冻结法原理及应用

摘要冻结法施工在公路隧道、基坑等工程中已被世界各国的工程界广泛地使用,可为地下工程的施工提供更加安全、便利的施工条件。

阐述了冻结法加固地层的原理及优点,结合工程实例介绍了冻结法在地铁工程中的应用,并就冻结法加固的水平钻孔及土体的冻胀、融沉问题进行了分析研究。

关键词地铁,地基加固,冻结法施工1 冻结法加固地层的原理及优点1.1 冻结法加固地层的原理冻结技术源于天然冻结现象。

人类首次成功地使用人工制冷加固土壤,是在1862年英国威尔士的建筑基础施工中。

1880年德国工程师F.H.Poetch首先提出了人工冻结法原理,并于1883年在德国阿尔巴里煤矿成功地采用冻结法建造井筒。

从此,这项地层加固特殊技术被广泛地应用到世界许多国家的矿井、隧道、基坑及其它岩土工程建设中,成为岩土工程,尤其是地下工程施工的重要方法之一。

冻结法加固地层的原理,是利用人工制冷的方法,将低温冷媒送入地层,把要开挖体周围的地层冻结成封闭的连续冻土墙,以抵抗土压力,并隔绝地下水与开挖体之间的联系;然后在这封闭的连续冻土墙的保护下,进行开挖和做永久支护的一种地层特殊加固方法。

进入地层内的冷媒通过进、回管路与地层相连,通过冻结管与地层进行热交换,将冷量传递给周围地层,而将地层中热量带走。

由此使冻结管周围地层由近向远不断降温,逐渐使地层中的水变成冰,把原来松散或有空隙的地层通过冰胶结在一起,形成不透水的冻土柱。

若干个这样的冻结管排列起来,通过冻结管内的冷媒不断循环,使这些冻结管周围土都冻成冻土柱。

随着冻土柱半径不断扩展,相邻冻土柱就会相连,彼此通过冰紧密结合在一起,形成密封连续墙。

1.2 冻结法施工的优点1)封水性———有自由水(一般情况下含水率应大于10%,否则要采取增加土层湿度的辅助工法)就能冻结成冻土,形成冻土壁。

无论是透水层,还是隔水层,冻土壁可以阻隔地下水侵入,形成干燥的施工环境。

2)强度高———一般认为冻土是一种黏弹塑性材料,其强度同土质、容重、含水率、含盐量及温度等因素有关,一般可达到2~10 MPa,远大于融土强度,从而起到结构支撑墙的作用。

第1章冻结法1、冻结法的定义、实质、特点。

----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。

-----冻结法的实质：利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。

---- 冻结法的特点：能有效隔绝地下水；适用性强，几乎不受地层条件限制；灵活性好；污染性小；经济合理；2、冻结法的三大循环系统、各系统的功能。

三大循环系统：盐水循环、氨循环和冷却水循环。

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，必须将压缩机中之饱和蒸汽氨（1）压缩成为高压高温的过热蒸汽（2），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（3），实现气态到液态的转变。

液态氨经节流阀将压流入蒸发器中蒸发，再吸收其周围盐水中之热量(地热)变为饱和蒸汽氨。

第1章冻结法2、冻结法的三大循环系统、各系统的功能。

三大循环系统：盐水循环、氨循环和冷却水循环。

盐水循环：在制冷过程中起着冷量传递作用。

循环方式分类。

冷却水循环：在制冷过程中作用是将压缩机排出的过热蒸汽冷却成液态氨，以便进入蒸发器中重新蒸发。

二级压缩增加中间冷却器，其作用是冷却过热蒸汽氨，过冷液态氨。

3、冻结井筒掘进施工的特点。

井内无淋水、涌水，不需井筒排水设备，无需临时支护，设备防冻。

4、掘进段高的影响因素。

掘进段高是指掘进段未经支护的高度。

岩土性质、地压、掘进速度、平均温度、冻结壁形成过程等。

5、冻结井壁的结构型式。

钢筋混凝土双层复合井壁的组成及各部分功能。

单层钢筋混凝土井壁、钢筋混凝土双层复合井壁等。

钢筋混凝土双层复合井壁组成部分：内层井壁(密封、承受水压)、外层井壁(临时支护、承受冻结压力、永久地压)、内外层井壁间塑料板(隔热、解除内外壁约束)、外层井壁和冻结壁间泡沫板(隔热、缓压)。

6、常用冻结方案及其适用条件。

冻结法
冻结法施工是利用冻土具有强度高、可隔水的性质进行土层加固，然后在冻土壁的围护下进行地下结构施工，其原理是将低温冷媒(通常为低温盐水)送入地层，通过热质交换来冻结地层。

土冻结后强度显著提高，若冻土形成连续、封闭冻土壁则可以起到支护、隔水的作用，可以在冻土壁的维护下进行地下空间施工。

人工水平冻结法能够适应复杂的工程地质和水文地质，其冻结管布置具有任意性, 用作地层加固时，冻土壁形状不受加固场合的限制;冻土壁具有隔水性，不需进行基坑排水，可避免因抽水引起的地基沉降对邻近建筑物的影响，冻结地层具有复原性，施工结束土层恢复原状，对土层破坏小，不会影响日后建筑物管线的埋设。

人工冻结法的施工工艺流程主要包括以下五个阶段：
①冻结工作站安装；
冻结工作站主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀、中间冷
却器、低温盐水循环系统设备组成。

②铺设冻结管；
钻冻结孔，在冻结孔内设置冻结器, 将不同冻结孔内的冻结器
连成一个系统，并与冻结站连接。

③积极冻结期；
冻结壁首先从每个冻结管向外扩展，在每个冻结管周围形成冻
结圆柱，当各冻结管的冻结圆柱交圈时，随着冻结时间的延长，地
层的平均温度逐渐降低，冻土墙的强度也逐渐增大。

当地层温度达
到设计温度时，该阶段结束。

④维护冻结期；
此阶段主要是补充地层的冷量损失，维持地层的温度稳定。

⑤解冻期；
当地层开挖和永久结构施工完成，就可以解冻，拔除冻结管。

地铁施工技术交流材料冷冻法联络通道施工技术及风险控制措施一、冻结法的基本原理与特点采用冻结法对地层土体进行加固，是指利用人工制冷技术,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。

1、岩土冻结实质岩土冻结性质的改变，即将含水地层（松散土层或裂隙岩层）冷却至结冰温度下,使土中孔隙水或岩石裂隙水变成冰,岩土的性质发生重要变化,形成一种新的工程材料--“冻土” .2、冻土结构特点而冻土结构具有较高的强度和绝对的封水性.3、冻土结构功能冻土结构的承载功能和封水的不承载功能。

4、制冷方法其制冷技术方法，通常使用制冷设备,利用物质由液态变为气态,即气化过程的吸热现象来完成的。

4。

1、有两种类型:⑴、冷媒剂（盐水）吸热：氨 (—33.4℃)；干冰（—78。

5℃)；⑵、直接气化吸热:液氮(—195.8℃)；干冰（—78。

5℃）4。

2、冻结系统常有两种类型：⑴、封闭系统（盐水冻结）；⑵、开放系统（液氮冻结）5、冻结法的适应性冻结法加固与其它加固方法相比，其适应性更强,能够适应粘土、粉土、砂层以及砾石、卵石等任何地层。

6、冻结法的特点6。

1、冻土帷幕的变化性：⑴、冻土范围可变；⑵、冻土温度可变；⑶、冻土强度可变（强度是温度的函数)6.2、冻土帷幕的连续性：水在负温下结冰的必然性;6.3、冻土帷幕的可知性:通过温度测试可判断冻结范围、冻土强度7、冻结法施工的优点7.1、安全性好:⑴、冻土强度较高;⑵、冻土连续性可靠、封水性好7.2、适用性强：⑴、适用于几乎所有具有一定含水量的松散地层（包括岩石）;⑵、复杂地质条件可行(流砂、大深度、高水压）7.3、灵活性高：⑴、冻土帷幕性状（范围、形状、温度、强度）可控8、冻结法施工缺点由于冻结法所形成的冻土帷幕其范围、温度、强度具有变化性，其冻结范围、强度随温度的变化而变化，如果供冷不足或外部热源可导致冻土帷幕性能（范围、强度）退化，安全性能降低，施工风险增大。

总结人工冻结法原理和特点冻结法是一种使用人工制冷的方法，将待开挖的地下空间周围的土地中的水冻结为冰，并且与土体胶结在一起，形成一个按照设计轮廓的冻土墙或密闭的冻土体，用于抵抗土压力，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。

作为一种成熟的施工方法，冻结法施工技术，在国际上，被广泛应用于城市建设和煤矿建设中。

我国采用冻结法施工技术至今已有四十多年的历史，早先一般应用于竖井工程，后来冻结法工艺被广泛应用于我国特大城市的城市地铁工程施工中，由于如今超级高层建筑和地下工程的不断增多，冻结法施工在深基坑支护中也开始了广泛的应用。

1、使用人工冻结法进行地下工程施工的基本原理和特点人工冻结法施工是利用人工制冷技术，使地层中的水变成冰，然后把岩土变成冻土，使其增加强度还有稳定性，隔绝地下水与地下工程之间的联系，从而方便在冻结壁的保护下进行地下工程的施工的技术。

冻结壁是一种临时支护的结构，永久支护形成后，停止冻结，冻结壁就会融化。

岩土工程的冻结还有制冷技术通常情况下，都是利用物质由液态变为气态，就是液体气化过程中吸收热的现象来完成的。

使用冻结法进行地下工程施工适用于各类地层，特别是在，城市地下管线密布施工条件困难地段的施工，经过多年来国内外施工的实践经验证明使用冻结法进行地下工程施工有以下特点：1.1、冻结法进行地下工程施工可有效隔绝地下水，其抗渗透性能是其他任何方法不能相比的，对于含水量大于10%的任何含水松散，不稳定地层均可采用冻结法施工技术。

1.2、冻结法进行地下工程施工时，冻土帷幕的形状和强度，可视施工现场条件，地质条件灵活布置和调整，冻土强度一般可达五到十兆帕，能够有效的提高工效。

1.3、使用冻结法进行地下工程施工比较环保对周围环境无污染，没有异物进入土壤中，噪音比较小，冻结结束之后，冻土墙会融化掉，不会影响建筑物周围地下的结构。

1.4、使用冻结法进行地下工程施工由于其便捷性，能够有效地缩短施工的工期，从而可以降低建筑成本。

第1篇一、冻结法的原理冻结法施工的砂浆不掺任何抗冻化学剂，允许砂浆在铺砌完成后自然受冻。

在低温条件下，砂浆中的水分子逐渐结晶，形成冰晶。

这些冰晶在砂浆中产生压力，使得砂浆颗粒紧密排列，从而提高了砂浆的冻结强度。

当气温升高，砌体解冻时，砂浆强度仍然保持不变。

随着气温进一步升高，水泥水化作用重新进行，砂浆强度可继续增长。

二、冻结法的适用范围冻结法适用于以下情况：1. 室外气温低于0℃的砌体工程；2. 砌体结构不承受侧压力、振动或动荷载；3. 砌体在解冻期间不允许发生沉降。

三、冻结法的施工工艺1. 砌筑前，确保砂浆、砖块等材料符合施工要求，无冻结现象。

2. 采用“三一”砌筑法，即一砖、一铲、一砂浆。

砌筑过程中，确保砂浆饱满，砖块排列整齐。

3. 砌筑过程中，采用水平分段施工，墙体一般应在一个施工段范围内，砌筑至一个施工层的高度，不得间断。

4. 每天砌筑高度和临时间断处均不宜大于12m。

不设沉降缝的砌体，其分段处的高差不得大于4m。

5. 砌筑完成后，及时在砌筑表面进行保护性覆盖，砌筑表面不得留有砂浆。

6. 施工过程中，应定期检查砌体的沉降情况，确保砌体在解冻期间均匀沉降，避免出现裂缝。

四、冻结法的注意事项1. 砌筑前，应做好材料预热工作，提高砂浆和砖块的温度，减少冻结现象。

2. 搅拌砂浆时，水的温度不得超过80℃，砂的温度不得超过40℃。

3. 砂浆稠度应较常温适当增大，以提高砂浆的冻结强度。

4. 施工过程中，应密切关注气温变化，确保砌体在适宜的低温条件下冻结。

5. 解冻期间，应加强砌体的沉降监测，确保砌体均匀沉降。

总之，砌体工程冬季施工冻结法是一种在低温环境下保证砌筑作业顺利进行的技术方法。

通过合理施工和注意事项的落实，可以确保砌体工程在冬季施工中的质量和安全。

第2篇一、冻结法的原理和适应范围冻结法施工的砂浆在铺砌完后就允许受冻，通过冻结、融化和硬化三个阶段，砂浆强度会逐渐增长。

在冻结阶段，砂浆可以获得较大的冻结强度，而且冻结强度随气温降低而增高。