凍結(jié)工程概述

3凍凍結(jié)法法施工工3凍凍結(jié)法法施工工3.1概概述3.2凍凍結(jié)法法原理理與設(shè)設(shè)計(jì)原原則3.3凍凍土的的物理理、力力學(xué)和和熱性性質(zhì)3.4表表土段段凍結(jié)結(jié)法施施工3.5凍凍結(jié)法法施工工組織織設(shè)計(jì)計(jì)3.1.1凍結(jié)法的的實(shí)質(zhì)與與特點(diǎn)3.1.2凍結(jié)法的的起源與與發(fā)展3.1.3凍結(jié)技術(shù)術(shù)和措施施3.1.4工程應(yīng)用用3.1概述§3.1.1凍結(jié)法的的實(shí)質(zhì)與與特點(diǎn)凍結(jié)法是是利用人工制冷冷技術(shù)，使地層層中的水結(jié)冰，把天然然巖土變變成凍土，增加其其強(qiáng)度和和穩(wěn)定性性，隔絕地下下水與地地下工程程的聯(lián)系系，以便在凍凍結(jié)壁的的保護(hù)下下進(jìn)行井井筒或地地下工程程掘砌施施工的特殊施工工技術(shù)。3.1概述凍結(jié)法的的實(shí)質(zhì)：：利用人工工制冷臨臨時(shí)改變變巖土性性質(zhì)以固固結(jié)地層層?！?.1.1凍結(jié)法的的實(shí)質(zhì)與與特點(diǎn)含水地層層（松散散土層和和裂隙巖巖層）在在結(jié)冰溫溫度下冷冷卻，巖巖石裂隙隙或土孔孔隙中的的水轉(zhuǎn)換成成冰，巖土的的性質(zhì)將將發(fā)生決定性的變化：材料：（1）土土體中水水分凍結(jié)結(jié)，提高高一定范范圍內(nèi)巖巖土的強(qiáng)強(qiáng)度（2）減減低一定定范圍巖巖土體滲滲透性———?jiǎng)?chuàng)造造新工程程材料結(jié)構(gòu)：在普通結(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)部部構(gòu)建了了新的結(jié)結(jié)構(gòu)。3.1概述§3.1.1凍凍結(jié)結(jié)法的實(shí)實(shí)質(zhì)與特特點(diǎn)凍結(jié)僅臨臨時(shí)創(chuàng)造造凍土良良好的承承載、密密封性能能，為構(gòu)構(gòu)筑新的的地下空空間服務(wù)務(wù)，施工工后，凍凍土將解解凍融化化，土將將逐漸恢恢復(fù)到未未凍結(jié)狀狀態(tài)。在凍結(jié)法法施工中中，沒(méi)有有像噴射射混凝土土?xí)r的混混凝土、、板樁施施工時(shí)的的鋼板、、注漿時(shí)時(shí)的漿液液材料等等附加物物質(zhì)進(jìn)入入地層。。凍結(jié)法不污染環(huán)環(huán)境，是“綠色”施工方方法。環(huán)境友好好的施工工方法?。?！3.1概述§3.1.1凍凍結(jié)結(jié)法的實(shí)實(shí)質(zhì)與特特點(diǎn)凍結(jié)法的的適用性性任何松散散體（礫礫石層、、砂層或或粘性土土層），，當(dāng)具有有一定含含水量時(shí)時(shí)均可通通過(guò)凍結(jié)結(jié)予以加加固。凍結(jié)巖土土體的方方法：從土體中中吸熱將裂隙充充水礫石石中6.5%體體積的水水由+10℃凍凍結(jié)到-8℃，，需要約約14000kcal熱量。3.1概述凍結(jié)的作作用含水、松松散土體體凍結(jié)后后抗壓強(qiáng)強(qiáng)度明顯顯提高，，類(lèi)似混混凝土。。凍土的的強(qiáng)度和和彈性模模量依賴賴于土的的種類(lèi)和和含水量量。影響凍土土強(qiáng)度的的主要因因素是凍結(jié)溫度度：飽和密實(shí)實(shí)砂：-15℃℃時(shí)抗抗壓強(qiáng)度度3.5MPa、、彈模150MPa-20℃℃時(shí)抗抗壓強(qiáng)度度5.5MPa、、彈模280MPa與混凝土土力學(xué)性性質(zhì)明顯顯不同，，凍土抗抗彎強(qiáng)度度相對(duì)較較大3.1概述§3.1.1凍結(jié)法的的實(shí)質(zhì)與與特點(diǎn)凍結(jié)法鑿鑿井原理理1-鹽水水泵；2-蒸發(fā)發(fā)器；4-壓縮縮機(jī)；7-冷凝凝器；11-節(jié)節(jié)流閥；；12-鹽水去去路管；；13-配配液圈；；14-凍結(jié)器器；15-集集液圈；；16-鹽水回回路管；；17-井井壁；18-凍凍結(jié)壁；；19-測(cè)測(cè)溫孔§3.1.1凍結(jié)法的的實(shí)質(zhì)與與特點(diǎn)3.1概述適用性強(qiáng)強(qiáng)，幾乎乎不受地地層條件件限制靈活性好好污染性小小經(jīng)濟(jì)合理理凍結(jié)法的特點(diǎn)能有效隔隔絕地下下水§3.1.1凍結(jié)法的的實(shí)質(zhì)與與特點(diǎn)凍結(jié)法設(shè)設(shè)計(jì)與施施工(1)根根據(jù)工工程、地地質(zhì)、水水文和環(huán)環(huán)境條件件進(jìn)行凍凍結(jié)設(shè)計(jì)計(jì)：——確定凍土土結(jié)構(gòu)形式——選擇制冷冷方式——布置凍結(jié)結(jié)系統(tǒng)——確定凍結(jié)結(jié)溫度——估算凍結(jié)結(jié)時(shí)間，等。。(2)待設(shè)設(shè)計(jì)凍土結(jié)構(gòu)構(gòu)形成后，在在其保護(hù)下進(jìn)進(jìn)行地下工程程的掘進(jìn)、支支護(hù)和設(shè)備安安裝等工作。。3.1概述§3.1.2凍結(jié)法的起起源與發(fā)展展國(guó)外凍結(jié)施施工情況1862年年英國(guó)首先先采用人工工制冷方法法加固建筑筑工程基礎(chǔ)礎(chǔ)；1883年年德國(guó)波茨茨舒凍結(jié)開(kāi)開(kāi)鑿103m井筒，，獲得凍結(jié)結(jié)鑿井專(zhuān)利利；1888年年：美國(guó)，，用于煤礦礦礦井開(kāi)挖挖；1965年年：加拿大大，開(kāi)挖1089米米礦井，凍凍結(jié)深度684米;蘇聯(lián)1928年開(kāi)始始采用凍結(jié)結(jié)法，至1990年年共開(kāi)鑿井井筒400多個(gè)迄今為止，，各國(guó)凍結(jié)結(jié)井最大凍結(jié)深深度英國(guó)930m，美國(guó)國(guó)915m，波蘭860m，，加拿大634m，，比利時(shí)638m，前前蘇聯(lián)620m，德德國(guó)628m，法國(guó)國(guó)550m，中國(guó)955m3.1概述§3.1.2凍結(jié)法的起起源與發(fā)展展國(guó)內(nèi)凍結(jié)施施工情況我國(guó)于1955年在開(kāi)灤林林西風(fēng)井首首次采用凍凍結(jié)法施工工第一個(gè)井井筒（直徑徑5.0m，深度105m）），揭開(kāi)了了我國(guó)在表表土不穩(wěn)定定含水地層層建設(shè)井筒筒的序幕。。到現(xiàn)在已有有近60年年歷史，共共計(jì)施工了了500多多個(gè)立井井井筒，累計(jì)計(jì)凍結(jié)總深深度達(dá)80km。實(shí)踐表明：：凍結(jié)法鑿鑿井已成為為我國(guó)解決決深厚沖積積層施工困困難的最主主要特殊施施工方法。。隨著國(guó)民民經(jīng)濟(jì)的發(fā)發(fā)展和新礦礦區(qū)的開(kāi)發(fā)發(fā)，新建礦礦井穿過(guò)的的沖積層厚厚度和凍結(jié)結(jié)深度呈跳跳躍式增長(zhǎng)長(zhǎng)。3.1概述§3.1.2凍結(jié)法的起起源與發(fā)展展國(guó)內(nèi)凍結(jié)施施工情況20世紀(jì)80年代，井筒穿過(guò)的的沖積層最最大厚度達(dá)達(dá)到358.5m（（潘三東風(fēng)風(fēng)井），凍結(jié)最大深深度達(dá)到415m；20世紀(jì)90年代初初，井筒穿過(guò)的的沖積層最最大厚度達(dá)達(dá)374.5m（陳陳四樓副井井），凍結(jié)最大深深度達(dá)到435m。程村礦主、、副井：2003年年4月和9月順利穿穿過(guò)了凍結(jié)結(jié)段，創(chuàng)出出我國(guó)已建建成凍結(jié)井井中最早通通過(guò)430m沖積層層、凍結(jié)深度達(dá)達(dá)到485m的凍結(jié)井筒筒凍結(jié)管無(wú)無(wú)斷裂，井井壁無(wú)壓壞壞和無(wú)漏水水、井壁質(zhì)質(zhì)量?jī)?yōu)良的的優(yōu)異成績(jī)績(jī)。3.1概述§3.1.2凍結(jié)法的起源源與發(fā)展國(guó)內(nèi)凍結(jié)施工工情況安徽淮南礦業(yè)業(yè)集團(tuán)公司丁丁集礦井風(fēng)井井井筒凍結(jié)段段所穿過(guò)的地地層為第四、、第三系表土土段及基巖風(fēng)風(fēng)化帶，厚度度為528.65m。凍凍結(jié)工程創(chuàng)造造了從開(kāi)機(jī)到到停機(jī)僅365天的最短短時(shí)間，確保保了井筒掘砌砌安全順利通通過(guò)了528.65m的的沖積層，凍結(jié)深度558m，且沒(méi)有發(fā)生生一根凍結(jié)管管斷裂事故；；井筒掘砌工工程創(chuàng)造了從從正式開(kāi)工到到井筒安全通通過(guò)528.65m的沖沖積層、550m凍結(jié)段段井壁順利落落底時(shí)間僅205天，且且外層井壁沒(méi)沒(méi)有發(fā)生任何何開(kāi)裂現(xiàn)象，，外壁掘砌平平均速度達(dá)80.5m/月好成績(jī)。。3.1概述§3.1.2凍結(jié)法的起源源與發(fā)展國(guó)內(nèi)凍結(jié)施工工情況目前我國(guó)凍結(jié)結(jié)法施工成功功的井筒數(shù)量量達(dá)500多個(gè)；表土層凍結(jié)深深度最深的井井筒是安徽口口孜東礦井副副井井筒厚度度達(dá)577.1m；最大凍結(jié)深度度：華能甘肅能源源有限公司核核桃峪煤礦副副井、風(fēng)井的的凍結(jié)深度955m。3.1概述§3.1.3凍結(jié)技術(shù)和措措施制冷技術(shù)（制冷系統(tǒng)、、冷媒劑循環(huán)環(huán)、冷卻水循循環(huán)）制冷循環(huán)一般包括四個(gè)個(gè)過(guò)程：冷媒劑循環(huán)與凍結(jié)管相連連，將地層熱熱量帶出冷卻水循環(huán)將冷媒劑攜帶帶的熱量釋放放于大氣凍結(jié)法中，制制冷劑一般用用氨或氟里昂昂，冷媒劑通通常用氯化鈣鈣溶液（鹽水水）壓縮—冷凝——降壓—蒸發(fā)發(fā)3.1概述§3.1.3凍結(jié)技術(shù)和措措施3.1概述凍結(jié)法鑿井示示意圖§3.1.3凍結(jié)技術(shù)和措措施三大循環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)：氨循環(huán)系統(tǒng)、、鹽水循環(huán)系系統(tǒng)、冷卻水水循環(huán)系統(tǒng)。。低溫鹽水在沿凍結(jié)管流流動(dòng)過(guò)程中，，不斷吸收孔孔壁周?chē)鷰r土土層的熱量，，使巖土逐漸漸冷卻凍結(jié)而而成。鹽水起起傳遞冷量的的作用，稱(chēng)為為冷媒劑。鹽水的冷量是是利用液態(tài)氨氣化時(shí)吸收鹽水的的熱量而制取取的，所以氨氨叫做制冷劑劑。3.1概述20氨循環(huán)鹽水循環(huán)冷卻水循環(huán)液態(tài)氨：氣態(tài)氨：去油脂：低溫鹽水：加熱鹽水：常溫冷卻水：：加熱冷卻水：：3.1概述§3.1.3凍結(jié)技術(shù)和措措施凍結(jié)管——將冷量注注入地層的關(guān)關(guān)鍵設(shè)施垂直凍結(jié)管：：如基坑、礦井井，垂直鉆進(jìn)進(jìn)技術(shù)，目前前技術(shù)水平，，垂直鉆1000m深孔，偏斜率率可控制在3‰水平凍結(jié)管：：如隧道，必須須采用特殊的的水平鉆孔技技術(shù)。目前，，水平凍結(jié)孔孔鉆進(jìn)長(zhǎng)度一一般50~60m，德國(guó)杜塞爾爾多夫隧道一一次鉆進(jìn)長(zhǎng)度度達(dá)到115m凍結(jié)管的功能能特殊，強(qiáng)度度和密封必須須可靠。深井井凍結(jié)凍結(jié)管管斷裂曾是一一大難題：凍凍結(jié)管斷裂后后，冷媒劑（（鹽水）將融融化凍土———凍土體“開(kāi)開(kāi)窗”，嚴(yán)重重時(shí)可造成淹淹井事故。3.1概述§3.1.4工程應(yīng)用立井施工3.1概述§3.1.4工程應(yīng)用立井施工3.1概述§3.1.4工程應(yīng)用斜井施工3.1概述李家壩煤礦斜斜井凍結(jié)工程程李家壩回風(fēng)斜斜井設(shè)計(jì)凍結(jié)結(jié)孔數(shù)357個(gè)，測(cè)溫孔12個(gè)，總計(jì)造孔孔數(shù)為369個(gè)，設(shè)計(jì)造孔孔量為46450米。凍結(jié)段水水平長(zhǎng)度139.5米，斜長(zhǎng)152.7米，凍結(jié)段垂垂直深度62.1米?；仫L(fēng)斜井凍結(jié)結(jié)站裝配2臺(tái)HLG20ⅢⅢA250型氨螺桿壓縮縮機(jī)、6臺(tái)HLG20ⅢⅢAB110型氨螺桿壓縮縮機(jī)、3臺(tái)JZLG20型氨螺桿壓縮縮機(jī)及