人工地层冻结技术
人工地层冻结技术
30852
92392
153932
215472
277012
338552
400092
-861654
-767736
-673818
-579900
-485982
-392064
-298145
-204227
-110309
-16391
正常段σ1分布
1 1
NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 SINT (AVG) DMX =.01788 SMN =24845 SMX =957773 OCT 7 2007 14:37:11 MX
冻结方案
1 竖井冻结
冻结方案
1 竖井冻结
冻结方案
1 竖井冻结
冻结方案
2 斜井冻结
冻结方案
2 斜井冻结
冻结方案
3 水平隧道冻结
冻结方案
3 水平隧道冻结
冻结方案
3 水平隧道冻结
冻结方案
4 盾构进出洞冻结
冻结方案
4 盾构进出洞冻结
冻土加固范围
冻土加固范围
破洞范围
破洞范围
a
b
冻结方案
4 盾构进出洞冻结
有限元计算
1
NODAL SOLUTION OCT 7 2007 14:36:43 STEP=1 SUB =1 TIME=1 S3 (AVG) DMX =.01788 SMN =-861654 SMX =-16391 OCT 7 2007 14:36:58 MN
MN
MX
-153769
-92228
-30688
绝对的封水性 较高的强度 安全性 可知性 变化性
概述
冻结法施工讲解
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，必须将蒸发器中之饱和蒸汽氨1压缩成为 高压高温的过热蒸汽氨2，使与冷却水产生温差，在冷 凝器中将热量传递给冷却水（等压），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 流阀高压液态氨变为低压液态氨4（等焓），进入蒸发 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，周而复始，构成氨循环系统。
以上四项称为一级压缩制冷系统的四个热参数。
1.2、实际制冷能力பைடு நூலகம்算
三大循环与实际循环过程有一定差异。在氨循环中，压 缩并非等熵过程。冷凝和蒸发过程与环境之间有温差，非 等压且是不可逆过程。节流过程也并非可逆过程。同时， 由于汽缸余隙，制冷工质存在着流量和压头损失。因此， 实际压缩功大于理论功，实际输气量小于汽缸理论容积。
(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。
三、冻结法凿井原理
立井冻结凿井是利用传统的氨循环制冷技术来完成的 。它是在井筒开挖之前，用人工制冷的方法，将井筒周围 含水地层冻结成一个封闭的不透水的帷幕------冻结壁， 用以抵抗地压，水压，隔绝地下水与井筒之间的联系。而 后，在其保护下进行挖砌施工。
1、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。 2、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。
城市地下工程人工地层冻结技术现状及展望_程桦
第20卷 第2期淮南工业学院学报Vol.20 №.22000年6月JOU RNAL OF HUAINAN INSTIT UTE OF TECHNOLOGY JU N.2000城市地下工程人工地层冻结技术现状及展望程 桦(淮南工业学院土木工程系,安徽 淮南 232001)摘 要:介绍了城市地下工程人工地层冻结技术应用现状,分析了设计与施工存在的技术问题及当前急待研究解决的课题,展望了今后的发展。
关键词:地下工程;地层冻结;现状;展望中图分类号:TU 94 文献标识码:A 文章编号:1001-7038(2000)02-0017-061 概述人工地层冻结技术是利用人工冻结方法,降低土体的温度使含水土层形成冻结体,以抵抗地压并隔绝与地下水联系的一种土木工程特殊施工技术。
地下工程(如城市地铁、上下排污管道以及深基坑维护等)可能产生大量涌水,特别在富含水软土地层,施工非常困难,且经常造成地表沉陷,造成严重后果。
在矿山建设工程中,也经常遇到地下暗流、流砂等复杂地层地下水的干扰,危及施工人员的安全。
1880年,德国工程师F.H.Poetch 在国际上首次提出并获得人工冻结法专利。
1883年,在德国阿尔巴里煤矿中首先应用冻结法施工井筒。
该技术在我国的应用虽始于1955年,但发展迅速,截止1994年未的40年间,我国已采用冻结法开凿了390多个井筒,总长度超过66km [1]。
随着土木工程的发展,冻结法技术的应用范围不断扩大。
60年代以来,在日本及欧洲各国的地铁、基坑、市政等岩土工程中得到了广泛地应用。
70年代以来,该项技术在我国城市地下工程中的应用实例也日益增多。
本文重点介绍人工地层冻结技术应用现状,分析存在的技术问题和急待研究解决的课题,展望今后的发展。
收稿日期:2000—01—28作者简介:程桦(1956—),男,安徽巢湖人,淮南工业学院教授,博士,长期从事岩土工程结构教学与科研工作,已公开发表论文30余篇。
人工冻结技术
5.水平冻结法技术在地铁工程中的应用
在城市地铁的修建过程中，常常遇到松软含水地层。 在这种地层中施工，采用冻结法是行之有效的方法。传 统的竖向打钻冻结方法在城市有的地方没有打钻空间。 因此采用水平冻结是最好方法。 煤炭科学院总院北京建井所在北京复八线地铁施工 时，拱顶遇到饱和含水的粉细砂层，此段隧道地处国贸 立交桥，又有多条地下管线，为了确保地下管线和地面 交通的正常使用和安全运行，实施了隧道内的水平冻结 法施工，水平距离45m.
我国的人工地层冻结技术始于1955年，首次在开滦林西风井 应用，并一举获得了成功。随后，冻结法在煤矿井筒施工中得 到了普遍的应用。冻结法在我国应用已达50年，据不完全统计 利用冻结法开凿的煤矿井筒已达到了500多个，累计长度超过 80km，在工程实践中积累了丰富的实践经验‘”。 人工地层冻结法除了在煤矿立井凿井工程中得到了大量应用 以外，我国在城市地铁工程的旁通道施工、盾构掘进机进出洞 施工、桥墩基础施工等工程中也大量应用冻结法技术。 20世纪70年代以来我国先后将冻结法应用到北京地铁、沈阳 地铁2#线、上海地铁1#线、广州地铁、深圳地铁、南京地铁等 旁通道施工; 在上海地铁1#线延安东路隧道盾构进出口、广州 地铁中山纪念堂车站、南京地铁张府园车站等的施工中也采用 了冻结法施工:
λ=
Δθ ΔFT Δh
Q
三.导温系数： 又称热扩散系数，指土中某一点在其相邻点温度变化时，改 变自身温度能力的指标,单位(m2/h)。是研究温度场变化的基本 热学指标，主要取决于土的成分，含水量，密度参数，其变化 规律与导热系数相似。
λ α= CM ρ s
四.冻土热容量 单位体积土体温度改变1℃所需要的热量称作热容 量，其单位kJ/m3.K
冻结方案： 1.一次冻全深方案：将冻结段一次冻结简称井筒，具有施工工 序简单，适用性强，能一次穿过多个含水层等优点，不足之处 是冷冻站制冷量大，冻结壁厚度上下不均。 单，双排冻结方案，异径冻结方案 2.分段冻结方案： 3.差异冻结方案： 4.局部冻结方案：
浅谈地铁建设中的人工地层冷冻技术
浅谈地铁建设中的人工地层冷冻技术摘要：本文主要讲述了人工地层冻结技术的发展历程与其施工原理，并针对施工中产生的问题提出些可行性方法，并结合实际工程加以说明。
关键词：冻结技术；钻孔；冻结施工引言随着我国城市轨道系统的逐渐完善，其施工技术也在不断发展，在我国的地铁工程项目中，人工地层冻结技术也在不断发展，其实这项技术在国外发达国家早已成熟，并且在地铁建设中广泛应用，而我国实在近些年才对其进行引进与学习研究的，虽然我国的起步速度较晚，但由于这套技术在国外有许多成功经验，加之我国铁路施工技术人员的不断学习，所以我国的人工地层冻结技术发展迅速。
一、人工地层冻结技术的发展历程人工地层冻结技术最是在英国应用的，是在十九世纪六十年代，随后发展速度迅速，逐渐在德国、比利时、法国、荷兰、美国、前苏联、日本等国广泛应用。
其实人工地层冻结技术最早不是应用于地铁上，而是用于矿山工程或其他领域之中。
随着我国城市地下工程的增多，尤其地铁隧道工程的不断发展，冷冻技术不断融入到地铁隧道的施工之中。
二、人工地层冷结技术的施工原理与工艺人工地层冷结技术指的是运用人工制冷技术（一般为盐水冻结技术），将管道铺设在需要加固的地层中，用制冷压缩机进行制冷，并让低温盐水在冻结器中循环流动，降低地热能，把天然岩土转变为完整性好、强度高且不透水的临时加固体，从而达到使地下工程与地下水相隔绝的目的。
在开挖竖井或隧道等地下工程时，一定要在有冻结体保护的前提下对其进行施工，在完成支护砌筑之后，再让冻结的地层慢慢的进行解冻，最后还原到初始状态。
人工地层冷结技术除了可以运用盐水之外，还可以使用液氮或干冰作为冷媒体进行冻结。
人工地层冷结技术的优点也是非常多的，其优越性分别体现在以下几个方面：(1)地层强度高，冻结完成之后，地层的抗压强度可以提升到12~13MPa。
(2)隔水效果好，可保证工作面是无水的，在无水条件下进行施工开挖作业。
(3)支护的整体性能好，形成冻结体之后，不易产生裂缝，极大程度上保障了支护的整体性与完整性。
土木工程中的地下人工冻结技术
土木工程中的地下人工冻结技术土木工程是一门古老而又关键的学科，它涵盖了道路、桥梁、建筑物等各种结构的设计和建造。
而在土木工程中，地下人工冻结技术是一项重要的技术，它在改善土壤、增强地基等方面发挥着重要的作用。
地下人工冻结技术是指通过控制土壤温度，将土壤中的水转变为冰，从而增强土壤的强度和稳定性。
这项技术最早应用于煤矿工程中，用于预防煤层冒顶和地质灾害。
随着科学技术的进步，地下人工冻结技术逐渐被引入到土木工程中。
在土木工程中，地下人工冻结技术主要应用于地铁、隧道和桥梁等工程中。
例如，在地铁施工中，经常需要在软土或者湿地中建造隧道。
而这些地质条件往往使得隧道施工变得异常困难。
此时，地下人工冻结技术便成为了解决问题的重要手段之一。
地下人工冻结技术的基本原理是通过冷源向土壤散热，使土壤温度逐渐下降，最终将土壤中的水转变为冰。
冰的形成使得土壤增强，从而提供了可靠的施工条件。
冻结过程中需要控制温度、压力、冷却速度等参数，以确保冻结效果。
在实际应用中，地下人工冻结技术需要充分考虑工程的特点和环境因素。
例如，在地铁隧道施工中，地下水位、土层厚度、地下水温度等因素都会影响冻结效果。
因此，工程师需要详细调查和分析地质信息，制定合理的冻结方案。
地下人工冻结技术具有许多优点。
首先，它可以有效地增强土壤的强度和稳定性，提供可靠的施工条件。
其次，它可以减少地基沉降和地面沉降，防止地质灾害的发生。
此外，地下人工冻结技术还可以控制地下水位，减少对周围环境的影响。
然而，地下人工冻结技术也存在一些挑战和问题。
首先，冻结过程需要大量的能源消耗，对环境产生一定的影响。
其次，由于土壤温度的变化，周围土壤的性质可能发生变化，对周围建筑物或管线等产生影响。
因此，在实际应用中需要充分考虑这些问题，并采取相应的措施。
总的来说，地下人工冻结技术在土木工程中发挥着重要作用。
它能够有效地增强土壤的强度和稳定性，为工程提供可靠的施工条件。
然而，该技术仍然需要进一步发展和完善，以应对不同地质条件和环境要求。
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。
人工冻结法质量管理和控制措施
人工冻结法质量管理和控制措施摘要：地下连通道一般采用基坑支护、土体加固、明挖和等施工方法，但是当遇到复杂周边条件或者穿越富水地层时，则可以采用特殊施工方法——冻结法来完成不良土层的加固，实现围岩的稳定。
冻结法表现出凝固均匀、防水性佳、地层适应力强、污染少等优势，现已用于地铁区间横通道或是端部加固工程。
该研究主要采用拟开挖区域下方形成“L”型冻结壁，配合上部混凝土顶板以及地铁出入口形成封闭冻结体。
提升了施工效率，减少开挖对周围管线、地铁结构产生的影响。
解决了以往存在的问题，具有较好的应用价值。
关键词：人工冻结法；质量管理；控制措施1冻结法施工技术的优势（1）冻结施工技术可用于含水量超过10％的松散、不稳定的地层，可以有效分离地下水。
（2）结合施工环境，可以对冻土帷幕的形状、强度做出调整。
地质条件相对较为灵活，强度接近于5~10 MPa，有助于提高效率。
（3）冻结法不污染周围环境，具有环保性，异物引起的噪声较少。
结束后，土壤墙一旦冻结也会慢慢融化，对建筑的地下结构几乎没有影响。
（4）将冻结法运用到桩基础施工以及各道工序中来，从而减少施工周期。
2工程简述上海某地下通道为地下一层箱形结构，结构净宽约6.5~12.2m，结构净高约3.94~4.6m，地下通道总长度约64m，基坑开挖深度约7.1~7.64m。
该基坑东侧部分区域与既有地铁出入口连接，且存在较长的共墙段结构，长度为29.98m，该共墙段结构部分穿越②31潜水含水层，存在施工风险，因此采用冻结法施工、矿山暗挖法进行构筑。
冻结加固范围为拟开挖区域非混凝土墙段以及开挖基坑下部区域，最终在拟开挖区域下方形成“L”型冻结壁，配合上部混凝土顶板以及地铁出入口形成封闭冻结体。
在冻结段顶板以上采用明挖法施工。
3冻结加固设计3.1冻结壁设计1、冻土强度：单轴抗压3.6MPa，抗折2.0MPa，抗剪1.5MPa。
2、冻结壁的最佳厚度：≥1.6m，设计均温＜-10℃。
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60° 46.8° 36° 22° 17° 12° 3° -6° -15° -24° -33° -42° -52° -56°
°C 3 D13 D 7～ ° 7 , 0 8 105 D ～D15 8377,6° 14 D ～D17 7367,6° 16 ,4.5°C1、C2 3000 6761,3° D18～D19 2000,0°C5 、C 6 6807,0° D20～D 21
自 1933 年起，苏联（俄罗斯）在地铁使用 人工地层冻结法修建扶梯斜隧道 100多条，总 长超过5km.
冻结法的应用
苏联地铁扶梯倾斜隧道
冻结法的应用
苏联地铁扶梯倾斜隧道
冻结法的应用
3 隧道
冻结法的应用
3 隧道
冻结法的应用
4 盾构进出洞
大连路隧道
翔殷路隧道
冻结法的应用
4 盾构进出洞
日本： 「鋼管＋凍結」工法 优点：
人工地层冻结技术
大
纲
概述 冻结法的发展历史 冻结法的应用 冻结方案 冻结法的理论与工程问题 冻结法的施工监测 工程实例
概述
人工地层冻结法(Artificial Ground Freezing, AGF)（简 称“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。
冻结法的应用
8 地下对接
日本大阪
下水管垂直错高对接
冻结法的应用
8 地下对接
日本9.8m泥水盾构 水下对接
冻结法的应用
9 管线工程
冻结法的应用
10 基础加固
冻结法的应用
11 边坡加固
冻结法的应用
12 屏障
冻结法的应用
12 屏障
冻结方案
0 方案类型
简单冻结 差异冻结 局部冻结 分期冻结
目前中国最大冻结深度达到737米，水平冻结长度 达到147.8米。
冻结法的应用 主要国家最大冻结深度（－1991）
国家 英国
加拿 比利 波兰 德国 苏联 法国 中国 荷兰 大 时
最大 冻深 930 (m)
915
725
638
628
620
550
925
338
冻结法的应用
2 斜井、倾斜隧道
D1 ～D 6
350
0,3 0
40°
11.2°
-62° -74° -88°
78
77
7003,-3° D22～D23 7234,-8° D 24～D25 8750 ,-14 °D2 ～ 825 6 D 0,27 20° D28～ D29
-65° -74°
-88°
60 ,-
80 ,-
41 °
34 ° D32 ～ D 33 D3 9～ D4
绝对的封水性 较高的强度 安全性 可知性 变化性
概述
4 冻土结构功能
结构——承载 封水——不承载 屏障——隔绝污染
概述
5 冻结法特点
可见
可控
可靠
冻结法的发展历史
1862年，英国威尔士(Wales)的建筑基础施工首次使用人工地层冻结法，失败* 1880年，德国工程师 F.H. Poetch首先提出人工冻结法原理并获专利 1883年，德国阿尔巴里煤矿成功地采用冻结法建造井筒
冻结方案
4 盾构进出洞冻结
冻结方案
5 隧道联络通道冻结
11000 B A C
71
9
0 75
钻 机 隧道 -16.89 冷冻板
R2
80 6
R3 10 0
隧道
冷冻板
-23.07
冻结孔
50
2
A
C
B
冻结孔布置剖面图
设计冻结壁边界，根 据设计冻结壁范围进 行强度刚度验算和冻 结孔布置
5 隧道联络通道冻结
两年后（1886年[1]），瑞典人开始使用冷冻，用冻结法在斯特哥尔摩掘进了一条隧道。德国人和瑞 典人之后是法国人（1906年[1] ）。 1928年，苏联在德国人的帮助下，在Соликам钾矿首次成功使用人工地层冻结法凿井 1933年，苏联在工程师特鲁巴克(Трупак)领导下，在莫斯科地铁 1号线成功使用人工地层冻结法修 建三个地铁站的扶梯斜隧道 1942年 ，巴西26层高楼不均匀沉降修正[1] 1955年，中国煤矿首次采用冻结法凿井 1960年，加拿大双拱铁道隧道隔墙拆除工程[1] 1962年，日本开始使用冻结法于市政工程（大阪水管越江[2]）（无矿山工程） 60年代末，北京地铁首次应用冻结法 1994年，台北捷運新店線 CH221 標 [1]
冻结方案
1 竖井冻结
冻结方案
1 竖井冻结
冻结方案
1 竖井冻结
冻结方案
2 斜井冻结
冻结方案
2 斜井冻结
冻结冻结
冻结方案
3 水平隧道冻结
冻结方案
4 盾构进出洞冻结
冻结方案
4 盾构进出洞冻结
冻土加固范围
冻土加固范围
破洞范围
破洞范围
a
b
冻结方案
4 盾构进出洞冻结
0
79
9060,10°D34～ 10 ,D38 27 °D C4 30～ ° D 31 34 , 00 50
冻土帷幕强度高→冻 土体积小→冻胀融沉 小
冻结法的应用
4 顶管进出洞
冻结法的应用
5 隧道联络通道冻结法施工
冻结法的应用
5 隧道联络通道冻结法施工
冻结法的应用
5 隧道联络通道冻结法施工
冻结法的应用
6 基坑
冻结法的应用
6 基坑
冻结法的应用
7 穿越
Boston, USA
冻结法的应用
7 穿越
冻结法的应用
土木工程、岩土工程 矿山凿井：竖井、斜井 隧道施工：隧道掘进；盾构、顶管进出洞、联络通道 基坑工程 穿越 地下对接 管线工程 事故处理 基础加固 边坡加固 环境保护：污染物处理 土工试验：原状土取样 其他：泥浆除水
冻结法的应用
1 竖井凿井
1955年，由波兰引进了立井冻结法凿井技术，在 开滦林西煤矿风井建成了第一口立井，在中国开创 了人工地层冻结法的先河。 截止2013年未的60年间，我国已采用冻结法开凿 了700多个井筒，总长度超过120km. 苏联（俄罗斯）冻结法凿井400多个。
概述
1 基本原理
概述
2 制冷方法
岩土工程冻结制 冷技术通常利用物质 由液态变为气态,即 气化过程的吸热现象 来完成的。
有两种类型：
冷媒剂(盐水)吸热：氨 (-33.4℃)；干冰(-78.5℃)
直接气化吸热：液氮(-195.8℃)；干冰(-78.5℃)
概述
3 冻土结构特点