井筒冻结法矿建施工技术

赵燕青

（永煤集团股份有限公司,河南 商丘 476600）

井筒冻结法矿建施工技术

赵燕青

（永煤集团股份有限公司,河南 商丘 476600）

摘要：井筒冻结法有大量优点，它适应性强，井架结构容易控制，比较灵活，对环境影响小，因此在井筒施工中，尤其在不稳定表土层施工中被广泛应用。这种技术比较先进，但还存在很多问题。文中介绍冻结法施工原理和问题，并且提出必要的防治措施。

关键词：井筒冻结法；矿建施工；冻结钻孔；井筒掘砌施工

1　概述

岩土工程冻结法一般是利用物理吸热现象将土体中的水冷却使之结冰。它的制冷系统通常采用氨这种化学物质。整个制冷系统由氨循环系统，盐水系统，冷却水循环系统构成。开挖前需要在井筒周围钻进一定数量的冻结孔。低温盐水吸收周围热量形成冻结圈，然后冻结圈扩大逐步形成冻结壁。在地下水（是冻结壁，不是地下水）的保护下实施工程，因为冻结法施工有很多不确定性，因此容易发生冻结管的断裂，工作面底部冻结壁的变形等问题。

2　井筒冻结技术和问题

2.1井筒冻结方式

2.1.1差异冻结处理

差异冻结是按照地层深度对冻结壁做出不同要求的冻结方式，又称长短管冻结。冲积层以下基岩风化带厚度较大且围岩稳定性较好，或靠近风化带下部赋存含水层，或井筒全深内有数层含水层，采用其他施工方法难以通过时，宜采用差异冻结法。使用差异冻结法时应注意短冻结管必须穿过冲积层和强风化带，长冻结管应穿过含水层进入不透水的稳定基岩。

如果想要确保长孔底部的冻结厚度，需要控制长孔间距，最大间距不能大于4.5米，这样才能保证挖到短孔底部时长孔部分的冻结壁能满足要求。为了加快形成冻结壁，需要提前开挖，并且早日保证下部冻结壁尽早完成，这时候需要长短冻结孔同时开始进行冻结。

2.1.2局部冻结处理

如果不稳定含水层在冲积层的中下部，那么上部不需要冻结，如果不稳定含水层在上部和下部，则中部不需要冻结，如果不稳定含水层地形复杂或者是曾经出过事故需要冻结处理时候，需要采用普通法，因为这时候的土层比较稳定。和全深冻结相比，局部冻结消耗量比较小，冻结时间短，可以省下很多费用。

2.1.3分期冻结

分期冻结是把井筒分段处理，形成冻结壁，然后不断进行挖掘工作。这主要依靠冻结器来进行。分期冻结法分为三个冻结期。第一个冻结期是上段冻结期。这需要达到冻结壁厚度才能进行，第二冻结期是下段冻结期，这时候上段维护，下段冻结；第三冻结期是当井筒挖掘通过上段进入下段后进行的。这时候要求冻结壁达到标准要求，然后才转入深层维护冻结。选择分期冻结方式必须满足一定地质条件才能进行。首先上下段冻结分界线需要有含水量大，且含水厚度超过十米的土层，需要把他作为井筒隔水垫子，这样能有效防止工作面下方涌水导致破坏冻结工作。

2.2钻孔冻结法

2.2.1检查钻孔

钻孔冻结时候，需要先检查井筒钻孔的位置，个数，深度等。钻孔需要布置在井筒范围之外，检查钻孔需要距离井筒25米之内。通常为1个，深度要超出井筒设计的深度。

检查钻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，在砂层，夹层和一些充填物中要大于百分之六十。第二要采取每层取样，然后进行力学测定。最后一步是取样进行冻土力学测定。

2.2.2水文观察

水文观察一般在井筒中心一米远的位置，最好不要影响吊桶的提升，一般要打一到三个孔数。水文观测孔应进入冲积层最下部的主要含水层，其含水层下部应有隔水层，孔深不得穿过冲积层。

2.2.3测温和冻结

测量温度需要根据需要，一般测量三到五个孔。偏斜率需要与冻结孔一致，一般国内采用铜热线测量和温度传感器进行测量。冻结法钻孔主要用于输送盐水，以便冻结周围岩土层。按照冻结的深度确定冻结孔的圈数。如果表土层小于二百米，则土层比较浅，需要采用单圈冻结；如果土层大于三百米，则采用双圈冻结或者三圈冻结。

冻结孔测斜分为钻孔测斜和成孔测斜。常见测斜方法包括灯光法和陀螺法。经纬仪经常会受到钻孔弯曲的影响，深度需要受到限制，一般深度要小于一百五十米。

2.3冻结掘进法

冻结井筒通常分为分区掘进，短段掘进和全面掘进等方法。在进行冻结掘进时，需要到冻结孔交圈时试挖，采用小绞车、0.7m3小吊桶提升，1.7～2.1m段高绳捆模板短段掘筑22.6m。试挖表明，上段含水层的冻结壁已交圈，且冻结壁厚度和强度符合设计要求。试挖后正式开挖。在掘进时，需要确定掘段高度，在试挖阶段，掘进段高一般不宜超过1m，试挖结束后，掘进段高不宜超过3.8m，最高不应超过4m；膨胀粘土层段，掘进段高不宜超过2.5米，并且需要加快速度，时间要控制在二十小时内，最多不超过二十四小时。深厚膨胀粘土层施工方法及措施。深冻结井施工，最关键的技术难题是深厚膨胀粘土层施工。事实上按照地质情况，井深251.51m下依次为厚7.72m粘土层、厚7.73m砂质粘土层和厚27.84m铝质膨胀粘土层。最终决定在井深253～264.1m粘土层段采用原3.1m高模板中间浇筑口浇筑混凝土，即以1.6m段高连续施工厚7.73m砂质粘土层；以下铝质膨胀粘土层采用1.1～1.2m段高限时快速间断施工，以等待混凝土强度增长。除此之外为提高混凝土早期强度，要使得混凝土1d强度达到31.2MPa；同时把井帮位移控制在50mm/d以内，把底鼓控制在200mm以内。这样才能确保井壁完好和保证施工过程中无断管事故。

2.4常见问题和防治措施

2.4.1冻结管断裂

在进行冻结井筒挖掘时，经常会出现冻结管断裂的现象。最近几年，因为冻结深度越来越大，进行挖掘时厚黏土层越来越多，冻结管断裂的现象变严重。发生这种现象的主要原因是，冻结壁发生变形，冻结孔偏大，冻结管接头焊接质量有偏差。

要解决这个问题，需要合理布置和安排冻结孔布置圈直径，不要让他过大或者过小，如果布置圈太小，会造成井壁变形。因此需要确定布置圈直径，以此保证冻结壁有足够的厚度防止井壁变形。一般情况下，冻结管选用优质碳钢或者无缝钢管，当使用无缝钢管时候，外箍需用丝扣连接，并且要保证冻结管的质量。在进行冻结井筒挖掘时候，需要控制掘进段数，尤其是要控制好深厚粘土层。

2.4.2井壁破裂

冻结井壁很容易发生破裂，可能是因为地层土质含有膨胀性矿物，冻结井壁强度低，因此容易导致外层胀裂。还可能是因为冻结壁形状和厚度不规则，容易导致冻结受力不均，施工不均匀等导致。要解决这一问题，首先要弄清楚土层的物理力学性质，在井筒施工前，需要弄清楚土层的矿物质成分和力学性质，对施工需要专们研究的井检孔，如果他要穿过比较厚重的土层，则要保证取样完整，精确测定其物理力学参数，尤其是和土体膨胀相关参数，这样能更好的确定冻结方案。

其次，还要尽可能降低冻结温度，加强冻结，延长时间。据分析一般冻结层温度要控制在零下十度以下。提高井壁混凝土的早期强度也是必要的。这就需要在混凝土中添加外加剂，这样能延长冻结土强度，防止井壁破裂。

再次要改善冻结壁和外壁的夹层的保温功能，延缓压力，通常的做法是在冻结壁和外壁之间加入泡沫塑料板。最后一点是要加强施工管理保证施工质量，这是防止井壁被破坏和改善井壁质量最有效的方案。这就需要保证井壁开挖时间合适，不能为了赶工在各方面都不符合要求时候就贸然开挖。

3　总结

在井筒施工中，经常会用到冻结法。而现在经济发展和地下空间的发展又要求冻结法能有效的实施和使用，因此冻结法需要得到广泛的应用和迅速发展。地下空间的发展归结于人口压力和经济压力，冻结法的使用能有效缓解压力，因此需要更好的改进井筒冻结法技术，正确认识冻结法技术存在的问题，并加以防范和改善，只有这样才能更好的应用冻结法。

参考文献：

[1]张和，李雯.冻结法技术的应用和研究[J].地下空间建设，2014（05）.

[2]张晓峰.冻结法技术存在的问题和解决办法[J].冻结法研究，2009（01）.

[3]赵重.浅析冻结法的应用和分析[J].冻结法应用，2011（04）.

作者简介：赵燕青（1981-），男 ，2005年毕业于安徽理工大学，土木工程系，主要从事岩土工程（地下工程）。