凍結(jié)在工程上應(yīng)用ppt

1、市政工程凍結(jié)理論和實踐的若干問題 單 位：中國礦業(yè)大學(xué)報 告 人：岳豐田時 間：2005年9月提綱一 人工凍結(jié)制冷系統(tǒng)二 凍結(jié)法在市政工程中的應(yīng)用三 凍土物理力學(xué)性質(zhì)四 土體凍結(jié)基本理論 凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，使地層中的水凍結(jié)，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)行隧道、立井和地下工程開挖與襯砌的施工技術(shù)。其實質(zhì)是利用人工制冷技術(shù)臨時改變巖土的狀態(tài)以固結(jié)地層。應(yīng)用范圍：礦井建設(shè)、地基基礎(chǔ)、水利工程、河底隧道、地下鐵道等地下工程中。適用條件：遇到不穩(wěn)定地層或含水量豐富的裂隙巖層，只要地下水含鹽量不大，而且流速較?。?710-3m/s），采

2、用凍結(jié)法阻斷地下水、固結(jié)地層容易獲得成功。一 人工凍結(jié)制冷系統(tǒng) 一 人工凍結(jié)制冷系統(tǒng) 1 氨（氟利昂）鹽水凍結(jié)系統(tǒng)（Brine System）； 2 液化氣體系統(tǒng)（液氮）（Liquefied Gas System， Liquid Nitrogen） 3 二氧化碳（干冰，CO2）； 4 混合凍結(jié)系統(tǒng)（鹽水+干冰；鹽水+液氮）。 四種主要的制冷系統(tǒng) 鹽水循環(huán)-鹽水吸收地層熱量，在鹽水箱內(nèi)將熱量傳遞給蒸發(fā)器中的液氨氨循環(huán)-液氨變?yōu)轱柡驼魵獍?，再被氨壓縮機(jī)壓縮成過熱蒸氣進(jìn)入冷凝器冷卻，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冷卻水循環(huán)-冷卻水在冷卻水泵，冷凝器和

3、管路中的循環(huán)叫冷卻水循環(huán)。將地?zé)岷蛪嚎s機(jī)產(chǎn)生的熱量傳遞給大氣。1 氨（氟利昂）鹽水凍結(jié)系統(tǒng)（Brine System）； 氨（氟利昂）鹽水凍結(jié)系統(tǒng)原理圖 2 液化氣體系統(tǒng)（液氮）利用液氮的潛熱實現(xiàn)地層凍結(jié)一個大氣壓下氣化潛熱197.6KJ/Kg。氮的顯熱為1.05KJ/（Kg.K）液氮凍結(jié)原理圖3 二氧化碳（干冰，CO2）制冷干冰是固態(tài)的二氧化碳（CO2），它是一種良好的制冷劑，廣泛應(yīng)用于實驗研究、食品工業(yè)、醫(yī)療、機(jī)械加工和焊接等方面。干冰的平均相對密度為1.56，干冰在化學(xué)上穩(wěn)定，對人無害。在大氣壓力下升華溫度為78.5，升華潛熱為573.6kJ/(kgK)。 4. 混合系統(tǒng),鹽水液氮混合凍

4、結(jié)較多采用,前 期用液氮快速凍結(jié),后期用鹽水維持。 5. 四種系統(tǒng)的適用范圍，設(shè)備容量和主要 技術(shù)指標(biāo) 5. 四種系統(tǒng)的適用范圍，設(shè)備容量和主要 技術(shù)指標(biāo)（1）鹽水系統(tǒng) 制冷溫度：-10 -35 土層：任何含水地層 地下水流速：1710-3m/s 冷量估算 ：Q=1.3.d.H.K 制冷效率 ：30% 50% 凍土速度 ：2cm/d 5. 四種系統(tǒng)的適用范圍，設(shè)備容量和主要 技術(shù)指標(biāo)（2）液氮系統(tǒng) 制冷溫度：-60 -150 土層：任何含水地層 地下水流速：不限 冷量估算 ： 460kg/ m3 制冷效率 ：50% 凍土速度 ：20cm/d 配備儲氣罐：大于5000升5. 四種系統(tǒng)的適用范圍，

5、設(shè)備容量和主要 技術(shù)指標(biāo)（3）干冰系統(tǒng) 制冷溫度：-20 -70 土層：任何含水地層表面 地下水流速：不能有動水 冷量估算 ： 600kg/ m3 制冷效率 ：70% 凍土速度 ：10cm/d5. 四種系統(tǒng)的適用范圍，設(shè)備容量和主要 技術(shù)指標(biāo)（4）混合系統(tǒng) 制冷溫度：-40 -70 土層：任何含水地層 地下水流速：少量動水 冷量估算 ： Q=1.3.d.H.K 制冷效率 ：60% 凍土速度 ：3cm/d 鹽水加入乙二醇在+15時 凝固溫度 密度波美度濃度1.2124.121.9-21.21.2225.122.8-23.31.2326.123.8-25.71.2427.124.7-28.31.2

6、528.125.7-31.21.2529.026.6-34.61.2629.927.5-38.61.2730.828.4-42.61.2831.729.4-50.11.2032.229.9-55.0鹽水溶液的凝固點取決于鹽的濃度，在一定范圍內(nèi)濃度增加則凝固點下降，當(dāng)濃度增大到某個值時，凝固點反而升高。隨著濃度的增加，存在一個最低的凝固溫度，該溫度叫共晶點，此時的濃度叫共晶濃度。如氯化鈉水溶液的共晶濃度為23.1；氯化鈣水溶液共晶濃度為29.9，共晶溫度為選擇水濃度時，一般使它對應(yīng)的凝固點比制冷劑蒸發(fā)溫度低。 溶液濃度除用密度表示外，還可以用波美度表示，符號“oBe”表示濃度單位。波美度的定義為

7、： oBe=145(-1)/ 式中 鹽水的密度g/cm3,當(dāng)=1 g/cm3時，oBe=0。6 凍結(jié)法的優(yōu)缺點優(yōu)點:萬能的施工方法、強(qiáng)度可控、防水性好、適合地層廣泛、綠色環(huán)保。缺點：凍脹和融沉價格昂貴二 凍結(jié)法在市政工程中的應(yīng)用 1 凍結(jié)法在淺基坑上的應(yīng)用2 凍結(jié)法在深基坑上的應(yīng)用3 凍結(jié)法在隧道穿越透水、破碎巖層上的應(yīng)用廣州市軌道交通三號線天河客運站折返線廣州市軌道交通三號線天河客運站折返線及風(fēng)道位于廣州市天河區(qū)廣汕公路。折返線斜穿廣汕公路和沙河立交橋，風(fēng)道在折返線北端。附近有新天河商貿(mào)城和天河汽車客運站。廣汕公路是連接廣州與汕頭、增城之間的重要交通干道，交通繁忙，不能封路施工。因此采用暗挖

8、法施工，隧道頂面距離地表最小約為8m，最大開挖跨度約為13.4m。折返線雙線隧道地層凍結(jié)長度約為140.8m，采用全斷面帷幕凍結(jié)雙線隧道凈斷面為馬蹄形，隧道凈高9146mm，凈寬11400mm。雙線隧道北端左、右軌面絕對標(biāo)高為7.987m。雙線隧道斷面上部為R5256mm的半圓，腰部曲率斷面半徑均為R2600mm，底部仰拱曲率斷面半徑分別為R9130。隧道臨時支護(hù)為厚350mm的C20網(wǎng)噴混凝土，內(nèi)襯為C30厚450mm的現(xiàn)澆鋼筋混凝土。折返線暗挖隧道分段凍結(jié)壁交圈示意圖折返線暗挖隧道分段凍結(jié)壁交圈示意圖折返線暗挖隧道分段凍結(jié)壁交圈示意圖4 凍結(jié)法用作切斷地下水與開挖面之間的聯(lián)系下圖是美國西部

9、的科羅拉多州建立一個最新型的鐵路-煤-汽車卸載設(shè)施，需開挖一個深26英尺的T型基坑。該處的土質(zhì)較差，主要由砂、砂礫、鵝卵石等構(gòu)成，工程首先采用了傳統(tǒng)的施工方法，但是因無法解決地下水流入的問題而面臨停工。后采用凍結(jié)法在欲開挖的土體四周形成了一個T字形的深33英尺、厚4英尺總長500英尺的凍土墻，來切斷外部水分的侵入。 5 凍結(jié)法用于修復(fù)出故障的掘進(jìn)機(jī)器等 下圖為美國西雅圖的金屬管道修復(fù)工程。直徑7英尺埋深20英尺的波形排水管道發(fā)生損壞。該管道損壞處的上部覆有松軟的砂土，而且位于兩條鐵路軌道之間，距離兩旁的軌道10英尺。為了防止管道修復(fù)過程中軌道發(fā)生沉降，工程采用了凍結(jié)法將管道周圍土體加固。工人從

10、旁邊的檢修孔進(jìn)入波形管內(nèi)進(jìn)行修復(fù)。6 現(xiàn)有建筑物周圍的地基加固下圖為在美國華盛頓某變電站周圍的土體受到碳?xì)浠衔锏奈廴径仨毩⒓赐谧?。但是該處土體為流砂，且距離建筑物距離較近，先前的開挖方法造成了變電站下部地基的破壞，而且土體周圍有通向變電站的輸水隧道。工程采用了凍結(jié)技術(shù)來保持周圍土體的穩(wěn)定，并切斷工作面與外界之間的水力聯(lián)系。該工程順利完成，沒有對周圍建筑造成破壞。7 凍結(jié)法用于道路的路基加固美國最大的地下結(jié)構(gòu)將于2005全部完工的波士頓中心隧道工程共包括一條通往南部海灣的鐵道及其下部3條隧道的建設(shè)，三條隧道需從上部有每天300輛去南部車站的通勤列車經(jīng)過的路軌下面穿過。隧道寬80英尺，高38英

11、尺，矩形截面，采用頂進(jìn)技術(shù)施工。隧道頂部與路軌之間有一層深40英尺高的土體。施工過程遇到了在隧道頂進(jìn)過程中無法對上部土層進(jìn)行支護(hù)的技術(shù)難題。工程采用了凍結(jié)法將該層土體加固。美國波士頓中心隧道工程1-90/1-93州際高速交叉處穿越段凍結(jié)工程8 凍結(jié)法用于邊坡加固9 盾構(gòu)隧道等的地下對接下圖為美國華盛頓的一個管道搭接工程。工程需要修建一個直徑為4英尺的管道，搭接到一個埋身26英尺、直徑11英尺的排水管道中。工程周圍的土體為濕砂及淤泥，為了保證在管道搭接過程中有穩(wěn)定且干燥的工作環(huán)境，采用了凍結(jié)法形成凍土帷幕來防止周圍水分的流入。10 地鐵下、建筑物下等凍結(jié)施工 （1）波士頓公路隧道穿越下圖為美國耗

12、資16億美元、歷時20年建成的波士頓公路隧道的一部分。隧道首次同時采用了新奧法和凍結(jié)法技術(shù)。325英尺長的雙拱隧道，直徑27英尺，必須從有100年歷史的俄羅斯碼頭大樓下面穿過，碼頭大樓底部為45英尺長的木樁基礎(chǔ)。為了保障該大樓的安全，在穿越之前對該大樓下部的土體進(jìn)行了凍結(jié)法加固，凍土拱棚厚度2米3米。（2）上海市軌道交通明珠線二期工程上體場車站穿越上海市軌道交通明珠線二期工程上體場車站穿越地鐵一號線上體館站段與地鐵一號線斜交成約79，方向大致為由東向西。穿越段結(jié)構(gòu)由相鄰的上行線隧道（北通道）、二線換乘通道和下行線隧道（南通道）三部分組成，結(jié)構(gòu)橫截面尺寸約為高5.74m寬21.45m，因設(shè)計變更

13、取消換乘通道，實際只施工南通道和北通道，穿越段頂面緊貼地鐵一號線車站站底板，穿越段結(jié)構(gòu)頂部絕對標(biāo)高約為-10.08m，底板底標(biāo)高約為-15.82m，地面絕對標(biāo)高為4.19m。穿越段總長度約22.6m。該工程采用礦山法開挖，凍結(jié)法加固地層。(3) 日本大阪平野川河下管道工程凍結(jié)防護(hù)鹽水系統(tǒng)，水平凍結(jié)、垂直和蛇形管凍結(jié)為河道下2m處鋪設(shè)2道水下管21050mm，土 層為軟弱粉土、砂，滲透系數(shù)很大河床下布置蛇形凍結(jié)排管，以形成凍土板。另外 在管道外圍布置凍結(jié)管形成環(huán)狀封閉凍土體。垂 直凍結(jié)以形成凍土護(hù)岸為了凍結(jié)孔施工在河兩側(cè)開鑿工作井，深度 8.75m(3)水體下凍結(jié)工程(3) 水體下凍結(jié)工程(3)

14、 水體下凍結(jié)工程11 盾構(gòu)進(jìn)、出洞凍結(jié)法 （1）上中路大直徑盾構(gòu)出洞凍結(jié)上中路越江隧道采用大直徑泥水平衡盾構(gòu),外徑14.87m，盾構(gòu)長度12.6m。出洞口中心標(biāo)高-11.35m，洞口中心埋深16.25m。工作井凈寬43.6m,盾構(gòu)中心離工作井側(cè)墻中心10.8m。鋼筋混凝土槽壁厚度1.2m，盾構(gòu)出洞后下行坡度為4.5%。（2）南京地鐵張府圓站北端頭井盾構(gòu)出洞液氮凍結(jié)采用全斷面局部凍結(jié)，單排凍結(jié)孔，地面以下6.5m不凍結(jié)，凍結(jié)孔數(shù)13個，凍結(jié)孔中心間距675mm，邊對邊距離516mm，凍結(jié)孔深度16m，凍結(jié)管采用159*7mm無縫鋼管，材質(zhì)為20#低碳鋼。地面布置溫度監(jiān)測孔2個，出洞口壁面布置測溫

15、孔46個見下圖。(3) 日本千葉縣盾構(gòu)在私鐵國道和管道下進(jìn)洞加固鹽水水平和垂直凍結(jié)盾構(gòu)隧道距鐵道基礎(chǔ)7.5m，盾構(gòu)直徑3.14m施工土層為砂性土水平圓筒型凍土，凍土長度26m，凍土體積 670m，冷凍機(jī)75KW洞口槽壁前凍成凍土板塊1 鐵道下凍結(jié)工程 4 宜山路3#盾構(gòu)進(jìn)洞輔助凍結(jié)12 地鐵泵站和旁通道建設(shè)上海大連路隧道工程連接通道，二個連接通道均位于黃浦江底下，兩個連接通道相距約400m，位于浦東岸邊的通道二，隧道中心間距27.6m。位于浦西的通道一隧道中心間距33.26m，隧道間高差2.91m，凈距約22.31m。見下圖（1）日本東京麻布共同溝神谷町和環(huán)2兩分支接頭部位擴(kuò)大工程 凍結(jié)管、測

16、溫管和凍結(jié)抑制管設(shè)置情況 神谷町?dāng)U大部位環(huán)口擴(kuò)大部位凍結(jié)孔（個）測溫孔（個）凍結(jié)抑制孔（個）1203224144322413 其他特殊凍結(jié)工程 1 鐵道下凍結(jié)工程 13 其他特殊凍結(jié)工程 (2) 龍固礦井位于山東巨野縣，設(shè)計年生產(chǎn)能力為600萬噸/年，立井開拓，設(shè)兩主一副一風(fēng)四個井筒，其中副井和風(fēng)井的表土段及基巖上部含水層采用凍結(jié)法施工。副井凍結(jié)深650米，是目前國內(nèi)表土最深的礦井，在世界上也屬少見的，采用凍結(jié)法施工，無論在設(shè)計還是施工中，都沒有先例可以借鑒。目前國內(nèi)凍結(jié)深度最深(650m)表土最厚(567.7)的龍固凍結(jié)機(jī)房二 凍結(jié)法在市政工程中的應(yīng)用 （1） 科學(xué)合理的凍結(jié)方案，風(fēng)險分析，風(fēng)險施工預(yù)案 ；（2） 良好質(zhì)量的凍結(jié)造孔技術(shù)；（3） 連續(xù)正常足量的凍結(jié)供冷；（4） 嚴(yán)密監(jiān)測和動態(tài)分析的信息化施工；（5） 開展關(guān)鍵技術(shù)的研究，特別是直接服務(wù)施工的 課題，完善施工對策； （6） 暗挖法把握掘砌時空效應(yīng)；（7） 掌握凍結(jié)理論知識、善于管理的工程技術(shù)人員， 團(tuán)結(jié)協(xié)作既要發(fā)揚民主精神集中群體智慧，又 要統(tǒng) 一意志統(tǒng) 一指揮。14 風(fēng)險工程安全成功的重要因素 1、凍結(jié)站穩(wěn)定運行至開挖時，沒有超過24小時的停機(jī)。2、鹽水溫度在-26以下的時間超過30天。3、鹽水去、回路的溫度差在1以內(nèi)。4、管片后面1.2米處的凍結(jié)