冻结法3-5节教材.ppt

§3 §3 冻结法施工冻结法施工 内容： 1. 冻结站安装 2. 钻孔施工 3. 冻结 4. 井筒掘进 5. 砌壁 6. 收尾 1 一、冻结站安装 1.冻结站的位置 方便：供冷、供电、供水 、排水等； 尽量靠近井口：30～50m 2. 设备布置 室内：蒸发器、高低压压 缩机、中冷器、氨液分离器 等 室外：冷凝器、集油器、 储氨器、油氨分离器、冷却 水系统等 2 3.冻结站安装 与冻结孔施工同时进行 三大系统的安装顺序 4. 管路耐压、密封试验 压缩机先试运转24h以上（空载或负载） 压气试漏： 24h，压力不降为合格 正常压力的1.5倍 真空试验：24h，真空度≥0.0933Mpa为合格 5. 管路保温 管路损失占25％ 用棉花、塑料薄膜、其它保温材料 3 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 6. 灌盐水、充氨 4 二、钻孔施工 1. 钻孔布置 （ 1）冻结孔 圈径： D0＝掘进直径＋2（0.55×冻结 壁厚度＋冻结深度×0.3％） 孔数： 复算孔间距： 5 孔 深：开孔深度：10～20m 终孔深度：大于需冻结的深度5～15m 孔 径：正常孔径：冻结管外箍直径＋（15～20mm） 开孔直径：正常孔径＋（20～40mm） 常用管径：108mm、139mm、159mm （2）水位孔 作用：观察地下水位、确定冻结圆柱是否交圈 位置：距井筒中心1m左右 数量：1～2个 深度：穿过所有含水层；小于冻结深度。

（3）测温孔 作用：监测冻结壁的温度，准确了解冻结壁的形成情况 位置：冻结壁外缘界面上或者认为必须控温处 数量：3～4个 6 2. 冻结孔钻进 钻机：旋转式，型号很多 钻头：合金钢，牙轮式 灰土盘：灰土比3：7 开孔：深5～6m，下套管，固孔 泥浆：排渣、护孔 泥浆泵、泥浆池、泥浆正循环 7 7 3.测斜 灯光测斜仪：：用于浅井 磁性单点测斜仪（图1－30）：：随钻杆移动，不提钻 测斜 陀螺测斜仪：：应用广泛、不提钻测斜、精度高 JDT-Ⅲ型：直径60mm，长1.9m 由下井仪器、地面测量仪、稳压器、变流器、测 井电缆、测井绞车等组成 4.纠偏 纠偏钻具（定向钻具）： 涡轮钻具、戴纳钻具 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 8 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 9 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，先预加强 冻结） 10 3. 去回路盐水温度及流量观测 深度＜100m时， △t＝2～3℃ 深度＞100m时， △t＝３～４℃ 流量计的流量。

4. 测温 专职人员，定期测热电偶测温微 机测温系统 11 5. 水位孔观察 交圈－水位孔冒水—暂时下降－冒水 如不冒水，要找原因 6. 开挖时间（试挖条件） 达到三个条件： ▲水位孔冒水 ▲冻结壁峰面已达到预定位置 ▲冻结时间与设计基本相符 12 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 13 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 4. 冻结管断裂 原因: 材质、冻结参数、施工工艺、冻结 温度 14 五、砌壁 1、井壁材料：混凝土、钢筋混凝土、砌块等 2、壁结构： 单层井壁 双层井壁 复合井壁（壁间有防水或 可塑性夹层） 3、井壁施工：外壁：短段掘砌 内壁：滑模套壁 六、收尾工作 回收氨、盐，拆设备，拔管充填（深井一般不拔 ） 15 §4 §4 冻结方冻结方 案案 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 16 冻 结 方 案 （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 3. 差异冻结方案 又叫长短腿冻结同一圈内长短管间隔布置 17 4. 局部冻结方案 隔板式 压气隔离 式 盐水隔 离式 上下段冻结式 18 5、斜井冻结 斜孔、直孔、直斜混合 斜孔冻结 直孔冻结 19 6、水平冻结 隧道正洞、隧道连通道、地铁车站、盾构 洞门 广州地铁2＃线某区间隧道冻结孔偏 斜图 主要参数 冻结壁厚度： 1.2m 隧道中心深度: 18.3m 开孔间距: 886mm 终孔间距: 不超过2m 冻结孔长度: 62m 钻孔方向: 放射状, 外偏角 冻结孔: 28个 测温孔: 2个 岩 性: 断层破碎带 20 主要参数 地层岩性: 软 土 上覆土层厚度: 13m 冻结壁厚度: 1.4m 地铁连通道 21 §5 §5 冻土的物理力学性质冻土的物理力学性质 一、冻土的形成一、冻土的形成 二、冻土的热物理性质 三、冻土的力学性质三、冻土的力学性质 22 1. 1. 地下水（四种水）地下水（四种水） 强结合水：紧靠颗粒表面，受强静电引力最大， 又叫吸附水冰点-186℃ 弱结合水：薄膜水，离颗粒表面 稍远冰点－20～－30℃ 毛细水：受静电引力较小。

0～－4℃ 自由水：又叫重力水，即普通水 粘土：结合水多，不易冻结 温度相同时，未冻水多，故强度低 砂土：自由水多，容易冻结 一、冻土的形成一、冻土的形成 23 2. 2. 岩土中水的冻结过程岩土中水的冻结过程 五个阶段：五个阶段： （（1 1））冷却段冷却段：降至冰点：降至冰点 （（2 2））过冷段过冷段：冰点以下：冰点以下 （（3 3））释放潜热段释放潜热段：突变：突变 （（4 4））结冰段结冰段：最重要：最重要, ,叫结冰温度、起始结冰温叫结冰温度、起始结冰温 度度 （（5 5））继续冷却段继续冷却段 24 二、冻土的热物理性质 1. 导热系数 当温度梯度为1（1m长度上温度下降1℃）时，每1h内 通过单位面积的热量，称导热系数 用λ表示, 单位为：W/m.K λ表示物体传热的难易程度， λ越大，越易于传热 粘土：λ＝1.4左右 砂土： λ＝1～4 （参见表1－10） 冻土为四相体：颗粒、气体、未冻水、冰 25 2. 比热 使单位质量（1kg）的冻土温度变化1K时，所吸收（ 或放出）的热量 用c表示，单位：kJ/kg.K c＝[cs+(w-wu)ci+cwwu]/(1+w) (1—44） 式中 cs— 融土颗粒的比热，(0.71～0.84) kJ/(kg.K) w— 含水量，％； wu— 未冻水含量，％； ci— 冰的比热，2.1; cw— 水的比热，4.2。

26 容积比热： 使单位体积的冻土温度变化1K时，所吸收 （或放出）的热量叫容积比热用C表示 C=γs[cs+(w-wu)ci+wucw] (1—46 ） 式中：γs—融土颗粒干容重，1300～1700kg/m3 比热随温度而变化，工程中一般用平均比热： 平均比热＝温度变化中吸收（或放出）的总 热量/温度变化总值 27 4. 冻土热容量Q 每1m3岩土从原始温度降到某冻结温度所放出（或吸收）的热 量，叫热容量单位：kJ/m3 Q＝Q1+Q2+Q3+Q4 （1—47） Q1：水由原始温度t0降到结冰温度td时所放出的热量 Q1=wcw(t0-td)ρw (1—48） w—含水量； cw—水的比热；ρw—水的密度 3. 导温系数 表示固体中温度变化的难易程度，m2/s . α＝ λ/C λ越大，α越大，越易于改变温度 28 Q3: 冰由冰点降到冻结温度所放出的热量 Q3＝（w-wu)ciρi(td-tp) （1-50） tp—冻结壁的平均温度 Q4:颗粒由原始温度t0降到冻结温度所放出的热量 Q4=(1-w)csrs(t0-tp) （1-51 ） Q2: 岩土中水结冰所放出的潜热量 Q2=(w-wu )γsl （1-49） wu—冻土中未冻水的含量； γs —融土颗粒干容重,1300~1700kg/m3； l —单位重量水结冰放出的潜热量，336kJ/kg。

29 三、冻土的力学性质三、冻土的力学性质 1. 冻土的抗压强度 比较低15℃时，粘土大多为3～6MPa; 砂土6～10MPa 相关因素： ●温度：在一定的温度范围内，冻土强度与负温绝对值呈 线性关系 饱和砂：σ＝－0.015t2+1.079t+1.961 (前苏联） 两淮表土： σ＝a+bt -20℃时：粘土，小于5MPa 砂土，小于10MPa 力学性质力学性质：抗压强度、抗剪强度、流变特征：抗压强度、抗剪强度、流变特征 30 ●含水量： 饱和前，强度随含水量增加而增加(线性） 饱和后，强度随含水量增加而降低 ●颗粒大小： 相同冻结温度条件下，岩土颗粒越大，强 度越高 砂砾土：强度最高（几乎全为自由水） 砂 土：强度次之 粘 土：强度最低（大部分为结合水， 几乎不冻结，未冻水含量高） 3131 2.冻土抗剪强度 与温度、冻土性质、正应力、粘聚力、内 摩擦角的大小等有关 用库仑公式表示： τ＝c＋σtgφ 温度相同时，砂土的抗剪强度比粘土的高 淮南冻结砂土：t=-0.9～23℃时： c＝0.45～1.375 φ＝25～ 36 ℃ 冻土的粘结力与冻土温度的绝对值成线性关系 32 3.冻土的流变 性 冻土具有明显的流变特征。

冻土具有明显的流变特征 蠕变性：蠕变性：在恒载作用下，变形随时间的延长而增大，且没有在恒载作用下，变形随时间的延长而增大，且没有 明显的破坏特征明显的破坏特征 蠕变曲线：蠕变曲线： 不稳定蠕变阶段不稳定蠕变阶段 稳定蠕变阶段稳定蠕变阶段 蠕变强化阶段蠕变强化阶段 稳定蠕变阶段是主要研稳定蠕变阶段是主要研 究对象 冻土的流变性主要指稳冻土的流变性主要指稳 定阶段 33 强度松弛：强度松弛：冻土强度随荷载作用时间的延长而降低冻土强度随荷载作用时间的延长而降低 瞬时强度：荷载作用时间＜瞬时强度：荷载作用时间＜1h1h 长时强度：＞长时强度：＞1h1h以200h200h的破坏应力作为长时强度的破坏应力作为长时强度 34 。