冻结法的发展和基本原理

冻结法的发展和基本原理

摘要：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。关键词：冻结法，制冷，施工

冻结法起源于天然冻结。由于人工制冷技术的发展和应用，产生了工程冻结。1862年英国南威尔士在建筑基础施工中，首先使用了人工制冷加固土壤。1883年德国工程师波茨舒，在德国阿尔巴里得煤矿，用冻结法开凿了深度为103米的井筒，获得了冻结法凿井技术专利。之后，该项技术传播到世界上许多国家。苏联从1928年开始使用冻结法，至今采用冻结法凿井数目已经超过400个，成为当今世界采用冻结法凿井规模最大的国家之一。冻结深度是冻结法凿井施工技术高低的一个重要标志。我国于1955年在开滦林西风井开始使用冻结法凿井，井筒净直径5米，冻结深度105米。此后，冻结法凿井技术逐渐推广到东北，华北，华东，中南地区。至1990年，冻结凿井数目约300个，累计冻结井筒深度50km，最大冻结深度435m。我国已经是世界上用冻结法凿井穿过表土层最厚的国家之一。自1992年起，冻结法工艺被广泛应用于城市地铁工程施工中。

1冻结法凿井原理

立井冻结凿井是利用传统的氨循环制冷技术完成的。它是在井筒开挖之前，用人工制冷的方法，将井筒周围含水地层冻结成一个封闭的不透水的帷幕—冻结壁，用以抵抗地压，水压，隔绝地下水与井筒

之间的联系。而后，在其保护下进行掘砌施工。为形成冻结壁，首先在欲开挖井筒周围打一定数量的冻结孔，孔内安装冻结器。冷冻站制出的低温盐水（-25至-35），经去路盐水干管，配液圈到供液底部，沿冻结管和供液管之间的环形空间上升到回液管，集液圈，回路盐水干管至蒸发器，形成盐水循环。低温盐水在冻结器中流动，吸收其周围地层热量，形成冻结圆柱，冻结圆柱逐渐扩大并连接成封闭的冻结壁，直至达到其设计厚度和强度为止。通常将冻结壁扩展到设计厚度所用时间称为积极冻结期，而将维护冻结壁的期间称为消极冻结期。吸收了地热的盐水，在盐水箱内将热量传递给蒸发器中的液氨，使液氨变成饱和蒸汽氨，在被氨压缩机压缩成热蒸汽进入冷凝器冷却，将地热和压缩机产生的热量传递给冷却水，最后这些热量传给大气。高压液氨从冷凝器经贮氨器，经节流阀流入蒸发器，液氨在蒸发器中气化吸收周围盐水的热量，这一循环称作氨循环，是制冷循环的主体。冷却水在冷却水泵，冷凝器和管路中的循环叫冷却水循环。制冷三大循环系统构成热泵，其功能是将地层中的热量通过压缩机排到大气中去。

由于地热在热泵作用下传递给大气，使井筒地层降温，冻结形成冻结壁。人们在它的保护下进行掘砌施工，以策安全穿过含水地层，这就是冻结法凿井。冻结法凿井主要工艺过程包括：冻结站安装，钻孔施工，井筒冻结和井筒掘砌四大内容。

液氨冻结的工艺系统是液氨自地面槽车，储罐，经管路输送至工作面。液氨在冻结器内气化吸热后，气氮经管路排向地面，释入大气。2制冷系统

压缩制冷由三大循环构成：氨循环，盐水循环和冷却水循环。

2.1氨循环系统。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，必须将蒸发器中饱和蒸汽氨成为高压高温的过热蒸汽，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，实现气态到液态的转变。液态氨经节流阀降压流入蒸发器中蒸发，再吸收其周围盐水中的热量变成饱和蒸汽氨。如此，周而复始，构成氨循环。氨循环系统设备由蒸发器，氨压缩机，冷凝器和节流阀构成。

2.2盐水循环。盐水循环在制冷过程中起着冷量传递作用。该循环系统由盐水流动的动力。冻结器是低温盐水与地层进行热交换的换热器，盐水流速越快，换热强度越大。冻结器由冻结管，供液管和回液管组成。根据工程需要可采用正、反两种盐水循环系统，正常情况下用正循环供液。积极冻结期间，冻结器进出口温度差一般为3至7摄氏度，消极冻结期间，其进出口温度差为1至3摄氏度。蒸发器中氨的蒸发温度与其周围的盐水温度相差5至7摄氏度。冻结器表面的吸热率即单位时间、单位面积的吸热量为263至292W每平米。为了观察盐水在冻结管中是否漏失应在去、回路盐水干管和冻结器进出口处安装计量计。上述盐水循环称为闭路盐水循环系统。国外还使用一种开路回液盐水循环，其主要特点是无集液圈，每根回液管单独回液，便于观察每根冻结管盐水是否漏失。这种方式盐水循环用管量大，较闭路循环复杂。盐水管路应严格进行保温处理，一般情况下，盐水管路的热损耗大约占领冻结站总制冷量的25%左右。

2.3冷却水循环。冷却水循环在制冷过程中的作用是将压缩机排出过热蒸汽冷却成液态氨，以便进入蒸发器中重新蒸发。冷却水把氨蒸汽中的热量释放给大气。冷却水温越低，制冷系数越高，冷缺水温

一般较氨的冷凝温度低5至10摄氏度。冷却水由水泵驱动，通过冷凝器进行热交换，然后流入冷却塔水池，冷却后的循环水应随时由地下水补充。

3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。

3．1冻结孔施工

3.1.1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。

3.1.2准确丈量钻杆尺寸，控制钻进深度。

3.1.3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。

3.2、冻结管试漏与安装

3.2.1选择φ63×4mm无缝钢管，在断管中下套管，恢复盐水循环。

3.2.2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。

3.2.3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。

3.3、冻结系统安装与调试

3.3.1按1.5倍制冷系数选配制冷设备。

3.3.2为确保冻结施工顺利进行，冷冻站安装足够的备用制冷机组。冷冻站运转期间，要有两套的配件，备用设备完好，确保冷冻机运转正常，提高制冷效率。

3.3.3管路用法兰连接，在盐水管路和冷却水循环管路上要设置伸缩接头、阀门和测温仪、压力表、流量计等测试元件。盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温，保温厚度为50mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎。集配液圈与冻结管的连接用高压胶管，每根冻结管的进出口各装阀门一个，以便控制流量。

3.3.4冷冻机组的蒸发器及低温管路用棉絮保温，盐水箱和盐水干管用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保温。

3.3.5机组充氟和冷冻机加油按照设备使用说明书的要求进行。首先进行制冷系统的检漏和氮气冲洗，在确保系统无渗漏后，再充氟加油。

3.3.6设备安装完毕后进行调试和试运转。在试运转时，要随时调节压力、温度等各状态参数，使机组在有关工艺规程和设备要求的技术参数条件下运行。

3.4、积极冻结阶段在冻结试运转过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻土帷幕扩展情况，必要时调整冻结系统运行参数。冻结系统运转正常后进入积极冻结。

积极冻结，就是充分利用设备的全部能力，尽快加速冻土发展，在设计时间内把盐水温度降到设计温度。旁通道积极冻结盐水温度一般控制在-25～-28℃之间。

积极冻结的时间主要由设备能力、土质、环境等决定的，上海地区旁通道施工积极冻结时间基本在35天左右。

3.5、维护冻结阶段在积极冻结过程中，要根据实测温度数据判断冻土帷幕是否交圈和达到设计厚度，测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度后再进行探孔试挖，确认冻土帷幕内土层无流动水后（饱和水除外）再进行正式开挖。正式开挖后，根据冻土帷幕的稳定性，提高盐水温度，从而进入维护冻结阶段。

维护冻结，就是通过对冻结系统运行参数的调整，提高或保持盐水温度，降低或停止冻土的继续发展，维持结构施工的要求。旁通道维持冻结盐水温度一般控制在-22～-25℃之间。维护冻结时间由结构施工的时间决定。

3.6、工程监测6.1工程监测的目的工程量测作为该工法的一项重要施工内容。其目的就是根据量测结果，掌握地层及隧道的变形量及变形规律，以指导施工。由于旁通道施工位于地下十多米处，为防

止施工时对地面周边建筑、地下管线、民用及公共设施带来不良影响，甚至严重破坏。对施工过程必须有完善的监测。

3.6.1工程监测的内容工程监测贯穿整个施工过程，其主要监测内容为：地表沉降监测，隧道变形监视，通道收敛变形监测，冻土压力监测。

3.6.1.1冻结孔施工监测内容为：冻结管钻进深度；冻结管偏斜率；冻结耐压度；供液管铺设长度。

3.6.1.2冻结系统监测内容为：冻结孔去回路温度；冷却循环水进出水温度；盐水泵工作压力；冷冻机吸排气温度；制冷系统冷凝压力；冷冻机吸排气压力；制冷系统汽化压力。

3.6.1.3冻结帷幕监测内容为：冻结壁温度场；冻结壁与隧道胶结；开挖后冻结壁暴露时间内冻结壁表面位移；开挖后冻结壁表面温度。

3.6.1.4周围环境和隧道土体进行变行监测内容为：地表沉降监测；隧道的沉降位移监测；隧道的水平及垂直方向的收敛变形监测；地面建筑物沉降监测。

参考文献

1中国矿业大学主编，《特殊凿井》，煤炭工业出版社，1981年

2杨磊，《制冷技术》，科学出版社，1980年

3陈文豹，汤志斌，《冻结法施工》，煤炭工业出版社，1993年

4张祉佑，石秉三，《制冷及低温技术》，机械工业出版社，1983年