吸热现象来达到将主体中的水冷却、结冰的目的。
其制冷系统多以氨作为制冷物质。
为了使氨由液态变成气态，由气态又变为液态，如此循环进行，整个制冷系统由三大循环构成：氨循环系统、盐水系统、冷却水循环系统。
在井筒开挖之前，在欲开井筒的周围打一定数量的冻结孔。
低温盐水在冻结器中流动，吸收其周围地层之热量，形成冻结圈。
冻结圈并逐渐扩大连接成封闭不透水的冻结壁，用于抵抗地压、隔绝地下水。
然后，在其保护下进行崛砌施工，待掘砌到预计的深处后，停止冻结，进行拔管和填充工作。
井筒冻结法施工主要工艺过程包括冻结孔施工、井筒冻结和井筒掘砌等主要工作。
由于地下空间的不确定性，冻结法在井筒井筒的施工中还存在很多的不确定性，从而引起了很多问题，像冻结管的断裂问冻结井壁的破裂问题、工作面底冻结壁的变形问风动机具的冻结堵塞问题和地表冻融危害问题等。
冻结法井筒施工中的常见问题及防治措施。
在冻结井筒掘进中，冻结管断裂现象时有发生。
近年来，由于冻结深度逐年增加，遇到厚粘土层的机会越来越多，冻结管断裂的现象也就会越来越严重。
究其问题，主要有：冻结壁的变形过大，冻结孔偏斜大，冻结管接头焊接质量差或丝扣连接时扣形不适。
其防治措施有：合理确定冻结孔布置圈直径。
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。
冻结工程 冻结法原理与设计原则..
（二）制冷设备
1、氨压缩机 （2）螺杆式压缩机
螺杆式压缩机是回转式压缩机的一种，它只有旋转 运动部件，动平衡性能好，几乎无振动，气阀，可 高速旋转。
（二）制冷设备
1、氨压缩机 （2）螺杆式压缩机
具有体积小重量轻的优点，适合作为移动式制冷设 备。输气系数较活塞式压缩机高，尤其在压缩比高 时，优点更为显著。一般其输气系数为0.75~0.90。
周而复始循环，可获取-25℃左右的低温盐水
-25℃低温盐水一般不能满足大型岩土工程的需要，若需要更 低的蒸发温度——二级压缩制冷 本质：增加中间冷却器，用一级制冷蒸发温度冷却
二级压缩制冷原理
3.3.2 冻结法原理与设计原则
盐水循环： 将地层热量带到大气中的循环，在制冷过程中起热量传递作用 一般采用氯化钙（CaCl2）溶液作为盐水。 盐水循环由盐水箱、盐水泵、盐水管路、集液圈、配液圈、冻 结器等组成。 其中，冻结器安设于预先钻进的冻结孔中，是低温盐水与地层 进行热交换的换热器，由冻结管、供液管和回液管构成。
112.9 73.8 78.8 41.2 66.8
4.4130 2.456 1.920 1.793 2.700
-77.7 -56.6 -75.2 -155.0 -97.6
R747
R764
R12 R40
CH3Cl
3.3.2 冻结法原理与设计原则
冷媒剂——传递冷效应的物质，又称载冷剂。
选用原则：冰点低、热容大、不腐蚀、价格低廉的物质
3.3.2 冻结法原理与设计原则
冻结孔的布置
以井筒同心圆等距离布置在井筒周围。表土较浅时 一般采用单圈冻结，对于深厚表土可采用双圈或三圈冻 结。冻结深度大和冻结壁厚时，为缩短冻结时间，也可 以布置多圈。
冻结法3-5节解析
6. 灌盐水、充氨
先灌盐水： 盐水按要求配制、管内不能有空气、盐 水箱内的盐水应高出主管200mm。
后充氨： 低压系统抽成真空，液氨自动流入。
7. 水源井 降水漏斗不能影响被冻土体，距离井口＞300m 位于地下水流上游 数量不少于2个，相距大于150m。
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二、钻孔施工 1. 钻孔布置 （ 1）冻结孔
1. 一次冻全深方案 （1）单圈管布置方案 （2）双圈孔布置方案 内圈孔：又叫防片孔、辅助孔 外圈孔：又叫主圈孔、主冻孔、 主排孔 （3）多圈(三圈及以上)管布置方案 内圈孔：又叫辅助孔、加强孔 中圈孔: 又叫主圈孔 外圈孔
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（4）异径管冻结方案 上部管径大（240mm），下部小（120mm）
2. 分段（分期）冻结方案 冻结管内安设长短两根供液管。先上后下。
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四、井筒掘进 1.破岩方法 冻土：风镐、风铲 冻岩：爆破,参数规定 工具防冻：
●压风除湿（干燥法、 冷却法）
●往钻机内倒酒精
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2. 掘进段高
高度：2～20m，粘土层中为2m左右。 影响因素：地压、冻土性质、冻结壁厚度、冻结壁平 均温度、井筒直径、掘进速度等。
3.工作面底鼓与冻结壁变形 原因：井帮超前变形、交圈不好 控制办法：强冻、快挖、小段高
5.安装冻结管
钻好一孔安装一孔。耐压试验后安装供液管、回液管、集 配液圈等。
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三、冻结
1. 制冷系统的合理使用
▲冻结初期：温差大,关3、4、5、2阀，低压机开 ▲冻结中期：温差中,关3、4、5、1阀，高压机开 ▲冻结后期：温差小，关1、2阀门，低、高压机开
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2. 正反循环的合理使用 浅井：先反后正（上下温差小） 深井：先正后反（下部低温高，先预加
冻结法1-2节解读
q0=h1- h10
qk=h4-h6
单位压缩理论功:
制冷系数:
l0=(h2-h1)+(h4-h3)
ε0= (h1- h10) / [(h2-h1)+(h4-h3)] K
4. 中间压力的确定
最佳效率法、查图法、插入法 以查图法最为简便。
四、制冷剂
1. 制冷剂
氨 、氟利昂、Co2、So2 等。
氨的特点：
正循环——盐水从供液管进入到冻结器底部，经供 液管与冻结管之间的环形空间返回到集液圈 反循环——与上相反
（3）冷却水循环
水池、水泵、冷凝器、冷却塔
▲过热蒸气被冷却成液态氨，冷却水将温度传递给大气 ▲水温比冷凝温度低5～10度
▲夏天要对冷却水降温
2.实际制冷能力计算
（1）输气系数 λ＝[1—c ( pk / p0 — 1) ] T0 / Tk
发器等换热器，单位换热量等于设备进出口的焓差。
如果 l0=0， q＝0，则 △h=0, 系统中无热量损耗。如节流阀，
外包隔热层， q≈0，等焓过程。
2.
熵（s） 热工学参数。叫比熵。
单位：kJ/kg.k(千焦/千克.凯尔文度）
熵是一个状态参数，微熵 ds = dq /T , 无简单的物理意义。 熵表示工质与外界热交换的方向性： 熵增加是吸热过程 熵减少是放热过程 熵不变是绝热过程——等熵过程
中间温度比蛇形管中氨液温度低5℃。
5. 油氨分离器
功能：
使氨蒸汽中的润滑油分离出 来。 原理： 突然降低氨蒸汽流速。 位置： 高压机之后。
参见图1－13
（p.17）：编号8
6.储氨器
功能：
储存液氨、调节和补充制冷系统中氨的用量。
井巷特殊施工
复合井壁夹层的作用：由于外层井壁处于低温养护条件的原因，不可避免的要产生裂纹和漏水。因此，外层井壁不能起到防水的作用。而复合井壁夹层则可防水，特别是薄夹层，如钢板，塑料板，材料本身就有隔水性能。夹层防水机理不单是材料本身，而是夹层具有解除内层井壁施工过程中产生的温度应力，夹层表面比较光滑，内层井壁沿井筒轴向可以任意伸缩，而不受外层井壁粗糙壁面的约束，消除内壁裂纹。
钻井设备：以钻机为主体，分钻具、旋转、提吊和洗井四个功能系统。
洗井：使用循环流动的洗井介质及时清除井底被刀具破碎了的岩渣，并将之排出井口的过程。
净化：在地面将洗井介质中的岩渣进行分离，以使洗井介质下井复用的作业。
洗井方式：正循环洗井 优点：刀具和工作面冲洗的效果好。 缺点：洗井液沿井筒上升的流速慢，由于更换钻头或接长钻杆而停钻时，岩渣便会下沉。 反循环洗井 优点：钻杆中洗井液携带岩渣上升的速度高，可以排出较重的岩块。 缺点：工作面冲洗时，洗井液的径向流速低，可能造成岩渣的重复破碎，或“泥包现象。 混合洗井 特点：采用了正反循环洗井的优点，达到工作面既得到彻底冲洗，又使洗井液有很高的上升排渣速度。采用的双层钻杆结构复杂，起下钻具的作业时间长，而且洗井成本较高。
注浆工艺流程：从浆液配置开始到浆液进入受注岩土为止的全部施工工艺过程。
地面预注浆凿井施工方案主要工序：注浆孔施工；安装注浆设备；压水实验、测定岩层的吸水率；配置浆液、注浆施工以及效果检查；井筒掘砌。
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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。
第2章 冻结法
§3 冻结法施工
§3.1 冷冻站安装
冷冻站位置
冷冻站位置应以供冷、供电、供水和排水方便为原则。同时应不影响永 久建筑施工，尽量少占地。为减少冷量损失，冷冻站离井口应尽量近些，一般 为一个井筒服务时，距离为20一50米，为主、副两个并筒服务时，位置选在两 并中间，距离为50一60米左右，有关防火、通风等应符合安全规程。
第2章 冻结法
§3 冻结法施工
§3.2 钻孔施工
钻孔布置
冻结法凿井所钻的钻孔按用途分为三种：冻结孔、水位观测孔和测温孔。 1）冻结孔。 冻结孔一般按等距离布置在与井筒同心的圆周上，其圈径的大小由井筒掘进直 径、冻结壁厚度、冻结深度及钻孔允许偏斜率来确定。布置冻结孔的圈径可按 下式计算： D0＝Dj＋2(ηEd＋eH) 式中 D0—冻结孔单圈布置圈径，m； Dj—冻结井筒掘进直径，m； η—冻结壁内侧扩展系数， η =0.55~0.60； Ed—冻结壁厚度，m； H—冻结深度，m； e—冻结孔允许偏斜率，一般要求<0.3%。
第2章 冻结法
§3 冻结法施工
§3.1 冷冻站安装
管路保温
管路密封性试验合格后，应对低压管路和设备进行绝热保温。经保温处理 后，一般冷冻站管路和盐水管路冷量损失约占总制冷量的25％。我国现场 习惯使用棉花作管路保温材料，外缠塑料薄膜，其主要特点是拆装方便， 并可复用。一般认为硬质泡沫塑料是一种很好的保温材料，保温层内外应 敷设防湿层。绝热层厚度以计算为准。
第2章 冻结法
§3 冻结法施工
§3.1 冷冻站安装
灌盐水及充氨
根据设计的密度配制盐水。在灌盐水时，冻结管中的清水因小于盐水的密度 而自动排出，灌盐水时应注意经常放空气，使干管、配液圈充满盐水，盐水箱内 盐水要高出蒸发器立管200毫米。严禁将浓度很高的盐水直接灌入冻结管内，以防 析盐堵管。灌盐水时开动盐水泵，经常循环，以防盐水结晶。 盐水灌注后才能充氨，其方法如图所示。充氨前，应先将氨系统抽成真空， 液氨由于氨瓶内的压力作用自行流入，当系统内压力高于瓶内压力时，靠压缩机 进行充氨，直至充到设计量为止。
第2章 冻结法
§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
§3 冻结法施工
§3.1 §3.2 §3.3 §3.4 §3.5 §3.6 冷冻站安装 钻孔施工 井筒冻结 井筒掘进 井筒砌壁 收尾工作
第2章 冻结法
§3 冻结法施工
§3.2 钻孔施工
钻孔布置
2）水位观测孔 水位观测孔一般应打在距井心1米左右的地方，以不影响掘进为宜。孔数 为1—2个，孔数过多会影响掘进工作，其深度不应超过冻结深度但应穿过所有 含水层。在主要含水层应装有滤水装置。 水位观测孔的作用是：当冻结壁交圈以后，井筒周围形成密封的冻结圆筒 ，由于土的冻胀作用使孔内之静水位上升以致滥出地面，这是冻结壁交圈的主 要标志。必须注意，在安装主要含水层的滤水装置时，绝不可使各含水层连通 ，以便分层观察其水位变化。如果高压含水层与低压含水层沟通，则将形成地 下环流，影响冻结圆柱的交圈时间，若环流流速过大，则可能不交圈。倘若在 预定交圈时间仍不交圈，要全面分析不交圈的原因，并及时处理。水文孔不要 偏出井简，否则起不到水文观测孔的作用，水文观测孔的套管应高出地面并加 盖。
第2章 冻结法
§3 冻结法施工
§3.1 冷冻站安装
水源井位置
冷却水水源井位置在冻结法施工中至关重要。为避免人为加大地下水流速 ，影响冻结壁交圈，水源井的位置应使冻结井筒在其降水漏斗影响范围以外。 除此，水源井还应位于地下水流的上游。一般水源井应距冻结井筒300m以上 ，两水源井间距不小于150m。水源井个数应视冷却水补充数量决定，一般不 少于2个。
第2章 冻结法
§3 冻结法施工
§3.2 钻孔施工
钻孔布置
冻结孔多布置在一圈上，近年来由于冻结深度增加，冻结壁加厚，为减少 冻结时间，提高冻结壁的承载力，也有布置在两圈上的，两圈冻结孔应相间交 错分开。 冻结孔的偏斜率一般小于5％。随着冻结深度的增大，在允许一定偏斜率 的情况下，井筒下部的偏斜值将很大，将影响冻结壁的质量和增加冻结时间。 国外在冻结深井时规定钻孔偏斜值控制在500—1000毫米以内。超过此值就必 须纠偏到合格为止，或者重新钻孔。 冻结孔的深度按冻结深度来确定，一般情况下，为防止冻结孔底沉渣，冻 结孔应较冻结深度大0.5m以上。而冻结深度应根据地质条件来决定，一般要进 入不透水层5一15米，以至20m，用以形成“冻结底垫”，防止底部涌冒砂水 等事故。 冻结孔开孔（深10～20m）直径应比正常钻进直径大20～40mm。终孔直 径应较冻结管外箍大15～20mm。