凍結法是利用人工製冷技術，使地層中的水結冰，把天然岩土變成凍土，增加其強度和穩定性，隔絕地下水與地下工程的聯繫，以便在凍結壁的保護下進行井筒或地下工程掘砌施工的特殊施工技術。最早用於俄國金礦開採，後由德國工程師用於煤礦礦井建設獲得專利技術趨於成熟，現在已廣泛套用於捷運、深基坑、礦井建設等工程中。詳細介紹了其起源、基本原理、製冷系統、加固機理以及施工方法等。
基本介紹
- 中文名：凍結法
- 外文名：freezing method
- 關鍵：人工製冷技術
- 套用範圍：市政工程；煤礦
- 學科：礦業
- 術語所屬：建築術語
定義,凍結法的起源,基本原理,製冷系統,氨循環系統,鹽水循環,冷卻水循環,凍結法的加固機理,施工方法,
定義
凍結法的定義為：用人工製冷的方法，將待開挖地下空間周圍的土體中的水凍結為冰並與土體膠結在一起，形成一個按照設計輪廓的凍土牆或密閉的凍土體，用以抵抗土壓力，隔絕地下水，並在凍土牆的保護下，進行地下工程施工的一種岩土特殊施工方法，常用於豎井工程。
凍結法的起源
凍結法起源於天然凍結。由於人工製冷技術的發展和套用，產生了工程凍結。1862年英國南威爾斯在建築基礎施工中，首先使用了人工製冷加固土壤。1883年德國工程師波茨舒，在德國阿爾巴里得煤礦，用凍結法開鑿了深度為103米的井筒，獲得了凍結法鑿井技術專利。之後，該項技術傳播到世界上許多國家。蘇聯從1928年開始使用凍結法，至今採用凍結法鑿井數目已經超過400個，成為當今世界採用凍結法鑿井規模最大的國家之一。凍結深度是凍結法鑿井施工技術高低的一個重要標誌。我國於1955年在開灤林西風井開始使用凍結法鑿井，井筒淨直徑5米，凍結深度105米。此後，凍結法鑿井技術逐漸推廣到東北，華北，華東，中南地區。至1990年，凍結鑿井數目約300個，累計凍結井筒深度50km，最大凍結深度435m。我國已經是世界上用凍結法鑿井穿過表土層最厚的國家之一。自1992年起，凍結法工藝被廣泛套用於城市捷運工程施工中。
基本原理
凍結技術是利用人工製冷技術，使地層中的水結冰，把天然岩土變成凍土，增加其強度和穩定性，隔絕地下水與地下工程的聯繫，以便在凍結壁的保護下進行地下工程掘砌施工的特殊施工技術。其實質是利用人工製冷臨時改變岩土性質以固結地層。凍結壁是一種臨時支護結構， 永久支護形成後，停止凍結， 凍結壁融化。岩土工程凍結製冷技術通常利用物質由液態變為氣態，即汽化過程的吸熱現象來完成的。其製冷系統多以氨作為製冷工質，為了使氨由液態變為氣態，再由氣態變為液態，如此循環進行，整個製冷系統由氨循環系統、鹽水循環系統和冷卻水循環系統3 大循環構成。
凍結法具有以下優點：
（1）有效隔絕地下水；
（2）適應性強，幾乎不受地層條件的限制（低含水量地層除外）；
（3）施工靈活；
（4）綠色施工，無污染；
（5）複雜地層施工經濟合理。
製冷系統
壓縮製冷由三大循環構成：氨循環，鹽水循環和冷卻水循環。
氨循環系統
氨循環在製冷過程中起主導作用，為了使地熱傳遞給冷卻水再釋放給大氣，必須將蒸發器中飽和蒸汽氨成為高壓高溫的過熱蒸汽，使與冷卻水產生溫差，在冷凝器中將熱量傳遞給冷卻水，同時過熱蒸汽氨冷凝成液態氨，實現氣態到液態的轉變。液態氨經節流閥降壓流入蒸發器中蒸發，再吸收其周圍鹽水中的熱量變成飽和蒸汽氨。如此，周而復始，構成氨循環。氨循環系統設備由蒸發器，氨壓縮機，冷凝器和節流閥構成。
鹽水循環
鹽水循環在製冷過程中起著冷量傳遞作用。該循環系統由鹽水流動的動力。凍結器是低溫鹽水與地層進行熱交換的換熱器，鹽水流速越快，換熱強度越大。凍結器由凍結管，供液管和回液管組成。根據工程需要可採用正、反兩種鹽水循環系統，正常情況下用正循環供液。積極凍結期間，凍結器進出口溫度差一般為3至7攝氏度，消極凍結期間，其進出口溫度差為1至3攝氏度。蒸發器中氨的蒸發溫度與其周圍的鹽水溫度相差5至7攝氏度。凍結器表面的吸熱率即單位時間、單位面積的吸熱量為263至292W每平米。為了觀察鹽水在凍結管中是否漏失應在去、迴路鹽水乾管和凍結器進出口處安裝計量計。上述鹽水循環稱為閉路鹽水循環系統。國外還使用一種開路回液鹽水循環，其主要特點是無集液圈，每根回液管單獨回液，便於觀察每根凍結管鹽水是否漏失。這種方式鹽水循環用管量大，較閉路循環複雜。鹽水管路應嚴格進行保溫處理，一般情況下，鹽水管路的熱損耗大約占領凍結站總製冷量的25%左右。
冷卻水循環
冷卻水循環在製冷過程中的作用是將壓縮機排出過熱蒸汽冷卻成液態氨，以便進入蒸發器中重新蒸發。冷卻水把氨蒸汽中的熱量釋放給大氣。冷卻水溫越低，製冷係數越高，冷缺水溫，一般較氨的冷凝溫度低5至10攝氏度。冷卻水由水泵驅動，通過冷凝器進行熱交換，然後流入冷卻塔水池，冷卻後的循環水應隨時由地下水補充。
凍結法的加固機理
凍結法加固地層的原理及一般過程為：利用人工製冷技術，在凍結孔中循環低溫鹽水，使地層中的水凍結成冰，將天然岩土變成人工凍土，在要開挖體周圍形成封閉的連續凍土帷幕，使其彈性模量增大，進而增加凍土帷幕的強度與穩定性；以抵抗地壓、水壓並隔絕地下水與開挖體之間的聯繫；然後在該封閉凍土帷幕保護下進行開挖與永久支護的施工。
施工方法
在井筒開挖之前，從地面沿其外圍一定距離的同心圓周上按等間距向下鑽孔，孔底深入不透水層，然後向每個鑽孔中沉放用無縫鋼管做的下端封閉的凍結管；在地面安裝冷凍設備,採用氨(NH3)為製冷劑，將冷媒劑氯化鈣(CaCl2)溶液（習稱鹽水）冷卻到-20～-30°C,用循環泵和插至凍結管深處的聚氯乙烯供液管將鹽水送入凍結管。經低溫鹽水長時間連續地吸取管外的熱量，使周圍地層凍結。鹽水吸取地層的熱量後溫度上升，在循環泵的作用下，經迴路管回到冷凍設備和製冷劑接觸而重新冷卻。原為液態的氨，在減壓的條件下蒸發時攝取鹽水的熱量後，經壓縮和冷凝又使其液化，在管道內循環流動，重複使用。在每一凍結管周圍形成的凍土圓柱體，其直徑隨時間而增大，這些圓柱體互相交接成密實而閉合的凍土牆，能承受水、土壓力並阻隔地下水，在它的保護下開挖地層和修築襯。
凍結法凍結法
採用凍結法施工時，須根據施工進度、凍土牆的需要強度、開挖順序等，確定凍土牆的厚度、凍結管群的間距與行數，以及其長度、凍結順序和解凍順序等，從而選擇必要的凍結設備。還須制訂施工中的測定溫度計畫和測定點。根據測定結果，以連續或間斷的供冷方式保持凍土牆的凍結。同時研究地層凍結時的膨脹和解凍時的下沉情況，預先制定測定方法和對策。此外，在地下構築物施工時,必然要在接近-5～-10°C的凍面處灌築混凝土,因此最好採用低溫早強混凝土,否則要埋設加熱器或敷設絕熱材料，以減少凍土牆對混凝土的影響。地下構築物完成後，要對凍結的地層進行均勻而連續的解凍，對埋深不大的地下工程,可停止供應鹽水,令其自然解凍；如埋深很大時,則供應溫度逐漸提高的鹽水,進行人工解凍。此外，各國還有用液態氣體蒸發製冷的。進行凍結時，只需用儲氣罐將液態氮運至工地直接注入凍結管即可，因此工地設備簡單，但其缺點是液態氮使用不安全，有一定的危險性。
