长45m
1 概述
1.3 工程应用简介
目前，冻结法在地下工程中广泛应用于以下四个领域： —— 立井工程 —— 地基基础 —— 基坑稳定 —— 隧道工程 —— 其他岩土工程
1 总论
1.4 力学与热性质
抗压强度：冻土的主要力学性质
随温度减低，冻土抗压强度 提高； 抗拉强度相对抗压强度较低 ，且随温度减低不再增加
1 概述
我国情况 ➢ 70年代初，北京地铁冻结长90m，垂深28m ➢ 1975年，沈阳地铁2号井 ➢ 上世纪80年代，东海拉尔水泥厂的上料仓基坑；南通建筑物旁
开挖的沉淀池工程 ➢ 1988年，凤台淮河大桥主桥墩基础工程 ➢ 1993年，上海地铁一线1个泵站和3个隧道贯通道结合部 ➢ 1998年，北京地铁热—八线大北窑车站南隧道水平冻结施工，
2 人工冻结制冷系统
2.1氨（氟利昂）－盐水冻结系统
盐水循环系统（冷媒剂循环）
冷媒剂是传递冷效应的物质，又称载冷剂。
氨循环系统（制冷系统）
通过相变循环实现制冷的物质
冷却水循环（冷却水循环）
将热量释放给大气
2.1氨（氟利昂）－盐水冻结系统
制冷技术（制冷系统、冷媒剂循环、冷却水循环） 制冷循环一般包括四个过程：压缩—冷凝—降压—蒸发
主要内容
1 冻结法概述 2 人工冻结制冷系统 3 冻结法原理与设计原则 4 立井工程冻结法 5 斜井冻结法
1 概述
1.1 人工地层冻结法
冻结法定义：
用人工制冷的方法，将待开挖地下空间周围的土体中的水 冻结为冰并与土体胶结在一起，形成一个按设计轮廓的冻 土墙或密闭的冻土体，用以抵抗土体压力、隔绝地下水， 并在冻土墙的保护下，进行地下工程的施工。
通过流动气体在管系统中进行循环的方式，将地层中的热量 带出，从而制冷，最常用的是液氮（LN2）。
1 概述
——环境友好的施工方法 冻结只是临时创造冻土良好的承载、密封性能，为构筑新的地 下空间服务，施工完成后，根据需要可拔除冻结管，冻土将解 冻融化，土将逐渐恢复到未冻结状态。
在冻结法施工中，没有象喷射混凝土时的混凝土、板桩施 工时的钢板或注浆时的浆液材料那些附加物质进入地层。
冻结法不污染环境，是“绿色”施工方法
(2) 待设计冻土结构形成后，在其保护下进行地下工程的掘进、 支护和设备安装等工作。
1 概述
——冻土的形成
为构造高承载力和密封防水的冻土体，在土中相应位置布置 和施工冻结孔——安设冻结管，通过冻结管中循环的低温冷 媒剂将土体中的热量带出，使地层降温并使土中水结为冰。
在冻结初期，冻土仅在紧靠冻结管周围形成冻土柱；随冻 结过程的继续，冻土柱渐渐扩大并相互连接，在预计的冻结 时间后，冻土体达到设计厚度——形成冻土
σ(MPa)
冻结粉砂
抗压强度
抗拉强度
θ (℃)
1 概述
热物理参数：导温系数、热容、导热系数以及相变潜热等 影响冻土热物理参数因素很多，温度、含水量、孔隙率、矿 物含量、未冻水含量等。确定土热物理参数比较复杂。
静力计算：确保冻土结构在所处工程条件下强度和稳定性 简单方法：将冻土体视为具有弹性模量E的弹性体。 若冻土体极限承载力已知：可直接从破坏状态入手计算 若考虑冻土体处于多向应力状态：其承载性能将有所提高 若安设支护：则承载功能由支护/冻土系统共同承担。 有限元等数值模拟方法在冻土结构中得到了越来越多的应用。 考虑了与实际工程相近的冻土非线性变形性质。
冷媒剂循环：与冻结 管相连，将地层热量 带出
冷却水Hale Waihona Puke 环：将冷媒 剂携带的热量释放于 大气中
冷却水 节流阀
冷凝器 冷却水循环
冻结地层 制冷循环
冻结管
冷媒剂循环
蒸发器
压缩 机
盐水泵
盐水 制冷剂
冻结法中，制冷剂一般用 氨或氟里昂，冷媒剂通常 用氯化钙溶液（盐水）
2 人工冻结制冷系统
2. 2液化气体系统（液氮）
1 概述
——冻结岩土体的方法
从土体中吸热。
——冻结的作用
含水、松散土体冻结后抗压强度明显提高。
——冻结法处理对象
岩土体中的水 水在冻结过程中将发生明显体积变化
1 概述
——冻结法设计与施工
(1) 根据工程、地质、水文和环境条件进行冻结设计：
——确定冻土结构形式 ——选择制冷方式 ——布置冻结系统 ——确定冻结温度 ——估算冻结时间，等。
1 概述
——方法具备的优点
(1) 安全性好，可有效的隔绝地下水； (2) 适应面广，适用于任何含一定水量的松散岩土层，在复杂水文地质
如软土、含水不稳定土层、流砂、高水压及高地压地层条 件下冻结技术有
效、可行； (3) 灵活性好，可以人为地控制冻结体的形状和扩展范围，必要时 可以 绕过地下障碍物进行冻结； (4) 可控性较好，冻结加固土体均匀、完整； (5) 经济上较合理。
1.2 冻结法简史 矿井建设
➢ l862年：英国，率先用冻结法成功进行深基坑开挖围护 ➢ l872年：德国，首先应用于矿井建设。鲁尔区冻结井深超过600m ➢ 1888年：美国，用于煤矿矿井开挖 ➢ l965年：加拿大，开挖l089米矿井，冻结深度684米 ➢ 1952至l98l年间：北美，用冻结法凿井达29个 ➢ 迄今为止，各国冻结井最大冻结深度：英国930m，美国915m， 波兰860m，加拿大634m，比利时638m，前苏联620m，德国531m， 法国550m，中国702m
地下工程
➢ 1979年：美国，地下核电站基坑、直径40m、深6m基础 ➢ 80年代：苏联，城市地铁大厅35座、隧道35项，高l38.5m、重
27000吨大楼基坑开挖支护 ➢ 1962以来：日本，超过300个大型冻结工程，其中有通过河流、铁
路、公路和其它构筑物下的隧道工程、挡土墙工程、与盾构施工有 关的工程等 ➢ 20世纪中叶起：波兰、德国、法国、瑞士、比利时、意大利、奥地 利、挪威、西班牙、芬兰、澳大利亚、法国、荷兰、加拿大等
1 概述
——冻结土体性质的改变 若将含水地层（松散土层和裂隙岩层）在结冰温度下冷却，岩 石裂隙或土孔隙中的水转换成冰，岩土的性质将发生决定性的 变化。这一变化具有双重意义：
材料：（1）土体中水分冻结，提高一定范围内岩土的强度 （2）减低一定范围岩土体渗透性——创造新工程材料
结构：在普通结构内部构建了新的工程结构。 ——冻结法 将这一性质改良后的冻结岩土服务于地下工程施工期内的 承载（结构功能）和密封（材料功能）