凍結鉆孔組合式布置方案優化與應用

張步俊 張 林

(中煤第五建設有限公司第三工程處，江蘇 徐州 221140）

1 工程概況

淮北礦業集團公司青東煤礦位于安徽省淮北市濉溪縣臨渙鎮，工業場地集中布置主、副、風三個井筒。為滿足礦井通風需要，工廣東南增設東風井，該井筒凈直徑Φ5.5m，井口標高為+30m，井筒設計深度646m，表土深度234.55m，采用上凍下注法施工，凍結深度305m，掘砌深度295m。地面預注漿巖帽段為285～305m。凍結段采用雙層井壁鋼筋砼結構，井壁厚度1～1.25m。其中，0～150m段內、外壁厚度均為0.5m，150m以深內、外壁厚度分別為0.65m、0.6m。

2 井筒水文地質

井筒凍結段地層自上而下為第四系、新近系、二疊系上石盒子組。第四系地層厚度88.15m，砂層占比34.01%。新近系地層厚度146.4m，砂層占比2.97%，底部以半固結粘土及鈣質粘土為主，單層最大厚度42.1m，膨脹量大。上石盒子組地層厚度70.45m，主要由泥巖、粉砂巖、細砂巖組成，其中風化帶厚度35.92m（強風化帶厚度18.08m）。地層溫度在17～24.8℃之間，土層凍結溫度-1.51～-2.17℃，深部粘土層-10℃情況下凍土單軸抗壓強度2.89MPa。基巖段地層巖石傾角15°左右。

井檢孔資料顯示，表土段共分三個含水層組，其中第一、第二含水層組位于第四系地層，共有6層砂層，累計厚度27.6m，滲透系數0.33～2.69m/d，富水性弱～中等；第三含水層位于新近系地層，僅有1層砂層，厚度4.35m，滲透系數1.48m/d，富水性中等。

3 凍結施工設計

3.1 凍結設計主要技術參數

依據上述設計要點，輔防凍結孔布置圈至掘砌荒徑控制在1.0m之內。凍結壁設計基本參數如下：鹽水溫度-28～ -30℃，凍結壁厚度4.2m，凍結壁平均溫度-12℃。凍結孔單孔鹽水流量不小于12.5m3/h。

凍結孔布置參數見表1，凍結孔平面布置見圖1。

從表中可以看出該工程凍結孔組合布置有利于凍結壁形成。其布置原則有如下幾點：

（1）采用三圈凍結孔布置方式，且主凍結孔開孔間距控制在1.3m之內。

（2）輔防孔采取梅花樁布置，該二圈孔開孔間距控制在2m左右，以減少相鄰孔斜距。（3）主輔孔布置圈距僅1.55m，圈內凍土發展速度約為正常情況下1.5倍。

（4）防片孔深度位于變徑段底界。

（5）輔防孔至掘砌荒徑之距控制在1m之內。

表1 凍結孔布置參數表

圖1 凍結孔平面布置圖

3.2 鉆孔質量控制要求

（1）靶域半徑：表土段 0～200m≤0.4m，200m以深≤0.6m；基巖段≤0.8m。

（2）徑向內偏值：表土段0～200m≤0.3m，200m以深≤0.2m；基巖段≤0.5m。

（3）凍結孔最大孔間距

主凍結孔：表土段0～200m≤1.8m，200m以深≤2.0m， 基巖段相鄰兩深孔≤3.6m。

輔助孔表土段≤3.0m；防片幫孔≤2.7 m；0～150m段相鄰輔、防孔≤1.8m。

3.3 水文孔設計

依據水文地質資料，第二含水層組有兩層細砂，且厚度較薄（僅有2.55m），不再設置水文孔。基于此，設計水文孔2個，深度分別為40m和125m，分別報導一含、三含地層凍結壁交圈情況。水1#（孔深40m），設置4個花管部位，即6.5～11.5m、25.5～30.5m、31.5～33m、35.0～39.0m；在垂深 20m處設置隔板，并下放套管，分層報導水位變化。水2#（孔深125m），設置1個花管部位，位置為118～123m。

3.4 測溫孔設計

為了準確掌握凍結壁溫度場變化情況，設計測溫孔3個。測1、測2孔深均為305m，測3孔深155m。測1、測2均位于主排孔布置圈外側界面上1.2m處，且分別布置在地下水流上方、下方。測3孔位于防片幫凍結孔界面內側0.5m處。三個測溫孔熱電偶測點布置數量分別為18個、18個、9個，平均間隔17m布置1個測點。

3.5 凍結設備配備

凍結站采用雙機雙級壓縮制冷方式。采用制冷機組4臺，其中運行3臺，備用1臺。裝機標準制冷量是井筒凍結需冷量4.1倍，是凍結需用標準制冷量1.4倍。工程凍結主要設備見表2。

表2 凍結主要設備配備明細表

4 工程實施與運行調控

4.1 凍結制冷

2019年11 月29 日，冷凍站開機送冷。12月8日（凍結10d），鹽水溫度降至-18.5℃，溫差2.8℃；12月18日（凍結20d），鹽水溫度降至-24.2℃，溫差2.8℃；12月21日（凍結23d），鹽水溫度降至-28.5℃，溫差3℃，此時鹽水溫度達到設計要求。凍結站鹽水溫度變化見圖2。

圖2 鹽水溫度變化曲線圖

4.2 凍結壁形成狀況

凍結運行期間，根據工廣附近農用井水位、水文孔水位、測溫孔縱向溫度等資料進行凍結壁發展狀況綜合分析。水1所報導的地層凍結壁于2019年12月20日交圈，凍結時間22d，較設計提前26d；水2所報導的地層凍結壁于12月25日交圈，凍結時間27d，較設計提前21d。此時整個沖積層凍結壁已全部交圈，說明凍結狀況良好。

4.3 鹽水系統管控

鹽水系統運行采用正循環方式。主排孔、輔助孔均采用單獨聯接循環鹽水，防片孔采用兩個凍結孔串聯運行。積極凍結期間，凍結孔單孔流量均控制在13～14m3/h之間。通過凍結壁溫度場發展狀況預測分析成果，2020年1月15日（凍結第48d），關閉防片孔；1月31日（凍結第64d），控制輔助孔鹽水流量在4.5m3/h左右，主排孔鹽水流量維持不變，以控制凍土過多進入荒徑；3月29日，井筒掘砌至垂深195m時，關閉輔助孔停止運行。自井筒開挖至凍結表土段外壁掘砌結束，制冷鹽水溫度始終控制在-28℃以下，以保證凍結壁安全可靠性。

5 掘砌施工

凍結表土段外壁采用短段掘砌，整體金屬下行刃腳模板砌壁，掘砌有效段高4.0m，單鉤提升。2020年1月6日（凍結第39d）進行井筒試挖。掘砌期間，加強井幫溫度和凍土形成監測。從監測結果來看，試挖段井幫溫度位于-2℃～ -3℃，正常段井幫溫度位于-5℃～ -6℃。基于良好的凍結效果條件，2020年3月份創出凍結段外壁掘砌工程量161.6m，說明鹽水溫度、流量調控效果達到了預期目的，井幫溫度既滿足規范要求，又確保井筒安全快速施工。

6 結 語

（1）該工程凍結壁交圈時間的控制由傳統的主排孔優化調整為主排孔、輔防孔及三圈孔等組合疊加共同作用，以此實現需冷量集中供給，其地層交圈時間較設計提前21d，為井筒凍結段提前試挖提供保障，取得了較好的經濟效益和社會效益。

（2）合理控制主排孔開孔間距、輔防相鄰凍結孔斜距、主輔孔布置圈距，有利于提高多圈孔布置狀況下凍土發展速度，確保凍結壁厚度與強度滿足井筒安全快速施工。

（3）輔防孔宜采用梅花樁布置方式，一方面有利于地層凍結壁早日交圈，施工成本可得到有效控制；另一方面內側凍結壁發展均衡，井幫四周的溫度應力、凍脹力、圍抱力等較均勻，能夠確保井筒外壁施工質量。

（4）合理控制輔防孔至掘砌荒徑之距，既確保井筒開挖時不片幫，又能保證變徑段以深井幫溫度滿足規范及安全施工要求。采取分階段調控鹽水溫度、鹽水流量以及凍結孔運行方式等措施，以期控制凍土入荒量，科學解決凍掘矛盾。

（5）測溫孔測點應密集布置，便于及時掌握各地層凍結壁發展狀況，為井筒安全快速掘砌施工提供有力保障。針對類似地層的凍結工程，建議水文孔設計深度不宜超過防片孔深度，以便充分發揮多圈孔凍結實施效果。