冻结法原理及其应用
冻结法 凿井 原理
冻结法凿井原理
冻结法是一种用于凿井的原理，它被广泛应用于水井的建设中。
这种方法的原理是利用冻结土壤的能力来形成一个固体的冻结圈，从而阻止井壁周围的水流入井筒。
凿井是一项需要高度技术和经验的工作，它通常在需要获取地下水资源的地区进行。
在过去，人们主要使用爆破技术来凿井，但这种方法有一些缺点，例如容易造成地质灾害和水源污染。
因此，冻结法成为了一种更加安全和可靠的选择。
冻结法的实施需要以下步骤。
首先，需要在井筒周围挖掘一个足够大的坑，然后在井筒的周围安装冷却管。
接下来，通过这些冷却管引入低温冷却剂，使土壤温度迅速下降。
当土壤温度降到冰点以下时，水分开始结冰，形成一个冻结圈。
这个冻结圈将土壤固化，从而阻止水流入井筒。
冻结法的优点是它能够有效地控制井筒周围的水流，确保井筒的稳定性和安全性。
此外，冻结方法还可以减少井筒周围的水污染，因为冻结圈可以阻止地下水与井筒中的水混合。
然而，冻结法也有一些限制和挑战。
首先，冻结法的实施需要大量的冷却剂和设备，成本较高。
其次，冻结圈的形成需要一定的时间，因此对于井筒的建设进度有一定的影响。
此外，冻结法对环境的影响也需要注意，特别是对冷却剂的排放和处理。
总的来说，冻结法是一种有效的凿井方法，它通过冻结土壤来阻止水流入井筒，保证井筒的稳定性和安全性。
虽然冻结法存在一些挑战和限制，但它仍然是一种被广泛应用的技术。
在未来，随着技术的不断进步和创新，冻结法有望得到更好的发展和应用。
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。
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。
(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。
冻结法原理及应用资料
冻结法施工的原理图
去路
盐水泵
盐水箱
螺杆压缩机
清水泵
冷却塔
回路
闸阀
去路 回路
盐水系统
氟系统
清水系统
一、冻结法施工技术概况
3、国内外现状： 1）、国外：广泛应用于城市基坑施工、地下铁隧道、煤 矿井筒等工程领域；煤矿井筒冻结深度最大930米。 2）、国内：1955年从前苏联引进冻结法凿井技术，冻 结煤矿井筒约600多个，冻结冲积层最大厚度近600米， 冻结最大深度737米，冻结法凿井技术应用于城市市政 工程起始于上世纪90年代，至今冻结市政工程项目超过 200个，水平冻结最长140米。上世纪末冻结法凿井技术 进一步推广到交通、水利领域，使用冻结法凿井技术施 工桥墩基础、引水通道等。
4、冻土具有冻胀性和融沉性
四、冻土特性
抗压强度
无侧限抗压强度 MPa
30 0.7358T 1.0962
16
12
8
4
0
0
-5
-10
-15
-20
温度 ℃
图6 冻结细砂无侧限抗压强度与负温的关系
四、冻土特性
弹性模量
E50 1.1398T 2 41.301T 36.607
弹性模量 MPa
400
300
五、冻结法设计及施工组织
• 冻结壁厚度设计与强度检验 1）冻结壁应按承载力要求设计冻结壁厚度。 2）冻结壁内力宜采用通用结构力学计算方法计算。冻结壁的力学计算模
型可按均质线弹性体简化，其力学特性参数宜取冻结壁平均温度下 的冻土力学特性试验值。 3）冻结壁内力和变形计算可考虑设置有内支撑的工况，但必须对内支撑 的结构形式、承载力及其施工时序等有明确的设计。设内支撑时， 冻结壁的空帮时间不宜大于24小时。 4）冻结壁强度检验安全系数要满足有关规程要求。有特殊要求时验算冻 结壁的变形。
第1章 冻结法.
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第一节 概 述
由于地热在热泵作用下传递给大气使井筒地层 降温、冻结形成冻结壁。人们在它的保护下进行掘 砌施工，以安全穿过含水地层，这就是冻结法凿井。 冻结法凿井主要工艺过程包括：冷冻站安装、钻孔 施工、井筒冻结和井筒掘砌四大内容。
优点：适应于各种复杂地质和水文条件。 缺点：技术复杂、设备多、施工期长、成本高。
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第二节 蒸气压缩制冷
2、冷媒剂
冷媒剂又称载冷剂，在制冷技术中是传递冷 效应的物质。盐水(Cacl2或Nacl溶液)、乙醇、 空气、氨和各种卤化物均可作为冷媒刘。应选 用冰点低、热容量大、不腐蚀设备、价格低廉、 来源容易的物质作为冷媒剂。冻结法施工中多 用Cacl2溶液作冷媒剂。
聚积并形成油膜，影响散热效果，润滑油比重大， 油往往积存在容器下部，应定时放出。
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第二节 蒸气压缩制冷
（3）氟里昂。
1930年前后氟里昂R12的出现，引起了制冷技术中的革 新。氟里昂是饱和碳氢化合物的氟、氯、溴的衍生物的总 称。目前使用的主要是甲烷和乙烷的衍生物。它无毒、无 味、无燃烧与爆炸危险，对金属腐蚀很小，热化学稳定性 较好，绝热指数小，压缩机排气温度低，分子量大，适用 于离心式压缩机。蒸发温度低(－40至－80℃之间)，这是 氟里昂的优点。其缺点是价格昂贵，易漏且不易发现。
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第二节 蒸气压缩制冷
3、冷却水循环。
冷却水循环在制冷过程中的作用是将压缩机排出 的过热蒸气冷却成液态氨，以便进入蒸发器中重新 蒸发。冷却水把氨蒸气中的热量释放给大气。冷却 水温越低，制冷系数就越高，冷却水温一般较氨的 冷凝温度低5—10℃。冷却水由水泵驱动，通过冷 凝器进行热交换，然后流入冷却塔再入冷却水池， 冷却后的循环水应随时由地下水补充。
快速冻结和慢速冻结的原理
快速冻结和慢速冻结的原理以快速冻结和慢速冻结的原理为标题，本篇文章将会从冻结的原理、快速冻结和慢速冻结的区别、应用领域等方面进行阐述。
一、冻结的原理冻结是将物体或物质通过降低温度的方式使其达到凝固状态。
冻结的原理是物质在温度降低的过程中，分子的热运动逐渐减缓，直至停止，分子之间的相互作用力增强，形成无法流动的固态结构。
二、快速冻结和慢速冻结的区别快速冻结是指将温度迅速降低到极低的温度，使物体或物质迅速达到凝固状态。
快速冻结的主要原理是通过快速降温，使物体或物质中的水分分子在冷却过程中形成微小的冰晶，从而达到快速冻结的效果。
快速冻结的温度通常在-20℃以下，常见的快速冻结方法包括液氮冷冻、干冰冷冻等。
慢速冻结是指将物体或物质缓慢地降温达到凝固状态。
慢速冻结的主要原理是通过缓慢降温，使物体或物质中的水分分子在冷却过程中逐渐形成较大的冰晶，从而达到慢速冻结的效果。
慢速冻结的温度通常在-2℃至-10℃之间，常见的慢速冻结方法包括家用冰箱、商用冷冻柜等。
三、应用领域快速冻结和慢速冻结在生产和生活中都有广泛的应用。
快速冻结主要应用于食品加工过程中，用于保存食品的新鲜度、口感和营养成分。
快速冻结的食品在冷冻过程中冰晶形成较小，能够减少食品的水分流失，从而保持食品的原始质感和营养成分，延长食品的保质期。
同时，快速冻结还可以应用于医药制造、生物学研究等领域。
慢速冻结主要应用于农业、畜牧业等领域。
慢速冻结可以防止农产品和畜产品在运输和存储过程中的变质和腐烂。
同时，慢速冻结还可以应用于医学、科学研究等领域。
四、结论快速冻结和慢速冻结都是通过降温的方式达到凝固状态的效果。
两种冻结方法的原理和应用领域不同，根据具体应用的需求选择不同的冻结方法，能够更好地保持物品的原始质感和营养成分，延长物品的保质期。
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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(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。
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
2 冻结系统种类
2.2热电制冷
热电制冷又称温差电效应、电子制冷等，它是建立在珀尔帖效应原理上的。 1834年珀尔贴发现当一块N型半导体（电子型）和一块P型半导体（空穴型）联成电偶时 ，在这个电路中接上一个直流电源，电偶上有电流通过时，就发生了能量转移，在一个接 头上吸收热量，而在另一个接头上放出热量。
蒸发器中产生的低压制冷剂蒸气在压缩机中被压缩到冷 凝压力，经冷却水、空气等介质冷却后变成液体，再经节流 阀膨胀到蒸发压力成为汽、液两相混合物，温度降到饱和温 度，在蒸发器中蒸发，吸收热量而制冷，汽化后的蒸气被压 缩机吸回，完成一个循环。
1 概述
我国情况 1955年，我国首次在开滦林西风井使用盐水冻结法凿井并获得 成功；至今已经冻结近1000个井筒. 70年代初，北京地铁冻结长90m，垂深28m
➢ 上世纪80年代，东海拉尔水泥厂的上料仓基坑； ➢ 1988年，凤台淮河大桥主桥墩基础工程 ➢ 1993年，上海地铁一号线1个泵站和3个隧道贯通道结合部 ➢ 1998年，北京地铁大北窑车站南隧道水平冻结施工，长45m ➢ 2000年以后,上海大量越江隧道和地铁工程使用冻结法.
相变是指物质固态、液态、气态三者之间变化过程。在 相变过程中要吸收或放出热量。相变制冷就是利用物质相变 时的吸热效应，如固体物质在一定温度下的融化或升华，液 体汽化。
干冰是固态的二氧化碳（CO2），它是一种良好的制冷剂 ，广泛应用于实验研究、食品工业、医疗、机械加工和焊接 等方面。干冰的平均相对密度为1.56，干冰在化学上稳定，对 人无害。在大气压力下升华温度为－78.5℃，升华潜热为 573.6kJ/(kg·K)。
1 概述
1 概述
1 概述
1 概述
1 概述
1 概述
1 概述
——环境友好的施工方法 冻结只是临时改变岩土的承载、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。
冻结法不污染环境，是“绿色”施工方法
1 概述
——冻结法具备的优点
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领域： —— 立井工程 —— 斜井工程 —— 地基基础 —— 基坑稳定 —— 隧道工程 —— 其他岩土工程
2 冻结系统种类
可用来获得低温的方法很多，一般有以下几种 相变制冷 蒸气压缩制冷 吸收制冷 热电制冷
2 冻结系统种类
2.1相变制冷
2.3蒸气压缩制冷
蒸气压缩制冷和气体压缩制冷同属于压缩式制冷循环， 它是以消耗一定量的机械能为代价的制冷方法。压缩制冷是 最常用的制冷方式。由于气体压缩制冷过程中制冷剂不发生 相态变化，无潜热利用，其单位制冷量小，要提供一定制冷 量，则需相对大的设备。蒸气压缩式制冷采用在常温下及普 通低温下即可液化的物质为制冷剂（如氨、氟利昂等）。制 冷剂在循环过程中周期性地以蒸气和液体形式存在。
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岩土中的水 冻结为冰并与岩土胶结在一起，形成一个预定设计轮廓的 冻结壁或密闭的冻土体，用以抵抗水土压力、隔绝地下水 ，并在冻结壁的保护下，进行地下工程的施工。
1 概述
——冻结岩土性质的改变 将含水地层（松散土层和裂隙岩层）在结冰温度下冷却，
在热电制冷装置的应用中，热电装置常称为热电块，一个热电块由多个冷接头、热 接头串接而成。热电块中的电流方向决定接头是吸热还是放热的。电流如果由N型半导体进 入P型半导体，则连接N型、P型半导体的接头是吸热的，称为冷接头；电流方向相反时则 连接N型、P型半导体的接头放热（称为热接头）。
2 冻结系统种类
岩石裂隙或土孔隙中的水变成冰，岩土的性质发生决定性的变 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(冻土)用于地下工程施工期内的 承载（结构功能）和密封（材料功能）
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.
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。
(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。
1.2 冻结法简史 国外
➢ 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