冻结法原理及其应用.ppt

4 斜井冻结法 · 项 目 名 称 单位 副斜井 1 最大地压 Mpa 0.78 2 掘砌荒半径 m 2.4 3 冻结壁平均温度 ℃ -8 4 安全系数 ? 砂层2.5 5 许用抗压强度 Mpa 5.0 6 边墙冻结壁计算厚度 m 2.5 7 拱圈冻结壁计算厚度 m 3.5 8 底板冻结壁计算厚度 m 3.5 9 设计选定边墙冻结壁厚度 m 2.5 10 设计选定拱圈冻结壁厚度 m 5.0 11 设计选定底板冻结壁厚度 m 3.5 冻结布置图 9 斜井冻结法 3 冻结法原理与设计原则 冻结站安装 —冻结站位置选择。以供冷、电、水及排水方便为原则，考虑对环境的影响以及消防、通风等安全要求，靠近工地 —冻结站设备布置。一般站内布置氨循环系统和盐水循环系统，站外布置冷却水循环系统 —冻结站安装程序。冻结站安装可与冻结孔钻进同时进行 —管路耐压密封试验。安装完毕，进行耐压、密封试验 —管路隔热保温。低压、低温部分隔热、保温，减少损失 —管路灌注制冷剂和冷媒剂 若设计用液氮冻结冻结，则冻结站安装工作要简化得多 3 冻结法原理与设计原则 冻结孔施工 — 钻孔布置 — 冻结孔钻进 — 冻结孔测斜 — 冻结管安装 土体冻结 — 盐水流量观测 — 管路温差观测 — 土体温度观测 — 确定冻结时间 3 立井工程冻结法 ?3.1 概述 ? 120年，含水、软弱、不稳定地层矿山立井建设的成熟技术 国外： 冻结法凿井利用氨循环制冷系统。 为形成能抵抗地压、隔绝地下水的冻结壁，首先在欲开挖井筒周围钻进一定数量冻结孔，安设冻结器。 冻结站制出的-25~-35℃低温盐水，经去路盐水干管（12）、配液圈（13）到供液管底部、沿冻结管和供液管之间的环形空间上升到回液管、集液圈（15）、回路盐水干管（16）至蒸发器（2）——形成盐水循环 低温盐水在冻结器中流动，吸收周围地层热量，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的时间称为积极冻结期，将维护冻结壁的期间称作消极（或维护）冻结期。 吸收了地层热量的盐水，在盐水箱内将热量传递给蒸发器中的液氨，使液氨变为饱和蒸气氨，再被氨压缩机（4）压缩成过热蒸气进入冷凝器（7）冷却，将地层和压缩机产生的热量传递给冷却水，最后将这些热量传给大气。 冻结法凿井主要工艺过程包括： —— 冷冻站安装 —— 钻孔施工 —— 井筒冻结 —— 井筒掘砌 等四大内容 3 立井工程冻结法 3.2 冻结方案 针对不同水文、地质和工程条件，采用不同冻结方案，以达到最佳经济效益。实际工程常用冻结方案有： l 一次冻全深 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、双圈管和异径管。 一般采用单圈管冻结方案，即只在井筒周围布置一圈冻结管 当表土厚，要求冻结壁厚、平均温度低时可采用双圈管冻结，即在井筒周围布置两圈冻结管 为加速上部冻结，尽早开挖，可采用上粗下细异径管冻结，上部冻结管吸热面积大，冻结快，下部管吸热面积小，冻结慢 l? 长短管（差异）冻结方棠 长短管冻结，又称“差异冻结”——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。 此方案主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土压力的冻结壁。 3 立井工程冻结法 l? 分段（分期）冻结方案 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为数段，分段冻结形成冻结壁。这一方案的冻结管布置方式与一次冻全深相同，只是采用不同结构的冻结器来实现分段冻结的目的 分期冻结冻结器 1配液圈 2 集液圈 3 阀门 4 冻结管 5、6 供、回液管 3 立井工程冻结法 l??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 局部冻结冻结器 隔板 (b) 压气隔离 (c) 盐水隔离 (d) 上下冻结 3 立井工程冻结法 3 立井工程冻结法 3.3 热力分析 冻结壁的形成 冻结锋面——岩土冻结过程中，孔隙水开始发生结冰相变的面称为，是冻土与未冻土的分界面。 冻结前地层有均一的初始温度。冻结初期，低温盐水 与冻结管周围的地层产生剧烈的热交换，在每个冻结管周围很快形成圆柱形的冻结岩土柱 由于相邻冻结管间的影响，轴面比主面冻结更快，冻土柱由圆柱形变为椭圆形，再进一步扩展，直至相交圈，在井筒周围形成封闭的冻土墙—冻结壁。 交圈后，原冻结管的冻结锋面连成向井内扩展的内冻结锋面和向井外扩展的外冻结锋面，且内、外冻结锋面很快地趋于平滑，当界面上的冻结壁厚度等于冻结管