冻结法施工技术建筑桩基础_建筑-安全文明施工.pdf

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1、特殊凿井 绪论 一、特殊凿井分类 特殊施工是相对于普通施工技术而言，可定义为：在松散不稳定含水地层，或在涌 水量很大的稳定裂隙岩层中，采用围岩加固、堵水、超前支护或采用大型钻井机械施工 的技术，这种技术主要有：冻结法、注浆法、钻井法、沉井法、混凝土帷幕法等表土施 工技术。深表土冻结法、沉井法、钻井法、注浆法。特殊凿井施工技术按其实质和特点可分为三类：1、超前支护类 在地下工程挖掘之前，采用超前支护以隔绝或减少流砂和地下水的涌入，然后在超 前支护的保护下掘进，属于此类者有：沉井法、混凝土帷幕法。2、围岩加固类 在地下工程开凿之前，采用措施暂时，永久地加固围岩，改善围岩的稳定条件，而 后进行掘砌作

2、业，如冻结法、注浆法等。3、机械破岩类 应用大型机械直接破岩、出矸，使卸掘砌作业机械化图钻井法等。二、岩特殊凿井的历史 53 年 新汶孙村矿注浆井首次采用深井法。55 年 新汶张庄矿首次在井筒进行工作面预注浆 55 年 开滦矿物局林西矿采用冻结法（波兰设计与施工）56 年 开滦矿物局唐家矿采用冻结法（苏联指导，自己设计施工）58 年 峰峰矿物局薛村矿主井采用地面预注浆 69 年 淮北矿物局朔利村南风井采用钻井法 74 年 鹤岗矿物局兴安矿南风井采用混凝土帷幕法 目前：沉井法（沉箱法）于90年代在煤矿使用，软表土地基中土建工程用的很多。沉 深192m 曲阜单家村主副井，上海基础公司沉井。帷混凝土

3、帷幕法84年施工新汶鄂庄注浆井是使用，单深57m主要用于地下挡土 墙，水电部的应用较多，钻井法主要在西淮地区，9m单深513m 冻结法，目前龙崮主副风井三个井筒采用，副井冻结深度650m巨野煤田郭屯冻 结达到702m国投新集口孜东主井冻深 737m万福主井894m万福副风井840mm 注浆法 遍及各矿区主井，平巷，硐室均在采用。主要内容：冻结法、注浆法、钻井法、沉井法、混凝土帷幕法 看录像。第一章：冻结法施工 冻结法应用较多，尤其对深层表土的矿区，目前冻结法施工逐渐有城市的地铁发展，这里我们以矿区为例介绍。1、概述 冻结法凿井既是在井筒开挖之前，用人工制冷的方法，将井筒周围的岩层冻结形成 封闭

4、的圆筒冻结壁，以抵抗地压，隔绝地下水与井筒的联系，然后在其保护下，进 行掘砌工作的 一种特殊施工方法，其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地 返回 盐水箱 降温 蒸发皿+低温盐水 再进入冻结管 多次循环 -液态氨 蒸发后 吸收盐水热量 高压液氨 减压阀 降压 饱和气氨*液态氨*高压过热气氨 与降温器 降温 4 再次进入蒸发皿，形成氨循环系统 为了形成冻结壁，首先在井筒周围打一定数量的冻结孔，并安装冻结器，冷冻站制 出的低温盐水（-30C）送给冻结器，以吸收地层热量，使土层冻结形成具有一定厚度 和强度的冻结壁，最后在冻结壁保护下进行井筒掘砌。为此，冻结法凿井可分为：打钻 冻结 掘砌 三大工

5、作内容。三大工作内容中，冻结为重点，也是难点，低盐水在地下如何把土层变成冰层的，实际上就使几个热平衡问题，常讲制冷三大循环。岩层降温，形成冻结壁 土层热量被盐水吸收。氨循环系统高温盐水靠氨的状态变化而降温的，即氨吸热，液氨吸热蒸发变 成气态氨，那么气氨如何变为液氨呢？盐水热量被氨吸收 冷却水系统气氨变液氨的实现，靠冷却水系统来实现压缩后 作功 大的稳定裂隙岩层中采用围岩加固堵水超前支护或采用大型钻井机械施工的技术这种技术主要有冻结法注浆法钻井法沉井法混凝土帷幕法等表土施工技术深表土冻结法沉井法钻井法注浆法特殊凿井施工技术按其实质和特点可分为三属于此类者有沉井法混凝土帷幕法围岩加固类在地下工程开

6、凿之前采用措施暂时永久地加固围岩改善围岩的稳定条件而后进行掘砌作业如冻结法注浆法等机械破岩类应用大型机械直破岩出矸使卸掘砌作业机械化图钻井法等二岩特殊采用冻结法波兰设计与施工年开滦矿物局唐家矿采用冻结法苏联指导自己设计施工年峰峰矿物局薛村矿主井采用地面预注浆年淮北矿物局朔利村南风井采用钻井法年鹤岗矿物局兴安矿南风井采用混凝土帷幕法目前沉井法沉箱法于年 低温水冷H 高温水冷却水池低温水字二冷凝器=二水吸收气氨热 升温 降温 压送 量，并把这热分传到大气中去。三大循环中，重点使氨循环系统，即制冷系统。除此之外，液有采用液氨冻结，液氨制冷，无需三大循环，主要靠液氨气化吸收地 热制冷。2、制冷原理 一

7、、焓、熵及压焓图 1、焓（h）为状态参数，h=u pv KJ/kg 其物理意义：在开口系统中，工质某状态的焓等于该状态的内能与流动功之和，它 是温度的单值函数，.hnCpmTz-T!kJ/kg，Cpm定压平均比热。两点焓差只与两点温度有关。2、熵（s）d 状态参数，ds二卡kJ/kg.k 微熵 其物理意义为：工质熵的变化，等于工质从热源吸收的热量除以热源温度所得之商 它也是温度的单值函数。S=CvrJn T2 Rln Ti W 式中：Cvm定容平均比热，R气体常数，大的稳定裂隙岩层中采用围岩加固堵水超前支护或采用大型钻井机械施工的技术这种技术主要有冻结法注浆法钻井法沉井法混凝土帷幕法等表土施工

8、技术深表土冻结法沉井法钻井法注浆法特殊凿井施工技术按其实质和特点可分为三属于此类者有沉井法混凝土帷幕法围岩加固类在地下工程开凿之前采用措施暂时永久地加固围岩改善围岩的稳定条件而后进行掘砌作业如冻结法注浆法等机械破岩类应用大型机械直破岩出矸使卸掘砌作业机械化图钻井法等二岩特殊采用冻结法波兰设计与施工年开滦矿物局唐家矿采用冻结法苏联指导自己设计施工年峰峰矿物局薛村矿主井采用地面预注浆年淮北矿物局朔利村南风井采用钻井法年鹤岗矿物局兴安矿南风井采用混凝土帷幕法目前沉井法沉箱法于年In 比容 3、压一焓图（hlogp图）各状态参数之间的函数关系 p=f X,t,v,s,h 图形中一点三区四线组成。一点K

9、临界点，一个体系将压力达到某一状态时，其饱和液体线和饱和蒸汽线 交于一点，此时，饱和液体和饱和蒸汽有着相同的压力、温度和比容。3 NH3：Pk=17.5Mpa,tk=1324C，vk=0.00413m3/kg 三区一一未饱和液体区（液态区）、温蒸汽区（过渡区）、过热蒸汽区（以x=0,x=1 为界）四线一一等干度线X，等温线t,等熵线V，（等压线P,等焓线h）等干度线一一1kg湿蒸汽中饱和蒸汽的含量，x=0.3表示1kg湿蒸汽中有0.3kg饱和 蒸汽。X=0饱和液体线，x=1饱和蒸汽线，将全区分为三个区域。在该图中，任给两曲线点，即可查出其它曲线值，见书后附图。二、一级压缩制冷原理 1、一级压缩

10、制冷理论循环 制冷过程即为三大循环过程，其循环系统设备主要为压缩机、冷凝器、蒸发器及节 流阀。如下图：f 一一送 0.15MPa/-E5,C 制冷过程可表述为：1）压缩过程（1 2）饱和蒸汽氨被压缩或高温高压的过热蒸汽。（115C，1MPa）2）冷却过程（2-3）过热蒸汽被冷凝器中20C冷却水降温或低温高压液体氨，（25C，1MPa）3）降压过程（3-4）液氨节流降压为低温低压的液氨（25C，0.15MPa）4）蒸发过程（41）液氨在蒸发器中气化，成低温低压饱和气体（25C,0.15MPa）吸收盐水热量而制冷，即制冷过程。实际上，氨制冷过程是一个卡诺逆循环过程，可用热力学中的 h logp图表

11、示。大的稳定裂隙岩层中采用围岩加固堵水超前支护或采用大型钻井机械施工的技术这种技术主要有冻结法注浆法钻井法沉井法混凝土帷幕法等表土施工技术深表土冻结法沉井法钻井法注浆法特殊凿井施工技术按其实质和特点可分为三属于此类者有沉井法混凝土帷幕法围岩加固类在地下工程开凿之前采用措施暂时永久地加固围岩改善围岩的稳定条件而后进行掘砌作业如冻结法注浆法等机械破岩类应用大型机械直破岩出矸使卸掘砌作业机械化图钻井法等二岩特殊采用冻结法波兰设计与施工年开滦矿物局唐家矿采用冻结法苏联指导自己设计施工年峰峰矿物局薛村矿主井采用地面预注浆年淮北矿物局朔利村南风井采用钻井法年鹤岗矿物局兴安矿南风井采用混凝土帷幕法目前沉井法

12、沉箱法于年1 2绝热压缩过程(等熵过程)汽氨被压缩机压缩成过热蒸汽，压力由蒸发压力 Po=0.05/令凝压力Pk(1MPa 蒸发温度 t0=25C,t2=115C 压缩机做功：I二h2-hi kJ/kg 2 3：等压冷却过程，过热蒸汽 2、*饱和蒸汽2，*饱和液体3 所放热量被冷却水吸收。冷凝器热荷载 qk=h2-h3 kJ/kg 3 4绝热降压过程(等焓过程)Pk(1 MPa)po(0.15 MPa)tk(+25C)t。(25C)温降是由液氨随汽化成湿蒸汽，吸收自身的热量的结果。4 1等温等压蒸发过程：氨蒸发吸收盐水的热量而制冷，氨由湿态变为饱和态，蒸 发器热荷载 q0=-h4 kJ/kg

13、制冷系数：；=q二h1七 I h2-h 由图可知：若氨经冷凝器冷却到3/点(h3/h3)，则单位制冷量q。二h3-h4 q。，可见降低冷却水温度对增加单位制冷量有重要作用。2、氨压缩机的制冷能力 因工作条件不同，有两种表示方法 标准制冷能力qb 指冷凝温度tk=30C,过冷温度tN=25C,蒸发温度t =15C条件下的每小时制冷量，KJ/h。压缩及名牌上的制冷能力既是 工作制冷能力q实际制冷能力：指压缩机在规定的冷凝温度、过冷温度和蒸发温度条件下每小时制冷量。冷冻站内实际制冷能力既是根据工作条件计算出来的。计算q(分四步)：冷凝温度tk、蒸发温度t0 设计时通常给出盐水温度ty、冷却水温度ts

14、，而盐水温度一般比蒸发温度高57C，大的稳定裂隙岩层中采用围岩加固堵水超前支护或采用大型钻井机械施工的技术这种技术主要有冻结法注浆法钻井法沉井法混凝土帷幕法等表土施工技术深表土冻结法沉井法钻井法注浆法特殊凿井施工技术按其实质和特点可分为三属于此类者有沉井法混凝土帷幕法围岩加固类在地下工程开凿之前采用措施暂时永久地加固围岩改善围岩的稳定条件而后进行掘砌作业如冻结法注浆法等机械破岩类应用大型机械直破岩出矸使卸掘砌作业机械化图钻井法等二岩特殊采用冻结法波兰设计与施工年开滦矿物局唐家矿采用冻结法苏联指导自己设计施工年峰峰矿物局薛村矿主井采用地面预注浆年淮北矿物局朔利村南风井采用钻井法年鹤岗矿物局兴安矿

15、南风井采用混凝土帷幕法目前沉井法沉箱法于年t0，tk Po，Pk*g,g=q0=h|h4 kJ/kg.m3/h 冷却水温度比冷凝温度低510C，从而得:k to=ty-（57）C tk 二 ts+（510）C 单位制冷量qo 氨循环量G（1小时氨循环量）kg/h 与压缩机的理论排气量有关：v 式中：v-气缸入口处氨的比容，m3/kg 九一一吸气系数，气缸余隙容积有一定损失,c-余隙系数，立式：c=1%VN 1小时压缩氨的体积（理论）2”兀D VN 二 N S n 60 4 式中：N 气缸数量，D 气缸直径，S活塞行程，n环数。工作制冷能力 q=Gq0=VN （-h4）KJ/h v 三、双级压缩

16、制冷原理（串联）对于深井冻结，地压大，若采用单级压缩制冷（蒸发温度-25C），冻结壁厚度将 很大，为加大冻土强度，减少冻结时间及冻结壁厚度，要求有较低的 盐水温度（-30C 以下），为获得低温而提出了双级制冷问题。单级压缩制冷要求，由压缩比 压8,压力差Pk P0 8时，压 P0 P0 缩机排气口压力大，温度过高，有可能超过润滑油的燃点，引起油碳化或造成爆炸事故，故当H 8时必须采用双级压缩制冷（引入中间压力 Pz，使-Pk8，B 7-+10J A冷却低压机排出的过热蒸汽，用高压机压缩、8 f 3 LB液体氨过冷，以获得较低制冷温度。双级压缩制冷过程同时也是一个卡诺逆循环过程，其热力循环也可用

17、 hlogp图表 示。1 2低压机做功（等焓过程）：h=十 KJ/kg 2 3 等压冷却：Pz k Pz，t2 tz 3 4高压机做功（等熵过程）：匚二hh3 KJ/kg 4 5 6等压冷却：Pk Pk，t4.卓tk，冷凝器热负荷：qk二h4-hs 6 7 过冷到 7 点：t7=tz+5C=t9+5C 7 10节源降压：Po 10 1蒸发过程：单位制冷量（蒸发器热负荷）q二d-hw KJ/kg 6 8节源降压：Pk Pz 8 3等压蒸发：Pz P,4 R 3 只 2 Pt 1 十-广：-大的稳定裂隙岩层中采用围岩加固堵水超前支护或采用大型钻井机械施工的技术这种技术主要有冻结法注浆法钻井法沉井法

18、混凝土帷幕法等表土施工技术深表土冻结法沉井法钻井法注浆法特殊凿井施工技术按其实质和特点可分为三属于此类者有沉井法混凝土帷幕法围岩加固类在地下工程开凿之前采用措施暂时永久地加固围岩改善围岩的稳定条件而后进行掘砌作业如冻结法注浆法等机械破岩类应用大型机械直破岩出矸使卸掘砌作业机械化图钻井法等二岩特殊采用冻结法波兰设计与施工年开滦矿物局唐家矿采用冻结法苏联指导自己设计施工年峰峰矿物局薛村矿主井采用地面预注浆年淮北矿物局朔利村南风井采用钻井法年鹤岗矿物局兴安矿南风井采用混凝土帷幕法目前沉井法沉箱法于年氨循环量:Gg=Gd Gz 大的稳定裂隙岩层中采用围岩加固堵水超前支护或采用大型钻井机械施工的技术这种

19、技术主要有冻结法注浆法钻井法沉井法混凝土帷幕法等表土施工技术深表土冻结法沉井法钻井法注浆法特殊凿井施工技术按其实质和特点可分为三属于此类者有沉井法混凝土帷幕法围岩加固类在地下工程开凿之前采用措施暂时永久地加固围岩改善围岩的稳定条件而后进行掘砌作业如冻结法注浆法等机械破岩类应用大型机械直破岩出矸使卸掘砌作业机械化图钻井法等二岩特殊采用冻结法波兰设计与施工年开滦矿物局唐家矿采用冻结法苏联指导自己设计施工年峰峰矿物局薛村矿主井采用地面预注浆年淮北矿物局朔利村南风井采用钻井法年鹤岗矿物局兴安矿南风井采用混凝土帷幕法目前沉井法沉箱法于年1、制冷剂一一用以制冷的物质,2、冷媒剂一一传递冷量的物质-五、制冷

20、设备P佃28 中冷器热平衡：Gz(g-馆)=Gd(h2-h3)Gd(h6-)Gg=Gd =kGd lh3 一 h8 j 由此：单位压缩功：I+丨2=h2-m+h4-h3 单位制冷量：qo=h,-hio 冷凝器热荷载：qk=h4-he 制冷系数：_ Gd q0 _ 0-00 GdIGgI2(h2-hi)+k(h4-h3)双级压缩制冷设计计算关键是确定中间压力 Pz 理想的中间压力使低压机与高压机压缩比相等，即 Pz=JP0K 比=空 I Pz Po 丿 实际上，高低压机氨量不等，所以 Pz工.PoPk，通常采用插入法求算，具体计算 相当复杂，Pz计算出来后，可根据 I-log P图求出制冷能力。

21、Q=Gd hi-hw KJ/h 四、制冷剂与冷媒剂 氨 NH3氟利昂R12,液氮N，二氧化碳CO2。盐水(CaCl2 或 NaCl)。1、氨压缩机一一活塞式，螺旋式，2、中间冷却器 3、冷凝器立式，卧式，淋水式，组合式,4、蒸发器-立式，卧式 5、高压贮氨桶 6、油氨分送器一一分送氨蒸汽中的润滑油 7、氨液分送器一一分送蒸汽中的液氨，以剩蒸发&节流阀一一减压阀 9、冻结器一一冻结管、传热管、回热管组成 10、盐水干管及冻结沟槽 盐水干管150250钢管，G 3 2 大的稳定裂隙岩层中采用围岩加固堵水超前支护或采用大型钻井机械施工的技术这种技术主要有冻结法注浆法钻井法沉井法混凝土帷幕法等表土施工

22、技术深表土冻结法沉井法钻井法注浆法特殊凿井施工技术按其实质和特点可分为三属于此类者有沉井法混凝土帷幕法围岩加固类在地下工程开凿之前采用措施暂时永久地加固围岩改善围岩的稳定条件而后进行掘砌作业如冻结法注浆法等机械破岩类应用大型机械直破岩出矸使卸掘砌作业机械化图钻井法等二岩特殊采用冻结法波兰设计与施工年开滦矿物局唐家矿采用冻结法苏联指导自己设计施工年峰峰矿物局薛村矿主井采用地面预注浆年淮北矿物局朔利村南风井采用钻井法年鹤岗矿物局兴安矿南风井采用混凝土帷幕法目前沉井法沉箱法于年冻结沟槽一一在井口周围的四个架设盐水配液器与集液用的沟槽 大的稳定裂隙岩层中采用围岩加固堵水超前支护或采用大型钻井机械施工的

23、技术这种技术主要有冻结法注浆法钻井法沉井法混凝土帷幕法等表土施工技术深表土冻结法沉井法钻井法注浆法特殊凿井施工技术按其实质和特点可分为三属于此类者有沉井法混凝土帷幕法围岩加固类在地下工程开凿之前采用措施暂时永久地加固围岩改善围岩的稳定条件而后进行掘砌作业如冻结法注浆法等机械破岩类应用大型机械直破岩出矸使卸掘砌作业机械化图钻井法等二岩特殊采用冻结法波兰设计与施工年开滦矿物局唐家矿采用冻结法苏联指导自己设计施工年峰峰矿物局薛村矿主井采用地面预注浆年淮北矿物局朔利村南风井采用钻井法年鹤岗矿物局兴安矿南风井采用混凝土帷幕法目前沉井法沉箱法于年画（觥荷）肌强辭加 3、冻土物理力学性质 P44 一、冻土的

24、形成 含冰的岩石和土壤统称为冻土，由矿物颗粒，冰，未冻水，气体组成的混合体，温 度低于0C，冻土较天然土层具备较好的强度和稳定性，并改变了其物理力学性质。1土中水对冻土形成的影响 冻土形成过程，实质上是土中水结冰过程，充塞岩石颗粒间裂隙的过程。由于土颗粒表面均带有负电荷，当阳性水分子与之接触时，水就会在这种静电引力 作用下，发生极化作用，使靠近土表面的水分子失去自由活动能力而自动整齐地排列起 来，紧靠土表面的一层，静电引力最大，称强结合水（吸附水），离土颗粒较远，静电 引力减少，水分子自由活动能力增大，这部分水称弱结合水（薄膜水），再远为主要有 重力作用形成所谓的毛细管水，更远的水面受重力作用

25、，称为重力水（普通水）。（强结合水（吸附水一一冰点一186C，占总水量0.22%。）结合水 Y、弱结合水（薄膜水）一一冰点2030C，其含量对冻结水影响 较大。土中水 毛细管水一一冰点04C,低于地下水位以上，受毛细管作用 自由水 Y 重力水一一普通水冰点0-4 C，低于地下水位，冻结时主要冻 i I 结这一部分水 分析：重力水与薄膜水的土层中的含量对冻结影响较大:土中薄膜水多，重力水少，冻结时冻土强度就低，冻结时间长，反之不然;对同重量的颗粒，且颗粒越细，表面积越大，薄膜水就越多，从而难结冰,且其冻土强度低。粘土颗粒细 表面积大 结合水多 结冰少冻土强度低冻时长 砾石颗粒粗 表面积小 结合水

26、少 结冰多冻土强度高冻时短 砂石 介于二者之间。冻结过程中，难对付的就石粘土层，（断管，淹井，变形大等）。2、冻土形成过程 大量试验证明：土中水结冰过程大致可分成五阶段:冷却段一一供冰初期，土温下降至水的冰点 0C 过冷段一一土温降至冰点以下，自由水仍不结冰,产生水的过冷现象（水中无结晶核存在 释放潜热段（突变段）一一水过冷后，水只要一 开始结冰，便有潜热放出，温度上升至冰点。T 大的稳定裂隙岩层中采用围岩加固堵水超前支护或采用大型钻井机械施工的技术这种技术主要有冻结法注浆法钻井法沉井法混凝土帷幕法等表土施工技术深表土冻结法沉井法钻井法注浆法特殊凿井施工技术按其实质和特点可分为三属于此类者有沉

27、井法混凝土帷幕法围岩加固类在地下工程开凿之前采用措施暂时永久地加固围岩改善围岩的稳定条件而后进行掘砌作业如冻结法注浆法等机械破岩类应用大型机械直破岩出矸使卸掘砌作业机械化图钻井法等二岩特殊采用冻结法波兰设计与施工年开滦矿物局唐家矿采用冻结法苏联指导自己设计施工年峰峰矿物局薛村矿主井采用地面预注浆年淮北矿物局朔利村南风井采用钻井法年鹤岗矿物局兴安矿南风井采用混凝土帷幕法目前沉井法沉箱法于年式中：c、ct、Cb、Ct W-Wu Cb WaCs C 二-KJ/kg.k Cs 分别为冻土、土、冰、水的比热，其中 G=0.71 0.84,式中：Q1 水由t降 结冰段一一土温升至冰点后稳定下来，开始结冰冻

28、结，形成冻土。冻土继续冷却段一一土温下降，冻土强度逐渐增高。二、冻土的热物理性质（热物理指标）冻土是由矿物颗粒，冰，未冻水，气体组成的四相体，冻土与融土的物理性质有很 大的差别。描述冻土热物理性质的重要指标有：导热系数、比热C、导温系数a、容积比热Cv 1导热系数 在固体中某过热断面上传递的热流密度与其法线方向上的温度梯度成正比，这个比 例系数称为导热系数。（KJ/m.h.k）它表示物体传热的难易程度，冻土导热系数与其颗粒矿物成分、颗粒大小、含水量、温度有关，同一类型冻土：含水量越大，导热系数也就越大；矿物颗粒大，导热系数也 越大。各种土的导热系数见表1 10，P46。2、比热C 1kg质量的

29、冻土温度变化1K时，所吸收（放出）的热量称为比热，KJ/kg.k cb=2.1，Cs=4.2 w-含水量（水与干土质量之比），Wu 未冻水含量（未冻水与干土质量之比），3、容积比热Cv 1m3冻土温度变化1K时，所吸收或放出的热量，kJ/m3k 5 匕 w Wu q WuCs 丨 KJ/m3.k 式中：t 土颗粒的干重度，t=13001700kg/m3 冻土的热容量Q-每m3岩土从原始温度降到某冻结温度的放出的热量,Q=Q1 Q2 Q3 Q4 Q2 0C水到0C冰的潜化热，Q3冰由0C降低到t放出热量,Q4 土由鮎降到t时放出的热量 4、导温系数a是岩土中温度传递的热惯性指标，表示固体在中温度

30、变化的难易 程度，大的稳定裂隙岩层中采用围岩加固堵水超前支护或采用大型钻井机械施工的技术这种技术主要有冻结法注浆法钻井法沉井法混凝土帷幕法等表土施工技术深表土冻结法沉井法钻井法注浆法特殊凿井施工技术按其实质和特点可分为三属于此类者有沉井法混凝土帷幕法围岩加固类在地下工程开凿之前采用措施暂时永久地加固围岩改善围岩的稳定条件而后进行掘砌作业如冻结法注浆法等机械破岩类应用大型机械直破岩出矸使卸掘砌作业机械化图钻井法等二岩特殊采用冻结法波兰设计与施工年开滦矿物局唐家矿采用冻结法苏联指导自己设计施工年峰峰矿物局薛村矿主井采用地面预注浆年淮北矿物局朔利村南风井采用钻井法年鹤岗矿物局兴安矿南风井采用混凝土帷

31、幕法目前沉井法沉箱法于年m2/s a=随含水量增大而增加 Cv 三、冻土的力学性质（冻土的抗压强度）1冻土的抗压强度一一冻土强度 瞬时强度二0 冻土在极短时间内迅速受到外力作用，蠕变还没有发生，脆性破 坏时的强度，（0.51.0h）长时强度二c-冻土在外力长时间作用下，发生蠕变而最终失去抵抗外力 能力时 强度（200h）.蠕变应力不变时，应变随时间变化的特性 冻土是一种流变体，具备流变性，其强度随时间延长而降低：二cv；0,一般取二 c=（0.40.5）匚0，6=（22.5）匚c 通常所讲的强度指匚c 2、影响冻土强度的因素 冻土温度 冰的强度核胶结能力随温度的降低而增大，因此，冻土强度也随温

32、度的降低而增大 T（T t 取导温至绝对值。苏联学者建议：0.015t 2+1.079t+1.961 兰州冻土所建议：T=a+bt a,b-试验常数，与温度有关。含水量 试验证明：土中水含量未饱和前：w 示 T R 土中水含量饱和后：w 冻结速度 冻结速度的快慢影响冰的结构，速度快 速度慢，细颗粒冰多 强度高 粗颗粒冰多 强度低 土颗粒组成（岩土类型）岩土矿物成分对冻土强度影响甚小，而岩土颗粒大小则影响显著，试验表明：在其 它条件相同情况下，土颗粒越大，其冻土强度就越高，原因有二：a、土颗粒本身强度 不同，粗颗粒土本身强度高，冻土强度高，b、不同土颗粒焓结合水不同，粗颗粒土中 几乎无结合水，冻

33、土中未冻水少，故冻土强度高。思考题：冻结管断裂多发生在粘土中，试根据冻土的物理力学性质分析其原因。本身强度低，含未冻水多，导热系数小，冻结速度慢，变形大，流变体,导温系数小等。4、冻结温度场 冻结温度场是研究冻结过程中井筒周围空间温度随时间变化的规律。冻结温度场是 大的稳定裂隙岩层中采用围岩加固堵水超前支护或采用大型钻井机械施工的技术这种技术主要有冻结法注浆法钻井法沉井法混凝土帷幕法等表土施工技术深表土冻结法沉井法钻井法注浆法特殊凿井施工技术按其实质和特点可分为三属于此类者有沉井法混凝土帷幕法围岩加固类在地下工程开凿之前采用措施暂时永久地加固围岩改善围岩的稳定条件而后进行掘砌作业如冻结法注浆法

34、等机械破岩类应用大型机械直破岩出矸使卸掘砌作业机械化图钻井法等二岩特殊采用冻结法波兰设计与施工年开滦矿物局唐家矿采用冻结法苏联指导自己设计施工年峰峰矿物局薛村矿主井采用地面预注浆年淮北矿物局朔利村南风井采用钻井法年鹤岗矿物局兴安矿南风井采用混凝土帷幕法目前沉井法沉箱法于年目前主要采用数值方法求解：差分法核有限元法。一、温度场 冻结温度场是一个不稳定温度场，随着冷量的供给，场内多点温度随时间不断降低,且同一时刻，靠近冻结管的温度比远离冻结管的要低，一般自冻结管由负 正 正 地层温度。为便于说明，把冻结温度场分为三个区，三个面。冻结区一一0C以下的圆柱区，0Cto区域：井内降温区，井外降温区 三区

35、Q降温区 I 常温区一三面 主面 界面 轴面 井筒中心与冻结管中心所构成的垂直剖面 井筒中心与两相邻冻结管中心连线中心所构成的剖面 各冻结管中心连线围成的剖面 CC 一 0C+C2边界条件：Y r=Gt 二 ty 一个相变的不稳定的温度场，即不稳定导热问题。T=f(x,y,z,c)由于没开热工程，下面的讨论只给出结论，要求会用公式。二、冻结区温度场 冻结区边界线（t=0 C）不停的变化，为便于计算，可假设是一个轴对称无限长稳 定温度场，只研究单一冻结管形成的冻结壁，然后排列到冻结壁中去。圆柱坐标系下导热方程：吐（At丄吐丄1 2t丄C2t L日 =a -十-十-十-十 CT 2 ra r2 胡

36、2 cr2 J cr 导热方程：一 4-=0 t 二 Gin cr r cr-r=r2,t=0 C OB 2+OA A 大的稳定裂隙岩层中采用围岩加固堵水超前支护或采用大型钻井机械施工的技术这种技术主要有冻结法注浆法钻井法沉井法混凝土帷幕法等表土施工技术深表土冻结法沉井法钻井法注浆法特殊凿井施工技术按其实质和特点可分为三属于此类者有沉井法混凝土帷幕法围岩加固类在地下工程开凿之前采用措施暂时永久地加固围岩改善围岩的稳定条件而后进行掘砌作业如冻结法注浆法等机械破岩类应用大型机械直破岩出矸使卸掘砌作业机械化图钻井法等二岩特殊采用冻结法波兰设计与施工年开滦矿物局唐家矿采用冻结法苏联指导自己设计施工年峰

37、峰矿物局薛村矿主井采用地面预注浆年淮北矿物局朔利村南风井采用钻井法年鹤岗矿物局兴安矿南风井采用混凝土帷幕法目前沉井法沉箱法于年tin A-ty ln r r2=exp t-ty 0.015-2-2.6-(-30)=exp0.245=1.28(m)因为测温孔在轴面外侧，冻结壁向外扩展 45%，即 r2=(0.4 0.45)E 所以 E=r2/(0.4 0.45)=2.84 3.2 三、井外降温区温度场 把冻结壁视为挡土墙，则井外降温区温度场 解为半无限大的不稳定温度场。直角坐标系下导热方程是:-:t:2t a 氏 tx 二:、初始条件:C(m。P55(1 73 式)(0.55-0.(0,4-0,

38、45)E 例1、某矿主井采用冻结法施工，设计盐水温度 ty=30C，冻结管直径d=150mm ln r2 ln_T tin r,tyl nr t=t y 二:，a=exp in 空 tty r,式中：ty盐水温度，r,冻结管半径，2冻结圆柱半径,r 冻土圆柱内任一点距冻结管中心的距离 t r处的温度。可以：计算冻结区内距冻结管任意距离 r 的冻土温度t 已知某点距冻结管距离r及温度t，计算冻结圆柱扩展半径D 单一冻结管推广到冻结壁中，为近似值。注意 一点，冻结壁在厚度上从轴面向井内扩展一般为 5560%,向井外扩展4045%。冻结圆柱外侧主平面上距冻结孔 1m处有一测温孔，某时测的孔内温度 t

39、=-2.6 C,试求 此时冻结壁厚度E=?求：t=-2.6 C 0C，所以在冻结区内，40 理 大的稳定裂隙岩层中采用围岩加固堵水超前支护或采用大型钻井机械施工的技术这种技术主要有冻结法注浆法钻井法沉井法混凝土帷幕法等表土施工技术深表土冻结法沉井法钻井法注浆法特殊凿井施工技术按其实质和特点可分为三属于此类者有沉井法混凝土帷幕法围岩加固类在地下工程开凿之前采用措施暂时永久地加固围岩改善围岩的稳定条件而后进行掘砌作业如冻结法注浆法等机械破岩类应用大型机械直破岩出矸使卸掘砌作业机械化图钻井法等二岩特殊采用冻结法波兰设计与施工年开滦矿物局唐家矿采用冻结法苏联指导自己设计施工年峰峰矿物局薛村矿主井采用地

40、面预注浆年淮北矿物局朔利村南风井采用钻井法年鹤岗矿物局兴安矿南风井采用混凝土帷幕法目前沉井法沉箱法于年t(x,O)=to,t(0,.)=o,t(x,.)=to x 2x2 x 令 X ,G(x)二 oedx t=toG(x),X=.4a.二.4a.XG(x)咼斯函数，to土层原始设计，.一一冻结时间，s,a土层导温系数，m2/s,x距oC面的距离，(冻结区边界线)。利用本公式，可检查冻结壁情况，关键是求 x。例2、某井筒采用冻结法施工，已知积极冻结期为5o天，地层原始温度为t =16C，测得冻结圈径以外2m处有一测温孔，温度t=4 C，未冻土导温系数a=o.55X io6m2/s,求冻结壁厚度

41、E=?I 什 t=toG(x)G(x)o.25 to 16 查表得 x=o.23(G(x)=o.255o)因 X=j 4a x 二 4a X 4 o.55 1。5。24 36。o.23=o.71 m r=2-x=2-o.71=1.29 m r=(o.4 o o.45)E E=r/(o.4 o o.45)=2.87 3.23(m)四、冻结管吸热能力(吸热率)qD 单位时间内，单位面积上冻结管吸收土层的热量，与设计的盐水温度有关 2 ty 20-25 C qD=21o25o w/m ty-25 -3o C qD=25o29o w/m2 以求井筒需冷量 QD fF 二 qD dHN 大的稳定裂隙岩层

42、中采用围岩加固堵水超前支护或采用大型钻井机械施工的技术这种技术主要有冻结法注浆法钻井法沉井法混凝土帷幕法等表土施工技术深表土冻结法沉井法钻井法注浆法特殊凿井施工技术按其实质和特点可分为三属于此类者有沉井法混凝土帷幕法围岩加固类在地下工程开凿之前采用措施暂时永久地加固围岩改善围岩的稳定条件而后进行掘砌作业如冻结法注浆法等机械破岩类应用大型机械直破岩出矸使卸掘砌作业机械化图钻井法等二岩特殊采用冻结法波兰设计与施工年开滦矿物局唐家矿采用冻结法苏联指导自己设计施工年峰峰矿物局薛村矿主井采用地面预注浆年淮北矿物局朔利村南风井采用钻井法年鹤岗矿物局兴安矿南风井采用混凝土帷幕法目前沉井法沉箱法于年冻结站制冷

43、能力，Q二kQD,k盐水系统冷量损失系数，k=1.11.5 五、冻结时间 从开始冻结到冻结壁达到设计厚度所需时间一一积极冻结时间，积极冻结期井筒开挖前的冻结时间 消极冻结期一一井筒开挖期（维护冻结时间）计算出发点不同，有多种计算公式，我国多采用经验公式，即按冻土扩展速度进 行估算：0.55 0.6 E 2 1/2 2,=-d v v-冻土平均扩展速度，mm/d 砾石层-v=3545 砂层 v=2 025 粘土层 v=1015 k冻土扩展半径，I冻结孔间距，I=1.0 1.3 5、冻结设计、冻结方案（5种）1、一次冻结全深方案一一一次冻结全深，即从地面到需要冻结的深度一次冻结,并且上部冻结管均穿

44、过不稳定含水层，一般插入不透水基岩 10m以上 适用条件一一适用于各种地层，是目前国内为广泛采用 的施工方案，具有施工工序简单，适应性强，能穿过多次含水 层的优点，不足之处冷冻站制冷量大，冻结壁厚度上下不均。提出双排管冻结方案（三排、四排），和异径冻结（上部 240、下部 120）。为了加快上部冻结速度，提前开挖。2、分期冻结方案（分段）将井筒所需冻结深度分 两段以上顺序冻结，先冻上 段，后冻下段，待上段转入消极 冻结时间再冻下段，上段掘砌结束后，下段刚转入消极冻结。可节省冷量，分期冻结主要靠一个特殊结构的冻结器来实现。适用条件：冲积层较厚，中间又有较厚的隔水层（10m 以上）的地层，要求分段

45、要均匀，使每段供冷量均衡。、特点：需冷量小，下段冻结时间少，少挖冻土，加快掘 砌速度，缩短了工期，降低了成本。3、差异冻结（长短腿间隔冻结方案）一一冻结管分长短两种，间隔分布在一圈 上，短管进入风化管10m以上，长管穿过不透水基岩 510m。适用条件：上部为含水丰富的冲积层，下部为厚度较大，含水丰富的风化基岩。特点：上部较下部冻结管间距小1倍，冻结交圈速度快，上部提前掘进，待上部 掘砌结束后，下部恰好冻结结束，可少挖冻土，有效利用冷量，加快施工速度，降低成 本。4、局部冻结一一局部地段需要冻结时可采用，靠专用冻结器来实现 大的稳定裂隙岩层中采用围岩加固堵水超前支护或采用大型钻井机械施工的技术这

46、种技术主要有冻结法注浆法钻井法沉井法混凝土帷幕法等表土施工技术深表土冻结法沉井法钻井法注浆法特殊凿井施工技术按其实质和特点可分为三属于此类者有沉井法混凝土帷幕法围岩加固类在地下工程开凿之前采用措施暂时永久地加固围岩改善围岩的稳定条件而后进行掘砌作业如冻结法注浆法等机械破岩类应用大型机械直破岩出矸使卸掘砌作业机械化图钻井法等二岩特殊采用冻结法波兰设计与施工年开滦矿物局唐家矿采用冻结法苏联指导自己设计施工年峰峰矿物局薛村矿主井采用地面预注浆年淮北矿物局朔利村南风井采用钻井法年鹤岗矿物局兴安矿南风井采用混凝土帷幕法目前沉井法沉箱法于年两段式 稳定性好，而下部含水大，需冻结的地层或中间有较厚的 隔板式

47、 适用一一上部含水少，粘土隔水层，上下需冻结的地层。特点一一用设备少，成本低。5、浅表土冻结方案-斜孔冻结方案、；直孔冻结方案。斜孔冻结在含水层施工工作中，在井内打水平斜孔冻结，以封堵含水层的方 法，（南京地铁）直孔冻结一一在地面沿所需冻结空间打垂直孔，穿过含水层。二、冻结壁厚度计算 冻结壁在掘砌施工中起临时支护作用，其厚度取决于地压大小及冻土强度，一般 2 10m。目前，对冻结壁厚度计算大致有 3种方法，（1）轴对称平面应变力学模型（2）轴对称空间力学模型（3）数理统计经验模型 1、轴对称平面应变力学模型（3个）拉麦公式（G.?Lame）1852年法国工程师拉麦，把冻结壁视为理想弹性体，提出

48、将厚壁圆筒按轴对称平 面应变力学模型来处理，并应用第四强度理论（能量理论 二0 v 匚I）推导出计算公式:式中：E 冻结壁厚度，m；a 今年图掘进半径，m 卜-1冻土允许抗压强度，匚匚（T/k （7极限抗压强度，用（7 c代入，k安全系数，k=22.5 p 计算深度地压，p=0.013H Mpa H 最下含水量埋深，m 适用于冻结深度100m的计算。多姆克公式（ODomke 1915年德国教授多姆克提出把冻结壁视为弹塑性体，认为冻结壁内圈进入塑性状 态，外圈为弹性状态而不失去承载能力，并采用第三强度理论（最大剪应力理论）推导 出计算公式：E=a 0.29 N +2.3 p 匕丿 匕丿 大的稳定

49、裂隙岩层中采用围岩加固堵水超前支护或采用大型钻井机械施工的技术这种技术主要有冻结法注浆法钻井法沉井法混凝土帷幕法等表土施工技术深表土冻结法沉井法钻井法注浆法特殊凿井施工技术按其实质和特点可分为三属于此类者有沉井法混凝土帷幕法围岩加固类在地下工程开凿之前采用措施暂时永久地加固围岩改善围岩的稳定条件而后进行掘砌作业如冻结法注浆法等机械破岩类应用大型机械直破岩出矸使卸掘砌作业机械化图钻井法等二岩特殊采用冻结法波兰设计与施工年开滦矿物局唐家矿采用冻结法苏联指导自己设计施工年峰峰矿物局薛村矿主井采用地面预注浆年淮北矿物局朔利村南风井采用钻井法年鹤岗矿物局兴安矿南风井采用混凝土帷幕法目前沉井法沉箱法于年李

50、莱斯加公式:E（3）*expP_1k:6 米雪斯公式：EJ.唧进X K厚度安全系数，K=1.11.3，7 s冻土塑性极限抗压强度，用 7 c代入 2、轴对称空间问题力学模型 在冻结井筒施工中，一般采用短段掘砌施工方法，段高上下两端 约束条件 对冻结壁的稳定性和承载能力有很大影响，按有限长塑性体计算：1960年，苏联学者里别尔曼认为，冻结井筒施工中采用短段掘砌施 工时，段高上下两端有约束力，应按有限长塑性理论计算，假设上下两 端固定，按第三强度理论推导。里别尔曼公式:式中：一一土层重度，N/m5 H 段高处井筒深度，m H-段高，m k1 安全系数，k1=1.11.2 P地压，（7 冻土塑性极限