冻结法种类与特点及其在立井、斜井、地基基础、基坑稳定及隧道工程中的应用
发布时间:2024-08-23
引言
冻结法作为一种广泛应用于多种地下工程中的先进技术，凭借其高效、可控的特点，在立井施工、斜井施工、地基基础处理、基坑稳定以及隧道工程等领域展现出了独特的优势。本文将深入探讨冻结法的种类、特点及其在各类工程中的具体应用，并通过详细的技术指标分析，为读者提供全面的理解。
冻结法的应用范围
冻结法作为一种先进的土体加固技术，其应用范围极为广泛。它可以在多种地质条件下实施，特别是在地下水位较高、土质松软的地区，其效果尤为显著。具体而言，冻结法主要应用于以下几个方面：
立井施工：在立井施工过程中，冻结法常被用于井筒周围土体的加固，以防止井壁坍塌和地下水渗透。通过冻结形成的冻土帷幕，可以有效地隔绝地下水，确保施工安全。
斜井施工：与立井相似，斜井施工过程中也面临土体稳定性和地下水控制的问题。冻结法同样可以在斜井施工中发挥重要作用，保障斜井的顺利开挖和支护。
地基基础：在地基基础处理中，冻结法可以用于地基土的加固和改良，提高地基的承载力和稳定性。特别是对于软弱地基和不良地质条件，冻结法更是一种有效的处理方法。
基坑稳定：在深基坑开挖过程中，冻结法可用于基坑周边的土体加固，防止基坑坍塌和地下水渗流。通过冻结形成的冻土帷幕，可以有效地保护基坑和周边建筑物的安全。
隧道工程：在隧道掘进过程中，冻结法常用于隧道周围土体的预加固和超前支护。通过冻结形成的冻土壳体，可以有效地隔离地下水，并为隧道的开挖和支护提供有力保障。
冻结法的种类
按照不同的制冷原理，冻结法可以分为四类：相变制冷、蒸汽压缩制冷、吸收制冷和热电制冷。每种制冷方式都有其独特的工作原理和应用特点。
1. 相变制冷
相变制冷是利用物质在相变过程中吸收或释放热量的原理进行制冷的一种方法。在冻结法中，最常用的相变制冷剂是干冰（固态二氧化碳）和液氮。这些制冷剂在升华或气化过程中会吸收大量的热量，从而降低周围土体的温度。
2. 蒸汽压缩制冷
蒸汽压缩制冷是目前应用最广泛的一种制冷方式。它利用制冷剂在压缩过程中温度和压力的变化来实现制冷。在冻结法中，常用的蒸汽压缩制冷系统包括氨盐水冻结系统等。
工作原理：制冷剂在循环过程中以蒸汽和液体的形式存在，通过压缩机将制冷剂压缩成高温高压的蒸汽，然后通过冷凝器冷却成液体，再通过膨胀阀降压后蒸发吸热，从而实现制冷。工程当中最常用的这个压缩制冷方式是氨盐水冻结系统。氨盐水冻结系统它包含了三大循环，盐水循环、氨循环和冷却循环。
大家可以看这幅图，这个图就是典型的氨盐水循环。
这里三大循环首先就是这个盐水循环，盐水循环主要是在这个冻结管当中进行的，它这种循环的作用，就是把这个岩土体当中的这个热量吸走，吸收到这个盐水当中。然后吸收进来之后，然后通过这个循环进入到下面的这个制冷剂循环。制冷剂这里用的氨，所以说又叫做氨循环。首先，氨是以液态的形式存在。当你的盐水带着这个岩土的热量上来之后，进入到液氨的这里面之后，氨吸收这个热量发生气化，发生气化之后再给它加压。加压目的主要是提高你的这个氨蒸汽它的温度。提高温度之后，然后进入这个冷却水循环。冷却水循环主要的作用就是吸收饱和氨蒸汽当中的它的这个热量，然后给它冷却。饱和完蒸汽冷却之后，它由气态又变成了液态，再回流到这里面的这个蒸发器当中。这样的话通过盐水循环、氨循环和冷却水循环，就完成了整个的制冷过程。
优点：工艺成熟，制冷效果稳定。
缺点：系统复杂，需要专业的操作和维护。
3. 吸收制冷
吸收制冷是一种利用两种沸点不同的物质对进行制冷的方法。其中低沸点的物质作为制冷剂，高沸点的物质作为吸收剂。在冻结法中，常用的吸收式制冷系统包括溴化锂-水制冷系统等。
工作原理：制冷剂在蒸发器中蒸发吸热后，被吸收剂吸收并放出热量。然后吸收剂通过加热等方式释放制冷剂，制冷剂再次进入蒸发器循环使用。这个吸收式制冷它主要的特点就是要需要两种物质对。这物质对特点的要求就是有一个低沸点的一个物质，另外有一个高沸点的一个物质。而且这两个物质它的这个沸点差距要非常的大。其中低沸点的这种物质是制冷剂，高沸点这个是吸收剂。其中最常用的就是这种溴化锂和水组成的这个吸收式的制冷溴化锂。这种水溶液它作为吸收剂，它的沸点达到了1265度，非常的高。而水做成制冷剂，它的沸点只有100度。这样的话在这个常温常压以下，整个管道里头它都充满了是水蒸气。因为你这个溴化锂水溶液，它的沸点达到1265度，常温常压下几乎不会发生这种蒸发。主要的就是这个水在蒸发。而且这个溴化锂水溶液对这个水蒸气具有强烈的这这种吸收作用。这样的话把这个管里头的水蒸气给它吸到这个溶液当中，这样的话就造成整个里头的压力就非常的低。压力一低，那它的水的沸点就非常的低。在很低的温度下就会产生沸腾，吸收周围的热量，这样的话就实现了它的制冷。
优点：能耗低，对环境污染小。
缺点：制冷效率相对较低，且需要稳定的热源来维持制冷剂的循环。
还有一种混合制冷模式。这样的话就是综合前面的三种制冷方式来分别用它的不同的这种优缺点。比如说干冰和这个液氮制冷，它的效率非常的高。但是它的这个工艺相对来说不能够形成一个完整的这种工业化的制冷形式。所以有时候它会把这个液氮和后面这种盐水给它进行混合应用。比如说我前期的时候，我先用液氮给它快速制冷之后，我再用盐水循环给它进行一个维持，目前这也是最常用的。
4. 热电制冷
热电制冷是利用热电效应将电能直接转化为热能或冷能的一种制冷方法。在冻结法中，热电制冷的应用相对较少，但其在一些特殊场合下仍具有一定的优势。
冻结法在不同工程中的应用
1. 立井施工
在立井施工过程中，冻结法主要用于井筒周围土体的加固和止水。通过冻结形成的冻土帷幕可以有效地隔绝地下水并增强土体的稳定性。具体来说，施工人员会在井筒周围布置多个冻结管并注入制冷剂进行制冷。随着制冷剂的循环和土体的冻结过程的进行，井筒周围的土体将逐渐形成一个坚实的冻土帷幕。
2. 斜井施工
斜井施工中的冻结法与立井施工类似但也有所不同。由于斜井的开挖方向存在一定的倾斜角度因此需要在施工过程中更加注意土体的稳定性和支护结构的合理性。### 斜井施工
在斜井施工过程中，冻结法起到了至关重要的作用。由于斜井开挖面不仅受到垂直方向的压力，还受到水平方向的分力作用，因此土体的稳定性问题尤为突出。为了确保斜井施工安全、顺利进行，通常采用冻结法来加固井壁周围土体，并隔绝地下水。
在斜井施工中应用冻结法时，需要根据斜井的具体角度、深度以及地质条件，合理设计冻结管的布置方案和制冷剂的注入量。通过精确计算和控制，使冻结帷幕在斜井开挖面周围均匀形成，达到最佳的加固和止水效果。
此外，斜井施工中的冻结法还需要特别注意以下几点：
温度控制：由于斜井开挖面不断向前推进，需要确保冻结帷幕始终保持在有效范围内，即温度要足够低以维持冻土的强度和稳定性。因此，需要定期检测冻结帷幕的温度变化，并根据实际情况调整制冷剂的注入量和循环速度。
监测与反馈：在施工过程中，应加强对井壁周围土体的监测，包括位移、应力等指标。通过监测数据的及时反馈，可以及时发现潜在的安全隐患，并采取相应的措施进行处理。
支护结构设计：在斜井开挖过程中，还需要根据冻结帷幕的实际情况和地质条件，合理设计支护结构。支护结构不仅要能够支撑井壁，防止坍塌，还要与冻结帷幕紧密结合，形成完整的加固体系。
3. 地基基础处理
在地基基础处理中，冻结法常用于加固软弱地基、提高地基承载力和稳定性。通过冻结形成的冻土帷幕可以有效地改善地基土的物理力学性质，减少地基沉降和变形。
在具体实施过程中，首先需要在地基处理区域布置冻结管并注入制冷剂进行制冷。随着制冷剂的循环和土体的冻结过程的进行，地基土将逐渐形成一个坚硬的冻土帷幕。随后，可以在冻土帷幕的保护下进行地基开挖、加固或施工其他结构。
4. 基坑稳定
在深基坑开挖过程中，基坑的稳定性和安全性是至关重要的。冻结法可以通过在基坑周边布置冻结管并注入制冷剂来加固基坑周围土体，防止基坑坍塌和地下水渗流。
冻结法在基坑稳定中的应用原理与立井施工和斜井施工类似。通过冻结形成的冻土帷幕可以有效地隔绝地下水并增强基坑周边土体的稳定性。同时，冻结法还可以减小基坑开挖对周边建筑物和地下管线的影响，确保施工安全。
5. 隧道工程
在隧道工程中，冻结法常用于隧道周围土体的预加固和超前支护。通过冻结形成的冻土壳体可以隔离地下水并增强土体的稳定性，为隧道的开挖和支护提供有力保障。
在隧道施工中应用冻结法时，需要根据隧道的具体断面尺寸、埋深以及地质条件来合理设计冻结管的布置方案和制冷剂的注入量。同时，还需要加强监测和反馈工作，及时发现并处理潜在的安全隐患。
此外，在隧道工程中应用冻结法时还需要特别注意以下几个方面：
地下水控制：隧道开挖过程中往往伴随着大量地下水的涌出，因此需要通过冻结法有效地隔绝地下水以减小对隧道施工的影响。
施工工序衔接：冻结法与隧道开挖、支护等工序之间需要紧密衔接和配合以确保施工安全和质量。
环保要求：在隧道施工中应用冻结法时还需要注意环保要求，确保制冷剂的排放和使用符合相关环保标准。
冻结法技术指标分析
在了解了冻结法的种类和不同工程中的应用后，我们还需要对其技术指标进行深入分析。技术指标是衡量冻结法效果和质量的重要依据，主要包括制冷温度、冻结速度以及适用范围等方面。
1. 制冷温度
制冷温度是冻结法技术指标中的重要参数之一。不同种类的制冷系统其制冷温度各不相同。例如氨盐水系统制冷温度最低可达到-35℃，而液氮制冷系统则可以达到-150℃甚至更低。制冷温度的选择需要根据具体工程需求和地质条件来确定以确保冻结效果和质量。
2. 冻结速度
冻结速度是衡量冻结法施工效率的重要指标之一。不同制冷系统的冻结速度也有很大差异。例如液氮制冷系统的冻结速度非常快一天可以达到20公分甚至更多；而氨盐水系统则相对较慢一天可能只有2公分左右。冻结速度的选择需要根据工程实际情况和工期要求来确定以确保施工效率和质量。
3. 适用范围
冻结法的适用范围也是其技术指标中的重要内容之一。不同种类的制冷系统其适用范围也有所不同。例如氨盐水系统适用于大多数含水土层且成本相对较低；而液氮制冷系统虽然制冷效果好但成本较高且需要特殊的设备和技术支持。因此在实际应用中需要根据工程需求、地质条件以及经济条件等因素综合考虑选择合适的制冷系统。
结论
综上所述，冻结法作为一种广泛应用于多种地下工程中的先进技术具有其独特的优势和广泛的应用前景。通过深入了解其种类
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