冻结法施工技术.docx
- 文档编号:24800772
- 上传时间:2023-06-01
- 格式:DOCX
- 页数:41
- 大小:373.85KB
冻结法施工技术.docx
《冻结法施工技术.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《冻结法施工技术.docx(41页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
冻结法施工技术
特殊凿井
绪论
一、特殊凿井分类
特殊施工是相对于普通施工技术而言,可定义为:
在松散不稳定含水地层,或在涌水量很大的稳定裂隙岩层中,采用围岩加固、堵水、超前支护或采用大型钻井机械施工的技术,这种技术主要有:
冻结法、注浆法、钻井法、沉井法、混凝土帷幕法等表土施工技术。
深表土——冻结法、沉井法、钻井法、注浆法。
特殊凿井施工技术按其实质和特点可分为三类:
1、超前支护类在地下工程挖掘之前,采用超前支护以隔绝或减少流砂和地下水的涌入,然后在超前支护的保护下掘进,属于此类者有:
沉井法、混凝土帷幕法。
2、围岩加固类在地下工程开凿之前,采用措施暂时,永久地加固围岩,改善围岩的稳定条件,而后进行掘砌作业,如冻结法、注浆法等。
3、机械破岩类应用大型机械直接破岩、出矸,使卸掘砌作业机械化图钻井法等。
二、岩特殊凿井的历史
53年新汶孙村矿注浆井首次采用深井法。
55年新汶张庄矿首次在井筒进行工作面预注浆
55年开滦矿物局林西矿采用冻结法(波兰设计与施工)
56年开滦矿物局唐家矿采用冻结法(苏联指导,自己设计施工)
58年峰峰矿物局薛村矿主井采用地面预注浆
69年淮北矿物局朔利村南风井采用钻井法
74年鹤岗矿物局兴安矿南风井采用混凝土帷幕法目前:
1沉井法(沉箱法)于90年代在煤矿使用,软表土地基中土建工程用的很多。
沉深192m——曲阜单家村主副井,上海基础公司沉井。
2帷混凝土帷幕法84年施工新汶鄂庄注浆井是使用,单深57m主要用于地下挡土墙,水电部的应用较多,
3钻井法主要在西淮地区,©9m单深513m
4冻结法,目前龙崮主副风井三个井筒采用,副井冻结深度650m巨野煤田郭屯冻结达到702m国投新集口孜东主井冻深737m万福主井894m万福副风井840mm
5注浆法遍及各矿区主井,平巷,硐室均在采用。
主要内容:
冻结法、注浆法、钻井法、沉井法、混凝土帷幕法看录像。
第一章:
冻结法施工
冻结法应用较多,尤其对深层表土的矿区,目前冻结法施工逐渐有城市的地铁发展,这里我们以矿区为例介绍。
§1、概述冻结法凿井既是在井筒开挖之前,用人工制冷的方法,将井筒周围的岩层冻结形成封闭的圆筒——冻结壁,以抵抗地压,隔绝地下水与井筒的联系,然后在其保护下,进行掘砌工作的一种特殊施工方法,其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地
为了形成冻结壁,首先在井筒周围打一定数量的冻结孔,并安装冻结器,冷冻站制出的低温盐水(-30C)送给冻结器,以吸收地层热量,使土层冻结形成具有一定厚度和强度的冻结壁,最后在冻结壁保护下进行井筒掘砌。
为此,冻结法凿井可分为:
打钻冻结掘砌三大工作内容。
三大工作内容中,冻结为重点,也是难点,低盐水在地下如何把土层变成冰层的,实际上就使几个热平衡问题,常讲制冷三大循环。
返回
盐水箱
降温
蒸发皿
+低温盐水
再进入冻结管
多次循环
■
岩层降温,形成冻结壁土层热量被盐水吸收。
2氨循环系统——高温盐水靠氨的状态变化而降温的,即氨吸热,液氨吸热蒸发变成气态氨,那么气氨如何变为液氨呢?
液态氨
蒸发后
吸收盐水热量
高压液氨
减压阀
降压
饱和气氨
*液态氨
*高压过热气氨
与降温器
降温
4再次进入蒸发皿,形成氨循环系统
盐水热量被氨吸收
3
冷却水系统——气氨变液氨的实现,靠冷却水系统来实现
低温水冷H高温水冷却水池・低温水字二冷凝器=二水吸收气氨热升温降温压送
量,并把这热分传到大气中去。
三大循环中,重点使氨循环系统,即制冷系统。
除此之外,液有采用液氨冻结,液氨制冷,无需三大循环,主要靠液氨气化吸收地热制冷。
§2、制冷原理
一、焓、熵及压焓图
1、焓(h)
为状态参数,h=u•pvKJ/kg
其物理意义:
在开口系统中,工质某状态的焓等于该状态的内能与流动功之和,它是温度的单值函数,.'hnCpmTz-T!
kJ/kg,Cpm——定压平均比热。
两点焓差只与两点温度有关。
2、熵(s)
d
状态参数,ds二卡kJ/kg.k微熵
其物理意义为:
工质熵的变化,等于工质从热源吸收的热量除以热源温度所得之商它也是温度的单值函数。
S=CvrJnT2Rln
TiW
式中:
Cvm——定容平均比热,
R――气体常数,
In――比容
3、压一焓图(h—logp图)各状态参数之间的函数关系
p=fX,t,v,s,h
图形中一点三区四线组成。
一点K――临界点,一个体系将压力达到某一状态时,其饱和液体线和饱和蒸汽线交于一点,此时,饱和液体和饱和蒸汽有着相同的压力、温度和比容。
3
NH3:
Pk=17.5Mpa,tk=1324C,vk=0.00413m3/kg
三区一一未饱和液体区(液态区)、温蒸汽区(过渡区)、过热蒸汽区(以x=0,x=1为界)
四线一一等干度线X,等温线t,等熵线V,(等压线P,等焓线h)
等干度线一一1kg湿蒸汽中饱和蒸汽的含量,x=0.3表示1kg湿蒸汽中有0.3kg饱和蒸汽。
X=0饱和液体线,x=1饱和蒸汽线,将全区分为三个区域。
在该图中,任给两曲线点,即可查出其它曲线值,见书后附图。
二、一级压缩制冷原理
1、一级压缩制冷理论循环
制冷过程即为三大循环过程,其循环系统设备主要为压缩机、冷凝器、蒸发器及节流阀。
如下图:
f一一送
0.15MPa/-E5,C
制冷过程可表述为:
1)压缩过程(1—2)饱和蒸汽氨被压缩或高温高压的过热蒸汽。
(115C,1MPa)
2)冷却过程(2-3)过热蒸汽被冷凝器中20C冷却水降温或低温高压液体氨,(25C,1MPa)
3)降压过程(3-4)液氨节流降压为低温低压的液氨(—25C,0.15MPa)
4)蒸发过程(4—1)液氨在蒸发器中气化,成低温低压饱和气体(—25C,0.15MPa)吸收盐水热量而制冷,即制冷过程。
实际上,氨制冷过程是一个卡诺逆循环过程,可用热力学中的h—logp图表示。
1—2绝热压缩过程(等熵过程)
汽氨被压缩机压缩成过热蒸汽,压力由蒸发压力Po=0.05/令凝压力Pk(1MPa
蒸发温度t0=—25C,t2=115C
压缩机做功:
I二h2-hikJ/kg
2—3:
等压冷却过程,过热蒸汽2、*饱和蒸汽2,*饱和液体3所放热量被冷却水吸收。
冷凝器热荷载qk=h2-h3kJ/kg
3—4绝热降压过程(等焓过程)
Pk(1MPa)po(0.15MPa)tk(+25C)t。
(—25C)
温降是由液氨随汽化成湿蒸汽,吸收自身的热量的结果。
4—1等温等压蒸发过程:
氨蒸发吸收盐水的热量而制冷,氨由湿态变为饱和态,蒸
发器热荷载q0=①-h4kJ/kg
制冷系数:
;=q°二h1七
Ih2-h
由图可知:
若氨经冷凝器冷却到3/点(h3/
二h3-h4•q。
,可见降低冷却水温度对增加单位制冷量有重要作用。
2、氨压缩机的制冷能力
因工作条件不同,有两种表示方法
1标准制冷能力qb――指冷凝温度tk=30C,过冷温度tN=25C,蒸发温度t°=—15C条件下的每小时制冷量,KJ/h。
压缩及名牌上的制冷能力既是
2工作制冷能力q――实际制冷能力:
指压缩机在规定的冷凝温度、过冷温度和蒸发温度条件下每小时制冷量。
冷冻站内实际制冷能力既是根据工作条件计算出来的。
计算q(分四步):
1冷凝温度tk、蒸发温度t0
设计时通常给出盐水温度ty、冷却水温度ts,而盐水温度一般比蒸发温度高5〜7°C,
冷却水温度比冷凝温度低5〜10C,从而得:
kto=ty-(5〜7)C
tk二ts+(5〜10)C
2单位制冷量qo
*g,g=q0=h|—h4kJ/kg.
3氨循环量G(1小时氨循环量)kg/h
与压缩机的理论排气量有关:
v
式中:
v气缸入口处氨的比容,m3/kg
九一一吸气系数,气缸余隙容积有一定损失,
c余隙系数,立式:
c=1%
Vn――1小时压缩氨的体积(理论)
2
m3/h
”兀D
Vn二NSn60
4
式中:
N——气缸数量,D——气缸直径,S——活塞行程,n——环数。
4工作制冷能力
q=Gq0=Vn■(^-h4)KJ/h
v
三、双级压缩制冷原理(串联)
对于深井冻结,地压大,若采用单级压缩制冷(蒸发温度-25C),冻结壁厚度将很大,为加大冻土强度,减少冻结时间及冻结壁厚度,要求有较低的盐水温度(-30C以下),为获得低温而提出了双级制冷问题。
单级压缩制冷要求,由压缩比压<8,压力差Pk—P0<1.37Mpa,当压>8时,压
P0P0
缩机排气口压力大,温度过高,有可能超过润滑油的燃点,引起油碳化或造成爆炸事故,
故当H>8时必须采用双级压缩制冷(引入中间压力Pz,使-Pk<8,B<8)
P0PzP0
双级压缩制冷是在单级制冷基础上增加了一个中间冷却器(中冷器),可以说是两
个单级压缩制冷的叠加,如下图。
P,4R3只2Pt1
十…[广………:
原理:
①按n介绍:
1—2—3—4一5—6—7—10—^1
依次循环制冷。
②中冷器作用:
6—>7-+10JA冷却低压机排出的过热蒸汽,用高压机压缩
、8f3LB液体氨过冷,以获得较低制冷温度。
双级压缩制冷过程同时也是一个卡诺逆循环过程,其热力循环也可用h—logp图表
示。
1—2低压机做功(等焓过程):
h=①十KJ/kg
2—3等压冷却:
Pz―kPz,t2tz
3—4高压机做功(等熵过程):
匚二h「h3KJ/kg
4—5—6等压冷却:
Pk—Pk,t4.卓tk,冷凝器热负荷:
qk二h4-hs
6—7过冷到7点:
t7=tz+5C=t9+5C
7—10节源降压:
Po
10—1蒸发过程:
单位制冷量(蒸发器热负荷)q二d-hwKJ/kg
6—8节源降压:
PkPz
8—3等压蒸发:
Pz
氨循环量:
Gg=GdGz
中冷器热平衡:
Gz(g-馆)=Gd(h2-h3)Gd(h6-^)
Gg=Gd=kGd
G3^2
lh3一h8j由此:
单位压缩功:
I+丨2=h2-m+h4-h3
单位制冷量:
qo=h,-hio
冷凝器热荷载:
qk=h4-he
制冷系数:
_Gdq0_0-00
GdI^GgI2(h2-hi)+k(h4-h3)
双级压缩制冷设计计算关键是确定中间压力Pz
理想的中间压力使低压机与高压机压缩比相等,即Pz=JP0K比=空
IPzPo丿
实际上,高低压机氨量不等,所以Pz工...PoPk,通常采用插入法求算,具体计算相当复杂,Pz计算出来后,可根据I-logp图求出制冷能力。
Q=Gdhi-hwKJ/h
四、制冷剂与冷媒剂
1、制冷剂一一用以制冷的物质,
2、冷媒剂一一传递冷量的物质-五、制冷设备P佃〜28
—氨NH3氟利昂R12,液氮N,二氧化碳CO2。
盐水(CaCl2或NaCl)。
1、氨压缩机一一活塞式,螺旋式,
2、中间冷却器
3、冷凝器——立式,卧式,淋水式,组合式,
4、蒸发器立式,卧式
5、高压贮氨桶
6、油氨分送器一一分送氨蒸汽中的润滑油
7、氨液分送器一一分送蒸汽中的液氨,以剩蒸发
&节流阀一一减压阀
9、冻结器一一冻结管、传热管、回热管组成
10、盐水干管及冻结沟槽
盐水干管①150〜250钢管,
冻结沟槽一一在井口周围的四个架设盐水配液器与集液用的沟槽
§3、冻土物理力学性质P44
一、冻土的形成
含冰的岩石和土壤统称为冻土,由矿物颗粒,冰,未冻水,气体组成的混合体,温度低于0C,冻土较天然土层具备较好的强度和稳定性,并改变了其物理力学性质。
1土中水对冻土形成的影响
冻土形成过程,实质上是土中水结冰过程,充塞岩石颗粒间裂隙的过程。
由于土颗粒表面均带有负电荷,当阳性水分子与之接触时,水就会在这种静电引力作用下,发生极化作用,使靠近土表面的水分子失去自由活动能力而自动整齐地排列起来,紧靠土表面的一层,静电引力最大,称强结合水(吸附水),离土颗粒较远,静电
引力减少,水分子自由活动能力增大,这部分水称弱结合水(薄膜水),再远为主要有
重力作用形成所谓的毛细管水,更远的水面受重力作用,称为重力水(普通水)。
画(觥荷)
肌〔强辭加
(强结合水(吸附水一一冰点一186C,占总水量0.2〜2%。
)
结合水Y
、弱结合水(薄膜水)一一冰点—20〜30C,其含量对冻结水影响
较大。
土中水<「
毛细管水一一冰点0〜—4C,低于地下水位以上,受毛细管作用自由水Y
重力水一一普通水冰点0〜-4C,低于地下水位,冻结时主要冻iI结这一部分水
分析:
重力水与薄膜水的土层中的含量对冻结影响较大:
1土中薄膜水多,重力水少,冻结时冻土强度就低,冻结时间长,反之不然;
2对同重量的颗粒,且颗粒越细,表面积越大,薄膜水就越多,从而难结冰,且其冻土强度低。
粘土颗粒细表面积大结合水多结冰少冻土强度低冻时长
砾石颗粒粗表面积小结合水少结冰多冻土强度高冻时短
砂石介于二者之间。
冻结过程中,难对付的就石粘土层,(断管,淹井,变形大等)。
2、冻土形成过程
大量试验证明:
土中水结冰过程大致可分成五阶段:
1
T
冷却段一一供冰初期,土温下降至水的冰点0C
2过冷段一一土温降至冰点以下,自由水仍不结冰,产生水的过冷现象(水中无结晶核存在
3释放潜热段(突变段)一一水过冷后,水只要一开始结冰,便有潜热放出,温度上升至冰点。
4结冰段一一土温升至冰点后稳定下来,开始结冰冻结,形成冻土。
5冻土继续冷却段一一土温下降,冻土强度逐渐增高。
二、冻土的热物理性质(热物理指标)
冻土是由矿物颗粒,冰,未冻水,气体组成的四相体,冻土与融土的物理性质有很大的差别。
描述冻土热物理性质的重要指标有:
导热系数•、比热C、导温系数a、容积比热Cv
1导热系数•
在固体中某过热断面上传递的热流密度与其法线方向上的温度梯度成正比,这个比
例系数称为导热系数。
(KJ/m.h.k)
它表示物体传热的难易程度,冻土导热系数与其颗粒矿物成分、颗粒大小、含水量、温度有关,同一类型冻土:
含水量越大,导热系数也就越大;矿物颗粒大,导热系数也越大。
各种土的导热系数见表1—10,P46。
2、比热C
1kg质量的冻土温度变化1K时,所吸收(放出)的热量称为比热,KJ/kg.k
Cs――分别为冻土、土、冰、水的比热,其中
cb=2.1,Cs=4.2
w含水量(水与干土质量之比),%
Wu未冻水含量(未冻水与干土质量之比),%
3、容积比热Cv
1m3冻土温度变化1K时,所吸收或放出的热量,kJ/m3k
5匕w—WuqWuCs丨KJ/m3.k
式中:
t——土颗粒的干重度,t=1300〜1700kg/m3
冻土的热容量Q每m3岩土从原始温度降到某冻结温度的放出的热量,
Q=Q1Q2Q3Q4
式中:
Q1
水由t。
降到0°C时放出的热量
Q2――0C水到0C冰的潜化热,
Q3——冰由0C降低到t放出热量,
Q4土由鮎降到t时放出的热量
4、导温系数a――是岩土中温度传递的热惯性指标,表示固体在中温度变化的难易程度,m2/s
a=—随含水量增大而增加
Cv
三、冻土的力学性质(冻土的抗压强度)
1冻土的抗压强度一一冻土强度
瞬时强度二0――冻土在极短时间内迅速受到外力作用,蠕变还没有发生,脆性破
坏时的强度,(0.5〜1.0h)
长时强度二c冻土在外力长时间作用下,发生蠕变而最终失去抵抗外力能力时
强度(200h).
蠕变——应力不变时,应变随时间变化的特性
冻土是一种流变体,具备流变性,其强度随时间延长而降低:
二cv;「0,
一般取二c=(0.4〜0.5)匚0,6=(2〜2.5)匚c
通常所讲的强度指匚c
2、影响冻土强度的因素
1冻土温度
冰的强度核胶结能力随温度的降低而增大,因此,冻土强度也随温度的降低而增大T(Tt――取导温至绝对值。
苏联学者建议:
—0.015t2+1.079t+1.961
兰州冻土所建议:
t=a+bta,b试验常数,与温度有关。
2含水量
试验证明:
土中水含量未饱和前:
w—示tR
土中水含量饱和后:
w—
3冻结速度
冻结速度的快慢影响冰的结构,
速度快速度慢,
细颗粒冰多强度高
粗颗粒冰多强度低
④土颗粒组成(岩土类型)
岩土矿物成分对冻土强度影响甚小,而岩土颗粒大小则影响显著,试验表明:
在其它条件相同情况下,土颗粒越大,其冻土强度就越高,原因有二:
a、土颗粒本身强度
不同,粗颗粒土本身强度高,冻土强度高,b、不同土颗粒焓结合水不同,粗颗粒土中
几乎无结合水,冻土中未冻水少,故冻土强度高。
思考题:
冻结管断裂多发生在粘土中,试根据冻土的物理力学性质分析其原因。
1本身强度低,②含未冻水多,③导热系数小,④冻结速度慢,⑤变形大,流变体,⑥导温系数小等。
§4、冻结温度场
冻结温度场是研究冻结过程中井筒周围空间温度随时间变化的规律。
冻结温度场是
一个相变的不稳定的温度场,即不稳定导热问题。
T=f(x,y,z,c)
目前主要采用数值方法求解:
差分法核有限元法。
一、温度场
冻结温度场是一个不稳定温度场,随着冷量的供给,场内多点温度随时间不断降低,且同一时刻,靠近冻结管的温度比远离冻结管的要低,一般自冻结管由负正正地层温度。
为便于说明,把冻结温度场分为三个区,三个面。
「冻结区一一0C以下的圆柱区,
0C〜to区域:
井内降温区,井外降温区
三区Q降温区
I常温区一一地层原始温度区
三面
主面
界面
轴面
井筒中心与冻结管中心所构成的垂直剖面
井筒中心与两相邻冻结管中心连线中心所构成的剖面各冻结管中心连线围成的剖面C—C
一0°C
OB
2+
OA
A
由于没开热工程,下面的讨论只给出结论,要求会用公式。
二、冻结区温度场
冻结区边界线(t=0C)不停的变化,为便于计算,可假设是一个轴对称无限长稳定温度场,只研究单一冻结管形成的冻结壁,然后排列到冻结壁中去。
圆柱坐标系下导热方程:
吐(At丄吐丄1£2t丄C2tL日'
—=a十十十十——
ct2rar2胡2cr2Jcr
导热方程:
一4--=0t二Gin'
crrcr
-r=r2,t=0C
lnr2
P55(1—73式)
ln_Ttinr,—tylnr
t=ty<二:
,a=exp—
in空t—ty
r,
式中:
ty——盐水温度,r,——冻结管半径,「2——冻结圆柱半径,r——冻土圆柱内任一点距冻结管中心的距离
t——r处的温度。
可以:
①计算冻结区内距冻结管任意距离r
的冻土温度t
2已知某点距冻结管距离r及温度t,
计算冻结圆柱扩展半径D
(0.55-0.(0,4-0,45)E
单一冻结管推广到冻结壁中,为近似值。
注意一点,冻结壁在厚度上从轴面向井内扩展一般为55〜60%,向井外扩展40〜45%。
冻结圆柱外侧主平面上距冻结孔1m处有一测温孔,某时测的孔内温度t=-2.6C,试求
此时冻结壁厚度E=?
求:
t=-2.6C<0C,所以在冻结区内,
tina-tylnr
r2=exp—
t-ty
0.015
-2.6ln(-30)1n1
2
=exp—
-2.6-(-30)
=exp0.245=1.28(m)
因为测温孔在轴面外侧,冻结壁向外扩展
45%,即
r2=(0.4〜0.45)E
所以E=r2/(0.4〜0.45)=2.84〜3.2
三、井外降温区温度场
把冻结壁视为挡土墙,则井外降温区温度场解为半无限大的不稳定温度场。
直角坐标系下导热方程是:
-:
t:
2ta氏tx
二:
、初始条件:
40
c(m。
理
t(x,O)=to,t(0,.)=o,t(x,.)=to
x2x2x
令X—,G(x)二oe」dxt=toG(x),X==
..4a..二..4a.
X—G(x)咼斯函数,
to――土层原始设计,.一一冻结时间,s,a――土层导温系数,m2/s,
x――距o°C面的距离,(冻结区边界线)。
利用本公式,可检查冻结壁情况,关键是求x。
例2、某井筒采用冻结法施工,已知积极冻结期为5o天,地层原始温度为t°=16C,
测得冻结圈径以外2m处有一测温孔,温度t=4C,未冻土导温系数a=o.55Xio「6m2/s,求冻结壁厚度E=?
—I什
t=toG(x)G(x)o.25
to16
查表得x=o.23(G(x)=o.255o)
因X=j
4a
x二4aX—4o.551。
"5。
2436。
。
o.23=o.71m
r=2-x=2-o.71=1.29mr=(o.4o〜o.45)E
E=r/(o.4o〜o.45)=2.87〜3.23(m)
四、冻结管吸热能力(吸热率)qD
单位时间内,单位面积上冻结管吸收土层的热量,与设计的盐水温度有关
2
ty—20~-25CqD=21o~25ow/m
ty--25~-3oCqD=25o~29ow/m2
以求井筒需冷量
QdfF二qD■dHN
冻结站制冷能力,Q二kQD,k――盐水系统冷量损失系数,k=1.1〜1.5
五、冻结时间
从开始冻结到冻结壁达到设计厚度所需时间一一积极冻结时间,积极冻结期——井筒开挖前的冻结时间
消极冻结期一一井筒开挖期(维护冻结时间)
计算出发点不同,有多种计算公式,我国多采用经验公式,即按冻土扩展速度进行估算:
〔0.55~0.6E21/22,
=d
v
v冻土平均扩展速度,mm/d
砾石层v=35〜45
砂层——v=20〜25粘土层v=10〜15
k――冻土扩展半径,I――冻结孔间距,
I=1.0〜1.3
§5、冻结设计
、冻结方案(5种)
1、一次冻结全深方案一一一次冻结全深,即从地面到需要冻结的深度一次冻结,
并且上部冻结管均穿过不稳定含水层,一般插入不透水基岩10m以上
适用条件一一适用于各种地层,是目前国内为广泛采用的施工方案,具有施工工
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 冻结 施工 技术
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)