冻结法

矿业名词

冻结法是利用人工制冷技术，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井筒或地下工程掘砌施工的特殊施工技术。最早用于俄国金矿开采，后由德国工程师用于煤矿矿井建设获得专利技术趋于成熟，已广泛应用于地铁、深基坑、矿井建设等工程中。详细介绍了其起源、基本原理、制冷系统、加固机理以及施工方法等。

定义

冻结法的定义为：用人工制冷的方法，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，形成一个按照设计轮廓的冻土墙或密闭的冻土体，用以抵抗土压力，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，常用于竖井工程。

冻结法的起源

冻结法起源于天然冻结。由于人工制冷技术的发展和应用，产生了工程冻结。1862年英国南威尔士在建筑基础施工中，首先使用了人工制冷加固土壤。1883年德国工程师波茨舒，在德国阿尔巴里得煤矿，用冻结法开凿了深度为103米的井筒，获得了冻结法凿井技术专利。之后，该项技术传播到世界上许多国家。苏联从1928年开始使用冻结法，至今采用冻结法凿井数目已经超过400个，成为当今世界采用冻结法凿井规模最大的国家之一。冻结深度是冻结法凿井施工技术高低的一个重要标志。我国于1955年在开滦林西风井开始使用冻结法凿井，井筒净直径5米，冻结深度105米。此后，冻结法凿井技术逐渐推广到东北，华北，华东，中南地区。至1990年，冻结凿井数目约300个，累计冻结井筒深度50km，最大冻结深度435m。我国已经是世界上用冻结法凿井穿过表土层最厚的国家之一。自1992年起，冻结法工艺被广泛应用于城市地铁工程施工中。

基本原理

冻结技术是利用人工制冷技术，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。冻结壁是一种临时支护结构，永久支护形成后，停止冻结，冻结壁融化。岩土工程冻结制冷技术通常利用物质由液态变为气态，即汽化过程的吸热现象来完成的。其制冷系统多以氨作为制冷工质，为了使氨由液态变为气态，再由气态变为液态，如此循环进行，整个制冷系统由氨循环系统、盐水循环系统和冷却水循环系统3 大循环构成。

冻结法具有以下优点：

（1）有效隔绝地下水；

（2）适应性强，几乎不受地层条件的限制（低含水量地层除外）；

（3）施工灵活；

（4）绿色施工，无污染；

（5）复杂地层施工经济合理。

制冷系统

压缩制冷由三大循环构成：氨循环，盐水循环和冷却水循环。

氨循环系统

氨循环在制冷过程中起主导作用，为了使地热传递给冷却水再释放给大气，必须将蒸发器中饱和蒸汽氨成为高压高温的过热蒸汽，使与冷却水产生温差，在冷凝器中将热量传递给冷却水，同时过热蒸汽氨冷凝成液态氨，实现气态到液态的转变。液态氨经节流阀降压流入蒸发器中蒸发，再吸收其周围盐水中的热量变成饱和蒸汽氨。如此，周而复始，构成氨循环。氨循环系统设备由蒸发器，氨压缩机，冷凝器和节流阀构成。

盐水循环

盐水循环在制冷过程中起着冷量传递作用。该循环系统由盐水流动的动力。冻结器是低温盐水与地层进行热交换的换热器，盐水流速越快，换热强度越大。冻结器由冻结管，供液管和回液管组成。根据工程需要可采用正、反两种盐水循环系统，正常情况下用正循环供液。积极冻结期间，冻结器进出口温度差一般为3至7摄氏度，消极冻结期间，其进出口温度差为1至3摄氏度。蒸发器中氨的蒸发温度与其周围的盐水温度相差5至7摄氏度。冻结器表面的吸热率即单位时间、单位面积的吸热量为263至292W每平米。为了观察盐水在冻结管中是否漏失应在去、回路盐水干管和冻结器进出口处安装计量计。上述盐水循环称为闭路盐水循环系统。国外还使用一种开路回液盐水循环，其主要特点是无集液圈，每根回液管单独回液，便于观察每根冻结管盐水是否漏失。这种方式盐水循环用管量大，较闭路循环复杂。盐水管路应严格进行保温处理，一般情况下，盐水管路的热损耗大约占领冻结站总制冷量的25%左右。

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过热蒸汽冷却成液态氨，以便进入蒸发器中重新蒸发。冷却水把氨蒸汽中的热量释放给大气。冷却水温越低，制冷系数越高，冷缺水温，一般较氨的冷凝温度低5至10摄氏度。冷却水由水泵驱动，通过冷凝器进行热交换，然后流入冷却塔水池，冷却后的循环水应随时由地下水补充。

冻结法的加固机理

冻结法加固地层的原理及一般过程为：利用人工制冷技术，在冻结孔中循环低温盐水，使地层中的水冻结成冰，将天然岩土变成人工冻土，在要开挖体周围形成封闭的连续冻土帷幕，使其弹性模量增大，进而增加冻土帷幕的强度与稳定性；以抵抗地压、水压并隔绝地下水与开挖体之间的联系；然后在该封闭冻土帷幕保护下进行开挖与永久支护的施工。

施工方法

在井筒开挖之前，从地面沿其外围一定距离的同心圆周上按等间距向下钻孔，孔底深入不透水层，然后向每个钻孔中沉放用无缝钢管做的下端封闭的冻结管；在地面安装冷冻设备,采用氨(NH3)为制冷剂，将冷媒剂氯化钙(CaCl2)溶液（习称盐水）冷却到-20～-30°C,用循环泵和插至冻结管深处的聚氯乙烯供液管将盐水送入冻结管。经低温盐水长时间连续地吸取管外的热量，使周围地层冻结。盐水吸取地层的热量后温度上升，在循环泵的作用下，经回路管回到冷冻设备和制冷剂接触而重新冷却。原为液态的氨，在减压的条件下蒸发时摄取盐水的热量后，经压缩和冷凝又使其液化，在管道内循环流动，重复使用。在每一冻结管周围形成的冻土圆柱体，其直径随时间而增大，这些圆柱体互相交接成密实而闭合的冻土墙，能承受水、土压力并阻隔地下水，在它的保护下开挖地层和修筑衬。

冻结法

采用冻结法施工时，须根据施工进度、冻土墙的需要强度、开挖顺序等，确定冻土墙的厚度、冻结管群的间距与行数，以及其长度、冻结顺序和解冻顺序等，从而选择必要的冻结设备。还须制订施工中的测定温度计划和测定点。根据测定结果，以连续或间断的供冷方式保持冻土墙的冻结。同时研究地层冻结时的膨胀和解冻时的下沉情况，预先制定测定方法和对策。此外，在地下构筑物施工时,必然要在接近-5～-10°C的冻面处灌筑混凝土,因此最好采用低温早强混凝土,否则要埋设加热器或敷设绝热材料，以减少冻土墙对混凝土的影响。地下构筑物完成后，要对冻结的地层进行均匀而连续的解冻，对埋深不大的地下工程,可停止供应盐水,令其自然解冻；如埋深很大时,则供应温度逐渐提高的盐水,进行人工解冻。此外，各国还有用液态气体蒸发制冷的。进行冻结时，只需用储气罐将液态氮运至工地直接注入冻结管即可，因此工地设备简单，但其缺点是液态氮使用不安全，有一定的危险性。

冻结法既适用于松散不稳定的冲积层和裂隙发育的含水岩层，也适用于淤泥、松软泥岩以及饱和含水和水头特别高的地层。对于土中含水率非常小或地下水流速相当大的处所不适用。1883年德国最早用冻结法开凿竖井，随后比利时、荷兰、英国、波兰、苏联、美国、加拿大等国也主要用此法开挖竖井。近30年来，冻结法除广泛地用于矿山井巷工程以外，也用于修建地下铁道车站和自动扶梯斜隧道、地下洞室以及桥墩的深基础等工程。中国于1955年首次在开滦林西煤矿应用此法开凿风井以来，至1982年，已开凿190多个井筒,累计冻结深度超过3万米，最大冻结深度为415米。

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