1、凍結法定義： 用人工制冷方法，將待開挖地下空間周圍土體中水凍結為冰并與土體膠結在一起，形成一個按設計輪廓凍土墻或密閉凍土體，用以抵抗土體壓力、隔絕地下水，并在凍土墻保護下，進行地下工程施工一個巖土特殊施工方法。3.3.2 凍結法原理與設計標準凍結工程凍結法原理與設計原則第1頁3.3.2 凍結法原理與設計標準（一）人工地層凍結原理 制冷劑制冷有各種方式，凍結法通常是利用物質相變，即由液態變為氣態時吸熱過程來到達將土體中水冷卻、結冰目標。能經過相變循環實現制冷物質稱為制冷劑,制冷劑種類也較多，性能參數也有差異。凍結工程凍結法原理與設計原則第2頁3.3.2 凍結法原理與設計標準凍結制冷系統中普通采取

2、氨作為制冷工質。氨性質：標準蒸發溫度-33.35 最低蒸發溫度可達-70 常溫下冷凝壓力1.47MPa，普通1.2MPa左右可按任何百分比溶于水，每升水可溶1300升氨，放出大量熱量 普通要求氨中含水量不得超出0.2%。凍結工程凍結法原理與設計原則第3頁3.3.2 凍結法原理與設計標準優點：容積制冷量大，價格低廉，易得缺點：氨蒸氣無色，強烈刺激氣味，有毒性。 空氣濃度達0.50.6%時，半小時人即中毒；當濃度達1114%時，可燃燒；當濃度達1625%時，可引發爆炸。適用：大、中型制冷機凍結工程凍結法原理與設計原則第4頁3.3.2 凍結法原理與設計標準小型凍結制冷系統中普通采取氟里昂作為制冷工質

3、。 氟里昂是飽和碳氫化合物氟、氯、溴衍生物總稱，當前主要用是甲烷和乙烷衍生物。氟里昂性質：蒸發溫度較低，普通在-40-80之間； 無毒、無味、安全、對金屬腐蝕性小，熱化學穩定性好。 價格昂貴，易泄漏且不易發覺。 單位容積制冷量小，流動性差，比重較大。凍結工程凍結法原理與設計原則第5頁名 稱符號分子式標準蒸發溫度,臨界溫度, 臨界壓力,10-5Pa臨界比容,m3/kg凝固溫度,氨R717NH3-33.35112.9112.94.4130-77.7二氧化碳R747CO2-78.5231.073.82.456-56.6二氧化硫R764SO2-10.01157.578.81.920-75.2氟里昂R1

4、2R12CF2Cl2-29.80112.0441.21.793-155.0氟里昂R40R40CH3Cl-23.74143.166.82.700-97.6慣用制冷劑性能參數 3.3.2 凍結法原理與設計標準凍結工程凍結法原理與設計原則第6頁3.3.2 凍結法原理與設計標準冷媒劑傳遞冷效應物質，又稱載冷劑。選取標準：冰點低、熱容大、不腐蝕、價格低廉物質如CaCl2溶液、NaCl溶液、乙醇、空氣、氨、各種鹵化物。 凍結法通常采取CaCl2溶液作冷媒劑（常稱為鹽水）。氯化鈣溶液性質：蒸發溫度-25-35，溶液密度1.25 1.27g/cm3，波美度為2931Be，凝固溫度-34.6-42.6凍結工程凍

5、結法原理與設計原則第7頁3.3.2 凍結法原理與設計標準制冷原理與制冷系統1 氨制冷：氨為制冷劑，制冷系統由三個循環組成：l氨循環系統l鹽水循環系統l冷卻水循環系統上述循環組成熱泵，將地層熱量經過制冷機排到大氣中Q0 地層熱量 L0 壓縮作功QK 冷凝熱量 凍結工程凍結法原理與設計原則第8頁9氨循環鹽水循環冷卻水循環液態氨：氣態氨：去油脂：低溫鹽水：加熱鹽水：常溫冷卻水：加熱冷卻水：凍結工程凍結法原理與設計原則第9頁氨制冷循環：由蒸發器、氨壓縮機、冷凝器和節流閥組成系統 飽和蒸氣氨(1) 壓縮機等熵絕熱壓縮 高溫、高壓過熱蒸氣氨(2) 高溫高壓過熱蒸氣氨(2) 冷凝器等壓冷卻 高壓常溫液態氨(

6、3) 高壓常溫液態氨(3) 節流閥等焓降壓 低壓液態氨(4) 低壓液態氨(4) 蒸發器等壓蒸發，吸鹽水熱量 飽和蒸氣氨(1)周而復始循環，可獲取-25左右低溫鹽水一級壓縮制冷原理凍結工程凍結法原理與設計原則第10頁二級壓縮制冷原理-25低溫鹽水普通不能滿足大型巖土工程需要，若需要更低蒸發溫度二級壓縮制冷本質：增加中間冷卻器，用一級制冷蒸發溫度冷卻凍結工程凍結法原理與設計原則第11頁3.3.2 凍結法原理與設計標準鹽水循環：將地層熱量帶到大氣中循環，在制冷過程中起熱量傳遞作用普通采取氯化鈣（CaCl2）溶液作為鹽水。鹽水循環由鹽水箱、鹽水泵、鹽水管路、集液圈、配液圈、凍結器等組成。其中，凍結器安

7、設于預先鉆進凍結孔中，是低溫鹽水與地層進行熱交換換熱器，由凍結管、供液管和回液管組成。凍結工程凍結法原理與設計原則第12頁3.3.2 凍結法原理與設計標準依據工程需要能夠采取正、反鹽水循環系統l正循環：鹽水由供液管進凍結管，在其中循環后，再由回液管返回鹽水公路l 反循環：方向與正循環恰好相反普通用正循環，當需要先快速凍結上部地層時，可使用反循環。經過設置在管路上閥門進行正、反循環切換凍結工程凍結法原理與設計原則第13頁3.3.2 凍結法原理與設計標準假如說鹽水循環是將地層熱量傳給了氨循環，則冷卻水循環是將熱量釋放給大氣。冷卻水循環將壓縮后過熱蒸氣氨冷卻為液態氨，方便再蒸發。冷卻水由水泵驅動，經

8、過冷凝器進行熱交換。凍結工程凍結法原理與設計原則第14頁3.3.2 凍結法原理與設計標準經過上述循環，凍結管周圍土體中溫度將隨時間而降低穩定水流中單管凍結土體擴展以及凍土墻形成和擴展a 單管凍土溫度分布及改變b 靜水中單管凍結凍土體擴展c 凍土墻形成和發展過程凍結工程凍結法原理與設計原則第15頁3.3.2 凍結法原理與設計標準2 液氮制冷：液氮是制氧過程中副產品性質：液氮無色，透明，稍輕于水惰性強，無腐蝕性，對震動、熱、電火花穩定蒸發溫度-195.8；氣化潛熱為197.6kJ/kg特有理化性質，理想制冷工質以液氮為制冷工質簡單、低溫、快速制冷技術得以發展凍結工程凍結法原理與設計原則第16頁主要

9、工藝系統包含地面槽車(1)、儲氮罐(2)以及管路(3)等。液氮制冷過程中：液氮既是制冷劑，又是冷媒劑。液氮制冷系統要比氨制冷系統要簡單得多，普通無需建立制冷劑循環系統，而是直接將液氮在地層中氣化吸熱，再將氣氮排放至大氣中。(4)回氣，(5)凍結器凍結工程凍結法原理與設計原則第17頁3.3.2 凍結法原理與設計標準液氮凍結時地層溫度隨時間改變凍結工程凍結法原理與設計原則第18頁3.3.2 凍結法原理與設計標準凍結工程凍結法原理與設計原則第19頁3.3.2 凍結法原理與設計標準3 干冰制冷 固體CO2，一個白色結晶體性質： 密度1110-1700kg/m3 常壓下升華溫度-78.9， 低壓或靠近真

10、空狀態下-100或更低 升華過程中吸收熱量137kcal/1kg 可溶于難凍液體，并可使混合物溫度降至-100 若周圍溫度下降、流速加緊，可使干冰升華溫度降低 凍結工程凍結法原理與設計原則第20頁3.3.2 凍結法原理與設計標準因為干冰理化性質，可作為固體制冷工質干冰低升華溫度，可直接用于吸收地層熱量凍結地層干冰凍結不需制冷機、制冷循環系統、電、水簡單、廉價、安全、凍結時間短可采取(1)直接制冷、(2)加不凍液、(3)加壓氣 加速制冷工藝 干冰制冷已得到一些國家重視和研究，并已成功 應用到一些巖土工程中，我國也開始了這一方向研究凍結工程凍結法原理與設計原則第21頁凍結孔布置以井筒同心圓等距離布

11、置在井筒周圍。表土較淺時普通采取單圈凍結，對于深厚表土可采取雙圈或三圈凍結。凍結深度大和凍結壁厚時，為縮短凍結時間，也能夠布置多圈。凍結孔布置圈徑：由井筒斷面、凍結深度、凍結壁厚度確定。凍結孔間距普通取0.91.3m；孔徑普通比凍結管管箍外徑大1025mm；凍結孔深度普通比凍結深度大515m；凍結孔偏斜率普通小于5。3.3.2 凍結法原理與設計標準凍結工程凍結法原理與設計原則第22頁凍結溝槽在井口周圍凍結管上部挖掘環形凍結溝槽。凍結溝槽內設配液圈和集液圈。井口環形凍結溝槽3.3.2 凍結法原理與設計標準凍結工程凍結法原理與設計原則第23頁1、氨壓縮機（1）活塞式氨壓縮機按標準制冷能力可分為：小

12、型機：60kw中型機：60600kw大型機：600kw按汽缸中心線位置分類有臥式，立式，V型，W型和S型（扇型）壓縮機。（二）制冷設備凍結工程凍結法原理與設計原則第24頁（二）制冷設備1、氨壓縮機（2）螺桿式壓縮機螺桿式壓縮機是回轉式壓縮機一個，它只有旋轉運動部件，動平衡性能好，幾乎無振動，氣閥，可高速旋轉。凍結工程凍結法原理與設計原則第25頁（二）制冷設備1、氨壓縮機（2）螺桿式壓縮機含有體積小重量輕優點，適合作為移動式制冷設備。輸氣系數較活塞式壓縮機高，尤其在壓縮比高時，優點更為顯著。普通其輸氣系數為0.750.90。凍結工程凍結法原理與設計原則第26頁1、氨壓縮機（2）螺桿式壓縮機因為螺

13、桿壓縮機采取噴油冷卻，有耗油量大，輸油系統復雜，不適合變壓比下工作，噪聲大等缺點。（二）制冷設備凍結工程凍結法原理與設計原則第27頁2、冷凝器與蒸發器（1）冷凝器冷凝器有立式，淋水式，臥式及組合式幾個。立式冷凝器占地面積小，冷卻效率高，不易堵塞，消除水垢時無須停頓工作。但存在用水量大，漏氨不易被覺察等缺點。（二）制冷設備凍結工程凍結法原理與設計原則第28頁2、冷凝器與蒸發器（2）蒸發器液氨在其中蒸發（沸騰）變為飽和蒸氣，吸收其周圍鹽水中熱量，產生低溫鹽水。蒸發器置于鹽水箱中，是制冷系統輸出冷量設備。（二）制冷設備凍結工程凍結法原理與設計原則第29頁3、節流閥節流閥功用是使高壓液氨減壓到蒸發壓力

14、，給液氨創造蒸發條件。因而節流閥又叫減壓閥。要求節流閥耐壓，密封程度好，閥體外面應絕熱。（二）制冷設備凍結工程凍結法原理與設計原則第30頁4、中間冷卻器中間冷卻器功用有三：冷卻來自低壓機過熱蒸汽氨；過冷來自冷卻器飽和液體氨；對液氨和油脂起分離作用。（二）制冷設備凍結工程凍結法原理與設計原則第31頁5、油氨分離器油氨分離器功用是使過熱蒸汽中潤滑油粒分離出去，以防油粒進入冷凝器，在冷凝器內壁上形成油膜影響熱交換效果。（二）制冷設備凍結工程凍結法原理與設計原則第32頁6、貯氨器貯氨器作用是貯存液氨，用于調整，補充系統中氨用量。貯氨器與冷凝器內壓力相同，為使液氨依靠自重流入貯氨器，貯氨器應放在冷凝器附

15、近，其液氨入口標高應低于冷凝器出口標高。（二）制冷設備凍結工程凍結法原理與設計原則第33頁7、氨液分離器使來自蒸發器液氨分離出去重新蒸發。預防液氨進缸，產生沖擊造成事故。液氨分離原理也是依靠降低蒸氣速度和改變流向實現。（二）制冷設備凍結工程凍結法原理與設計原則第34頁8、鹽水循環系統設備鹽水循環系統主要設備有鹽水泵、去回路鹽水干管、鹽水溝槽、配液與集液圈、凍結器。鹽水循環設備應有良好保溫辦法，在保溫情況下，其冷量損失約占冷凍站總制冷量1/4，所以，應尤其注意它們保溫辦法。去回路鹽水干管鋪設在四面保溫溝槽內。（二）制冷設備凍結工程凍結法原理與設計原則第35頁8、鹽水循環系統設備凍結器由凍結管、供

16、液管、回液管及管蓋等組成。凍結管用壁厚為610mm，直徑為127159mm無縫鋼管連接而成。供液管直徑為5075mm普通鋼管或塑料管。底錐與供液管底口間應留出一定距離（500mm），以防鹽水中沉淀物堵塞出口。（二）制冷設備凍結工程凍結法原理與設計原則第36頁3.3.2 凍結法原理與設計標準（三）凍結法設計標準迄今為止，凍結土體設計尚無統一標準(規程、DIN等)若：(1) 遵照凍結法設計基本標準(2) 充分了解和掌握凍結工程特殊邊界條件、初始條件同其它方法一樣，凍結法能夠到達技術可靠、經濟合理凍結工程凍結法原理與設計原則第37頁3.3.2 凍結法原理與設計標準先期準備工作 在進行凍結設計之前，有

17、必要評價： 施工環境 地基要求 凍結方法適應性等 凍結設計基礎凍結工程凍結法原理與設計原則第38頁（1）在施工環境方面l環境允許豎向沉降和水平位移量值l是否允許震動l允許噪聲大小l控制凍脹范圍和量值l凍結鉆進可能位置l施工場地條件l施工工期和時間3.3.2 凍結法原理與設計標準凍結工程凍結法原理與設計原則第39頁3.3.2 凍結法原理與設計標準（2）在工程條件方面 l凍土體功效，(1)密封、(2)承載或(3)密封和承載 l凍土體形狀與尺寸 l地層特征、分層 l地層初始溫度及改變 l 土性：粒徑、密度、塑限與液限、含水量、飽和度 l 土熱物理參數，試驗凍結工程凍結法原理與設計原則第40頁3.3.

18、2 凍結法原理與設計標準 l 可能產生凍脹土層，細粒土凍脹、融沉試驗 l 礦物質：可融性及影響 l 水，地下水位、改變波動范圍、流速、方向 l 地下水含鹽量 l 凍土強度和變形性質（3）在技術方法方面 凍結制冷方式，制冷機、液氮或其它凍結方式 凍結工程凍結法原理與設計原則第41頁必要預研究內容（1）土工性質（2）凍土性質（3）環境評價（4）凍土設計（5）凍土監測3.3.2 凍結法原理與設計標準凍結工程凍結法原理與設計原則第42頁（1）土工性質內容：礦物種類密度含水量飽和度滲透性孔隙率物理狀態指標目標：評價凍結法適宜性和可能性考慮可能凍結方式3.3.2 凍結法原理與設計標準凍結工程凍結法原理與設

19、計原則第43頁（2）凍土性質內容：蠕變試驗三軸試驗凍脹試驗目標：掌握與時間、溫度和荷載相關強度和變形性質 建立凍結設計基礎3.3.2 凍結法原理與設計標準凍結工程凍結法原理與設計原則第44頁（3）環境評價內容：上部建筑工場管線交通道路周圍建筑目標：了解變形（凍脹、融沉）控制要求確定凍結方式、凍結方案3.3.2 凍結法原理與設計標準凍結工程凍結法原理與設計原則第45頁（3）凍土設計內容：凍土體中溫度及改變凍土體中應力及分布目標：計算凍土體理論尺寸3.3.2 凍結法原理與設計標準凍結工程凍結法原理與設計原則第46頁（4）凍土監測內容：凍土及未凍土區域應力、變形和溫度量測目標：工程環境觀察與控制采取

20、特殊辦法決議基礎3.3.2 凍結法原理與設計標準凍結工程凍結法原理與設計原則第47頁3.3.2 凍結法原理與設計標準設計工作內容進行一項技術可行、經濟合理凍結工程前提是在施工前進行凍結設計。工程意義上凍結項目標設計工作包含： 凍結方案、凍結管布置； 凍土結構、尺寸、支護、 凍結過程、時間、系統、設備 凍結監測，等 凍結工程凍結法原理與設計原則第48頁3.3.2 凍結法原理與設計標準凍結項目設計工作l 設計凍土體結構形式 地質、水文地質條件 滿足工程強度和/或密封需求 方便工程施工 節省工程投資l 設計臨時支護方法 純凍結維護 與其它方法結合凍結工程凍結法原理與設計原則第49頁3.3.2 凍結法原理與設計標準l優選凍結方案 一次凍結 分期凍結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 計算凍土結構強度與穩定性