井筒凍結(jié)法礦建施工技術(shù)

趙燕青

（永煤集團(tuán)股份有限公司,河南 商丘 476600）

井筒凍結(jié)法礦建施工技術(shù)

趙燕青

（永煤集團(tuán)股份有限公司,河南 商丘 476600）

摘要：井筒凍結(jié)法有大量?jī)?yōu)點(diǎn)，它適應(yīng)性強(qiáng)，井架結(jié)構(gòu)容易控制，比較靈活，對(duì)環(huán)境影響小，因此在井筒施工中，尤其在不穩(wěn)定表土層施工中被廣泛應(yīng)用。這種技術(shù)比較先進(jìn)，但還存在很多問題。文中介紹凍結(jié)法施工原理和問題，并且提出必要的防治措施。

關(guān)鍵詞：井筒凍結(jié)法；礦建施工；凍結(jié)鉆孔；井筒掘砌施工

1　概述

巖土工程凍結(jié)法一般是利用物理吸熱現(xiàn)象將土體中的水冷卻使之結(jié)冰。它的制冷系統(tǒng)通常采用氨這種化學(xué)物質(zhì)。整個(gè)制冷系統(tǒng)由氨循環(huán)系統(tǒng)，鹽水系統(tǒng)，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成。開挖前需要在井筒周圍鉆進(jìn)一定數(shù)量的凍結(jié)孔。低溫鹽水吸收周圍熱量形成凍結(jié)圈，然后凍結(jié)圈擴(kuò)大逐步形成凍結(jié)壁。在地下水（是凍結(jié)壁，不是地下水）的保護(hù)下實(shí)施工程，因?yàn)閮鼋Y(jié)法施工有很多不確定性，因此容易發(fā)生凍結(jié)管的斷裂，工作面底部?jī)鼋Y(jié)壁的變形等問題。

2　井筒凍結(jié)技術(shù)和問題

2.1井筒凍結(jié)方式

2.1.1差異凍結(jié)處理

差異凍結(jié)是按照地層深度對(duì)凍結(jié)壁做出不同要求的凍結(jié)方式，又稱長(zhǎng)短管凍結(jié)。沖積層以下基巖風(fēng)化帶厚度較大且圍巖穩(wěn)定性較好，或靠近風(fēng)化帶下部賦存含水層，或井筒全深內(nèi)有數(shù)層含水層，采用其他施工方法難以通過時(shí)，宜采用差異凍結(jié)法。使用差異凍結(jié)法時(shí)應(yīng)注意短凍結(jié)管必須穿過沖積層和強(qiáng)風(fēng)化帶，長(zhǎng)凍結(jié)管應(yīng)穿過含水層進(jìn)入不透水的穩(wěn)定基巖。

如果想要確保長(zhǎng)孔底部的凍結(jié)厚度，需要控制長(zhǎng)孔間距，最大間距不能大于4.5米，這樣才能保證挖到短孔底部時(shí)長(zhǎng)孔部分的凍結(jié)壁能滿足要求。為了加快形成凍結(jié)壁，需要提前開挖，并且早日保證下部?jī)鼋Y(jié)壁盡早完成，這時(shí)候需要長(zhǎng)短凍結(jié)孔同時(shí)開始進(jìn)行凍結(jié)。

2.1.2局部?jī)鼋Y(jié)處理

如果不穩(wěn)定含水層在沖積層的中下部，那么上部不需要凍結(jié)，如果不穩(wěn)定含水層在上部和下部，則中部不需要凍結(jié)，如果不穩(wěn)定含水層地形復(fù)雜或者是曾經(jīng)出過事故需要凍結(jié)處理時(shí)候，需要采用普通法，因?yàn)檫@時(shí)候的土層比較穩(wěn)定。和全深凍結(jié)相比，局部?jī)鼋Y(jié)消耗量比較小，凍結(jié)時(shí)間短，可以省下很多費(fèi)用。

2.1.3分期凍結(jié)

分期凍結(jié)是把井筒分段處理，形成凍結(jié)壁，然后不斷進(jìn)行挖掘工作。這主要依靠?jī)鼋Y(jié)器來進(jìn)行。分期凍結(jié)法分為三個(gè)凍結(jié)期。第一個(gè)凍結(jié)期是上段凍結(jié)期。這需要達(dá)到凍結(jié)壁厚度才能進(jìn)行，第二凍結(jié)期是下段凍結(jié)期，這時(shí)候上段維護(hù)，下段凍結(jié)；第三凍結(jié)期是當(dāng)井筒挖掘通過上段進(jìn)入下段后進(jìn)行的。這時(shí)候要求凍結(jié)壁達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，然后才轉(zhuǎn)入深層維護(hù)凍結(jié)。選擇分期凍結(jié)方式必須滿足一定地質(zhì)條件才能進(jìn)行。首先上下段凍結(jié)分界線需要有含水量大，且含水厚度超過十米的土層，需要把他作為井筒隔水墊子，這樣能有效防止工作面下方涌水導(dǎo)致破壞凍結(jié)工作。

2.2鉆孔凍結(jié)法

2.2.1檢查鉆孔

鉆孔凍結(jié)時(shí)候，需要先檢查井筒鉆孔的位置，個(gè)數(shù)，深度等。鉆孔需要布置在井筒范圍之外，檢查鉆孔需要距離井筒25米之內(nèi)。通常為1個(gè)，深度要超出井筒設(shè)計(jì)的深度。

檢查鉆孔施工要求的方法是首先取心，采取率要大于百分之七十五，在砂層，夾層和一些充填物中要大于百分之六十。第二要采取每層取樣，然后進(jìn)行力學(xué)測(cè)定。最后一步是取樣進(jìn)行凍土力學(xué)測(cè)定。

2.2.2水文觀察

水文觀察一般在井筒中心一米遠(yuǎn)的位置，最好不要影響吊桶的提升，一般要打一到三個(gè)孔數(shù)。水文觀測(cè)孔應(yīng)進(jìn)入沖積層最下部的主要含水層，其含水層下部應(yīng)有隔水層，孔深不得穿過沖積層。

2.2.3測(cè)溫和凍結(jié)

測(cè)量溫度需要根據(jù)需要，一般測(cè)量三到五個(gè)孔。偏斜率需要與凍結(jié)孔一致，一般國(guó)內(nèi)采用銅熱線測(cè)量和溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量。凍結(jié)法鉆孔主要用于輸送鹽水，以便凍結(jié)周圍巖土層。按照凍結(jié)的深度確定凍結(jié)孔的圈數(shù)。如果表土層小于二百米，則土層比較淺，需要采用單圈凍結(jié)；如果土層大于三百米，則采用雙圈凍結(jié)或者三圈凍結(jié)。

凍結(jié)孔測(cè)斜分為鉆孔測(cè)斜和成孔測(cè)斜。常見測(cè)斜方法包括燈光法和陀螺法。經(jīng)緯儀經(jīng)常會(huì)受到鉆孔彎曲的影響，深度需要受到限制，一般深度要小于一百五十米。

2.3凍結(jié)掘進(jìn)法

凍結(jié)井筒通常分為分區(qū)掘進(jìn)，短段掘進(jìn)和全面掘進(jìn)等方法。在進(jìn)行凍結(jié)掘進(jìn)時(shí)，需要到凍結(jié)孔交圈時(shí)試挖，采用小絞車、0.7m3小吊桶提升，1.7～2.1m段高繩捆模板短段掘筑22.6m。試挖表明，上段含水層的凍結(jié)壁已交圈，且凍結(jié)壁厚度和強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。試挖后正式開挖。在掘進(jìn)時(shí)，需要確定掘段高度，在試挖階段，掘進(jìn)段高一般不宜超過1m，試挖結(jié)束后，掘進(jìn)段高不宜超過3.8m，最高不應(yīng)超過4m；膨脹粘土層段，掘進(jìn)段高不宜超過2.5米，并且需要加快速度，時(shí)間要控制在二十小時(shí)內(nèi)，最多不超過二十四小時(shí)。深厚膨脹粘土層施工方法及措施。深凍結(jié)井施工，最關(guān)鍵的技術(shù)難題是深厚膨脹粘土層施工。事實(shí)上按照地質(zhì)情況，井深251.51m下依次為厚7.72m粘土層、厚7.73m砂質(zhì)粘土層和厚27.84m鋁質(zhì)膨脹粘土層。最終決定在井深253～264.1m粘土層段采用原3.1m高模板中間澆筑口澆筑混凝土，即以1.6m段高連續(xù)施工厚7.73m砂質(zhì)粘土層；以下鋁質(zhì)膨脹粘土層采用1.1～1.2m段高限時(shí)快速間斷施工，以等待混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)。除此之外為提高混凝土早期強(qiáng)度，要使得混凝土1d強(qiáng)度達(dá)到31.2MPa；同時(shí)把井幫位移控制在50mm/d以內(nèi)，把底鼓控制在200mm以內(nèi)。這樣才能確保井壁完好和保證施工過程中無斷管事故。

2.4常見問題和防治措施

2.4.1凍結(jié)管斷裂

在進(jìn)行凍結(jié)井筒挖掘時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)凍結(jié)管斷裂的現(xiàn)象。最近幾年，因?yàn)閮鼋Y(jié)深度越來越大，進(jìn)行挖掘時(shí)厚黏土層越來越多，凍結(jié)管斷裂的現(xiàn)象變嚴(yán)重。發(fā)生這種現(xiàn)象的主要原因是，凍結(jié)壁發(fā)生變形，凍結(jié)孔偏大，凍結(jié)管接頭焊接質(zhì)量有偏差。

要解決這個(gè)問題，需要合理布置和安排凍結(jié)孔布置圈直徑，不要讓他過大或者過小，如果布置圈太小，會(huì)造成井壁變形。因此需要確定布置圈直徑，以此保證凍結(jié)壁有足夠的厚度防止井壁變形。一般情況下，凍結(jié)管選用優(yōu)質(zhì)碳鋼或者無縫鋼管，當(dāng)使用無縫鋼管時(shí)候，外箍需用絲扣連接，并且要保證凍結(jié)管的質(zhì)量。在進(jìn)行凍結(jié)井筒挖掘時(shí)候，需要控制掘進(jìn)段數(shù)，尤其是要控制好深厚粘土層。

2.4.2井壁破裂

凍結(jié)井壁很容易發(fā)生破裂，可能是因?yàn)榈貙油临|(zhì)含有膨脹性礦物，凍結(jié)井壁強(qiáng)度低，因此容易導(dǎo)致外層脹裂。還可能是因?yàn)閮鼋Y(jié)壁形狀和厚度不規(guī)則，容易導(dǎo)致凍結(jié)受力不均，施工不均勻等導(dǎo)致。要解決這一問題，首先要弄清楚土層的物理力學(xué)性質(zhì)，在井筒施工前，需要弄清楚土層的礦物質(zhì)成分和力學(xué)性質(zhì)，對(duì)施工需要專們研究的井檢孔，如果他要穿過比較厚重的土層，則要保證取樣完整，精確測(cè)定其物理力學(xué)參數(shù)，尤其是和土體膨脹相關(guān)參數(shù)，這樣能更好的確定凍結(jié)方案。

其次，還要盡可能降低凍結(jié)溫度，加強(qiáng)凍結(jié)，延長(zhǎng)時(shí)間。據(jù)分析一般凍結(jié)層溫度要控制在零下十度以下。提高井壁混凝土的早期強(qiáng)度也是必要的。這就需要在混凝土中添加外加劑，這樣能延長(zhǎng)凍結(jié)土強(qiáng)度，防止井壁破裂。

再次要改善凍結(jié)壁和外壁的夾層的保溫功能，延緩壓力，通常的做法是在凍結(jié)壁和外壁之間加入泡沫塑料板。最后一點(diǎn)是要加強(qiáng)施工管理保證施工質(zhì)量，這是防止井壁被破壞和改善井壁質(zhì)量最有效的方案。這就需要保證井壁開挖時(shí)間合適，不能為了趕工在各方面都不符合要求時(shí)候就貿(mào)然開挖。

3　總結(jié)

在井筒施工中，經(jīng)常會(huì)用到凍結(jié)法。而現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和地下空間的發(fā)展又要求凍結(jié)法能有效的實(shí)施和使用，因此凍結(jié)法需要得到廣泛的應(yīng)用和迅速發(fā)展。地下空間的發(fā)展歸結(jié)于人口壓力和經(jīng)濟(jì)壓力，凍結(jié)法的使用能有效緩解壓力，因此需要更好的改進(jìn)井筒凍結(jié)法技術(shù)，正確認(rèn)識(shí)凍結(jié)法技術(shù)存在的問題，并加以防范和改善，只有這樣才能更好的應(yīng)用凍結(jié)法。

參考文獻(xiàn)：

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[3]趙重.淺析凍結(jié)法的應(yīng)用和分析[J].凍結(jié)法應(yīng)用，2011（04）.

作者簡(jiǎn)介：趙燕青（1981-），男 ，2005年畢業(yè)于安徽理工大學(xué)，土木工程系，主要從事巖土工程（地下工程）。