凍結法井筒掘進的施工問題分析及對策研究

摘 要:凍結法因其具有的支護結構靈活、適應性強、可控性高、隔水性好等優點，廣泛應用于不穩定表土層的井筒施工中，但隨著掘進技術的不斷發展和作業深度的不斷增加凍結法施工的一些技術缺陷也逐漸暴露出來，給提高井筒建設質量帶來了不少困難，必須應引起建設者們的高度重視。本文分析了當前凍結法施工中較為常見問題，并針對其產生原因，提出相應的防治措施。

關鍵詞:井筒施工凍結法施工問題對策

中圖分類號:TD265文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)08(a)-0072-01

1 凍結法在井筒掘進中的應用

巖土工程凍結法通常是以氨為制冷工質，通過其氣化過程吸收熱量的物理現象實現凍結井筒周圍含水松散、不穩定的沖積層及基巖含水層的目的，以形成達到工程安全標準的凍結壁，并在其臨時保護作用下進行掘砌作業的施工方法，其關鍵工藝分為凍結孔設計及處理、凍結過程和掘砌作業等部分。其中凍結過程的制冷系統由冷卻水循環、氨循環以及鹽水循環等三個系統構成，井筒開挖前首先在其周圍鉆若干凍結孔并在孔內安裝凍結器。使低溫鹽水在凍結器中流動，吸收其周圍地層的熱量，形成凍結圈并逐漸擴大連接成封閉不透水的凍結壁，用于抵抗地壓、隔絕地下水。并在凍結壁的保護下進行掘砌作業，待掘砌到預計的深度后，停止凍結，進行拔管和充填工作。由于凍結法具有支護結構靈活、適應性強、可控性高、隔水性好等優點，因此廣泛應用于不穩定表土層的井筒施工中，但隨著掘進技術的不斷發展和作業深度的不斷增加，地下空間的不確定性也使該方法的技術缺陷逐漸暴露了出來。技術人員和管理應在施工前對凍結法應用中可能產生的問題給予充分的重視，全面分析這些問題產生的原因及危害，并制定相應的預防和處理措施，保證施工的安全性與作業效率。

2 常見施工問題及原因分析

凍結法作業中較常見的施工問題主要包括凍結壁變形、破裂，凍結管斷裂，井壁接茬縫滴滲水以及工作面底鼓等現象。

(1)凍結壁變形、破裂:凍結壁變形的主要原因是由于凍結強度不夠、井幫暴露時間過長或段高不合理;而凍結壁破裂產生的原因則比較復雜，首先可能是凍結強度低導致的黏土蠕變脹裂，其次可能因為井壁形狀的不規整或構造不一致等導致的凍脹不均或凍結壁的流變量不均，從而造成砌壁前凍脹量的釋放不均，并作用在井筒外壁上，此外，低溫下混凝土早強低于凍結壓力，未按工藝規范進行施工等情況也常導致質量不合標準而出現的破裂現象。

(2)凍結管斷裂:凍結管的斷裂現象會隨著凍結深度的增加而呈增加趨勢，其原因主要是由于凍結孔的偏斜和凍結管接頭焊接或絲扣連接時是出現質量問題，此外，凍結壁的變形也是導致凍結管斷裂的一大因素。

(3)井壁接茬縫滴滲水:此問題主要是由凍土融化造成的，井壁附近的土層中的飽和水以及混凝土硬化過程中多余的水分從接茬處滲出，影響了井壁的可靠性及施工安全。

(4)工作面底鼓:由于凍土具有流變特性，凍結法作業中常發生工作面底鼓現象，且少量底鼓的出現也屬于正常現象，但須防范大量底鼓現象的發生。導致工作面底鼓現象的原因主要有井幫在未凍實前即發生徑向變形、地下凍脹力不能有效釋放、凍結管斷裂等。除上述問題外，作業中還可能出現水分結冰堵塞機具氣孔或地表凍融等問題，應在施工中予以特別注意。

3 防治措施

3.1 井壁變形、破裂的防治

針對凍結井壁的變形問題，應首先從有效降低凍結溫度入手。開挖時應保證井幫溫度不高于-10℃，使凍結壁成為一個可以與外壁共同承壓的彈性結構，減小外壁上的受力。而加快作業速度，減少井幫暴露時間，并合理減小段高也是預防井壁變形的重要方法。

防治井壁破裂則應首先了解井筒穿過的土層礦物成分及有關的物理力學性質。對于較厚的黏土層應先通過專業設備測算其膨脹系數等物理參數，并根據土層的含水量及現有凍結能力計算布置凍結孔，嚴格控制凍結孔的大小與深度，以形成合理的孔圈結構，減少凍結壁厚度的不均勻性。其次由于混凝土早強增高速率常滯后于凍結壓力的增高速率，因此應在混凝土中使用適量的添加劑，提高其早期強度。再次應改善凍結壁和外壁之間夾層的保溫緩壓功能，并加強作業現場的監管力度，以保證施工質量符合強度要求。施工管理中應注意的內容有:井筒的開挖時間選擇在當凍結壁已形成而又尚未凍至井筒范圍以內時最為理想，既便于掘進又不會造成涌水冒砂事故。保證混凝土設計強度及井壁的厚度，必要時應在已砌好的井壁段取芯檢驗;宜采用短段掘砌，小段高快速掘砌的作業方式。

3.2 凍結管斷裂的防治

防治凍結管斷裂應先正確選擇凍結孔布置圈直徑與管材及其連接方式。如凍結孔布置圈過小，雖然井幫溫度較低，但其整體厚度不夠，可能造成井壁變形過大。因此，應合理確定凍結孔的布置圈徑，以保證凍結壁的厚度。凍結管應選用優質低碳鋼、中碳鋼或低合金鋼無縫管材，采用低碳鋼無縫鋼管時，宜用外箍焊接，而采用中碳鋼或低合金鋼時，宜用外箍絲扣連接，并保證凍結管的連接質量。其次，控制掘進段高和井幫暴露時間，特別是在深厚黏土層的作業中。段高小、暴露時間短，都有利于控制凍土的蠕變和凍脹力的發展，避免斷管。此外還應降低鹽水溫度以控制井幫溫度，使深部粘土層的強度達到設計要求。

3.3 其他質量缺陷的防治

鑒于凍結法作業中其他質量問題也多與凍結強度有關，因此嚴格執行上述工藝對杜絕多數施工缺陷均有顯著作用。但實際操作中還應注意一些細節，如使用壓風入井前先通過活性炭和無水氯化鈣過濾除濕的過濾干燥法或通過冷凝器使壓風中的水蒸汽凝結成水放出的方法解決壓風機等氣孔凍結的問題;以及合理布置懸吊與提升設施，提高井架的承載能力，加大安全系數，控制地表的凍融危害等。

4 結語

凍結法井筒掘進施工因其具有的諸多優點目前廣泛用于我國的礦井建設中，但同時也存在著井壁變形、破裂和凍結管斷裂等較為常見的技術問題，因此，施工人員應在嚴格依照操作規程作業的基礎上，認真分析問題出現的原因，積極改進設備條件和生產工藝，對問題發生較集中的工藝環節制定更嚴格高效的處理措施并加以落實，同時應強化施工質量管理，杜絕各不利因素對施工質量的影響，以確保掘進作業的可靠性和高效性。

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