中国矿业大学力学与建筑工程学院2014~2015学年度第一学期《岩土工程冻结法》学号05112227班级土木工程11-3班姓名张轲力学与建筑工程学院教学管理办公室冻结法凿井技术原理及应用（中国矿业大学力学与建筑工程学院土木11-3班张轲）摘要：介绍冻结法凿井技术原理以及在实际工程中的应用，阐述冻结法凿井技术的工作实质与工作原理分析，并对冻结法凿井施工的工艺做简单说明。

分析冻结法凿井技术优越性，并对冻结施工过程中容易出现问题予以说明，并提出了相关的防治措施，以提高井筒冻结施工质量。

关键词：井筒冻结；应用；施工技术；防治措施；发展冻结法起源于天然冻结，随着人工制冷技术的发展和应用，出现了人工冻结。

冻结法在矿井建设中多用于立井的开凿，井筒直径大小和深度基本不受限制。

通常，当存在不稳定地层或含水极丰富的裂隙岩层，地下水含盐量不大，且地下水流速较小时，均可使用冻结法。

1 人工冻结法概况在天然冻土具有较高的强度及不透水性。

人工冻结法是依靠制冷剂物理的传热过程来达到地层，人工降温，使含水、低强度、又易于流动的常温土变成为有相当强度的，不透水的冻土结构物，土层被冻结后，其强度可增大几倍、数十倍甚至百倍，土壤中的水结成冰晶充满孔隙，可隔断与地下水的联系达到封水的目的，这样就可以抵抗地压。

然后在其保护下进行地下工程开挖，支护和构筑永久性设施。

岩土工程冻结法通常是利用物质气化过程的吸热现象来达到将土体中的水冷却、结冰的目的，其制冷系统多以氨作为制冷物质，由氨循环系统、盐水循环系统、冷却，水循环系统三大循环构成。

原理是使氨由液态变成气态，由气态又变为液态，如此循环进行。

冻结法具有适应性强、支护结构灵活、易控制、隔水性好、对环境影响小等优点。

因此,冻结法在井筒的特殊施工中被大量应用。

我国煤矿于1955年在开滦林西风井首次使用冻结法凿井，此后,冻结法凿井技术逐渐推广。

2 冻结法凿井施工原理及优越性立井冻结凿井在井筒开挖之前，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，用于抵抗地压、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。

冻结壁形成前，首先在欲开挖井筒的周围打一定数量的冻结孔，孔内安装供液管。

低温盐水在冻结器中流动，吸收其周围地层之热量，形成冻结圆柱。

冻结圆柱逐渐扩大，直至达到设计厚度和强度为止，最后连接成封闭的冻结壁。

在其保护下掘砌施工就可以安全穿过含水地层。

冻结法施工在复杂和特殊地层施工中具有很大的优越性，表现在：⑴适应性强。

它适应于各种复杂地质及水文地质条件下的任何含水地层的土层加固，并且基本不受基坑形式、平面尺寸和深度的影响；⑵支护结构灵活、易控制。

可根据不同地质条件、环境及场地条件灵活布置冻结孔、调节盐水的温度，从而获得高质量的冻土帷幕，特殊情况下还可以采用液氮进行快速抢险。

同时可通过地温监测指导施工，符合现代信息化施工的要求；⑶隔水性好。

它本身就是地下水的控制系统，防渗性能是其它施工方法无法相比的；⑷对环境影响小。

它充分利用土体自身的特点，材料是土体本身，对地下水及周围环境无污染，冻结壁解冻后，冻结管可回收，地下土层恢复原状，对地下工程较为有利。

3 冻结法凿井技术在我国应用概况我国在1955开滦林西风井开凿中首次应用人工冻结法建造立井，1987年将冻结法应用于东海拉尔水泥厂卸矿室及斜皮带走廊联合地下基础工程取得了成功之后，逐渐被广泛应用于我国的上海、北京、广州地铁工程和市政基础等10多项工程建设中。

人工冻结法开始在我国大规模应用。

上世纪主要在东部地区应用；近年在西部地区的煤炭基地建设中，得到了广泛应用。

目前，冻结法凿井技术已成为东、西部地区煤矿井筒穿过冲积层、软弱地层含水层时的主要特殊施工方法。

多年来，我国冻结法凿井施工规模迅速增长、冻结深度也越来越深。

（1）施工规模不断增大。

累计井筒长度22.7万ｍ，最大井筒净直径10.5ｍ，施工规模是世界最大的。

（2）冻结深度。

最大冻结深度，西部地区850 ｍ，东部地区800 ｍ。

2011年开工的甘肃省核桃峪矿副立井，净直径9.0ｍ，冻结深度950ｍ，超过英国冻结深度930ｍ的世界纪录。

（3）地质条件。

东部地区冻结的主要对象是第四系、第三系地层，厚500-600ｍ，以含水丰富的松散流砂层及粘土层为主。

西部地区冻结的主要对象是白垩系、侏罗系软弱地层，厚800-900ｍ，赋存基岩承压含水层，静水位高，水压大。

我国冻结法凿井技术迅速发展在煤矿建设中发挥了重要作用。

尤其是近10多年来，冻结深度有了新突破，采用新技术、新装备、新工艺建成了一批深冻结井筒。

表明我国冻结法凿井技术水平发展到了一个新的阶段，达到了世界先进水平。

4 冻结法凿井施工及其常见问题在井筒开凿之前,用人工制冷的方法将井筒周围的地层冻结成封闭的不透水的圆筒---冻结壁,以抵抗地压和隔开地下水与井筒的联系,并在冻结壁的保护下进行掘砌工作的一种特殊凿井法。

为了形成冻结壁,预先在拟凿井筒外围按圆周布置一定数量的冻结孔,孔深略大于冻结深度,在孔内安装冻结器 (由冻结管、供液管与回液管组成)。

盐水降温是利用液氨汽化时吸热的原理来实现的。

液氨在蒸发器里汽化时,吸收蒸发器周围介质的热量,使盐水降温。

汽化后的氨汽用氨压缩机压缩为过热蒸汽,经冷凝器冷却为高压液态氨,再经节流阀减压为低压液氨,流入蒸发器内重新汽化,构成氨循环系统。

冷却水不停地流过冷凝器,把过热蒸汽氨中的热量带走,构成冷却水循环系统。

因此,冻结法凿井的基本原理是:盐水吸收地层热量并将其传递给氨,经压缩机作功后氨又将这部分热量传给冷却水,最后冷却水把热量散发到大自然中去。

这样逐步实现将地层降温直至形成所需之冻结壁。

(来自互联网) 现在,我国已是世界上用冻结法凿井穿过表土层最厚的国家之一。

但是井筒在冻结法施工中,仍然存在很多的问题，必须引起高度重视。

常见问题如下：⑴冻结钻孔施工中，钻机性能跟不上要求，不能满足深冻结孔施工要求，以致影响工期。

⑵掘进段高是指掘进段未经支护的高度。

由于影响段高的因素较多，没有成熟的理论，目前只能采用工程类比法，按施工经验选取。

⑶深厚膨胀性黏土层的冻结外壁发生破坏在国内冻结井施工中是一种较为普遍的现象，也是困扰国内建井界的棘手问题。

主要有以下几个方面的原因：一是对地层土体性质掌握不全面，尤其是含有膨胀性矿物的地层；二是冻结壁强度低，黏土蠕变膨胀挤裂外层井壁；三是低温下混凝土早期强度低，在其未达到最终强度前井壁破裂；四是因冻结壁形状不规则和厚度不同等造成冻胀力不均匀以及在掘砌过程中，由于冻结壁流变量的不均匀，使砌筑外壁前冻结壁冻胀量释放不均匀，致使作用在外壁上的冻胀力不均匀。

⑷在冻结井筒掘进中，冻结管断裂现象时有发生。

近年来，由于冻结深度逐年增加，遇到厚粘土层的机会越来越多，冻结管断裂的现象也就会越来越严重。

4.1 冻结方案针对不同的水文地质、工程地质和工程条件，可采用不同的冻结方案，以达到最佳的经济效益。

实际工程中常用的冻结方案有：（1）一次冻全深一次冻全深，是指所有冻结孔的深度与最大冻结深度一致，并且全深一次冻结形成冻结壁的冻结方式。

包括单圈管冻结、双圈管冻结和异径管，一般采用单圈管冻结，即只在井筒周围布置一圈冻结管：当表土层厚，要求冻结壁厚、平均温度低时刻采用双圈管冻结方案，即在井筒周围布置两圈冻结管；为了加快上部的冻结速度，提前开挖，刻采用上粗下细的异径冻结管冻结，上部冻结管的吸热面积大，冻结速度快，下部冻结管吸热面积小，冻结速度慢。

（2）长短管（差异）冻结方案长短管冻结，又称“差异冻结”，是指冻结管的深度不同，长短管交错布置于一圈上，一次冻结形成冻结壁的冻结方式。

此方案只要用于同时冻结冲积层和含水基岩的情况。

长管超出短管深度的部分主要任务是冻结基岩、封堵地下水，而上部分则与短管共同形成承受水压力力的冻结壁。

（3）分段（分期）冻结方案分段冻结，又称“分期冻结”。

当冻结深度较大，且水文、工程地质条件比较适宜时，可将整个冻结深度自上而下分成数段，分段冻结形成冻结壁。

这一方案的冻结管布置方式与与一次冻全深相同，知识采用不同结构的冻结器来实现分段冻结的目的。

（4）局部冻结方案当只有局部地层需要冻结时，可采用局部冻结方案。

4.2 冻结法凿井工艺流程冻结法凿井工艺主要包括打钻、冻结、井筒掘砌三大内容。

其次,冻结站安装与打钻平行作业,收尾工程放在井筒掘砌完了进行。

冻结法凿井中的钻孔就其用途可分冻结孔、水文观察孔和测温孔三种。

冻结孔数量多、要求垂直度高。

冻结孔内安装冻结器,是地热和低温盐水的热交换器,冻结壁形成好坏全靠冻结孔的施工质量。

从冻结开始到冻结壁达到设计厚度和强度的期间称积极冻结期。

该冻结期间的任务是尽速形成冻结壁,应充分利用有利条件和各种可行的先进技术措施,以利加快速度和降低成本：尽量利用天然冷；合理选择冷却水水源井位置；一、二级压缩混合系的合理使用；作好积极冻结期的监测工作；开挖时间的确定；掘进前的准备工作。

结语冻结法凿井由于基本不受支护范围和支护深度的限制，能有效防止涌水以及挖掘、钻凿施工中相邻土体的变形而受到越来越多的重视，并将是完成井筒工程的主要技术手段。

完善和发展冻结凿井理论和技术体系不仅具有重要的社会效益，而且具有良好的经济前景。

人工冻结法具有很强的拓展性。

系统总结和发展已取得的理论研究成果和施工实践经验，对推动冻结法更加经济安全可靠的应用，拓宽冻结法应用领域具有长远的意义。

随着我国经济建设的发展, 富含水困难地质条件下的城市地下工程将日益增多, 为冻结法的应用提供了广阔的空间。

也为人土冻土法带来了挑战。

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