井筒凍結法礦建施工技術

趙燕青

（永煤集團股份有限公司,河南 商丘 476600）

井筒凍結法礦建施工技術

趙燕青

（永煤集團股份有限公司,河南 商丘 476600）

摘要：井筒凍結法有大量優點，它適應性強，井架結構容易控制，比較靈活，對環境影響小，因此在井筒施工中，尤其在不穩定表土層施工中被廣泛應用。這種技術比較先進，但還存在很多問題。文中介紹凍結法施工原理和問題，并且提出必要的防治措施。

關鍵詞：井筒凍結法；礦建施工；凍結鉆孔；井筒掘砌施工

1　概述

巖土工程凍結法一般是利用物理吸熱現象將土體中的水冷卻使之結冰。它的制冷系統通常采用氨這種化學物質。整個制冷系統由氨循環系統，鹽水系統，冷卻水循環系統構成。開挖前需要在井筒周圍鉆進一定數量的凍結孔。低溫鹽水吸收周圍熱量形成凍結圈，然后凍結圈擴大逐步形成凍結壁。在地下水（是凍結壁，不是地下水）的保護下實施工程，因為凍結法施工有很多不確定性，因此容易發生凍結管的斷裂，工作面底部凍結壁的變形等問題。

2　井筒凍結技術和問題

2.1井筒凍結方式

2.1.1差異凍結處理

差異凍結是按照地層深度對凍結壁做出不同要求的凍結方式，又稱長短管凍結。沖積層以下基巖風化帶厚度較大且圍巖穩定性較好，或靠近風化帶下部賦存含水層，或井筒全深內有數層含水層，采用其他施工方法難以通過時，宜采用差異凍結法。使用差異凍結法時應注意短凍結管必須穿過沖積層和強風化帶，長凍結管應穿過含水層進入不透水的穩定基巖。

如果想要確保長孔底部的凍結厚度，需要控制長孔間距，最大間距不能大于4.5米，這樣才能保證挖到短孔底部時長孔部分的凍結壁能滿足要求。為了加快形成凍結壁，需要提前開挖，并且早日保證下部凍結壁盡早完成，這時候需要長短凍結孔同時開始進行凍結。

2.1.2局部凍結處理

如果不穩定含水層在沖積層的中下部，那么上部不需要凍結，如果不穩定含水層在上部和下部，則中部不需要凍結，如果不穩定含水層地形復雜或者是曾經出過事故需要凍結處理時候，需要采用普通法，因為這時候的土層比較穩定。和全深凍結相比，局部凍結消耗量比較小，凍結時間短，可以省下很多費用。

2.1.3分期凍結

分期凍結是把井筒分段處理，形成凍結壁，然后不斷進行挖掘工作。這主要依靠凍結器來進行。分期凍結法分為三個凍結期。第一個凍結期是上段凍結期。這需要達到凍結壁厚度才能進行，第二凍結期是下段凍結期，這時候上段維護，下段凍結；第三凍結期是當井筒挖掘通過上段進入下段后進行的。這時候要求凍結壁達到標準要求，然后才轉入深層維護凍結。選擇分期凍結方式必須滿足一定地質條件才能進行。首先上下段凍結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致破壞凍結工作。

2.2鉆孔凍結法

2.2.1檢查鉆孔

鉆孔凍結時候，需要先檢查井筒鉆孔的位置，個數，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。通常為1個，深度要超出井筒設計的深度。

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，然后進行力學測定。最后一步是取樣進行凍土力學測定。

2.2.2水文觀察

水文觀察一般在井筒中心一米遠的位置，最好不要影響吊桶的提升，一般要打一到三個孔數。水文觀測孔應進入沖積層最下部的主要含水層，其含水層下部應有隔水層，孔深不得穿過沖積層。

2.2.3測溫和凍結

測量溫度需要根據需要，一般測量三到五個孔。偏斜率需要與凍結孔一致，一般國內采用銅熱線測量和溫度傳感器進行測量。凍結法鉆孔主要用于輸送鹽水，以便凍結周圍巖土層。按照凍結的深度確定凍結孔的圈數。如果表土層小于二百米，則土層比較淺，需要采用單圈凍結；如果土層大于三百米，則采用雙圈凍結或者三圈凍結。

凍結孔測斜分為鉆孔測斜和成孔測斜。常見測斜方法包括燈光法和陀螺法。經緯儀經常會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凍結掘進法

凍結井筒通常分為分區掘進，短段掘進和全面掘進等方法。在進行凍結掘進時，需要到凍結孔交圈時試挖，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，上段含水層的凍結壁已交圈，且凍結壁厚度和強度符合設計要求。試挖后正式開挖。在掘進時，需要確定掘段高度，在試挖階段，掘進段高一般不宜超過1m，試挖結束后，掘進段高不宜超過3.8m，最高不應超過4m；膨脹粘土層段，掘進段高不宜超過2.5米，并且需要加快速度，時間要控制在二十小時內，最多不超過二十四小時。深厚膨脹粘土層施工方法及措施。深凍結井施工，最關鍵的技術難題是深厚膨脹粘土層施工。事實上按照地質情況，井深251.51m下依次為厚7.72m粘土層、厚7.73m砂質粘土層和厚27.84m鋁質膨脹粘土層。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段高連續施工厚7.73m砂質粘土層；以下鋁質膨脹粘土層采用1.1～1.2m段高限時快速間斷施工，以等待混凝土強度增長。除此之外為提高混凝土早期強度，要使得混凝土1d強度達到31.2MPa；同時把井幫位移控制在50mm/d以內，把底鼓控制在200mm以內。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凍結管斷裂

在進行凍結井筒挖掘時，經常會出現凍結管斷裂的現象。最近幾年，因為凍結深度越來越大，進行挖掘時厚黏土層越來越多，凍結管斷裂的現象變嚴重。發生這種現象的主要原因是，凍結壁發生變形，凍結孔偏大，凍結管接頭焊接質量有偏差。

要解決這個問題，需要合理布置和安排凍結孔布置圈直徑，不要讓他過大或者過小，如果布置圈太小，會造成井壁變形。因此需要確定布置圈直徑，以此保證凍結壁有足夠的厚度防止井壁變形。一般情況下，凍結管選用優質碳鋼或者無縫鋼管，當使用無縫鋼管時候，外箍需用絲扣連接，并且要保證凍結管的質量。在進行凍結井筒挖掘時候，需要控制掘進段數，尤其是要控制好深厚粘土層。

2.4.2井壁破裂

凍結井壁很容易發生破裂，可能是因為地層土質含有膨脹性礦物，凍結井壁強度低，因此容易導致外層脹裂。還可能是因為凍結壁形狀和厚度不規則，容易導致凍結受力不均，施工不均勻等導致。要解決這一問題，首先要弄清楚土層的物理力學性質，在井筒施工前，需要弄清楚土層的礦物質成分和力學性質，對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，精確測定其物理力學參數，尤其是和土體膨脹相關參數，這樣能更好的確定凍結方案。

其次，還要盡可能降低凍結溫度，加強凍結，延長時間。據分析一般凍結層溫度要控制在零下十度以下。提高井壁混凝土的早期強度也是必要的。這就需要在混凝土中添加外加劑，這樣能延長凍結土強度，防止井壁破裂。

再次要改善凍結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壁和外壁之間加入泡沫塑料板。最后一點是要加強施工管理保證施工質量，這是防止井壁被破壞和改善井壁質量最有效的方案。這就需要保證井壁開挖時間合適，不能為了趕工在各方面都不符合要求時候就貿然開挖。

3　總結

在井筒施工中，經常會用到凍結法。而現在經濟發展和地下空間的發展又要求凍結法能有效的實施和使用，因此凍結法需要得到廣泛的應用和迅速發展。地下空間的發展歸結于人口壓力和經濟壓力，凍結法的使用能有效緩解壓力，因此需要更好的改進井筒凍結法技術，正確認識凍結法技術存在的問題，并加以防范和改善，只有這樣才能更好的應用凍結法。

參考文獻：

[1]張和，李雯.凍結法技術的應用和研究[J].地下空間建設，2014（05）.

[2]張曉峰.凍結法技術存在的問題和解決辦法[J].凍結法研究，2009（01）.

[3]趙重.淺析凍結法的應用和分析[J].凍結法應用，2011（04）.

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