人工地层冻结 - 集成

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1、人工地层冻结技术,胡向东 2014.12.04,大 纲,概述,冻结法的制冷系统与特点,冻结法的基本理论问题,冻结法联络通道施工,冻结法施工监测,安全与质量控制,施工风险与对策,特殊应用案例,1 概述,人工地层冻结法的基本原理 人工地层冻结法的特点 冻结法的发展历史 冻结法的应用,1.1 人工地层冻结法的基本原理,人工地层冻结法(Artificial Ground Freezing, AGF)（简称“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

2、改变岩土性质以固结地层。,1.1 人工地层冻结法的基本原理,基本原理,1,1.1 人工地层冻结法的基本原理,冻结岩土性质的改变 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” 。,岩土冻结实质,2,1.2 人工地层冻结法的特点,冻结法适用于任何地层,冻结法的适应性,1,1.2 人工地层冻结法的特点,冻土强度变化性：温度越低，强度越高 冻土强度差异性：砂性土高于黏性土,冻土基本特点,2,1.2 人工地层冻结法的特点,较高的强度和稳定性 绝对的封水性,冻土结构特点,3,1.2 人工地层冻结法的特点,结构承载 封

3、水不承载 屏障隔绝污染,冻土结构功能,4,1.2 人工地层冻结法的特点,冻土帷幕的变化性 冻土范围可变； 冻土温度可变； 冻土强度可变（强度是温度的函数） 冻土帷幕的连续性 水在负温下结冰的必然性 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,冻土帷幕特点,5,1.2 人工地层冻结法的特点,安全性好 冻土强度较高 冻土连续性可靠、封水性好 结合性好：冻土可与其他结构或材料良好胶结 适用性强 适用于几乎所有具有一定含水量的松散地层（包括岩石） 复杂地质条件可行（流砂、大深度、高水压） 灵活性高 冻土帷幕性状（范围、形状、温度、强度）可控 经济性较好 环保性能好“绿色工法”,冻结法优点,

4、6,1.2 人工地层冻结法的特点,冻胀融沉 对环境有一定的影响，严重时具有一定的破坏力 融沉控制不当可导致结构差异沉降和长期沉降 风险性 供冷不足或外部热源可导致冻土帷幕性能退化（范围、强度） 流水作用下冻土可快速消融 局限性 地下水流速影响冻结效果 地层含盐影响冻结效果 含气地层可影响冻结效果,冻结法缺点,7,1.3 冻结法的发展历史,1862年，英国威尔士(South Wales)的建筑基础施工首次使用人工地层冻结法，失败* 1880年，德国工程师 F.H. Poetch首先提出人工冻结法原理并获专利 1883年，德国阿尔巴里煤矿成功地采用冻结法建造井筒 两年后（1886年1），瑞典人开始

5、使用冷冻，用冻结法在斯特哥尔摩掘进了一条隧道。德国人和瑞典人之后是法国人（1906年1 ） 1888年，美国人用于煤矿矿井开挖 1928年，苏联在德国人的帮助下，在钾矿首次成功使用人工地层冻结法凿井 1933年，苏联在工程师特鲁巴克()领导下，在莫斯科地铁1号线成功使用人工地层冻结法修建三个地铁站的扶梯斜隧道以及若干隧道工作井 1942年 ，巴西26层高楼不均匀沉降修正1 1955年，中国煤矿首次采用冻结法凿井 1960年，加拿大双拱铁道隧道隔墙拆除工程1 1962年，日本开始使用冻结法于市政工程（大阪水管越江2）（无矿山工程） 70年代初，北京地铁首次应用冻结法 1994年，台北捷運新店線

6、CH221 標 1,1.4 冻结法的应用,土木工程、岩土工程 矿山凿井：竖井、斜井 隧道施工：隧道掘进；盾构、顶管进出洞、联络通道；隧道扩建 基坑工程 穿越 地下对接 事故处理 采矿工程 管线工程 基础加固 边坡加固 冷却降温 环境保护：污染物处理；水下有害沉积物、污染体清理；污泥除水 安全打捞：易碎物、松散物打捞 土工试验：原状土取样,1.4 冻结法的应用,1.4 冻结法的应用,1955年，由波兰引进了立井冻结法凿井技术，在开滦林西煤矿风井建成了第一口立井，在中国开创了人工地层冻结法的先河 截止1994年未的40年间，我国已采用冻结法开凿了390多个井筒，总长度超过66km. 截止2007年

7、，我国已采用冻结法开凿了500多个井筒，总长度超过70km1. 苏联（俄罗斯）冻结法凿井400多个，当时规模最大 截至2011年年底，中国大陆地区利用地层冻结法完成凿井约790个，总里程约180km；最大冻结深度达到955m1，水平冻结长度达到147.8米.,竖井凿井,1,1.4 冻结法的应用,主要国家最大冻结深度（1991）,1.4 冻结法的应用,自1933年起，苏联（俄罗斯）在地铁使用人工地层冻结法修建扶梯斜隧道 100多条，总长超过5km.,斜井、倾斜隧道,2,1.4 冻结法的应用,苏联地铁扶梯倾斜隧道,1.4 冻结法的应用,Boston：隧道通过俄式百年建筑,隧道,3,1.4 冻结法的

8、应用,瑞士：Zurich Limmat河底隧道,隧道,3,1.4 冻结法的应用,管幕冻结法 港珠澳大桥拱北隧道,隧道,3,1.4 冻结法的应用,管幕冻结法 港珠澳大桥拱北隧道,隧道,3,1.4 冻结法的应用,盾构进出洞冻结,4,日本： 大直径 盾构到达 垂直冻结,1.4 冻结法的应用,盾构进出洞冻结,4,日本： 盾构到达 水平冻结,1.4 冻结法的应用,盾构进出洞冻结,4,日本： 大直径 盾构到达 水平冻结,1.4 冻结法的应用,盾构进出洞冻结,4,日本： 大直径 盾构始发 垂直冻结,1.4 冻结法的应用,盾构进出洞冻结,4,日本： 大直径 盾构始发 垂直冻结,1.4 冻结法的应用,盾构进出洞

9、冻结,4,日本： 大直径 盾构始发 水平冻结,1.4 冻结法的应用,盾构进出洞冻结,4,1.4 冻结法的应用,大连路隧道 翔殷路隧道,盾构进出洞冻结,4,液氮冻结,1.4 冻结法的应用,盾构进出洞冻结,4,1.4 冻结法的应用,日本： 鋼管凍結工法 优点： 冻土帷幕强度高冻土体积小冻胀融沉小,盾构进出洞冻结,4,1.4 冻结法的应用,顶管进出洞,4,1.4 冻结法的应用,地铁联络通道（带集水井）,隧道联络通道冻结法施工,5,1.4 冻结法的应用,隧道联络通道冻结法施工,5,双圆盾构隧道的集水井,1.4 冻结法的应用,The Netherlands：Westerscheldetunnel,隧道联

10、络通道冻结法施工,5,26 条联络通道, 间距 250 m, 长度12 m, 椭圆断面高2.75m宽2.5m, 衬砌厚400mm, 临时支护喷混凝土厚300mm,1.4 冻结法的应用,The Netherlands：Westerscheldetunnel,隧道联络通道冻结法施工,5,1.4 冻结法的应用,上海长江隧道联络通道,隧道联络通道冻结法施工,5,8 条联络通道, 间距 800 m, 长度15 m, 圆形断面，开挖直径4m, 衬砌厚300mm, 临时支护喷混凝土厚300mm,1.4 冻结法的应用,隧道联络通道冻结,5,1.4 冻结法的应用,隧道扩建,6,1.4 冻结法的应用,基坑,7,1

11、.4 冻结法的应用,基坑,7,1.4 冻结法的应用,俄罗斯,基坑,7,液氮（Linde）,1.4 冻结法的应用,“The Big Dig”-The Central Artery Tunnel. Boston, USA,穿越,8,1.4 冻结法的应用,穿越,8,1.4 冻结法的应用,日本大阪 下水管垂直错高对接,地下对接,9,1.4 冻结法的应用,日本9.8m泥水盾构 水下对接,地下对接,9,1.4 冻结法的应用,琼州海峡隧道盾构对接,地下对接,9,1.4 冻结法的应用,盾构长距离推进盾尾密封钢丝刷磨损后的更换 （上海长江隧道）,盾尾刷更换,10,1.4 冻结法的应用,上海轨道交通4号线董家渡坍

12、塌隧道 南京地铁2号线“中元”区间坍塌隧道修复 川气东送武汉长江盾构穿越隧道修复工程,事故修复,11,1.4 冻结法的应用,Pipe freezing / frosting,管道截流,12,水 泥浆 油类 乳状液 胶状液 盐水,2 冻结法制冷系统与特点,人工地层冻结制冷技术通常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。 有两种类型： 间接制冷：通过冷媒剂(盐水)吸收岩土热量 直接制冷：制冷剂气化吸收岩土热量,制冷方法,1,盐水冻结系统 液氮冻结系统,2 冻结法制冷系统与特点,间接制冷,2,盐水冻结 三大循环： 制冷剂循环 冷媒循环 冷却水循环,2 冻结法制冷系统与特点,间接制冷,2

13、,盐水冻结三大循环： 制冷剂（氨或氟利昂）循环气态制冷剂压缩机压缩成过热蒸气进入冷凝器冷却，形成高压液态，经节流阀流入蒸发器，液态制冷剂在蒸发器中吸收盐水热量气化相变成气态制冷剂； 冷媒（盐水）循环盐水吸收地层热量，然后将热量传递给蒸发器中的液态制冷剂； 冷却水循环冷却水在冷凝器中吸收制冷剂热量，并通过冷却塔散发给大气。,大气,地层,冷媒循环,冷却水循环,制冷剂循环,2 冻结法制冷系统与特点,直接制冷,3,液氮冻结,After Giuseppe Colombo,2 冻结法制冷系统与特点,制冷方法对比,4,2 冻结法制冷系统与特点,制冷方法对比,4,冻结速度比较 液氮1周=盐水1月,After

14、SEIKEN Co. Ltd.,3 冻结法的基本理论问题,冻土热、物理力学性质 热传导与温度场 土体冻胀、融沉 冻土解冻 含盐地层 地下水流动问题,3 冻结法的基本理论问题,主要参数：比热、热传导系数、潜热、结冰温度等 最主要影响因素：含水量 特点：冻土与未冻土的热力学参数有明显区别,热力学性质,1,3 冻结法的基本理论问题,强度：单轴抗压、抗拉、抗剪、粘聚力、内摩擦角、变形模量、泊淞比等 主要影响因素：温度、含水量、未冻水含量、粒径、孔隙率、荷载 特点：冻土是流变材料，力学性质随时间变化,物理力学性质,2,3 冻结法的基本理论问题,n随土性变化的参数， 砂性土n0.5黏性土n1； a, b与

15、冻土的孔隙度、含水量相关的系数。,单轴抗压强度,2.1,同等条件下，冻土强度是温度的函数：,单轴极限抗压强度与温度的关系 （日本）,3 冻结法的基本理论问题,在相同温度下，含水量对冻土极限强度影响很大。在非饱和时，强度随含水量增长；过饱和时，强度随含水量降低。 其中，未冻水含量对冻土强度影响也很显著。未冻水含量越高，强度越低。,单轴抗压强度,2.1,单轴极限抗压强度与总含水量的关系 1砂；2亚砂；3黏土；4粉质黏土 （俄罗斯）,3 冻结法的基本理论问题,冻土抗拉强度规律与抗压强度相同。强度随着温度的降低增长，同时取决于土的成分、含水量等因素。 数值上，抗拉强度比抗压强度低26倍。,抗拉、抗剪强

16、度,2.2,3 冻结法的基本理论问题,导热形态 冻结发展动态过程 温度场与平均温度,热传导与温度场,3,3 冻结法的基本理论问题,冻结管冻结过程是非稳态导热问题 冻结后期，热交换趋于平衡，可近似看作稳态导热问题 温度场分析时一般看作稳态导热问题,导热形态,3.1,3 冻结法的基本理论问题,单排冻结管冻结过程三阶段：单管冻结、管间影响冻结和管间冻土相接后冻结 单管冻结：管间独立冻结，冻土呈圆柱状发展 管间影响冻结：管间相互影响，冻土在冻结管之间（轴向）发展快，两侧慢，冻土呈椭圆柱形 管间冻土相接后冻结：冻土相接（“交圈”）后，形成波浪形冻土墙，但凹陷部位（界面）发展快，凸出部位（主面）发展慢，凹陷部位将很快填满，冻土墙两侧呈直线形。之后冻土直墙继续向两侧发展。,冻结发展动态过程,3.2,3 冻结法的基本理论问题,单管冻结温度场(. , 1954 ),温度场与平均温度,3.2,单排管直墙温度场