凍結法豎井施工技術

邱曉東,李永進

(1.金建工程設計有限公司， 山東 煙臺市 264670；2.華煤集團有限公司， 吉林 長春市 130012)

凍結法鑿井主要是利用人工制冷技術，使地層土層中的自由水凍結，形成封閉的圓筒形凍結壁，以抵抗地壓并隔絕地下水與井筒的聯系，在凍結壁的保護下進行掘砌作業的施工方法。在不穩定地層中施工井筒時，凍結法具有適應性強、支護結構靈活、易控制、隔水性好、對環境影響小等優點。

1 凍結法豎井施工技術

1.1 凍結壁

凍結法豎井的掘砌作業是在凍結壁的保護下進行的，凍結壁的安全與合理是確保凍結法鑿井安全、快速、經濟的關鍵所在，是凍結法豎井建設的前提和基礎。主要的目的是既能滿足井筒安全掘砌，又能有利于井筒的提前開挖。既能保證凍結壁的均勻性，又能盡量減少凍結壁凍脹應力。既能防止井筒開挖初期不片幫，又能盡可能的減少凍土入荒量，為掘砌施工創造有利條件，縮短鑿井工期。

1.2 井壁結構

特殊的地層以及凍結施工工藝必然使得凍結豎井的井壁結構與普通豎井不同,雙層復合井壁是目前國內通用的凍結法豎井井壁結構，其原理是在豎井凍結開挖期間由外壁作為臨時支護承受凍結壓力[1]與溫度應力，外壁掘砌結束后，澆砌內層井壁，地層解凍恢復原始狀態后內外壁共同承受地壓。結合安徽省霍邱縣境內某鐵礦南風井的設計井壁結構予以闡述。

礦山地處淮河流域中上游沖積平原區，礦床均為第四系地層覆蓋，厚度122.22～210.33 m，平均厚度167.96 m，第四系總體趨勢由北向南、由西向東逐漸增厚。礦床內無大的地表水體，第四系上部普遍見粉質亞粘土，厚度有68.19～90.95 m，分布廣，透水性差，為良好的隔水層，在天然狀態下，地表水和地下水之間的水力聯系極其微弱。

礦山設計生產能力200萬t/a,采用尾砂充填采礦方法，豎井開拓方式，有主井、副井、進風井、南風井、北風井共5條豎井，都穿過第四系與砂層，前4條豎井均采用凍結法施工，北風井前期采用注漿法封水掘砌施工，施工至97.7 m井深時，注漿堵水無效，以至無法下掘，被迫改為凍結法施工。

南風井井筒凈直徑Φ4.5 m，根據工程地質勘察資料，南風井第四系土層與砂層厚度193.95 m(+40～-153.95 m)，以下強風化巖厚度31.5 m(-153.95～-185.45 m)，不穩定地層總厚225.45 m。設計凍結深度240 m。

1.2.1 井壁結構選擇

復合井壁按照內外壁之間有無塑料夾層分為兩種結構，有塑料夾層,可以減少內壁的溫度約束應力裂縫，但由于外壁在凍結壁作用和短段掘砌施工方案的影響下并不能保證完全隔水，夾層的存在導通了地下各水層的水，破壞了原有地層中隔水層的隔水作用，使內壁成為其外完全浸水的筒體，因此不允許內壁任何一處有裂縫存在，這種井壁必須經壁后注漿才是安全的，且該井壁成本較高。相關文獻中對一些凍結施工豎井的非采動影響破壞[2]的原因調查表明，在礦山開采過程中第四系含水層水頭的大幅疏降,使該含水層及上覆土層產生壓縮和變形,且引起地表沉降,在地層發生變形的過程中對井壁產生垂直向下的附加力是井壁發生破裂的主要原因。礦山水文地質條件表明，第四系有較好的隔水層，且礦山采用充填法開采，不至于造成第四系含水層的大幅疏降和上覆土層產生壓縮和變形，因此采用復合井壁無夾層結構方案。

1.2.2 豎井地壓與井壁結構

根據南風井工程地質鉆孔柱狀圖資料，不穩定地層土性不同分為22層，最大地壓表現在21層(標高-153.95～-168.25 m)，其次為16層(標高-142.95～-153.95 m)，再次為10層(標高-41.11～-81.6 m)，地壓作為井壁結構選取的主要因素，還應考慮凍結力、溫度應力、附加荷載與地震荷載，據此對井壁厚度、外壁穩定性，外壁抗凍結力與溫度應力、整體井壁穩定性、整體井壁抗壓強度等進行確定。

地壓的一般規律是隨埋深增加而增大，如果統一按照最大壓力要求設計井壁，掘砌工程量加大，造成浪費而降低礦山經濟效益，因此分段式井壁為凍結法豎井所普遍采用，南風井井壁結構分三段設計，支護厚度自上而下分為第一段700 mm、第二段800 mm和第三段950 mm，混凝土強度等級C35～C40，井壁結構如圖1所示。

圖1 凍結法井壁結構示意

2 北風井施工出現的問題

礦山北風井前期采用注漿法施工，井壁為500 mm單層鋼筋混凝土支護，施工至97.7 m井深時,注漿堵水無效以至無法下掘，改為凍結法施工，凍結深度175 m，在凍結段施工結束繼續下掘至-170 m標高時，凍結段井壁出現不同程度的裂縫，主要裂縫有4條，為環形水平不連續裂縫，最大裂縫存在于標高-81.793 m，最寬處達10 mm以上，出現輕微滲水現象。

針對出現的問題，結合北風井凍結方案、施工方案進行分析研究，主要因素有以下幾個方面：

(1) 工期要求時間緊，且為了水文觀測孔的布置，凍結圈相對較大，凍結時間短，開挖時凍結圈尚未交圈，凍結壁強度不足，降低了對外井壁的外支撐作用;

(2) 改為凍結法施工后沒有及時調整井壁結構，仍然采用單層井壁，使得在凍結結束地層解凍恢復地壓后單層井壁受壓，而單層井壁在凍結施工時受條件限制強度不足;

(3) 設計于-63.7 m標高處有壁座，而在施工至此處為砂層，沒有及時調整位置進行施工，同時由于凍結壁強度不足，摩擦力降低，造成混凝土在重力作用下產生拉裂，形成裂縫。

經分析研究確定，為防止裂縫繼續擴大，盡快實施增加鋼筋混凝土內壁方案，厚度250 mm，高度為-170～-33 m，在-170 m標高設壁座增加對上部井壁進行支撐。采取該方案后，北風井也順利穿過上部不穩定地層。

3 結 論

(1) 雙層復合井壁是凍結法施工豎井時確保井壁安全的可靠保障。在豎井凍結開挖期間外壁接觸的凍結壁環境條件惡劣，在短段掘砌施工因素的影響下，砌筑過程中外井壁受反復的凍脹應力作用，并不能保證完全隔水。必須在外壁掘砌結束后，地層恢復原有狀態前及時施工內壁以達到內外壁共同抗壓和封水目的。

(2) 外壁筑壁前凍結壁溫度一般在-5℃～-10℃，約在筑壁后1 d左右開始承受一定的凍結壓力，因而要求采取必要的早強防凍措施，使不同齡期的混凝土強度增長率超過凍結壓力的最大增長率，降至零度前混凝土的強度大大超過“凍害臨界強度”，有效地防止外層井壁壓壞和凍結管的斷裂。

(3) 澆筑內壁普遍采用滑模施工，連續澆注，混凝土體積大，在硬化過程中產生一定的收縮作用，井壁易產生橫向裂縫，降低隔水性能。澆筑前應將外層井壁的內表面冰、霜清除干凈，以保證內層井壁厚度和質量。并采用礦物添加劑與防裂密實劑等配制低水化熱防裂密實高性能混凝土，較全面地適應凍結井筒內層井壁連續筑壁時大體積混凝土的收縮裂縫和溫差裂縫，提高井壁的整體性和封水性。

參考文獻：

[1]蘇立凡，徐兵壯.我國地層人工凍結工程技術的進展、應用和問題[C]//全國礦山建設學術會議論文選集(上冊).2003.

[2]曹 靜.兗州礦區近30年凍結施工經驗[C]//地層凍結工程技術和應用—中國地層凍結工程40年論文集.1995.

[3]榮傳新.深厚沖積層凍結壁與井壁的力學特性及其共同作用機理研究[D].合肥：中國科學技術大學，2006.

[4]王宗金.深表土凍結設計研究及郭屯風井工程實踐[D].淮南：安徽理工大學,2006.