凍結(jié)法的發(fā)展和基本原理

1、凍結(jié)法的發(fā)展和基本原理摘要：凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，使地層中的水結(jié)冰，把天然巖土 變成凍土，增加其強度和穩(wěn)定性，隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系，以 便在凍結(jié)壁的保護下進行井筒或地下工程掘砌施工的特殊施工技術(shù)。 關(guān)鍵詞：凍結(jié)法，制冷，施工凍結(jié)法起源于天然凍結(jié)。由于人工制冷技術(shù)的發(fā)展和應用，產(chǎn)生 了工程凍結(jié)。1862年英國南威爾士在建筑基礎(chǔ)施工中，首先使用了 人工制冷加固土壤。1883年德國工程師波茨舒，在德國阿爾巴里得 煤礦，用凍結(jié)法開鑿了深度為103米的井筒，獲得了凍結(jié)法鑿井技術(shù) 專利。之后，該項技術(shù)傳播到世界上許多國家。蘇聯(lián)從1928年開始使用凍結(jié)法，至今采用凍結(jié)法鑿井數(shù)目已經(jīng)超過 400個，

2、成為當今世 界采用凍結(jié)法鑿井規(guī)模最大的國家之一。 凍結(jié)深度是凍結(jié)法鑿井施工 技術(shù)高低的一個重要標志。我國于 1955年在開灤林西風井開始使用 凍結(jié)法鑿井，井筒凈直徑5米，凍結(jié)深度105米。此后，凍結(jié)法鑿井 技術(shù)逐漸推廣到東北，華北，華東，中南地區(qū)。至1990年，凍結(jié)鑿井數(shù)目約300個，累計凍結(jié)井筒深度50km最大凍結(jié)深度435m我 國已經(jīng)是世界上用凍結(jié)法鑿井穿過表土層最厚的國家之一。自1992年起，凍結(jié)法工藝被廣泛應用于城市地鐵工程施工中。1凍結(jié)法鑿井原理立井凍結(jié)鑿井是利用傳統(tǒng)的氨循環(huán)制冷技術(shù)完成的。它是在井筒 開挖之前，用人工制冷的方法，將井筒周圍含水地層凍結(jié)成一個封閉 的不透水的帷幕一凍結(jié)

3、壁，用以抵抗地壓，水壓，隔絕地下水與井筒之間的聯(lián)系。而后，在其保護下進行掘砌施工。為形成凍結(jié)壁，首先 在欲開挖井筒周圍打一定數(shù)量的凍結(jié)孔， 孔內(nèi)安裝凍結(jié)器。冷凍站制 出的低溫鹽水（-25至-35），經(jīng)去路鹽水干管，配液圈到供液底部， 沿凍結(jié)管和供液管之間的環(huán)形空間上升到回液管，集液圈，回路鹽水干管至蒸發(fā)器，形成鹽水循環(huán)。低溫鹽水在凍結(jié)器中流動，吸收其周 圍地層熱量，形成凍結(jié)圓柱，凍結(jié)圓柱逐漸擴大并連接成封閉的凍結(jié) 壁，直至達到其設(shè)計厚度和強度為止。 通常將凍結(jié)壁擴展到設(shè)計厚度 所用時間稱為積極凍結(jié)期，而將維護凍結(jié)壁的期間稱為消極凍結(jié)期。 吸收了地熱的鹽水，在鹽水箱內(nèi)將熱量傳遞給蒸發(fā)器中的液氨，

4、 使液 氨變成飽和蒸汽氨，在被氨壓縮機壓縮成熱蒸汽進入冷凝器冷卻，將地熱和壓縮機產(chǎn)生的熱量傳遞給冷卻水， 最后這些熱量傳給大氣。高 壓液氨從冷凝器經(jīng)貯氨器，經(jīng)節(jié)流閥流入蒸發(fā)器，液氨在蒸發(fā)器中氣 化吸收周圍鹽水的熱量，這一循環(huán)稱作氨循環(huán)，是制冷循環(huán)的主體。 冷卻水在冷卻水泵，冷凝器和管路中的循環(huán)叫冷卻水循環(huán)。 制冷三大 循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成熱泵，其功能是將地層中的熱量通過壓縮機排到大氣中 去。由于地熱在熱泵作用下傳遞給大氣， 使井筒地層降溫，凍結(jié)形成 凍結(jié)壁。人們在它的保護下進行掘砌施工，以策安全穿過含水地層， 這就是凍結(jié)法鑿井。凍結(jié)法鑿井主要工藝過程包括：凍結(jié)站安裝，鉆 孔施工，井筒凍結(jié)和井筒掘砌四大

5、內(nèi)容。液氨凍結(jié)的工藝系統(tǒng)是液氨自地面槽車， 儲罐，經(jīng)管路輸送至工 作面。液氨在凍結(jié)器內(nèi)氣化吸熱后，氣氮經(jīng)管路排向地面，釋入大氣。 2制冷系統(tǒng)壓縮制冷由三大循環(huán)構(gòu)成：氨循環(huán)，鹽水循環(huán)和冷卻水循環(huán)。2.1氨循環(huán)系統(tǒng)。氨循環(huán)在制冷過程中起主導作用，為了使地熱 傳遞給冷卻水再釋放給大氣，必須將蒸發(fā)器中飽和蒸汽氨成為高壓高 溫的過熱蒸汽，使與冷卻水產(chǎn)生溫差，在冷凝器中將熱量傳遞給冷卻 水，同時過熱蒸汽氨冷凝成液態(tài)氨，實現(xiàn)氣態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)變。液態(tài)氨 經(jīng)節(jié)流閥降壓流入蒸發(fā)器中蒸發(fā)，再吸收其周圍鹽水中的熱量變成飽 和蒸汽氨。如此，周而復始，構(gòu)成氨循環(huán)。氨循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備由蒸發(fā)器， 氨壓縮機，冷凝器和節(jié)流閥構(gòu)成。2.

6、2鹽水循環(huán)。鹽水循環(huán)在制冷過程中起著冷量傳遞作用。該循 環(huán)系統(tǒng)由鹽水流動的動力。凍結(jié)器是低溫鹽水與地層進行熱交換的換 熱器，鹽水流速越快，換熱強度越大。凍結(jié)器由凍結(jié)管，供液管和回 液管組成。根據(jù)工程需要可采用正、反兩種鹽水循環(huán)系統(tǒng)，正常情況 下用正循環(huán)供液。積極凍結(jié)期間，凍結(jié)器進出口溫度差一般為3至7攝氏度，消極凍結(jié)期間，其進出口溫度差為1至3攝氏度。蒸發(fā)器中 氨的蒸發(fā)溫度與其周圍的鹽水溫度相差 5至7攝氏度。凍結(jié)器表面的 吸熱率即單位時間、單位面積的吸熱量為 263至292W每平米。為了 觀察鹽水在凍結(jié)管中是否漏失應在去、回路鹽水干管和凍結(jié)器進出口 處安裝計量計。上述鹽水循環(huán)稱為閉路鹽水循環(huán)

7、系統(tǒng)。 國外還使用一 種開路回液鹽水循環(huán)，其主要特點是無集液圈，每根回液管單獨回液， 便于觀察每根凍結(jié)管鹽水是否漏失。 這種方式鹽水循環(huán)用管量大，較 閉路循環(huán)復雜。鹽水管路應嚴格進行保溫處理，一般情況下，鹽水管 路的熱損耗大約占領(lǐng)凍結(jié)站總制冷量的 25噓右。2.3冷卻水循環(huán)。冷卻水循環(huán)在制冷過程中的作用是將壓縮機排 出過熱蒸汽冷卻成液態(tài)氨，以便進入蒸發(fā)器中重新蒸發(fā)。冷卻水把氨 蒸汽中的熱量釋放給大氣。冷卻水溫越低，制冷系數(shù)越高，冷缺水溫 一般較氨的冷凝溫度低5至10攝氏度。冷卻水由水泵驅(qū)動，通過冷 凝器進行熱交換，然后流入冷卻塔水池，冷卻后的循環(huán)水應隨時由地 下水補充。3施工操作要點施工時，應

8、不斷對每個施工工序進行管理?？刂苾鼋Y(jié) 孔施工、凍結(jié)管安裝、凍結(jié)站安裝、凍結(jié)過程檢測的質(zhì)量。3.1凍結(jié)孔施工3.1.1開孔間距誤差控制在士 20mn內(nèi)。在打鉆設(shè)備就位前，用儀 器精確確定開孔孔位，以提高定位精度。3.1.2準確丈量鉆桿尺寸，控制鉆進深度。3.1.3按要求鉆進、用燈光測斜，偏斜過大則進行糾偏。鉆進 3m 時，測斜一次，如果偏斜不符合設(shè)計要求，立即采取調(diào)整鉆孔角度及 鉆進參數(shù)等措施進行糾偏，如果鉆孔仍然超出設(shè)計規(guī)定，則進行補孔。3.2、凍結(jié)管試漏與安裝3.2.1選擇© 63x 4mn無縫鋼管，在斷管中下套管，恢復鹽水循 環(huán)。3.2.2凍結(jié)管（含測溫管）采用絲扣聯(lián)接加焊接。管

9、子端部采用 底蓋板和底錐密封。凍結(jié)管安裝完，進行水壓試漏，初壓力0.8MPa,經(jīng)30分鐘觀察，降壓w 0. 05MPa再延長15分鐘壓力不降為合格， 否就近重新鉆孔下管。323冷凍站安裝完成后要按礦山井巷工程施工及驗收規(guī)范要求進行試漏和抽真空，確保安裝質(zhì)量符合設(shè)計要求。3.3、凍結(jié)系統(tǒng)安裝與調(diào)試3.3.1按1.5倍制冷系數(shù)選配制冷設(shè)備。3.3.2為確保凍結(jié)施工順利進行，冷凍站安裝足夠的備用制冷機 組。冷凍站運轉(zhuǎn)期間，要有兩套的配件，備用設(shè)備完好，確保冷凍機 運轉(zhuǎn)正常，提高制冷效率。3.3.3管路用法蘭連接，在鹽水管路和冷卻水循環(huán)管路上要設(shè)置 伸縮接頭、閥門和測溫儀、壓力表、流量計等測試元件。鹽

10、水管路經(jīng) 試漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保溫，保溫厚度為50mm保溫層的外面用塑料薄膜包扎。集配液圈與凍結(jié)管的連接用高壓膠管， 每根 凍結(jié)管的進出口各裝閥門一個，以便控制流量。3.3.4冷凍機組的蒸發(fā)器及低溫管路用棉絮保溫，鹽水箱和鹽水 干管用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保溫。3.3.5機組充氟和冷凍機加油按照設(shè)備使用說明書的要求進行。首先進行制冷系統(tǒng)的檢漏和氮氣沖洗，在確保系統(tǒng)無滲漏后，再充氟加油。3.3.6設(shè)備安裝完畢后進行調(diào)試和試運轉(zhuǎn)。在試運轉(zhuǎn)時，要隨時 調(diào)節(jié)壓力、溫度等各狀態(tài)參數(shù)，使機組在有關(guān)工藝規(guī)程和設(shè)備要求的 技術(shù)參數(shù)條件下運行。3.4、積極凍結(jié)階段在凍結(jié)試運轉(zhuǎn)過程中，定時檢測鹽

11、水溫度、 鹽水流量和凍土帷幕擴展情況，必要時調(diào)整凍結(jié)系統(tǒng)運行參數(shù)。凍結(jié) 系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常后進入積極凍結(jié)。積極凍結(jié)，就是充分利用設(shè)備的全部能力，盡快加速凍土發(fā)展， 在設(shè)計時間內(nèi)把鹽水溫度降到設(shè)計溫度。 旁通道積極凍結(jié)鹽水溫度一 般控制在-25-28 C之間。積極凍結(jié)的時間主要由設(shè)備能力、土質(zhì)、環(huán)境等決定的，上海地 區(qū)旁通道施工積極凍結(jié)時間基本在 35天左右。3.5、維護凍結(jié)階段在積極凍結(jié)過程中，要根據(jù)實測溫度數(shù)據(jù)判 斷凍土帷幕是否交圈和達到設(shè)計厚度，測溫判斷凍土帷幕交圈并達到 設(shè)計厚度后再進行探孔試挖，確認凍土帷幕內(nèi)土層無流動水后 （飽和 水除外）再進行正式開挖。正式開挖后，根據(jù)凍土帷幕的穩(wěn)定性，提

12、 高鹽水溫度，從而進入維護凍結(jié)階段。維護凍結(jié)，就是通過對凍結(jié)系統(tǒng)運行參數(shù)的調(diào)整， 提高或保持鹽 水溫度，降低或停止凍土的繼續(xù)發(fā)展，維持結(jié)構(gòu)施工的要求。旁通道 維持凍結(jié)鹽水溫度一般控制在-22-25 C之間。維護凍結(jié)時間由結(jié)構(gòu) 施工的時間決定。3.6、工程監(jiān)測6.1工程監(jiān)測的目的工程量測作為該工法的一項 重要施工內(nèi)容。其目的就是根據(jù)量測結(jié)果，掌握地層及隧道的變形量 及變形規(guī)律，以指導施工。由于旁通道施工位于地下十多米處，為防 止施工時對地面周邊建筑、地下管線、民用及公共設(shè)施帶來不良影響， 甚至嚴重破壞。對施工過程必須有完善的監(jiān)測。361工程監(jiān)測的內(nèi)容工程監(jiān)測貫穿整個施工過程，其主要監(jiān)測 內(nèi)容為：地表沉降監(jiān)測，隧道變形監(jiān)視，通道收斂變形監(jiān)測，凍土壓 力監(jiān)測。361.1凍結(jié)孔施工監(jiān)測內(nèi)容為：凍結(jié)管鉆進深度；凍結(jié)管偏斜 率；凍結(jié)耐壓度；供液管鋪設(shè)長度。361.2凍結(jié)系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容為：凍結(jié)孔去回路溫度；冷卻循環(huán)水 進出水溫度；鹽水泵工作壓力；冷凍機吸排氣溫度；制冷系統(tǒng)冷凝壓 力；冷凍機吸排氣壓力；制冷系統(tǒng)汽化壓力。3.6.1.3凍結(jié)帷幕監(jiān)測內(nèi)容為：凍結(jié)壁溫度場；凍結(jié)壁與隧道膠 結(jié)；開挖后凍結(jié)壁暴露時間內(nèi)凍結(jié)壁表