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。

冻结法施工原理
冻结法施工原理是一种利用低温使土壤结冰，形成一个具有一定强度和稳定性的冻结区域的方法。

其主要原理是通过控制冻结区域的温度使土壤结冰，形成一层坚固的冰壁，从而实现对土体的固化和加固。

冻结法施工原理可以简述为以下几个步骤：
1. 降低温度：通过向冻结区域注入冷冻液或通过制冷机等设备降低温度，使土壤开始结冰。

2. 结冰过程：冷却后的水在渗透土体时，会与土壤中的热量交换，导致土壤的温度逐渐下降，达到冰点以下，形成冰的晶核。

然后这些晶核会不断生长，直至整个土体结冰。

3. 冻结区域的控制：通过控制冷却液的温度和注入速度，可以控制冻结区域的范围和形状。

一般情况下，冻结区域可通过在土体周围布置冻结管，使冷冻液沿管道循环流动，从而形成一个闭合的冻结区域。

4. 维持冻结状态：一旦土体结冰形成冻结带后，需要维持其冻结状态，以防止结冰带的融化。

通常采用持续供应低温冷冻液或通过加热外表面的方法保持冻结带的稳定。

冻结法施工原理主要适用于土层中有大量水分或含有一定量可渗透的水时。

它可以用于基坑围护、地下工程的封固、地铁等
工程中。

该方法可以有效地增强土体的强度和稳定性，并可以减少渗水问题的发生。

冻结法1、特点冻结法适用于各类地层尤其适合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冻结法施工有以下特点：1、可有效隔绝地下水，其抗渗透性能是其它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；2、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，冻土强度可达5-10Mpa，能有效提高工效；3、冻结法是一种环保型工法，对周围环境无污染，无异物进入土壤，噪音小，冻结结束后，冻土墙融化，不影响建筑物周围地下结构；4、冻结施工用于桩基施工或其它工艺平行作业，能有效缩短施工工期。

2、工艺原理冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，将松散含水岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水，以便在冻结壁的保护下，进行地下工程掘砌作业。

它是土层的物理加固方法，是一种临时加固技术，当工程需要时冻土可具有岩石般的强度，如不需要加固强度时，又可采取强制解冻技术使其融化。

3、工艺流程4、施工操作要点施工时,应不断对每个施工工序进行管理。

控制冻结孔施工、冻结管安装、冻结站安装、冻结过程检测的质量。

1、冻结孔施工1.1开孔间距误差控制在±20mm内。

在打钻设备就位前，用仪器精确确定开孔孔位，以提高定位精度。

1.2准确丈量钻杆尺寸，控制钻进深度。

1.3按要求钻进、用灯光测斜，偏斜过大则进行纠偏。

钻进3m时，测斜一次，如果偏斜不符合设计要求，立即采取调整钻孔角度及钻进参数等措施进行纠偏，如果钻孔仍然超出设计规定，则进行补孔。

2、冻结管试漏与安装2.1选择φ63×4mm无缝钢管，在断管中下套管，恢复盐水循环。

2.2冻结管(含测温管)采用丝扣联接加焊接。

管子端部采用底盖板和底锥密封。

冻结管安装完，进行水压试漏，初压力0.8MPa，经30分钟观察，降压≤0．05MPa，再延长15分钟压力不降为合格，否就近重新钻孔下管。

2.3冷冻站安装完成后要按《矿山井巷工程施工及验收规范》要求进行试漏和抽真空，确保安装质量符合设计要求。

冻结法凿井原理
冻结法凿井是一种利用冻土原理来进行凿井的方法。

其原理是
通过在地下水位以下的地层中注入冷冻液（通常是液氮或者盐水溶液），使地下水和土壤中的水分迅速冷却结冻，形成一层冻土围绕
井筒，从而形成临时的井壁。

在冻结的土壤中凿井可以避免塌方和
井壁坍塌的问题，从而使得凿井作业更加安全和稳定。

冻结法凿井的原理涉及到地下水和土壤的冷冻特性。

当冷冻液
注入地下后，其温度迅速降低，导致地下水和土壤中的水分迅速结
冻形成冻土。

这样一来，就形成了一个临时的井壁，使得井筒周围
的土壤得到了支撑，从而在凿井作业过程中避免了塌方和坍塌的风险。

在实际应用中，冻结法凿井通常需要在地下水位以下进行作业，因为只有在地下水位以下才能确保冷冻液充分接触到地下水和土壤
中的水分，从而形成坚固的冻土井壁。

此外，冻结法凿井还需要考
虑冷冻液的选择、注入方式、温度控制等因素，以确保冻结效果和
作业安全。

总的来说，冻结法凿井利用冻土原理，在地下水位以下注入冷
冻液，使地下水和土壤中的水分结冻形成临时的井壁，从而实现凿井作业。

这种方法能够有效地解决凿井过程中的安全隐患，是一种重要的凿井技术之一。

冻结法在地下施工中的运用随着城市化进程的不断加速，地下空间的开发已经成为城市规划的一个重要方面。

然而，地下空间开发所涉及的施工技术和管理难度极大，需要运用多种复杂的技术手段来实现。

其中，冻结法作为一种重要的技术手段，被广泛应用于地下管道、隧道和地铁等建设领域中。

本文将从冻结法的原理、运用案例及优缺点等方面进行探讨。

一、冻结法的原理冻结法是一种通过对土壤进行冻结，使其达到一定硬度，从而达到控制土体变形的目的。

一般来说，冻结法分为两个步骤：首先要在地下工程周围的土体中注入一定的冷却介质，如液氮或气氮来冷却土体；然后再注入一定的硬化介质，如水泥浆等，来增加土体的强度和硬度。

通过这些步骤，冻结法可以有效控制土体变形，从而确保地下工程的安全性。

二、冻结法在地下施工中的运用案例1. 地铁隧道建设在地铁的建设过程中，冻结法被广泛应用于隧道的施工。

比如在北京地铁23号线的建设过程中，冻结法被运用于隧道施工中。

通过对周围土体进行冷却和加固，成功地控制了隧道周围土体的变形和稳定，在施工过程中保证了地铁客运安全性。

2. 燃气管道铺设在燃气管道的铺设过程中，冻结法也是常见的施工技术。

比如在广州某燃气公司的项目中，采用了冻结法铺设燃气管道。

通过对管道周围土体的冷却和硬化，确保了管道施工过程中的安全和稳定。

三、冻结法在地下施工中的优缺点1. 优点冻结法可以有效控制土体变形，确保地下工程的安全性。

同时，冻结法还可以控制地下水位，减少水位的影响对施工的影响。

2. 缺点冻结法在施工过程中较为耗能和耗时，需要大量的冷却介质和硬化介质。

同时，冻结法在一些土体条件较差的地区并不适用。

总体而言，冻结法在地下施工中的运用具有极大的优势和灵活性，但也需要按照实际情况进行选择。

在今后的地下施工中，冻结法将继续发挥重要的作用。