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(qiáng)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(hù)下進(jìn)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(yīng)用，產(chǎn)生 了工程凍結(jié)。1862年英國(guó)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(guó)工程師波茨舒，在德國(guó)阿爾巴里得 煤礦，用凍結(jié)法開(kāi)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(xiàng)技術(shù)傳播到世界上許多國(guó)家。蘇聯(lián)從1928年開(kāi)始使用凍結(jié)法，至今采用凍結(jié)法鑿井?dāng)?shù)目已經(jīng)超過(guò) 400個(gè)，

2、成為當(dāng)今世 界采用凍結(jié)法鑿井規(guī)模最大的國(guó)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(gè)重要標(biāo)志。我國(guó)于 1955年在開(kāi)灤林西風(fēng)井開(kāi)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?dāng)?shù)目約300個(gè)，累計(jì)凍結(jié)井筒深度50km最大凍結(jié)深度435m我 國(guó)已經(jīng)是世界上用凍結(jié)法鑿井穿過(guò)表土層最厚的國(guó)家之一。自1992年起，凍結(jié)法工藝被廣泛應(yīng)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(kāi)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(gè)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(hù)下進(jìn)行掘砌施工。為形成凍結(jié)壁，首先 在欲開(kāi)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(dòng)，吸收其周 圍地層熱量，形成凍結(jié)圓柱，凍結(jié)圓柱逐漸擴(kuò)大并連接成封閉的凍結(jié) 壁，直至達(dá)到其設(shè)計(jì)厚度和強(qiáng)度為止。 通常將凍結(jié)壁擴(kuò)展到設(shè)計(jì)厚度 所用時(shí)間稱為積極凍結(jié)期，而將維護(hù)凍結(jié)壁的期間稱為消極凍結(jié)期。 吸收了地?zé)岬柠}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(jī)壓縮成熱蒸汽進(jìn)入冷凝器冷卻，將地?zé)岷蛪嚎s機(jī)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(guò)壓縮機(jī)排到大氣中 去。由于地?zé)嵩跓岜米饔孟聜鬟f給大氣， 使井筒地層降溫，凍結(jié)形成 凍結(jié)壁。人們?cè)谒谋Ｗo(hù)下進(jìn)行掘砌施工，以策安全穿過(guò)含水地層， 這就是凍結(jié)法鑿井。凍結(jié)法鑿井主要工藝過(guò)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(chǔ)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(guò)程中起主導(dǎo)作用，為了使地?zé)?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(guò)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(shí)過(guò)熱蒸汽氨冷凝成液態(tài)氨，實(shí)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(fù)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(jī)，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(guò)程中起著冷量傳遞作用。該循 環(huán)系統(tǒng)由鹽水流動(dòng)的動(dòng)力。凍結(jié)器是低溫鹽水與地層進(jìn)行熱交換的換 熱器，鹽水流速越快，換熱強(qiáng)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(jìn)出口溫度差一般為3至7攝氏度，消極凍結(jié)期間，其進(jìn)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(shí)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(yīng)在去、回路鹽水干管和凍結(jié)器進(jìn)出口 處安裝計(jì)量計(jì)。上述鹽水循環(huán)稱為閉路鹽水循環(huán)

7、系統(tǒng)。 國(guó)外還使用一 種開(kāi)路回液鹽水循環(huán)，其主要特點(diǎn)是無(wú)集液圈，每根回液管單獨(dú)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(fù)雜。鹽水管路應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)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(guò)程中的作用是將壓縮機(jī)排 出過(guò)熱蒸汽冷卻成液態(tài)氨，以便進(jìn)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(dòng)，通過(guò)冷 凝器進(jìn)行熱交換，然后流入冷卻塔水池，冷卻后的循環(huán)水應(yīng)隨時(shí)由地 下水補(bǔ)充。3施工操作要點(diǎn)施工時(shí)，應(yīng)

8、不斷對(duì)每個(gè)施工工序進(jìn)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(guò)程檢測(cè)的質(zhì)量。3.1凍結(jié)孔施工3.1.1開(kāi)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(kāi)孔孔位，以提高定位精度。3.1.2準(zhǔn)確丈量鉆桿尺寸，控制鉆進(jìn)深度。3.1.3按要求鉆進(jìn)、用燈光測(cè)斜，偏斜過(guò)大則進(jìn)行糾偏。鉆進(jìn) 3m 時(shí)，測(cè)斜一次，如果偏斜不符合設(shè)計(jì)要求，立即采取調(diào)整鉆孔角度及 鉆進(jìn)參數(shù)等措施進(jìn)行糾偏，如果鉆孔仍然超出設(shè)計(jì)規(guī)定，則進(jìn)行補(bǔ)孔。3.2、凍結(jié)管試漏與安裝3.2.1選擇© 63x 4mn無(wú)縫鋼管，在斷管中下套管，恢復(fù)鹽水循 環(huán)。3.2.2凍結(jié)管（含測(cè)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(jìn)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(zhǎng)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(yàn)收規(guī)范要求進(jìn)行試漏和抽真空，確保安裝質(zhì)量符合設(shè)計(jì)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(jìn)行，冷凍站安裝足夠的備用制冷機(jī) 組。冷凍站運(yùn)轉(zhuǎn)期間，要有兩套的配件，備用設(shè)備完好，確保冷凍機(jī) 運(yùn)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(mén)和測(cè)溫儀、壓力表、流量計(jì)等測(cè)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(jìn)出口各裝閥門(mén)一個(gè)，以便控制流量。3.3.4冷凍機(jī)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(jī)組充氟和冷凍機(jī)加油按照設(shè)備使用說(shuō)明書(shū)的要求進(jìn)行。首先進(jìn)行制冷系統(tǒng)的檢漏和氮?dú)鉀_洗，在確保系統(tǒng)無(wú)滲漏后，再充氟加油。3.3.6設(shè)備安裝完畢后進(jìn)行調(diào)試和試運(yùn)轉(zhuǎn)。在試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要隨時(shí) 調(diào)節(jié)壓力、溫度等各狀態(tài)參數(shù)，使機(jī)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(yùn)行。3.4、積極凍結(jié)階段在凍結(jié)試運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，定時(shí)檢測(cè)鹽

11、水溫度、 鹽水流量和凍土帷幕擴(kuò)展情況，必要時(shí)調(diào)整凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。凍結(jié) 系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后進(jìn)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(jì)時(shí)間內(nèi)把鹽水溫度降到設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)間基本在 35天左右。3.5、維護(hù)凍結(jié)階段在積極凍結(jié)過(guò)程中，要根據(jù)實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)判 斷凍土帷幕是否交圈和達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，測(cè)溫判斷凍土帷幕交圈并達(dá)到 設(shè)計(jì)厚度后再進(jìn)行探孔試挖，確認(rèn)凍土帷幕內(nèi)土層無(wú)流動(dòng)水后 （飽和 水除外）再進(jìn)行正式開(kāi)挖。正式開(kāi)挖后，根據(jù)凍土帷幕的穩(wěn)定性，提

12、 高鹽水溫度，從而進(jìn)入維護(hù)凍結(jié)階段。維護(hù)凍結(jié)，就是通過(guò)對(duì)凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)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(hù)凍結(jié)時(shí)間由結(jié)構(gòu) 施工的時(shí)間決定。3.6、工程監(jiān)測(cè)6.1工程監(jiān)測(cè)的目的工程量測(cè)作為該工法的一項(xiàng) 重要施工內(nèi)容。其目的就是根據(jù)量測(cè)結(jié)果，掌握地層及隧道的變形量 及變形規(guī)律，以指導(dǎo)施工。由于旁通道施工位于地下十多米處，為防 止施工時(shí)對(duì)地面周邊建筑、地下管線、民用及公共設(shè)施帶來(lái)不良影響， 甚至嚴(yán)重破壞。對(duì)施工過(guò)程必須有完善的監(jiān)測(cè)。361工程監(jiān)測(cè)的內(nèi)容工程監(jiān)測(cè)貫穿整個(gè)施工過(guò)程，其主要監(jiān)測(cè) 內(nèi)容為：地表沉降監(jiān)測(cè)，隧道變形監(jiān)視，通道收斂變形監(jiān)測(cè)，凍土壓 力監(jiān)測(cè)。361.1凍結(jié)孔施工監(jiān)測(cè)內(nèi)容為：凍結(jié)管鉆進(jìn)深度；凍結(jié)管偏斜 率；凍結(jié)耐壓度；供液管鋪設(shè)長(zhǎng)度。361.2凍結(jié)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容為：凍結(jié)孔去回路溫度；冷卻循環(huán)水 進(jìn)出水溫度；鹽水泵工作壓力；冷凍機(jī)吸排氣溫度；制冷系統(tǒng)冷凝壓 力；冷凍機(jī)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(cè)內(nèi)容為：凍結(jié)壁溫度場(chǎng)；凍結(jié)壁與隧道膠 結(jié)；開(kāi)挖后凍結(jié)壁暴露時(shí)間內(nèi)凍結(jié)壁表