输水隧洞竖井垂直冻结施工管理

柴晓琴

摘 要：引洮供水7#隧洞竖井穿越含水松散粉细沙层，选用垂直冻结孔冻结地层，矿山法暗开挖施工。根据现场对竖井垂直冻结施工过程中总结的施工管理经验，文章分别从垂直冻结设计管理、垂直冻结孔施工管理等方面进行解析，通过精细化管理，严格控制各工序施工质量，为开挖和构筑施工提供了安全保障。

关键词：含水疏松沙层 冻结设计 垂直钻孔

1.工程概况

引洮供水7#隧洞在桩号5 7+8 41 . 5处施工竖井，竖井深度为241.0m，支护衬砌后净直径为6.00m；开挖深度为250.0m，开挖荒径为7.2m，井壁选用C40-P10防水钢筋混凝土。

竖井主要穿越地层为松散沙层，该地层富含水，无自稳性，施工困难。先选用垂直冻结施工临时加固地层，然后在冻土帷幕内进行开挖和构筑施工。

在竖井的垂直冻结施工过程中，冻结施工设计是灵魂，垂直冻结孔施工则是冻结施工成功的关键。

2.垂直冻结设计管理

2.1冻结深度设计管理

竖井的开挖深度按照250m考虑，下部增加30m冻结深度（由于井筒下部没有冻实，并且没有确认可靠的隔水层，增加30m冻结深度来延长底部的水的渗流路径），因此竖井的冻结深度为280m。

2.2冻结壁厚度的确定

竖井冻结壁的确定以开挖深度为250 m作为控制截面，进行应力应变分析。竖井掘进段高取b=3.6m，冻结壁平均温度取Tc=-10.0°c，参考7#隧洞出口类似土体冻土试验，取-10℃时的冻土强度：[σ]=5.5MPα。

根据竖井开挖深度、掘进段高等参数，选用多姆克公式E=Rα[0.29（P/σs）+2.3（P/σs）2]对冻结壁的厚度进行核算，计算得：冻结壁厚度为3m。

2.3冻结孔的布置

（1）冻结圈径

根据冻结孔圈径公式D=D荒+2×（0.55×E+γ×H），结合冻土扩展速度、开挖构筑施工速度及相似冻结竖井的施工案例，计算出竖井冻结孔圈径为10.6m。

（2）冻结孔数

竖井冻结孔数通过公式N=πD/L计算得：竖井冻结孔26个。

（3）开孔间距

根据竖井冻结孔开孔间距公式L=πD/N计算得：冻结孔开孔间L=1.28m。

2.4测温孔和水文孔的布置

为了判断冻结壁发展情况，在冻结壁内边界布置1个测温孔，在冻结壁外边界布置1个测温孔，共设2个测温孔，孔深均为250m。根据测斜成果图，选出终孔间距最大的冻结孔位置布置测温孔。

水文孔设计2个，深孔235m，浅孔180ml。其中每个水文孔内不同含水层水位的报道以套管的方式进行。

2.5施工材料的管控

（1）冻结管

规格：φ133×6.0mm，材质：无缝钢管，连接形式：外管箍焊接。测温管和水文管规格、材质和连接形式同冻结管。

（2）供液管

供液管规格：φ75×5mm，材质：聚乙烯塑料管。

（3）盐水循环

冻结孔全部采用正循环。

3.垂直冻结孔施工管理

3.1钻孔施工设备管控

钻机和泥浆泵选型：选用DZJ-1000型钻机，配TBW850/50型泥浆泵。

钻杆：以满足陀螺仪测斜和钻孔过程中扭矩传递为标准，钻杆选用Φ89mm。

钻铤：为了让钻杆工作的垂直和稳定，孔底实现加压，防止冻结孔偏斜，采用Φ140mm钻铤。

钻头：根据钻孔直径和钻孔区域地质柱状图，采用Φ140mm三牙轮钻头和复合片钻头。

钻具组合：动力钻杆（108×108mm）+钻杆（Φ89mm）+加重钻铤（Φ14 0 m m）+钻头（Φ190mm）。

纠偏钻具：设计冻结孔偏斜靶域半径≤0.4m，要求较高，为提高纠偏效率，螺杆钻具采用5LZ146×7型。

纠偏钻具组合：动力钻杆（108×108mm）+钻杆（Φ89mm）+稳定器+弯接头+螺杆钻+牙轮钻头（Φ190mm）。

测斜：根据冻结工程质量要求，选用JDT-6A型陀螺测斜仪。

3.2钻孔施工管理

（1）移位与找正

为了准确地把钻塔放到冻结孔设计的点位上，通过吊线坠，将钻机转盘中心的“十”字线与设计点位重合。孔位的误差要≤20mm。

在钻机定位后，要通过找正，保证钻孔中心、转盘中心和钻塔天轮中心在同一条垂线上。

（2）开孔与钻进

找正完成后，可进行开孔施工。刚开孔时，钻具由于上下重量不均匀，容易造成钻孔偏斜；在刚钻孔过程中，钻速要慢，不可加大压力，只有在钻孔深度>5m后，才可使用钻铤。钻孔深度>20m后，可慢慢进行正常钻孔，但需加长钻铤，防止冻结孔偏斜。冻结孔施工顺序主要如下：施工准备→钻孔定位找正→钻进→测斜→钻进→成孔→下冻结管→试压→移位。为了保证正常钻孔，应控制好以下几点：

①正确选用钻头

钻头的选择决定着钻进的速度，同时钻头对钻孔的偏斜影响也比较大。

在普通表土层钻孔一般选用三牙轮钻头，在砂岩层中一般使用复合片钻头。三牙轮钻头由于牙齿长，钻进快，钻孔不易偏斜；复合片钻头在在砂岩层中钻进效率要比三牙轮钻头高。

②采用合理的钻进参数

在钻孔过程中，要根据不同的地质情况，及时调整钻机的钻速和钻压，以保证钻孔正常进行，以减小偏斜。对卵石地层，要低速高压，同时要采用三牙轮钻头。

③使用性能适宜的泥浆

在钻孔施工过程中，泥浆的配比和循环量影响着钻进速度、钻孔偏斜及冻结管的成功下放。一般通过控制泥浆粘度来护壁，防止塌孔；通过增加泥浆泵循环量来带出钻孔中的岩粉，特别是大颗粒岩屑，以防止卡钻和钻孔偏斜。在钻进过程中，还需要根据地层和泥浆变化及時进行调整。

该竖井钻孔施工泥浆是在膨润土中外加纯碱和聚丙烯铵盐构成。

（3）测斜与纠偏

冻结孔偏斜要求：冻结孔靶域半径≤0.40m。

①钻孔测斜

为了保证钻孔偏斜达到设计要求，每钻20～30m，用陀螺仪进行测斜一次。根据测斜数据，进行纠偏。在钻孔钻进达到设计深度后，要每隔20m，进行全孔测斜，根据测斜数据，绘制钻孔偏斜图，以调整相邻孔钻进参数。

②纠偏工作

在测斜过程中，发现钻孔偏斜后，要及时纠偏。在钻孔深度≤100m时，一般根据偏斜量，从一个方向把钻塔垫高一定高度，进行纠偏。在在钻孔深度>100m时，一般采用螺杆钻具进行纠偏。

（4）下管与试压

冻结管下放前，应检查钻孔施工是否达到以下要求：

①钻孔实际深度要>设计度2.0m以上，以保证岩粉有足够的沉淀空间。

②成孔提钻后，务必测量所有钻具长度，以复核钻孔深度是否超过设计深度。

③增大泥浆循环量，尽可能把孔内岩粉带出，以保证成功下管。

④下管前应调整泥浆浓度和粘度，以防泥浆吸住冻结管。

⑤要经过多方对孔深、偏斜、偏向等验收后，方可进行下管。

⑥下管前的配管也很重要，每根管的长度要丈量准确、管要平直、外部没有瑕疵。

压力试验：先在冻结管口焊上焖板，然后在焖板上焊打压管路，打压管路与液压打压泵相连。待焊口冷却至常温后，启运打压泵，压力达1.5MPa，停止打压泵，关闭打管管路上的阀门，记录压力表的初始压力，30min后再次记录压力表的压力，若无变化为合格；若有变化，再观察30min，与第二次记录相比，若无变化为合格；若有变化，查找泄压原因，在确认非外部原因时，需拔管重新下管。

3.3测温孔、水文孔的施工管理

测温孔和水文孔施工与冻结孔施工相似，但在测温管下放过程中不能加水，因此对泥浆的配比要求更高。

根据地下含水层的位置，设置水文花管。水文花管的设置：先在花管上包一层钢丝网，然后再包上棕皮，最外层包50目钢丝网，最后每间隔10cm用14#铁线把钢丝网绑扎牢固。水文花管的外部包裹厚度要均匀、结实。

水文管下完后，要及时用清水冲孔，以防泥浆堵住花管处钢丝网。

4.结束语

综上所述，在竖井垂直冻结施工过程中，分别从垂直凍结设计管理、垂直冻结孔施工管理等方面进行精细化管理，严格控制各工序施工质量，为开挖和构筑施工提供了安全保障，同时为水利行业今后进行相关冻结施工管理提供参考。

参考文献：

[1]惠本利，王建平.大海则煤矿立井冻结设计比较及建议[J].煤炭工程，2014（09）：8-11.

[2]薛毅宏.副立井井筒冻结设计方案及施工技术[J].煤炭工程，2014（03）：29-31.