冻结法施工

冻结法施工技术简介部门：生产技术部作者：白向斌第1章冻结法概述一、冻结法的实质与特点冻结法的全称为人工地层冻结技术（Artificiallygroundfreezingmethod）这种方法利用人工制冷的方法，将低温介质送入地层，使地层中的水冻结成冰，从而使土层的强度增大，地下水得到控制的地基临时性处理方法。1、冻结法的实质：利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。2、冻结法的特点：能有效隔绝地下水；适用性强，几乎不受地层条件限制；灵活性好；污染性小；经济合理。二、概述1、冻结法的起源与发展人工制冷技术的发展和应用，产生了工程冻结。1862年，英国南威尔士在建筑基础施工中，首先使用了人工制冷加固土壤。1883年，德国工程师波茨舒(F.H.Poetsch)在德国阿尔巴里德煤矿用冻结法开凿了深度103m的井筒，并获专利。1955年，我国在开滦林西风井开始使用冻结法凿井，冻结深度105m。2、我国冻结法使用现状自1955年以来，冻结法凿井技术逐步发展到东北、华北、华东及河南等地区，冻结冲积层厚度由浅到深，水文地质条件由较复杂到复杂。目前全国冻结井筒的数量已超过600多个，冻结深度由最初的105m发展到800m，有的井筒已实现全深冻结，做到井筒开挖无需排水设施。地铁等城镇建设50多处、累积冻结长度超过140公里、冻结冲积层（Q+N含水的软岩、土、砂地层）厚度587.4m、冻结最深已达到800m。3、冻结法优点——环境友好的施工方法冻结只是临时改变岩土的承载、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。冻结法不污染环境，是“绿色”施工方法冻结法具备的优点：(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。三、冻结法凿井原理立井冻结凿井是利用传统的氨循环制冷技术来完成的。它是在井筒开挖之前，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，用以抵抗地压，水压，隔绝地下水与井筒之间的联系。而后，在其保护下进行挖砌施工。三大循环系统：盐水循环、氨循环和冷却水循环。制冷三大循环构成热泵，其功能是将地层中的热量通过压缩机排到大气中去。第2章蒸气压缩制冷1、一级压缩制冷2、二级压缩制冷3、制冷工质与冷媒剂4、制冷设备5、冻结系统1、一级压缩制冷一级压缩制冷原理一级压缩制冷由三大循环构成：氨循环、盐水循环和冷却水循环。压缩机：将饱和蒸汽氨（近似绝热）压缩为高温高压的过热蒸汽氨；冷凝器：将过热蒸汽氨等压冷却为高压常温液态氨(+q)；节流阀：将高压常温液态氨转变为低压液态氨；蒸发器：将低压液态氨等压蒸发为饱和蒸汽氨(-q)。氨循环在制冷过程中起主导作用。为了使地热传递给冷却水再释放给大气，必须将蒸发器中之饱和蒸汽氨1压缩成为高压高温的过热蒸汽氨2，使与冷却水产生温差，在冷凝器中将热量传递给冷却水（等压），同时过热蒸汽氨冷凝成液态氨3，实现气态到液态的转变。液态氨经节流阀高压液态氨变为低压液态氨4（等焓），进入蒸发器中蒸发，再吸收其周围盐水中之热量(地热)变为饱和蒸汽氨，周而复始，构成氨循环系统。•盐水循环•该循环系统由盐水箱、盐水泵、去路盐水干管、配液圈、冻结器、集液圈和回路盐水干管组成。•冻结器是低温盐水与地层进行热交换的换热器，盐水流速越快，换热强度就越大。冻结器由冻结管、供液管和回液管组成。根据工程需要可采用正、反两种盐水循环系统，正常情况下用正循环供液。在制冷过程中起着冷量传递作用。冷却水循环冷却水把氨蒸汽中的热量释放给大气。冷却水温度越低，制冷系数就越高，冷却水温一般较氨的冷凝温度低5~10℃。冷却水由水泵驱动，通过冷凝器进行热交换，然后流入冷却塔再入冷却水池，冷却后的循环水应随时由地下水补充。热参数等压蒸发：单位理论制冷量q0=h1-h4等熵压缩：单位理论压缩功l0=h2-h1等压冷凝：单位冷凝热量qk=h2-h3=q0+l0制冷系数：ε0=q0/l0=(h1-h4)/(h2-h1)表示单位压缩理论功所能制取的冷量，反应系统制冷效率。以上四项称为一级压缩制冷系统的四个热参数。1.2、实际制冷能力计算三大循环与实际循环过程有一定差异。在氨循环中，压缩并非等熵过程。冷凝和蒸发过程与环境之间有温差，非等压且是不可逆过程。节流过程也并非可逆过程。同时，由于汽缸余隙，制冷工质存在着流量和压头损失。因此，实际压缩功大于理论功，实际输气量小于汽缸理论容积。2二级压缩制冷问题的提出随着冻结深度的增加，要求更低的盐水温度。通常，一级压缩若使用氨作为制冷工质时，经济蒸发温度只能达到-25℃左右，目前深井冻结一般要求经济蒸发温度达到-25℃~-35℃，一级压缩制冷便无能为力了。一级压缩制冷压缩机受力部件强度受压力差的限制。一般规定，以氨或氟利昂F22为制冷工质时，压缩机的压力差pk-p0≤1.37MPa；压缩比pk/p0≤8，否则排气温度过高，有可能引起润滑油碳化，使压缩机无法正常运行。基于上述原因，必须采用二级压缩制冷。2.1、二级压缩制冷原理二级压缩制冷原理和空压机的二级压缩原理一样，它是在低压机和高压机之间增加了一个中间冷却器，用以保证压缩机有一个正常运行工况，保证压差和压缩比不超过允许值。中间冷却器的功能：冷却低压机排出的过热蒸汽氨，使之变成具有中间压力(即中间温度)的饱和蒸汽氨以利于高压机吸收。使本来采用一级压缩制冷大于8的压缩比，分为两个小于8的一级压缩。饱和蒸汽状态l经低压机压缩(等熵)变为过热蒸汽状态2，经中间冷却器冷却(等压)变为饱和蒸汽状态3，再经高压机压缩(等熵)变为过热蒸汽状态4，进入冷凝器(等压)冷却，使之经饱和蒸汽状态5到饱和液体状态6。此时，分两路；一路经节流阀(等焓)减压变为湿蒸汽状态8流入中间冷却器和低压机排出的过热蒸汽氨(2点)进行热交换(等压)变为状态3；而另一路则进入中间冷却器底部的蛇形管过冷(等压)变为过冷液体状态7再经节流阀到蒸发器。处于湿蒸汽状态10进入蒸发器后变为饱和蒸汽1,完成二级压缩制冷循环。3、制冷工质和冷媒剂3.1、制冷工质制冷工质又称制冷剂，是在制冷机系统中循环变化的物质。对制冷工质的要求制冷工质应具有临界温度较高，在常温和普通条件下不液化；在制冷机工作温度范围内有适宜的饱和蒸发压力，最好近于或略高于标准大气压力。同时，要求冷凝压力也不宜过高，一般要压差（pk-p0）和压比（pk/p0）不要过大，否则影响制冷效果。制冷工质应有较大的容积制冷量以减少制冷工质用量并缩小机器尺寸；制冷工质应有较小的粘度，密度较大的导热系数和比热；能于水化合，能溶于润滑油，保证机器有良好的润滑性能；有较好的化学稳定性，在高温下不燃烧，不爆炸，无毒，对人体无刺激性，不危害健康不腐蚀金属，价格低廉，易于购买和贮运。氨优点：有良好的热力性能。标准蒸发温度ts=-33.4℃常温下冷凝压力pk≤1.47MPa，通常在1.2MPa左右，最底蒸发温度可达-70℃。单位容积制冷量较大，容易获得，价格低廉适于大中型制冷机使用。缺点：氨蒸气无色，有强烈的刺激臭味，对人体有较大毒性。液氨飞溅到皮肤上可引起冻伤。空气中容积浓度达0.5~0.6％时，人在其中停留半小时就会中毒。当浓度达11~14％时，即可燃烧（黄火焰），当浓度达16~25％时，可引起爆炸。因此，冷冻站内空气中氨的浓度不能超过0.02mg/L。有时，氨也会在制冷设备中爆炸，这主要是由系统中自由状态氢引起的。因此，必须及时排出系统中的空气和其它非凝性气体。氨可按任何比例溶解水中，每升水中可溶1300L氨，同时放出大量热量。所以，氨中有水时可使蒸发温度少许提高，并对金属有腐蚀作用，但磷铜例外，一般规定氨中含水不得超过0.2％。氨在润滑油中溶解度甚小，系统中往往发生油的聚集并形成油膜，影响散热效果。润滑油比重大，油往往积存在容器下部，应定时放出。氟里昂饱和碳氢化合物的氟、氯、溴衍生物的总称。目前使用的主要是甲烷和乙烷的衍生物。优点：无毒，无味，无燃烧与爆炸危险，对金属腐蚀很小，热化学稳定性较好，绝热指数小，压缩机排气温度低，分子量大，适用于离心式压缩机。蒸发温度低（-40~-80℃之间）缺点：价格昂贵,易漏且不宜发现.氟里昂R12与水或氧混合与明火接触可分解出光气（COCl2）。其性能是放热系数低，单位容积制冷量小，比重大，流动性差。适用于中小型制冷机，低温装置及其他特殊要求的制冷装置。3.2、冷媒剂冷媒剂又称载冷剂，在制冷技术中是传递冷效应的物质。盐水、乙醇、空气、氨和各种卤化物均可作为冷媒剂。应选用冰点低、热容量大、不腐蚀设备、价格低廉、来源容易的物质作为冷媒剂。冻结法施工时多选用CaCl2溶液作为冷媒剂。当选用氯化钙溶液作冷媒剂时，应使其凝固温度较制冷工质的蒸发温度低6~8℃，否则氯化钙溶液易出现冰析现象。浓度太大时，因低温析盐将会堵塞管路。通常蒸发温度t0=-25~35℃时，盐水溶液密度ρ=1.250~1.270g/cm3，凝固温度在-34.6~-42.6℃左右。为进一步降低盐水溶液的凝固点，可用85％的CaCl2，10％的MgCl2和5％的甲醇混合溶液，配制出凝固温度在以下的冷媒剂。为了减轻对金属的腐蚀作用，可在溶液中加入防腐剂。例如：加入重铬酸钠和氢氧化钠，使溶液呈碱性(PH=8.5)。4、制冷设备4.1、压缩机活塞式压缩机活塞式压缩机，按标准制冷能力可分为如下三类：小型机：＜60kw中型机：60~600kw大型机：＞600kw按汽缸中心线的位置分类有卧式，立式，V型，W型和S型（扇型）压缩机。压缩机的名称包括以下四个内容：汽缸数，工质种类，汽缸排列型式，汽缸直径。例如：8AS-12.5压缩机有8个汽缸，A表示用氨作制冷工质，汽缸排列为S型（扇型），汽缸直径12.5cm。螺杆式压缩机螺杆式压缩机是回转式压缩机的一种，它只有旋转运动部件，动平衡性能好，几乎无振动，气阀，可高速旋转。因此，它具有体积小重量轻的优点，适合作为移动式制冷设备。螺杆式压缩机最早用于压缩空气，由于它具有很多优点，因而逐渐用于制冷压缩机。由于螺杆压缩机转数较高，输气近于连续，没有脉动，又无余隙，输气系数较活塞式压缩机高，尤其在压缩比高时，优点更为显著。一般其输气系数为0.75~0.90。输气螺杆压缩机采用喷油冷却，制冷工质接近等温压缩，即便在高压比时，一级压缩（蒸发温度可达-40℃）排气温度也不会超过90℃。由于螺杆压缩机采用喷油冷却，有耗油量大，输油系统复杂，不适合变压比下工作，噪声大等缺点。压缩机选型根据实际制冷量的要求，确定低压缩机的台数：N1=Vh/vh式中N1—低压缩机台数，台；vh—一台低压缩机的理论容积，m3/s，查技术特征表；Vh—冻结一个井筒时，要求的压缩机理论容积，m3/s。按下式计算。Vh=(Q0v1)/(q0λ)式中v1—压缩机入口的比容，m3/kg；λ—输气系数，可按N.N列菲公式计算；q0—单位理论制冷量，kJ/kg。高压机台数可按高低压机的理论容积比求出，最后再验算电动机功率。冷冻站实际制冷能力Q0=KπdnHq式中Q0—冻结一个井筒时的实际制冷能力，kW;K—管路冷冻损失系数，一般K=1.1~1.25;d—冻结管直径，m;H—冻结深度，m;n—冻结管数目；q—冻结管的吸热率，一般q=0.26~0.29kW/m2在实际施工中，常用主，副井顺序冻结方案，即先冻主井再冻副井，因此，冻结站实际制冷能力应考虑到副井积极冻结时，再加上主井消极冻结时的实际制冷量，即Q0=Q0f+(0.25~0.50)Q0z式中Q0—冷冻站实际制冷量，kW；Q0f—副井积极冻结所需制冷量，kW；Q0z—主井积极冻结所需制冷量，kW；式中0.25~0.50为消极冻结时冷量减少系数。4.2、冷凝器和蒸发器换热器热负荷计算在换热