凍結(jié)法原理及應(yīng)用

凍結(jié)法原理及應(yīng)用第一頁，共六十四頁，2022年，8月28日主要內(nèi)容1凍結(jié)法概述2人工凍結(jié)制冷系統(tǒng)3凍結(jié)法原理與設(shè)計原則4立井工程凍結(jié)法5斜井凍結(jié)法第二頁，共六十四頁，2022年，8月28日1.1人工地層凍結(jié)法

凍結(jié)法定義：

用人工制冷的方法，將待開挖地下空間周圍的土體中的水凍結(jié)為冰并與土體膠結(jié)在一起，形成一個按設(shè)計輪廓的凍土墻或密閉的凍土體，用以抵抗土體壓力、隔絕地下水，并在凍土墻的保護(hù)下，進(jìn)行地下工程的施工。1概述第三頁，共六十四頁，2022年，8月28日——凍結(jié)土體性質(zhì)的改變?nèi)魧⒑貙樱ㄋ缮⑼翆雍土严稁r層）在結(jié)冰溫度下冷卻，巖石裂隙或土孔隙中的水轉(zhuǎn)換成冰，巖土的性質(zhì)將發(fā)生決定性的變化。這一變化具有雙重意義：

材料：（1）土體中水分凍結(jié)，提高一定范圍內(nèi)巖土的強度（2）減低一定范圍巖土體滲透性——創(chuàng)造新工程材料

結(jié)構(gòu)：在普通結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)建了新的工程結(jié)構(gòu)?！獌鼋Y(jié)法將這一性質(zhì)改良后的凍結(jié)巖土服務(wù)于地下工程施工期內(nèi)的承載（結(jié)構(gòu)功能）和密封（材料功能）1概述第四頁，共六十四頁，2022年，8月28日——環(huán)境友好的施工方法

凍結(jié)只是臨時創(chuàng)造凍土良好的承載、密封性能，為構(gòu)筑新的地下空間服務(wù)，施工完成后，根據(jù)需要可拔除凍結(jié)管，凍土將解凍融化，土將逐漸恢復(fù)到未凍結(jié)狀態(tài)。

在凍結(jié)法施工中，沒有象噴射混凝土?xí)r的混凝土、板樁施工時的鋼板或注漿時的漿液材料那些附加物質(zhì)進(jìn)入地層。凍結(jié)法不污染環(huán)境，是“綠色”施工方法1概述第五頁，共六十四頁，2022年，8月28日——方法具備的優(yōu)點

(1)安全性好，可有效的隔絕地下水；(2)適應(yīng)面廣，適用于任何含一定水量的松散巖土層，在復(fù)雜水文地質(zhì)如軟土、含水不穩(wěn)定土層、流砂、高水壓及高地壓地層條件下凍結(jié)技術(shù)有效、可行；(3)靈活性好，可以人為地控制凍結(jié)體的形狀和擴(kuò)展范圍，必要時可以繞過地下障礙物進(jìn)行凍結(jié)；(4)可控性較好，凍結(jié)加固土體均勻、完整；(5)經(jīng)濟(jì)上較合理。1概述第六頁，共六十四頁，2022年，8月28日——凍結(jié)巖土體的方法

從土體中吸熱?！獌鼋Y(jié)的作用含水、松散土體凍結(jié)后抗壓強度明顯提高?！獌鼋Y(jié)法處理對象巖土體中的水水在凍結(jié)過程中將發(fā)生明顯體積變化1概述第七頁，共六十四頁，2022年，8月28日——凍結(jié)法設(shè)計與施工(1)根據(jù)工程、地質(zhì)、水文和環(huán)境條件進(jìn)行凍結(jié)設(shè)計：——確定凍土結(jié)構(gòu)形式——選擇制冷方式——布置凍結(jié)系統(tǒng)——確定凍結(jié)溫度——估算凍結(jié)時間，等。(2)待設(shè)計凍土結(jié)構(gòu)形成后，在其保護(hù)下進(jìn)行地下工程的掘進(jìn)、支護(hù)和設(shè)備安裝等工作。1概述第八頁，共六十四頁，2022年，8月28日——凍土的形成為構(gòu)造高承載力和密封防水的凍土體，在土中相應(yīng)位置布置和施工凍結(jié)孔——安設(shè)凍結(jié)管，通過凍結(jié)管中循環(huán)的低溫冷媒劑將土體中的熱量帶出，使地層降溫并使土中水結(jié)為冰。在凍結(jié)初期，凍土僅在緊靠凍結(jié)管周圍形成凍土柱；隨凍結(jié)過程的繼續(xù)，凍土柱漸漸擴(kuò)大并相互連接，在預(yù)計的凍結(jié)時間后，凍土體達(dá)到設(shè)計厚度——形成凍土1概述第九頁，共六十四頁，2022年，8月28日1.2凍結(jié)法簡史礦井建設(shè)l862年：英國，率先用凍結(jié)法成功進(jìn)行深基坑開挖圍護(hù)l872年：德國，首先應(yīng)用于礦井建設(shè)。魯爾區(qū)凍結(jié)井深超過600m1888年：美國，用于煤礦礦井開挖l965年：加拿大，開挖l089米礦井，凍結(jié)深度684米1952至l98l年間：北美，用凍結(jié)法鑿井達(dá)29個迄今為止，各國凍結(jié)井最大凍結(jié)深度：英國930m，美國915m，波蘭860m，加拿大634m，比利時638m，前蘇聯(lián)620m，德國531m，法國550m，中國702m第十頁，共六十四頁，2022年，8月28日地下工程1979年：美國，地下核電站基坑、直徑40m、深6m基礎(chǔ)80年代：蘇聯(lián)，城市地鐵大廳35座、隧道35項，高l38.5m、重27000噸大樓基坑開挖支護(hù)1962以來：日本，超過300個大型凍結(jié)工程，其中有通過河流、鐵路、公路和其它構(gòu)筑物下的隧道工程、擋土墻工程、與盾構(gòu)施工有關(guān)的工程等20世紀(jì)中葉起：波蘭、德國、法國、瑞士、比利時、意大利、奧地利、挪威、西班牙、芬蘭、澳大利亞、法國、荷蘭、加拿大等第十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日我國情況70年代初，北京地鐵凍結(jié)長90m，垂深28m 1975年，沈陽地鐵2號井上世紀(jì)80年代，東海拉爾水泥廠的上料倉基坑；南通建筑物旁開挖的沉淀池工程1988年，鳳臺淮河大橋主橋墩基礎(chǔ)工程1993年，上海地鐵一線1個泵站和3個隧道貫通道結(jié)合部1998年，北京地鐵熱—八線大北窯車站南隧道水平凍結(jié)施工，長45m1概述第十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日1.3工程應(yīng)用簡介目前，凍結(jié)法在地下工程中廣泛應(yīng)用于以下四個領(lǐng)域：

——立井工程

——地基基礎(chǔ)

——基坑穩(wěn)定

——隧道工程

——其他巖土工程1概述第十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日1.4力學(xué)與熱性質(zhì)抗壓強度：凍土的主要力學(xué)性質(zhì)隨溫度減低，凍土抗壓強度提高；抗拉強度相對抗壓強度較低，且隨溫度減低不再增加凍結(jié)粉砂1總論第十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日熱物理參數(shù)：導(dǎo)溫系數(shù)、熱容、導(dǎo)熱系數(shù)以及相變潛熱等影響凍土熱物理參數(shù)因素很多，溫度、含水量、孔隙率、礦物含量、未凍水含量等。確定土熱物理參數(shù)比較復(fù)雜。靜力計算：確保凍土結(jié)構(gòu)在所處工程條件下強度和穩(wěn)定性簡單方法：將凍土體視為具有彈性模量E的彈性體。若凍土體極限承載力已知：可直接從破壞狀態(tài)入手計算若考慮凍土體處于多向應(yīng)力狀態(tài)：其承載性能將有所提高若安設(shè)支護(hù)：則承載功能由支護(hù)/凍土系統(tǒng)共同承擔(dān)。有限元等數(shù)值模擬方法在凍土結(jié)構(gòu)中得到了越來越多的應(yīng)用?？紤]了與實際工程相近的凍土非線性變形性質(zhì)。1概述第十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日2.1氨（氟利昂）－鹽水凍結(jié)系統(tǒng)鹽水循環(huán)系統(tǒng)（冷媒劑循環(huán)）冷媒劑是傳遞冷效應(yīng)的物質(zhì)，又稱載冷劑。氨循環(huán)系統(tǒng)（制冷系統(tǒng)）通過相變循環(huán)實現(xiàn)制冷的物質(zhì)冷卻水循環(huán)（冷卻水循環(huán)）將熱量釋放給大氣2人工凍結(jié)制冷系統(tǒng)第十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日2.1氨（氟利昂）－鹽水凍結(jié)系統(tǒng)制冷技術(shù)（制冷系統(tǒng)、冷媒劑循環(huán)、冷卻水循環(huán)）制冷循環(huán)一般包括四個過程：壓縮—冷凝—降壓—蒸發(fā)冷媒劑循環(huán)：與凍結(jié)管相連，將地層熱量帶出冷卻水循環(huán)：將冷媒劑攜帶的熱量釋放于大氣中凍結(jié)法中，制冷劑一般用氨或氟里昂，冷媒劑通常用氯化鈣溶液（鹽水）第十七頁，共六十四頁，2022年，8月28日2.2液化氣體系統(tǒng)（液氮）

通過流動氣體在管系統(tǒng)中進(jìn)行循環(huán)的方式，將地層中的熱量帶出，從而制冷，最常用的是液氮（LN2）。2人工凍結(jié)制冷系統(tǒng)第十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日2.2液化氣體系統(tǒng)（液氮）采用液氮凍結(jié)時，直接將液氮從罐車中導(dǎo)入凍結(jié)管，循環(huán)氣化后排到大氣中。在局部凍結(jié)工程或搶險工程中常采用液氮凍結(jié)技術(shù)。2人工凍結(jié)制冷系統(tǒng)第十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日2.3兩種凍結(jié)系統(tǒng)比較

2人工凍結(jié)制冷系統(tǒng)項目常規(guī)凍結(jié)系統(tǒng)液氮凍結(jié)系統(tǒng)制冷溫度(℃)-10～-35-60～-150地下水流速(m/s)5．7﹡10-5不限制冷效率30%～50%50%凍土速度2cm/d20cm/d土層任何含水地層任何含水地層冷量估算Q=1.3.π.d.H.K460kg/m3第二十頁，共六十四頁，2022年，8月28日3.1凍結(jié)法設(shè)計先期準(zhǔn)備工作在進(jìn)行凍結(jié)設(shè)計之前，有必要評價有關(guān)施工環(huán)境、地基的要求以及凍結(jié)方法的適應(yīng)性等，這是凍結(jié)設(shè)計的基礎(chǔ)。（1）在施工環(huán)境方面 l

允許沉降和水平位移的量值 l

允許震動的可能性、噪聲的大小 l

控制凍脹的范圍和量值 l

凍結(jié)鉆進(jìn)的可能位置 l

施工場地條件 l

施工工期和時間3凍結(jié)法原理與設(shè)計原則第二十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日（2）在工程條件方面l

凍土體功能，密封、承載或密封和承載l

凍土體形狀與尺寸l

地層特征、分層l

地層初始溫度及變化l土性，粒徑、密度、塑限與液限、含水量、飽和度l

土的熱參數(shù)的獲取，經(jīng)驗或試驗

l

可能產(chǎn)生凍脹的土層，細(xì)粒土的實驗室實驗3凍結(jié)法原理與設(shè)計原則第二十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日

l

融或不可融礦物質(zhì)l

地下水，水位、變化波動范圍、流速、方向l

地下水的含鹽量l

凍土的強度和變形性質(zhì)（3）在技術(shù)方法方面

凍結(jié)制冷方式，制冷機(jī)、液氮或其它凍結(jié)方式

3凍結(jié)法原理與設(shè)計原則第二十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日

（1）

地質(zhì)、水文地質(zhì)及土性研究 ——土礦物種類 ——土密度 ——含水量 ——飽和度 ——滲透性 ——孔隙體積 ——稠度→凍結(jié)法的適宜性→凍結(jié)工作的可能性→凍結(jié)管的處理

（2）凍土性質(zhì) ——蠕變試驗 ——三軸試驗 ——凍脹試驗→與時間、溫度和荷載有關(guān)的強度和變形性質(zhì)（設(shè)計基礎(chǔ)）

（3）周圍建筑物的評價 ——上部建筑 ——工場管線 ——交通道路→凍結(jié)工作的處理→變形，尤其是凍脹（4）凍土體設(shè)計 ——凍土體中的力和應(yīng)力→凍土體的理論尺寸（5）測量程序 ——變形和溫度量測→工作的觀測與控制（采用特殊措施的判定基礎(chǔ)）必要的預(yù)研究項目第二十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日設(shè)計工作內(nèi)容

進(jìn)行一項技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的巖土凍結(jié)工程的前提是在凍結(jié)施工前進(jìn)行凍結(jié)設(shè)計。工程意義上的凍結(jié)項目的設(shè)計工作包括：凍土體結(jié)構(gòu)形式、支護(hù)方法、凍結(jié)方案、凍土體尺寸、凍結(jié)管布置、凍結(jié)過程、凍結(jié)時間、凍結(jié)系統(tǒng)、凍結(jié)設(shè)備、監(jiān)測等3凍結(jié)法原理與設(shè)計原則第二十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日凍結(jié)項目的設(shè)計工作 l

設(shè)計凍土體結(jié)構(gòu)形式，需考慮如下因素

—地質(zhì)、水文地質(zhì)條件 —滿足工程強度和/或密封需求 —方便施工 —節(jié)省投資 l臨時支護(hù)方法

—純凍結(jié) —與其它加固方法組合3凍結(jié)法原理與設(shè)計原則第二十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日 l

優(yōu)選凍結(jié)方案

—

一次凍結(jié)

—

分期凍結(jié)

l

確定凍土體尺寸

—確定外載荷

—確定平均溫度

—試驗凍土強度

—計算凍土結(jié)構(gòu)強度與穩(wěn)定性3凍結(jié)法原理與設(shè)計原則第二十七頁，共六十四頁，2022年，8月28日

l

合理布置凍結(jié)管

—確定布置方式：垂直、傾斜、水平、混合

—確定凍結(jié)管深度

—確定凍結(jié)管間距

l

選擇凍結(jié)階段的凍結(jié)過程

—連續(xù)凍結(jié)、凍結(jié)溫度

—間歇凍結(jié)、凍結(jié)溫度 l

凍結(jié)時間確定

—

凍結(jié)速率

—

積極凍結(jié)時間

—

維護(hù)凍結(jié)時間

—與巖土工程施工的銜接

3凍結(jié)法原理與設(shè)計原則第二十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日 l

凍結(jié)系統(tǒng)設(shè)計 —選擇制冷劑、冷媒劑 —計算制冷量 —制冷系統(tǒng)設(shè)計 l

凍結(jié)設(shè)備選型 —選擇制冷機(jī)組 —布置凍結(jié)管路

l

監(jiān)測設(shè)計 —監(jiān)測目的與內(nèi)容（溫度、變形、壓力等） —監(jiān)測傳感器 —監(jiān)測系統(tǒng)第二十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日3凍結(jié)法原理與設(shè)計原則3.2凍結(jié)施工步驟一般地，用氨——鹽水循環(huán)制冷系統(tǒng)進(jìn)行土體凍結(jié)工程施工主要有三大部分組成，即——凍結(jié)站安裝——凍結(jié)孔施工——土體凍結(jié)第三十頁，共六十四頁，2022年，8月28日3凍結(jié)法原理與設(shè)計原則凍結(jié)站安裝—凍結(jié)站位置選擇。以供冷、電、水及排水方便為原則，考慮對環(huán)境的影響以及消防、通風(fēng)等安全要求，靠近工地—凍結(jié)站設(shè)備布置。一般站內(nèi)布置氨循環(huán)系統(tǒng)和鹽水循環(huán)系統(tǒng)，站外布置冷卻水循環(huán)系統(tǒng)—凍結(jié)站安裝程序。凍結(jié)站安裝可與凍結(jié)孔鉆進(jìn)同時進(jìn)行—管路耐壓密封試驗。安裝完畢，進(jìn)行耐壓、密封試驗—管路隔熱保溫。低壓、低溫部分隔熱、保溫，減少損失—管路灌注制冷劑和冷媒劑若設(shè)計用液氮凍結(jié)凍結(jié)，則凍結(jié)站安裝工作要簡化得多

第三十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日3凍結(jié)法原理與設(shè)計原則凍結(jié)孔施工

—鉆孔布置

—凍結(jié)孔鉆進(jìn)

—凍結(jié)孔測斜

—凍結(jié)管安裝土體凍結(jié)

—鹽水流量觀測

—管路溫差觀測

—土體溫度觀測

—確定凍結(jié)時間第三十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日3立井工程凍結(jié)法

3.1概述

120年，含水、軟弱、不穩(wěn)定地層礦山立井建設(shè)的成熟技術(shù)國外：第三十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日凍結(jié)法鑿井利用氨循環(huán)制冷系統(tǒng)。為形成能抵抗地壓、隔絕地下水的凍結(jié)壁，首先在欲開挖井筒周圍鉆進(jìn)一定數(shù)量凍結(jié)孔，安設(shè)凍結(jié)器。凍結(jié)站制出的-25~-35℃低溫鹽水，經(jīng)去路鹽水干管（12）、配液圈（13）到供液管底部、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（15）、回路鹽水干管（16）至蒸發(fā)器（2）——形成鹽水循環(huán)第三十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日低溫鹽水在凍結(jié)器中流動，吸收周圍地層熱量，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)計厚度和強度。通常將凍結(jié)壁擴(kuò)展到設(shè)計厚度所需的時間稱為積極凍結(jié)期，將維護(hù)凍結(jié)壁的期間稱作消極（或維護(hù)）凍結(jié)期。第三十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日吸收了地層熱量的鹽水，在鹽水箱內(nèi)將熱量傳遞給蒸發(fā)器中的液氨，使液氨變?yōu)轱柡驼魵獍?，再被氨壓縮機(jī)（4）壓縮成過熱蒸氣進(jìn)入冷凝器（7）冷卻，將地層和壓縮機(jī)產(chǎn)生的熱量傳遞給冷卻水，最后將這些熱量傳給大氣。第三十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日凍結(jié)法鑿井主要工藝過程包括：

——

冷凍站安裝

——

鉆孔施工

——

井筒凍結(jié)

——

井筒掘砌等四大內(nèi)容

3立井工程凍結(jié)法第三十七頁，共六十四頁，2022年，8月28日3.2凍結(jié)方案針對不同水文、地質(zhì)和工程條件，采用不同凍結(jié)方案，以達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效益。實際工程常用凍結(jié)方案有：l

一次凍全深所有凍結(jié)孔的深度與最大凍結(jié)深度一致，并且全深一次凍結(jié)形成凍結(jié)壁的凍結(jié)方式。包括單圈管、雙圈管和異徑管。一般采用單圈管凍結(jié)方案，即只在井筒周圍布置一圈凍結(jié)管當(dāng)表土厚，要求凍結(jié)壁厚、平均溫度低時可采用雙圈管凍結(jié)，即在井筒周圍布置兩圈凍結(jié)管為加速上部凍結(jié)，盡早開挖，可采用上粗下細(xì)異徑管凍結(jié)，上部凍結(jié)管吸熱面積大，凍結(jié)快，下部管吸熱面積小，凍結(jié)慢第三十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日l

長短管（差異）凍結(jié)方棠長短管凍結(jié)，又稱“差異凍結(jié)”——指凍結(jié)管的深度不同，長短管交錯布置于一圈上，一次凍結(jié)形成凍結(jié)壁的凍結(jié)方式。此方案主要用于同時凍結(jié)沖積層和含水基巖的情況。長管超出短管深度的部分主要任務(wù)是凍結(jié)基巖、封堵地下水，而上部分則與短管共同形成承受水土壓力的凍結(jié)壁。3立井工程凍結(jié)法第三十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日l

分段（分期）凍結(jié)方案當(dāng)凍結(jié)深度較大，且水文、工程地質(zhì)條件比較適宜時，可將整個凍結(jié)深度自上而下分為數(shù)段，分段凍結(jié)形成凍結(jié)壁。這一方案的凍結(jié)管布置方式與一次凍全深相同，只是采用不同結(jié)構(gòu)的凍結(jié)器來實現(xiàn)分段凍結(jié)的目的

分期凍結(jié)凍結(jié)器1配液圈2集液圈3閥門4凍結(jié)管5、6供、回液管

3立井工程凍結(jié)法第四十頁，共六十四頁，2022年，8月28日l

局部凍結(jié)方案當(dāng)只有局部地層需要凍結(jié)時，可采用局部凍結(jié)方案局部凍結(jié)凍結(jié)器隔板(b)壓氣隔離(c)鹽水隔離(d)上下凍結(jié)3立井工程凍結(jié)法第四十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日3立井工程凍結(jié)法3.3熱力分析凍結(jié)壁的形成凍結(jié)鋒面——巖土凍結(jié)過程中，孔隙水開始發(fā)生結(jié)冰相變的面稱為，是凍土與未凍土的分界面。凍結(jié)前地層有均一的初始溫度。凍結(jié)初期，低溫鹽水與凍結(jié)管周圍的地層產(chǎn)生劇烈的熱交換，在每個凍結(jié)管周圍很快形成圓柱形的凍結(jié)巖土柱第四十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日由于相鄰凍結(jié)管間的影響，軸面比主面凍結(jié)更快，凍土柱由圓柱形變?yōu)闄E圓形，再進(jìn)一步擴(kuò)展，直至相交圈，在井筒周圍形成封閉的凍土墻—凍結(jié)壁。交圈后，原凍結(jié)管的凍結(jié)鋒面連成向井內(nèi)擴(kuò)展的內(nèi)凍結(jié)鋒面和向井外擴(kuò)展的外凍結(jié)鋒面，且內(nèi)、外凍結(jié)鋒面很快地趨于平滑，當(dāng)界面上的凍結(jié)壁厚度等于凍結(jié)管的間距時，內(nèi)、外凍結(jié)鋒面就基本上變成以井筒為中心的圓柱面。第四十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日凍結(jié)管測溫點凍結(jié)鋒面的擴(kuò)展第四十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日凍結(jié)孔存在偏斜——凍結(jié)鋒面形狀不是規(guī)則園柱面在交圈初期：凍結(jié)鋒面向內(nèi)發(fā)展速度較交圈前慢，但隨內(nèi)側(cè)未凍土范圍熱量減小，鋒面向井心推進(jìn)速度加快，而凍結(jié)鋒面向井外的擴(kuò)展速度較慢，擴(kuò)展至距凍結(jié)管布置圈2~3rn處，擴(kuò)展速度十分緩慢，來自未凍土區(qū)熱量與來自凍結(jié)管的冷量趨于平衡，溫度場趨于穩(wěn)定，凍結(jié)壁漸成以井筒為中心的園筒體。一般凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)厚度占凍結(jié)壁總厚的0.55~0.6倍第四十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日立井凍結(jié)溫度場研究凍結(jié)過程中土體溫度隨時間變化的規(guī)律。在凍結(jié)鑿井中，常以主面、界面和軸面這三個特征面上的溫度分布作為判斷凍土形成過程、控制溫度揚的依據(jù)?！爸髅妗保哼^井筒中心與凍結(jié)管中心的豎直平面“界面”：過井心和相鄰管中心連線中點的豎直平面“軸面”：過兩個相鄰凍結(jié)管中心的豎直平面3立井工程凍結(jié)法第四十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日三個特征面溫度狀況表征凍結(jié)溫度場基本特點，是測溫的主要對象，尤其是界面與軸面交點上的溫度值直接關(guān)系到凍結(jié)園柱是否交圈。

凍結(jié)過程凍結(jié)擴(kuò)展1主面2軸面3界面4凍結(jié)管5井筒中心

3立井工程凍結(jié)法第四十七頁，共六十四頁，2022年，8月28日凍結(jié)溫度場求解求解溫度場是進(jìn)行熱力計算的重要工作、是進(jìn)行靜力計算的重要前提，目的l

求凍結(jié)壁的平均溫度，確定凍土強度；l

確定凍結(jié)鋒面的位置，計算凍結(jié)壁的厚度；l

計算熱量，確定凍結(jié)站的制冷能力；確定凍結(jié)壁的擴(kuò)展速度，估算積極凍結(jié)時間。

3立井工程凍結(jié)法第四十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日由于凍結(jié)壁在豎直方向的尺寸較水平方向大得多，且在凍結(jié)過程中土層在豎直方向的熱傳導(dǎo)相對弱得多，故立井凍結(jié)溫度場可簡化為平面軸對稱間題凍結(jié)溫度場的求解間題是一個有相變、移動邊界、內(nèi)熱源、邊界條件復(fù)雜的不穩(wěn)定導(dǎo)熱問題。立井凍結(jié)溫度場

3立井工程凍結(jié)法第四十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日立井凍結(jié)主面、界面溫度試驗研究：當(dāng)凍結(jié)壁厚度與凍結(jié)管間距相同時，凍結(jié)壁的兩個凍結(jié)鋒面就成了與井筒同心的圓柱面；凍結(jié)壁向內(nèi)側(cè)發(fā)展得快，約占總厚度的55%~60%，主、界面溫度分布試驗結(jié)果

3立井工程凍結(jié)法第五十頁，共六十四頁，2022年，8月28日為能估算凍結(jié)壁體內(nèi)的平均溫度、凍結(jié)壁交圈時間、確定凍結(jié)壁的強度，須研究軸面溫度分布軸面溫度分布試驗研究結(jié)果

3立井工程凍結(jié)法第五十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日由于凍結(jié)管內(nèi)的溫度是時空變化的，為估算凍結(jié)壁的強度，又必須度量溫度，在工程中首先要確定凍結(jié)壁內(nèi)的平均溫度。凍結(jié)壁平均溫度的確定可按圓管穩(wěn)定導(dǎo)熱求解，也可根據(jù)試驗、實測和模擬計算結(jié)果擬合得到。l

圓管穩(wěn)定導(dǎo)熱計算方法交圈前：凍土溫度場可視為以凍結(jié)管為中心的圓管穩(wěn)定導(dǎo)熱交圈并達(dá)設(shè)計厚度后：以井心為中心的兩個圓管穩(wěn)定導(dǎo)熱：內(nèi)側(cè)凍結(jié)鋒面與凍結(jié)管布置圈構(gòu)成的圓管I、由凍結(jié)布置圈與外側(cè)凍結(jié)鋒面構(gòu)成的圓管II3立井工程凍結(jié)法第五十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日3立井工程凍結(jié)法第五十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日

3.4靜力計算

凍結(jié)壁厚度的確定是凍結(jié)設(shè)計中的一項重要工作，無內(nèi)忖支護(hù)設(shè)計主要基于經(jīng)驗公式。最早、最簡單的公式是Lame公式，其中如凍結(jié)壁溫度梯度、強度隨溫度變化、凍土蠕變等許多凍土性質(zhì)未能得以反映，所得凍結(jié)壁厚度比新近研究的凍結(jié)壁設(shè)計方法的厚度大得多。3立井工程凍結(jié)法第五十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日隨著凍結(jié)壁厚度設(shè)計計算方法的發(fā)展，凍結(jié)壁材料經(jīng)歷了多種假設(shè)，如完全彈性、部分彈性、部分塑性、完全塑性和完全粘性材料等凍結(jié)壁材料模式(a)完全彈性(b)部分彈性、部分塑性(c)完全塑性3立井工程凍結(jié)法第五十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日凍結(jié)壁的變形在時間和空間上是非線性的，變形對于凍結(jié)管和井壁的安全至關(guān)重要凍結(jié)壁變形與多種因素有關(guān)，除上述計算分析方法外，目前國內(nèi)外大量應(yīng)用有限元分析和物理模擬試驗的方法進(jìn)行計算。而物理模擬試驗成為凍結(jié)壁問題研究的主要手段。

3立井工程凍結(jié)法第五十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日山東郭屯礦井實例6立井工程凍結(jié)法主要技術(shù)參⑴凍結(jié)方式：三圈孔加防片孔；

⑵凍結(jié)壁厚度:10.5m；凍結(jié)壁平均溫度-20℃；

⑶凍結(jié)圈徑：外25.5m、中19m、內(nèi)15m、防13/12.5m；

凍結(jié)深度：外605m、中702/605m、內(nèi)590m、防235m；

凍結(jié)孔數(shù)：外48個、中23/23個、內(nèi)23個、防8/8個；

開孔間距：外1.67m、中1.29m、內(nèi)2.05