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冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用主主  要要  内内  容容1 1 冻结法概述冻结法概述2 2 人工冻结制冷系统人工冻结制冷系统3 3 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则4 4 立井工程冻结法立井工程冻结法5 5 斜井冻结法斜井冻结法 冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用1.1 人工地层冻结法人工地层冻结法冻结法定义冻结法定义：：    用用人工制冷人工制冷的方法，将待开挖地下空间周围的土体中的水的方法，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结为冰并与土体胶结在一起，形成一个按设计轮廓的冻冻土墙土墙或密闭的冻土体，用以或密闭的冻土体，用以抵抗土体压力、隔绝地下水抵抗土体压力、隔绝地下水，，并在冻土墙的保护下，进行地下工程的施工并在冻土墙的保护下，进行地下工程的施工1  概述概述冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用——冻结土体性质的改变冻结土体性质的改变若若将将含含水水地地层层（（松松散散土土层层和和裂裂隙隙岩岩层层））在在结结冰冰温温度度下下冷冷却却，，岩岩石石裂裂隙隙或或土土孔孔隙隙中中的的水水转转换换成成冰冰，，岩岩土土的的性性质质将将发发生生决决定定性性的的变化。

这一变化具有双重意义：变化这一变化具有双重意义：   材料：材料：（（1）土体中水分冻结，提高一定范围内岩土的强度）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）减低一定范围岩土体渗透性——创造新工程材料创造新工程材料   结构：结构：在普通结构内部构建了新的工程结构在普通结构内部构建了新的工程结构——冻结法冻结法     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）承载（结构功能）和和密封（材料功能）密封（材料功能）1  1  概述概述概述概述冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用——环境友好的施工方法环境友好的施工方法      冻冻结结只只是是临临时时创创造造冻冻土土良良好好的的承承载载、、密密封封性性能能，，为为构构筑筑新新的的地地下下空空间间服服务务，，施施工工完完成成后后，，根根据据需需要要可可拔拔除除冻冻结结管管，，冻冻土土将将解解冻融化，土将逐渐恢复到未冻结状态冻融化，土将逐渐恢复到未冻结状态     在在冻冻结结法法施施工工中中，，没没有有象象喷喷射射混混凝凝土土时时的的混混凝凝土土、、板板桩桩施施工工时的钢板或注浆时的浆液材料那些附加物质进入地层。

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，是冻结法不污染环境，是“绿色绿色”施工方法施工方法1  1  概述概述概述概述冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用——方法具备的优点方法具备的优点      (1) 安全性好安全性好，，可有效的隔绝地下水可有效的隔绝地下水；； (2) 适应面广适应面广，，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、件下冻结技术有效、可行可行；； (3) 灵活性好灵活性好，，可以人为地控制冻结体的形状和扩展范围，必要时可以人为地控制冻结体的形状和扩展范围，必要时  可以可以绕过地下障碍物进行冻结绕过地下障碍物进行冻结；； (4) 可控性较好可控性较好，，冻结加固土体均匀、完整冻结加固土体均匀、完整；； (5) 经济上较合理经济上较合理1  1  概述概述概述概述冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用——冻结岩土体的方法冻结岩土体的方法        从土体中吸热。

从土体中吸热——冻结的作用冻结的作用      含水、松散土体冻结后抗压强度明显提高含水、松散土体冻结后抗压强度明显提高——冻结法处理对象冻结法处理对象      岩土体中的水岩土体中的水       水在冻结过程中将发生明显体积变化水在冻结过程中将发生明显体积变化1  1  概述概述概述概述冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用——冻结法设计与施工冻结法设计与施工(1) 根据工程、地质、水文和环境条件进行冻结设计：根据工程、地质、水文和环境条件进行冻结设计：——确定冻土结构形式确定冻土结构形式——选择制冷方式选择制冷方式——布置冻结系统布置冻结系统——确定冻结温度确定冻结温度——估算冻结时间，等估算冻结时间，等2) 待待设设计计冻冻土土结结构构形形成成后后，，在在其其保保护护下下进进行行地地下下工工程程的的掘掘进进、、支护和设备安装等工作支护和设备安装等工作1  1  概述概述概述概述冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用——冻土的形成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和施工冻结孔——安设冻结管，通过冻结管中循环的低温冷安设冻结管，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。

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时间后，冻土体达到设计厚度——形成冻土形成冻土1  1  概述概述概述概述冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用1.2 冻结法简史冻结法简史矿井建设矿井建设Ø   l862年：英国，率先用冻结法成功进行深基坑开挖围护年：英国，率先用冻结法成功进行深基坑开挖围护Ø   l872年：德国，首先应用于矿井建设鲁尔区冻结井深超过年：德国，首先应用于矿井建设鲁尔区冻结井深超过600mØ  1888年：美国，用于煤矿矿井开挖年：美国，用于煤矿矿井开挖Ø  l965年：加拿大，开挖年：加拿大，开挖l089米矿井，冻结深度米矿井，冻结深度684米米Ø  1952至至l98l年间：北美，用冻结法凿井达年间：北美，用冻结法凿井达29个个Ø  迄迄今今为为止止，，各各国国冻冻结结井井最最大大冻冻结结深深度度：：英英国国930m，，美美国国915m，，波波兰兰860m，，加加拿拿大大634m，，比比利利时时638m，，前前苏苏联联620m，，德德国国531m，，法国法国550m，，中国中国702m冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用地下工程地下工程Ø 1979年：美国，地下核电站基坑、直径年：美国，地下核电站基坑、直径40m、深、深6m基础基础Ø 80年年代代：：苏苏联联，，城城市市地地铁铁大大厅厅35座座、、隧隧道道35项项，，高高l38.5m、、重重27000吨大楼基坑开挖支护吨大楼基坑开挖支护Ø1962以以来来：：日日本本，，超超过过300个个大大型型冻冻结结工工程程，，其其中中有有通通过过河河流流、、铁铁路路、、公公路路和和其其它它构构筑筑物物下下的的隧隧道道工工程程、、挡挡土土墙墙工工程程、、与与盾盾构构施施工工有有关的工程等关的工程等Ø20世世纪纪中中叶叶起起：：波波兰兰、、德德国国、、法法国国、、瑞瑞士士、、比比利利时时、、意意大大利利、、奥奥地地利、挪威、西班牙、芬兰、澳大利亚、法国、荷兰、加拿大等利、挪威、西班牙、芬兰、澳大利亚、法国、荷兰、加拿大等冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用我国情况我国情况Ø70年代初，北京地铁冻结长年代初，北京地铁冻结长90m，垂深，垂深28mØ1975年，沈阳地铁年，沈阳地铁2号井号井Ø上世纪上世纪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开挖的沉淀池工程Ø1988年，凤台淮河大桥主桥墩基础工程年，凤台淮河大桥主桥墩基础工程Ø1993年，上海地铁一线年，上海地铁一线1个泵站和个泵站和3个隧道贯通道结合部个隧道贯通道结合部Ø1998年，北京地铁热年，北京地铁热—八线大北窑车站南隧道水平冻结施工，八线大北窑车站南隧道水平冻结施工，长长45m1  1  概述概述概述概述冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用1.3 工程应用简介工程应用简介目前，冻结法在地下工程中广泛应用于以下四个领域：目前，冻结法在地下工程中广泛应用于以下四个领域： —— 立井工程立井工程—— 地基基础地基基础—— 基坑稳定基坑稳定—— 隧道工程隧道工程—— 其他岩土工程其他岩土工程 1  1  概述概述概述概述冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用1.4 力学与热性质力学与热性质抗压强度：抗压强度：冻土的主要力学性质冻土的主要力学性质随温度减低，冻土抗压强度随温度减低，冻土抗压强度提高；提高；抗拉强度相对抗压强度较低，抗拉强度相对抗压强度较低，且随温度减低不再增加且随温度减低不再增加冻结粉砂冻结粉砂1  1  总论总论总论总论冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用热物理参数：热物理参数：导温系数、热容、导热系数以及相变潜热等导温系数、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含量、未冻水含量等确定土热物理参数比较复杂静力计算：静力计算：确保冻土结构在所处工程条件下强度和稳定性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简单方法：将冻土体视为具有弹性模量E的弹性体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：则承载功能由支护若安设支护：则承载功能由支护/冻土系统共同承担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考虑了与实际工程相近的冻土非线性变形性质1  1  概述概述概述概述冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用2.1氨（氟利昂）－盐水冻结系统氨（氟利昂）－盐水冻结系统盐水循环系统（冷媒剂循环）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）氨循环系统（制冷系统）通过相变循环实现制冷的物质通过相变循环实现制冷的物质冷却水循环（冷却水循环）冷却水循环（冷却水循环）将热量释放给大气将热量释放给大气2  2 人工冻结制冷系统人工冻结制冷系统人工冻结制冷系统人工冻结制冷系统   冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用2.1氨（氟利昂）－盐水冻结系统氨（氟利昂）－盐水冻结系统制冷技术制冷技术（制冷系统、冷媒剂循环、冷却水循环）（制冷系统、冷媒剂循环、冷却水循环）制冷循环制冷循环一般包括四个过程：压缩一般包括四个过程：压缩—冷凝冷凝—降压降压—蒸发蒸发冷媒剂循环：冷媒剂循环：与冻结与冻结管相连，将地层热量管相连，将地层热量带出带出冷却水循环：冷却水循环：将冷媒将冷媒剂携带的热量释放于剂携带的热量释放于大气中大气中冻结法中，制冷剂一般用冻结法中，制冷剂一般用氨或氟里昂，冷媒剂通常氨或氟里昂，冷媒剂通常用氯化钙溶液（盐水）用氯化钙溶液（盐水）冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用2. 2液化气体系统（液氮）液化气体系统（液氮）    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（出，从而制冷，最常用的是液氮（LN2）。

2  2 人工冻结制冷系统人工冻结制冷系统人工冻结制冷系统人工冻结制冷系统   冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用2. 2液化气体系统（液氮）液化气体系统（液氮）    采用液氮冻结时，直接将液氮从罐车中导入冻结管，循环气化采用液氮冻结时，直接将液氮从罐车中导入冻结管，循环气化后排到大气中在局部冻结工程或抢险工程中常采用液氮冻结后排到大气中在局部冻结工程或抢险工程中常采用液氮冻结技术2  2 人工冻结制冷系统人工冻结制冷系统人工冻结制冷系统人工冻结制冷系统   冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用2. 3 两种冻结系统比较两种冻结系统比较    2  2 人工冻结制冷系统人工冻结制冷系统人工冻结制冷系统人工冻结制冷系统   项项项项 目目目目常规冻结系统常规冻结系统常规冻结系统常规冻结系统液氮冻结系统液氮冻结系统液氮冻结系统液氮冻结系统制冷温度制冷温度制冷温度制冷温度(℃)(℃)(℃)(℃)-10 -10 -10 -10 ～～～～-35-35-35-35-60 -60 -60 -60 ～～～～-150-150-150-150地下水流速地下水流速地下水流速地下水流速(m/s)(m/s)(m/s)(m/s)5 5 5 5．．．．7﹡107﹡107﹡107﹡10-5-5-5-5不限不限不限不限制冷效率制冷效率制冷效率制冷效率30% 30% 30% 30% ～～～～ 50% 50% 50% 50%50%50%50%50%冻土速度冻土速度冻土速度冻土速度2cm/d2cm/d2cm/d2cm/d20cm/d20cm/d20cm/d20cm/d土　　层土　　层土　　层土　　层任何含水地层任何含水地层任何含水地层任何含水地层任何含水地层任何含水地层任何含水地层任何含水地层冷量估算冷量估算冷量估算冷量估算Q=1.3.π.d.H.KQ=1.3.π.d.H.KQ=1.3.π.d.H.KQ=1.3.π.d.H.K460kg/ m460kg/ m460kg/ m460kg/ m3 3 3 3冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用3.1 冻结法设计冻结法设计先期准备工作先期准备工作在在进进行行冻冻结结设设计计之之前前，，有有必必要要评评价价有有关关施施工工环环境境、、地地基基的的要要求求以以及及冻冻结方法的适应性等，这是冻结设计的基础。

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）在施工环境方面l l  允许允许沉降沉降和水平位移的量值和水平位移的量值l l  允许允许震动震动的可能性、噪声的大小的可能性、噪声的大小l l  控制控制冻胀冻胀的范围和量值的范围和量值l l  冻结冻结钻进钻进的可能位置的可能位置l l  施工施工场地场地条件条件l l  施工施工工期工期和时间和时间3 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用（（2）在工程条件方面）在工程条件方面 l l    冻土体冻土体功能功能，密封、承载或密封和承载，密封、承载或密封和承载 l l    冻土体冻土体形状形状与与尺寸尺寸 l l    地层地层特征、分层特征、分层 l l    地层地层初始温度初始温度及变化及变化 l l 土性土性，粒径、密度、塑限与液限、含水量、饱和度，粒径、密度、塑限与液限、含水量、饱和度 l l    土的土的热参数热参数的获取，经验或试验的获取，经验或试验 l l    可能产生可能产生冻胀冻胀的土层，细粒土的实验室实验的土层，细粒土的实验室实验3 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用 l l    融或不可融融或不可融矿物质矿物质 l l    地下水地下水，水位、变化波动范围、流速、方向，水位、变化波动范围、流速、方向 l l    地下水的地下水的含盐量含盐量 l l    冻土的冻土的强度强度和和变形变形性质性质（（3））在技术方法方面在技术方法方面 冻结制冷方式，制冷机、液氮或其它冻结方式冻结制冷方式，制冷机、液氮或其它冻结方式 3 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用   （（1）） 地质、水文地质及土性研究地质、水文地质及土性研究——土矿物种类土矿物种类——土密度土密度——含水量含水量——饱和度饱和度——渗透性渗透性——孔隙体积孔隙体积——稠度稠度→ 冻结法的适宜性冻结法的适宜性→ 冻结工作的可能性冻结工作的可能性→ 冻结管的处理冻结管的处理   （（2））冻土性质冻土性质——蠕变试验蠕变试验——三轴试验三轴试验——冻胀试验冻胀试验→ 与时间、温度和荷载有关的强度和变形性质与时间、温度和荷载有关的强度和变形性质              （设计基础）（设计基础）   （（3））周围建筑物的评价周围建筑物的评价——上部建筑上部建筑——工场管线工场管线——交通道路交通道路→ 冻结工作的处理冻结工作的处理→ 变形，尤其是冻胀变形，尤其是冻胀   （（4）） 冻土体设计冻土体设计——冻土体中的力和应力冻土体中的力和应力→ 冻土体的理论尺寸冻土体的理论尺寸   （（5）） 测量程序测量程序——变形和温度量测变形和温度量测→ 工作的观测与控制工作的观测与控制（采用特殊措施的判定基础）（采用特殊措施的判定基础）必要的预研究项目必要的预研究项目 冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用设计工作内容设计工作内容 进进行行一一项项技技术术可可行行、、经经济济合合理理的的岩岩土土冻冻结结工工程程的的前前提提是是在在冻冻结结施施工前进行冻结设计。

工前进行冻结设计工程意义上的冻结项目的设计工作包括：工程意义上的冻结项目的设计工作包括：      冻冻土土体体结结构构形形式式、、支支护护方方法法、、冻冻结结方方案案、、冻冻土土体体尺尺寸寸、、冻冻结结管管布布置置、、冻冻结结过过程程、、冻冻结结时时间间、、冻冻结结系系统统、、冻冻结结设设备备、、监监测测等等   3 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结项目的设计工作冻结项目的设计工作 l l    设计冻土体结构形式，需考虑如下因素设计冻土体结构形式，需考虑如下因素— 地质、水文地质条件地质、水文地质条件— 满足工程强度和满足工程强度和/或密封需求或密封需求— 方便施工方便施工— 节省投资节省投资l l 临时支护方法临时支护方法— 纯冻结纯冻结— 与其它加固方法组合与其它加固方法组合3 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用l l    优选冻结方案优选冻结方案—  一次冻结一次冻结—  分期冻结分期冻结l l   确定冻土体尺寸确定冻土体尺寸— 确定外载荷确定外载荷— 确定平均温度确定平均温度— 试验冻土强度试验冻土强度— 计算冻土结构强度与稳定性计算冻土结构强度与稳定性3 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用l l       合理布置冻结管合理布置冻结管— 确定布置方式：垂直、倾斜、水平、混合确定布置方式：垂直、倾斜、水平、混合— 确定冻结管深度确定冻结管深度— 确定冻结管间距确定冻结管间距l l       选择冻结阶段的冻结过程选择冻结阶段的冻结过程— 连续冻结、冻结温度连续冻结、冻结温度— 间歇冻结、冻结温度间歇冻结、冻结温度l l       冻结时间确定冻结时间确定—  冻结速率冻结速率—  积极冻结时间积极冻结时间—  维护冻结时间维护冻结时间— 与岩土工程施工的衔接与岩土工程施工的衔接 3 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用l l       冻结系统设计冻结系统设计— 选择制冷剂、冷媒剂选择制冷剂、冷媒剂— 计算制冷量计算制冷量— 制冷系统设计制冷系统设计l l       冻结设备选型冻结设备选型— 选择制冷机组选择制冷机组— 布置冻结管路布置冻结管路l l       监测设计监测设计— 监测目的与内容（温度、变形、压力等）监测目的与内容（温度、变形、压力等）— 监测传感器监测传感器— 监测系统监测系统冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用3 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则3.2冻结施工步骤冻结施工步骤  一一般般地地，，用用氨氨——盐盐水水循循环环制制冷冷系系统统进进行行土土体体冻冻结结工工程程施施工工主主要要有三大部分组成，即有三大部分组成，即——冻结站安装冻结站安装 ——冻结孔施工冻结孔施工 ——土体冻结土体冻结 冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用3  冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则冻结站安装冻结站安装—冻冻结结站站位位置置选选择择。

以以供供冷冷、、电电、、水水及及排排水水方方便便为为原原则则，，考考虑虑对对环环境境的影响以及消防、通风等安全要求，靠近工地的影响以及消防、通风等安全要求，靠近工地—冻冻结结站站设设备备布布置置一一般般站站内内布布置置氨氨循循环环系系统统和和盐盐水水循循环环系系统统，，站站外外布置冷却水循环系统布置冷却水循环系统—冻结站安装程序冻结站安装可与冻结孔钻进同时进行冻结站安装程序冻结站安装可与冻结孔钻进同时进行—管路耐压密封试验安装完毕，进行耐压、密封试验管路耐压密封试验安装完毕，进行耐压、密封试验—管路隔热保温低压、低温部分隔热、保温，减少损失管路隔热保温低压、低温部分隔热、保温，减少损失—管路灌注制冷剂和冷媒剂管路灌注制冷剂和冷媒剂若设计用液氮冻结冻结，则若设计用液氮冻结冻结，则冻结站安装工作要简化得多冻结站安装工作要简化得多 冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用3  冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则冻结孔施工冻结孔施工— 钻孔布置钻孔布置— 冻结孔钻进冻结孔钻进— 冻结孔测斜冻结孔测斜— 冻结管安装冻结管安装土体冻结土体冻结— 盐水流量观测盐水流量观测— 管路温差观测管路温差观测— 土体温度观测土体温度观测— 确定冻结时间确定冻结时间冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用3  立井工程冻结法立井工程冻结法 3.1 概述概述  120年，含水、软弱、不稳定地层矿山立井建设的成熟技术年，含水、软弱、不稳定地层矿山立井建设的成熟技术国外：国外：冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法凿井利用氨循环制冷系统。

冻结法凿井利用氨循环制冷系统为形成能抵抗地压、隔绝地下水的为形成能抵抗地压、隔绝地下水的冻结壁，首先在欲开挖井筒周围钻冻结壁，首先在欲开挖井筒周围钻进一定数量冻结孔，安设冻结器进一定数量冻结孔，安设冻结器冻结站制出的冻结站制出的-25~-35℃低温盐水，低温盐水，经去路盐水干管（经去路盐水干管（12）、配液圈）、配液圈（（13）到供液管底部、沿冻结管和）到供液管底部、沿冻结管和供液管之间的环形空间上升到回液供液管之间的环形空间上升到回液管、集液圈（管、集液圈（15）、回路盐水干管）、回路盐水干管（（16）至蒸发器（）至蒸发器（2））——形成盐形成盐水循环水循环冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用低温盐水在冻结器中流动，吸收低温盐水在冻结器中流动，吸收周围地层热量，形成冻结圆柱，周围地层热量，形成冻结圆柱，冻结圆柱逐渐扩大并连接成封闭冻结圆柱逐渐扩大并连接成封闭的冻结壁，直至达到其设计厚度的冻结壁，直至达到其设计厚度和强度通常将冻结壁扩展到设计厚度所通常将冻结壁扩展到设计厚度所需的时间称为积极冻结期，将维需的时间称为积极冻结期，将维护冻结壁的期间称作消极（或维护冻结壁的期间称作消极（或维护）冻结期。

护）冻结期冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用吸收了地层热量的盐水，在盐水吸收了地层热量的盐水，在盐水箱内将热量传递给蒸发器中的液箱内将热量传递给蒸发器中的液氨，使液氨变为饱和蒸气氨，再氨，使液氨变为饱和蒸气氨，再被氨压缩机（被氨压缩机（4）压缩成过热蒸）压缩成过热蒸气进入冷凝器（气进入冷凝器（7）冷却，将地）冷却，将地层和压缩机产生的热量传递给冷层和压缩机产生的热量传递给冷却水，最后将这些热量传给大气却水，最后将这些热量传给大气 冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法凿井主要工艺过程包括：冻结法凿井主要工艺过程包括：—— 冷冻站安装冷冻站安装—— 钻孔施工钻孔施工—— 井筒冻结井筒冻结—— 井筒掘砌井筒掘砌等四大内容等四大内容 3 立井工程冻结法立井工程冻结法冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用3.2 冻结方案冻结方案针针对对不不同同水水文文、、地地质质和和工工程程条条件件，，采采用用不不同同冻冻结结方方案案，，以以达达到到最最佳佳经经济济效益实际工程常用冻结方案有：效益实际工程常用冻结方案有： l l 一次冻全深一次冻全深Ø 所所有有冻冻结结孔孔的的深深度度与与最最大大冻冻结结深深度度一一致致，，并并且且全全深深一一次次冻冻结结形形成成冻冻结结壁的冻结方式。

包括单圈管、双圈管和异径管壁的冻结方式包括单圈管、双圈管和异径管Ø 一般采用单圈管冻结方案，即只在井筒周围布置一圈冻结管一般采用单圈管冻结方案，即只在井筒周围布置一圈冻结管Ø 当当表表土土厚厚，，要要求求冻冻结结壁壁厚厚、、平平均均温温度度低低时时可可采采用用双双圈圈管管冻冻结结，，即即在在井井筒周围布置两圈冻结管筒周围布置两圈冻结管Ø 为为加加速速上上部部冻冻结结，，尽尽早早开开挖挖，，可可采采用用上上粗粗下下细细异异径径管管冻冻结结，，上上部部冻冻结结管吸热面积大，冻结快，下部管吸热面积小，冻结慢管吸热面积大，冻结快，下部管吸热面积小，冻结慢冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用l l  长短管（差异）冻结方棠长短管（差异）冻结方棠长长短短管管冻冻结结，，又又称称“差差异异冻冻结结”——指指冻冻结结管管的的深深度度不不同同，，长长短短管管交交错错布布置置于于一一圈圈上上，，一一次次冻冻结结形形成成冻冻结结壁壁的的冻冻结结方方式此此方方案案主主要要用用于于同同时时冻冻结结冲冲积积层层和和含含水水基基岩岩的的情情况况长长管管超超出出短短管管深深度度的的部部分分主主要要任任务务是是冻冻结结基基岩岩、、封封堵堵地地下下水水，，而上部分则与短管共同形成承受水土压力的冻结壁。

而上部分则与短管共同形成承受水土压力的冻结壁 3 立井工程冻结法立井工程冻结法冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用l l  分段（分期）冻结方案分段（分期）冻结方案当冻结深度较大，且水文、工程地质条件比当冻结深度较大，且水文、工程地质条件比较适宜时，可将整个冻结深度自上而下分为较适宜时，可将整个冻结深度自上而下分为数段，分段冻结形成冻结壁这一方案的冻数段，分段冻结形成冻结壁这一方案的冻结管布置方式与一次冻全深相同，只是采用结管布置方式与一次冻全深相同，只是采用不同结构的冻结器来实现分段冻结的目的不同结构的冻结器来实现分段冻结的目的 分期冻结冻结器分期冻结冻结器1配液圈配液圈 2 集液圈集液圈 3 阀门阀门  4 冻结管冻结管 5、、6 供、回液管供、回液管 3  立井工程冻结法立井工程冻结法冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用l l  局部冻结方案局部冻结方案当只有局部地层需要冻结时，可采用局部冻结方案当只有局部地层需要冻结时，可采用局部冻结方案 局部冻结冻结器局部冻结冻结器(a)隔板隔板       (b) 压气隔离压气隔离 (c) 盐水隔离盐水隔离  (d) 上下冻结上下冻结3  立井工程冻结法立井工程冻结法冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用3 立井工程冻结法立井工程冻结法3.3 热力分析热力分析冻结壁的形成冻结壁的形成冻冻结结锋锋面面——岩岩土土冻冻结结过过程程中中，，孔孔隙隙水水开开始始发发生生结结冰冰相相变变的的面面称为，是冻土与未冻土的分界面。

称为，是冻土与未冻土的分界面冻结前地层有均一的初始温度冻结初期，低温盐水冻结前地层有均一的初始温度冻结初期，低温盐水与冻结管周围的地层产生剧烈与冻结管周围的地层产生剧烈的热交换，在每个冻结管周围的热交换，在每个冻结管周围很快形成圆柱形的冻结岩土柱很快形成圆柱形的冻结岩土柱冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用      由于相邻冻结管间的影响，轴面比主面冻结更快，冻土柱由于相邻冻结管间的影响，轴面比主面冻结更快，冻土柱由圆柱形变为椭圆形，再进一步扩展，直至相交圈，在井筒周由圆柱形变为椭圆形，再进一步扩展，直至相交圈，在井筒周围形成封闭的冻土墙围形成封闭的冻土墙—冻结壁        交圈后，原冻结管的冻结锋面连成向井内扩展的内冻结锋交圈后，原冻结管的冻结锋面连成向井内扩展的内冻结锋面和向井外扩展的外冻结锋面，且内、外冻结锋面很快地趋于面和向井外扩展的外冻结锋面，且内、外冻结锋面很快地趋于平滑，当界面上的冻结壁厚度等于冻结管的间距时，内、外冻平滑，当界面上的冻结壁厚度等于冻结管的间距时，内、外冻结锋面就基本上变成以井筒为中心的圆柱面结锋面就基本上变成以井筒为中心的圆柱面。

冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结管冻结管测温点测温点冻结锋面的扩展冻结锋面的扩展冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结孔存在偏斜冻结孔存在偏斜——冻结锋面形状不是规则园柱面冻结锋面形状不是规则园柱面在交圈初期：冻结锋面向内发展速度较交圈前慢，但随内侧未在交圈初期：冻结锋面向内发展速度较交圈前慢，但随内侧未冻土范围热量减小，锋面向井心推进速度加快，而冻结锋面向冻土范围热量减小，锋面向井心推进速度加快，而冻结锋面向井外的扩展速度较慢，扩展至距冻结管布置圈井外的扩展速度较慢，扩展至距冻结管布置圈2~3rn处，扩展处，扩展速度十分缓慢，来自未冻土区热量与来自冻结管的冷量趋于平速度十分缓慢，来自未冻土区热量与来自冻结管的冷量趋于平衡，温度场趋于稳定，冻结壁渐成以井筒为中心的园筒体衡，温度场趋于稳定，冻结壁渐成以井筒为中心的园筒体一般冻结壁内侧厚度占一般冻结壁内侧厚度占冻结壁总厚的冻结壁总厚的0.55~0.6倍倍冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用立井冻结温度场立井冻结温度场研究冻结过程中土体温度随时间变化的规律。

研究冻结过程中土体温度随时间变化的规律在在冻冻结结凿凿井井中中，，常常以以主主面面、、界界面面和和轴轴面面这这三三个个特特征征面面上上的的温温度分布作为判断冻土形成过程、控制温度扬的依据度分布作为判断冻土形成过程、控制温度扬的依据主面主面”：过井筒中心与冻结管中心的竖直平面：过井筒中心与冻结管中心的竖直平面“界面界面”：过井心和相邻管中心连线中点的竖直平面：过井心和相邻管中心连线中点的竖直平面“轴面轴面”：过两个相邻冻结管中心的竖直平面：过两个相邻冻结管中心的竖直平面3 立井工程冻结法立井工程冻结法冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用三三个个特特征征面面温温度度状状况况表表征征冻冻结结温温度度场场基基本本特特点点，，是是测测温温的的主主要要对对象象，，尤尤其其是是界界面面与与轴轴面面交交点点上上的的温温度度值值直直接接关关系系到到冻冻结结园柱是否交圈园柱是否交圈 冻结过程冻结扩展冻结过程冻结扩展1主面主面 2 轴面轴面 3 界面界面 4 冻结管冻结管 5 井筒中心井筒中心 3 立井工程冻结法立井工程冻结法冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结温度场求解冻结温度场求解求求解解温温度度场场是是进进行行热热力力计计算算的的重重要要工工作作、、是是进进行行静静力力计计算算的的重要前提，目的重要前提，目的l l   求冻结壁的平均温度，确定冻土强度；求冻结壁的平均温度，确定冻土强度；l l   确定冻结锋面的位置，计算冻结壁的厚度；确定冻结锋面的位置，计算冻结壁的厚度；l l   计算热量，确定冻结站的制冷能力；计算热量，确定冻结站的制冷能力；确定冻结壁的扩展速度，估算积极冻结时间。

确定冻结壁的扩展速度，估算积极冻结时间 3  立井工程冻结法立井工程冻结法冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用由于冻结壁在竖直方向的尺寸由于冻结壁在竖直方向的尺寸较水平方向大得多，且在冻结较水平方向大得多，且在冻结过程中土层在竖直方向的热传过程中土层在竖直方向的热传导相对弱得多，故立井冻结温导相对弱得多，故立井冻结温度场可简化为平面轴对称间题度场可简化为平面轴对称间题 冻结温度场的求解间题是一个有相变、移动边界、内热源、边冻结温度场的求解间题是一个有相变、移动边界、内热源、边界条件复杂的不稳定导热问题界条件复杂的不稳定导热问题立井冻结温度场立井冻结温度场 3  立井工程冻结法立井工程冻结法冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用立井冻结主面、界面温度试验研究：当冻结壁厚度与冻结管间立井冻结主面、界面温度试验研究：当冻结壁厚度与冻结管间距相同时，冻结壁的两个冻结锋面就成了与井筒同心的圆柱面；距相同时，冻结壁的两个冻结锋面就成了与井筒同心的圆柱面；冻结壁向内侧发展得快，约占总厚度的冻结壁向内侧发展得快，约占总厚度的55%~60%，， 主、界面温度主、界面温度分布试验结果分布试验结果 3  立井工程冻结法立井工程冻结法冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用为能估算冻结壁体内的平均温度、冻结壁交圈时间、确定冻结壁为能估算冻结壁体内的平均温度、冻结壁交圈时间、确定冻结壁的强度，须研究轴面温度分布的强度，须研究轴面温度分布轴面温度分布轴面温度分布试验研究结果试验研究结果 3  立井工程冻结法立井工程冻结法冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用 由于冻结管内的温度是时空变化的，为估算冻结壁的强度，由于冻结管内的温度是时空变化的，为估算冻结壁的强度，又必须度量温度，在工程中首先要确定冻结壁内的平均温度。

又必须度量温度，在工程中首先要确定冻结壁内的平均温度冻结壁平均温度的确定可按圆管稳定导热求解，也可根据试验、冻结壁平均温度的确定可按圆管稳定导热求解，也可根据试验、实测和模拟计算结果拟合得到实测和模拟计算结果拟合得到l l 圆管稳定导热计算方法圆管稳定导热计算方法Ø交圈前：交圈前：冻土温度场可视为以冻结管为中心的圆管稳定导热冻土温度场可视为以冻结管为中心的圆管稳定导热Ø交圈并达设计厚度后：交圈并达设计厚度后：以井心为中心的两个圆管稳定导热：以井心为中心的两个圆管稳定导热：内侧冻结锋面与冻结管布置圈构成的圆管内侧冻结锋面与冻结管布置圈构成的圆管I I、、由冻结布置圈与外由冻结布置圈与外侧冻结锋面构成的圆管侧冻结锋面构成的圆管II II 3  立井工程冻结法立井工程冻结法冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用3  立井工程冻结法立井工程冻结法冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用 3.4  静力计算静力计算 冻冻结结壁壁厚厚度度的的确确定定是是冻冻结结设设计计中中的的一一项项重重要要工工作作，，无无内内忖忖支支护护设设计计主主要要基基于于经经验验公公式式。

最最早早、、最最简简单单的的公公式式是是Lame公公式式，，其其中中如如冻冻结结壁壁温温度度梯梯度度、、强强度度随随温温度度变变化化、、冻冻土土蠕蠕变变等等许许多多冻冻土土性性质质未未能能得得以以反反映映，，所所得得冻冻结结壁壁厚厚度度比比新新近近研研究究的的冻冻结结壁壁设设计方法的厚度大得多计方法的厚度大得多3  立井工程冻结法立井工程冻结法冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用随随着着冻冻结结壁壁厚厚度度设设计计计计算算方方法法的的发发展展，，冻冻结结壁壁材材料料经经历历了了多多种种假假设设，，如如完完全全弹弹性性、、部部分分弹弹性性、、部部分分塑塑性性、、完完全全塑塑性性和和完完全全粘粘性材料等性材料等冻结壁材料模式冻结壁材料模式(a) 完全弹性完全弹性 (b) 部分弹性、部分塑性部分弹性、部分塑性 (c) 完全塑性完全塑性 3  立井工程冻结法立井工程冻结法冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用        冻冻结结壁壁的的变变形形在在时时间间和和空空间间上上是是非非线线性性的的，，变变形形对对于于冻冻结结管和井壁的安全至关重要管和井壁的安全至关重要         冻冻结结壁壁变变形形与与多多种种因因素素有有关关，，除除上上述述计计算算分分析析方方法法外外，，目目前前国国内内外外大大量量应应用用有有限限元元分分析析和和物物理理模模拟拟试试验验的的方方法法进进行行计计算算。

而物理模拟试验成为冻结壁问题研究的主要手段而物理模拟试验成为冻结壁问题研究的主要手段         3 立井工程冻结法立井工程冻结法冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用山东郭屯矿井实例山东郭屯矿井实例6  立井工程冻结法立井工程冻结法主要技术参主要技术参 ⑴ ⑴ 冻结方式冻结方式 ：三圈孔加防片孔；：三圈孔加防片孔； ⑵ ⑵ 冻结壁厚度冻结壁厚度: 10.5: 10.5m m；；冻结壁平均温度冻结壁平均温度-20℃ -20℃ ；； ⑶ ⑶ 冻结圈径：外冻结圈径：外25.525.5m m、、中中1919m m、、内内1515m m、、防防13/12.513/12.5m m；； 冻结深度：外冻结深度：外605605m m、、中中702/605702/605m m、、内内590590m m、、防防235235m m；； 冻结孔数：外冻结孔数：外4848个、中个、中23/2323/23个、内个、内2323个、防个、防8/88/8个；个； 开孔间距：外开孔间距：外1.671.67m m、、中中1.291.29m m、、内内2.052.05m m、、防防2.52.5m m；； ⑷ ⑷ 测温孔测温孔: 585: 585m/2m/2个、个、 690 690m/2m/2个、个、 702 702m/2m/2个；个； ⑸ ⑸ 水文孔：水文孔：585585m/1m/1个、个、355355m/1m/1个、个、 141 141m/1m/1个；个；冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用山东郭屯矿井实例山东郭屯矿井实例6  立井工程冻结法立井工程冻结法 ⑹ ⑹ 冻结管：外圈冻结管：外圈≤330≤330mφ140×6mφ140×6、、 ≥330mφ159×7 ≥330mφ159×7；； 中圈、内圈中圈、内圈≤300≤300mφ159×6mφ159×6、、≥300mφ159×7≥300mφ159×7；； 防片孔防片孔φ140×6φ140×6；； 测温管：测温管： φ140×6φ140×6；； 水文管：水文管：D150D150焊管；焊管；⑺ ⑺ 钻孔工程量：钻孔工程量：7958579585m m；；⑻ ⑻ 井筒需冷量：井筒需冷量：935×10935×104 4kcal/h kcal/h ；； 配备标冷量：配备标冷量： 2868×10 2868×104 4kcal/h kcal/h ，， ⑼ ⑼ 盐水温度：盐水温度：-30 -30 ～～ -35 ℃ -35 ℃ ；；⑽ ⑽ 最大用电负荷：最大用电负荷：1000010000KVAKVA。

冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用山东郭屯矿井实例山东郭屯矿井实例3  立井工程冻结法立井工程冻结法冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用山东郭屯矿井实例山东郭屯矿井实例3  立井工程冻结法立井工程冻结法冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用 垂直冻结局部冻结垂直冻结局部冻结4 4 4 4 斜井冻结法斜井冻结法斜井冻结法斜井冻结法 序号项目名称单位副斜井备注1冲积层埋深m60.08 2井筒净直径mφ3.6 3井筒倾角 4表土井壁厚度m0.6 5井筒掘砌荒径m4.8 6冻结深度m39.4～79.27 冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用 4 4.1 .1 冻结方式冻结方式根据矿井实际地质情况及规范的要求，采用局部冻结方式根据矿井实际地质情况及规范的要求，采用局部冻结方式4 4.2 .2 冻结深度冻结深度根据地质情况及规范要求，最深冻结深度确定为根据地质情况及规范要求，最深冻结深度确定为79.2779.27m m 4 4 4 4 斜井冻结法斜井冻结法斜井冻结法斜井冻结法 冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用4 4 4 4 斜井冻结法斜井冻结法斜井冻结法斜井冻结法 · ·项项项项 目目目目 名名名名 称称称称单位单位单位单位副斜井副斜井副斜井副斜井1 1 1 1最大地压最大地压最大地压最大地压MpaMpaMpaMpa0.780.780.780.782 2 2 2掘砌荒半径掘砌荒半径掘砌荒半径掘砌荒半径m m m m2.42.42.42.43 3 3 3冻结壁平均温度冻结壁平均温度冻结壁平均温度冻结壁平均温度℃℃℃℃-8-8-8-84 4 4 4安全系数安全系数安全系数安全系数   砂层砂层砂层砂层2.52.52.52.55 5 5 5许用抗压强度许用抗压强度许用抗压强度许用抗压强度MpaMpaMpaMpa5.05.05.05.06 6 6 6边墙冻结壁计算厚度边墙冻结壁计算厚度边墙冻结壁计算厚度边墙冻结壁计算厚度m m m m2.52.52.52.57 7 7 7拱圈冻结壁计算厚度拱圈冻结壁计算厚度拱圈冻结壁计算厚度拱圈冻结壁计算厚度m m m m3.53.53.53.58 8 8 8底板冻结壁计算厚度底板冻结壁计算厚度底板冻结壁计算厚度底板冻结壁计算厚度m m m m3.53.53.53.59 9 9 9设计选定边墙冻结壁厚度设计选定边墙冻结壁厚度设计选定边墙冻结壁厚度设计选定边墙冻结壁厚度m m m m2.52.52.52.510101010设计选定拱圈冻结壁厚度设计选定拱圈冻结壁厚度设计选定拱圈冻结壁厚度设计选定拱圈冻结壁厚度m m m m5.05.05.05.011111111设计选定底板冻结壁厚度设计选定底板冻结壁厚度设计选定底板冻结壁厚度设计选定底板冻结壁厚度m m m m3.53.53.53.5冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结布置图冻结布置图9 9 9 9 斜井冻结法斜井冻结法斜井冻结法斜井冻结法 冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用冻结法原理及应用。