地下工程施工 特殊地层施工技术PPT教案.pptx

地下工程施工_特殊地层施工技术PPT教案会计学
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地下工程施工_特殊地层施工技术
第10章 冻结法施工技术
冻结法施工原理
冻结法是在地下工程开挖之前，先在欲开挖地下工程周围打一定数量的钻孔，孔内安装冻结器，然后利用人工制冷技术对地层进行冻结，使地层中的水结成冰、天然岩土变成冻结岩土，在地下工程周围形成一个封闭的不透水的帐幕—冻结壁，用以抵抗地压、水压，隔绝地下水与地下工程之间的联系，然后在其保护下进行掘砌施工。其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。
10. 1. 1 冻结法三大循环
形成冻结壁是冻结法的中心环节。冻结壁的形成依赖于冻结系统的三大循环：氨循环、盐水循环和冷却水循环。

工程中一般用氨作为制冷剂。吸收了地层热量的盐水返回到盐水箱，在盐水箱内将热量传递给蒸发器中的液氨(蒸发器中氨的蒸发温度比周围盐水温度低5-7°)，使液氨变为饱和氨蒸气，再被氨压缩机压缩成高温高压的过热氨蒸气;过热氨蒸气进入冷凝器等压冷却，将地热和压缩机产生的热量传递给冷却水。冷却后的高压常温液氨，经储氨器、节流阀变为低压液态氨;低压液态氨进入盐水箱中的蒸发器进行蒸发，吸收周围盐水之热量，又变为饱和氨蒸气。如此周而复始，构成氨循环。

盐水循环在制冷过程中起着冷量传递作用，以泵为动力驱动盐水进行循环。循环系统由盐水箱、盐水泵、去路盐水干管、配液圈、供液管、冻结管、回液管、集液圈及回路盐水干管组成，其中供液管、冻结管、回液管组合称为冻结器。低温盐水(-35~-25 °C)在冻结器中流动，吸收其周围地层的热量，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。通常将冻结壁扩展到设计厚度所需要的时间称为积极冻结期，而将维护冻结壁的时间称为消极冻结期。积极冻结期，冻结器进出口温差一般为3~7°C;消极冻结期，其进出口温差为1~3℃。

冷却水循环在制冷过程中的作用是将压缩机排出的过热氨蒸气冷却成液态氨，以及对压缩机自身进行冷却。冷却水循环以水泵为动力，通过冷凝器进行热交换。冷却水把氨蒸气中的热量释放给大气。冷却水温度越低，制冷系数就越高。冷却水温度一般较氨的冷凝温度低5~10 °C。冷却水循环系统由水泵、冷却塔、冷却水池以及管路组成。
由以上所述可知，人工冻结的基本原理是低温盐水吸取地层的热量，在盐水箱内进行热交换，把热量传给氨，氨经压缩机做功后，在冷凝器中把这部分热量传给冷却水，冷却水再把热量散发到大气中去。通过上述三大循环，三次热交换，便可使地层冻结。
10. 1. 2冻土的物理力学性质
随着冻结深度的增加，井筒直径的增大，对冻结壁强度的要求越来越高。在冻结法设计与施工过程中，土压力的估算、冻土强度和厚度的计算，以及永久井壁的设计等问题，都与冻土的物理力学性质和岩土在冻结中出现的物理力学现象有直接的关系。

当温度降到结冰温度(一般为0°C)或更低时，岩土冻结并胶结了固体颗粒，形成冻土。冻土可分为天然冻土和人工冻土。通过冻结形成的冻土就是人工冻土。
(1)地下水对冻土形成的影响
冻土形成的过程，实质上是岩土中的水结冰胶结，充塞岩土颗粒间空隙的过程。由于岩土颗粒表面均带负电荷，当极性水分子与之接触时，便自动地整齐排列起来。如图10-2a所示，紧靠颗粒表面的一层，受强静电引力最大的称为强结合水，其厚度仅有十几个分子厚，密度为1. 2~2. 4g/cm3时，最低冰点为-78°C，占总含水总量的0. 2%~2%;距岩土颗粒表面稍远的称为弱结合水，其厚度较强结合水大，密度大于1，冰点一般为-30~-20°C ;再远为毛细水和重力水。强结合水和弱结合水构成结合水，形成岩土颗粒表面的水化膜，不受重力影响，有厚膜向薄膜移动的倾向(图10-2 b)毛细水虽不受重力影响，但与重力水有大致相近的冰点，一般在-4~0°C，毛细水和重力水构成自由水。