近海竖井冻结天窗成因与治理措施

张成涛 徐兴保

摘要：瑞海矿业公司主竖井距海边仅35 m，属于富水软弱地层，表土段采用冻结法施工。受潮汐及周边海水养殖场抽取地下水影响，导致冻结壁容易形成“天窗”。采用冻结器纵向测温技术预测冻结壁开窗部位，采取补打加强冻结孔的措施，加快了冻结壁交圈，效果较好，值得推广。

关键词：近海竖井;冻结法;冻结壁;天窗;纵向测温技术

中图分类号：TD265.3文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2021）07-0037-04doi：10.11792/hj20210707

冻结法作为一种井筒特殊施工方法，在中国得到了广泛应用，冻结法施工技术至今已有60多年的历史。冻结法施工的关键是在井筒周围形成一定强度和厚度的冻结壁，而地下水活动对冻结壁形成和发展的影响非常显著，过大的地下水流速有时会影响冻结壁的正常交圈，造成井筒掘进时出现冻结壁出水，進而影响井筒施工工期及投资，甚至可能发生淹井事故。本文对莱州市瑞海矿业有限公司（下称“瑞海矿业公司”）主井第四系地层冻结法施工中，井筒开挖过程中的出水情况进行介绍，对出水原因进行了分析研究，提出了相应的处理措施，保证了井筒的施工安全，对相邻地区及相似地层新井建设具有一定的借鉴意义。

1 工程背景

瑞海矿业公司地处渤海海湾，位于三山岛北部海域，西南部毗邻三山岛金矿，与新建的莱州港为邻，主井位于矿区东侧海岸边上，距海边仅35 m，属于富水软弱地层。主井净直径6.3 m，井深1 417 m，井颈段85 m，双层钢筋混凝土井壁，壁厚1.05 m。

根据主井工程勘查钻孔，将岩性自上而下分为松散堆积物0～58.1 m、基岩风化带58.1～65.6 m、变辉长岩 65.6～722.5 m、二长花岗岩 722.5～1 070.3 m、构造蚀变岩1 070.3～1 185.6 m等。第四系松散岩类孔隙含水层与海水广泛接触，含水层均位于海水之下，二者直接接触，含水层透水性极强，因此，二者发生密切的水力联系。基岩风化裂隙含水层位于第四系之下，由于上部直接与粉质黏土接触，粉质黏土起了很好的隔水作用，在自然状态下，二者之间的水力联系不密切。根据地质情况，表土段地下水流速大、含盐量高、结冰点低，采用冻结法施工。

2 冻结方案设计

2.1 冻结孔布置

因该地层地下水流速大、含盐量高、结冰点低，采用双圈孔冻结方案，冻结参数确定如下：

1）冻结壁厚度的确定[1]。该井冲积层厚度小于120 m，将含水砂层的冻结壁作为弹性体，按冻土强度条件，采用无限长厚壁圆筒拉麦（由法国工程师G.Lame于1852年提出）计算公式确定。

δ=r wσ t′σ t′-ψp-1（1）

式中：δ为设计冻结壁有效厚度（m）;r w为冻结壁设计控制层处的井筒掘进半径（m）;σ t′为冻土单轴抗压强度（MPa）;ψ为系数，按第三强度理论，ψ为2时，适用于粉砂、细砂和砂性土;按第四强度理论，ψ为1.732时，适用于中砂、粗砂和砂砾层;p为冻结壁径向外荷载（MPa），p=0.013h，h为控制层地板埋深（m）。

经计算：δ=1.95 m，参考临近竖井施工经验，井筒冻结壁厚度取2.3 m，冻结壁平均温度取-8 ℃，积极冻结期盐水温度为-28 ℃～-26 ℃，维护冻结期盐水温度为-22 ℃～-20 ℃。

2）冻结深度的确定。冻结深度应穿过冲积层、风化带深至稳定基岩10 m以上[1]，长孔深度选取93 m。短孔按穿过冲积层进入基岩考虑，选取短孔深度60 m。

3）冻结孔布孔圈直径的确定。①主冻结孔布孔圈直径计算，按基岩段中采用钻爆法施工：

D 0=D l′+2（1.2+Q f′h 0）（2）

式中：D 0为主冻结孔布孔圈直径（m）;D l′为基岩段中井筒最大掘进直径（m）;Q f′为基岩段冻结孔允许偏斜率，取3 ‰;h 0为井筒冻结深度（m）。

经计算：D 0=11.36 m，为了缩小主冻结孔布孔圈直径，取值为11.00 m。

2021年第7期/第42卷  采矿工程采矿工程  黄 金

②辅助冻结孔布孔圈直径计算，计算公式如下：

D f=D l+2（0.3E n+Q fh f）（3）

式中：D f为辅助冻结孔布孔圈直径（m）;D l为冲积层中井筒最大掘进直径（m）;E n为主冻结孔至井帮距离（m）;Q f为冲积层冻结孔允许偏斜率，取3 ‰;h f为辅助冻结孔深度（m）。

经计算：D f=9.54 m，防止冻结壁进入荒径过大，扩大辅助孔布孔圈直径，取值为10.20 m。

4）冻结孔孔数的确定。冻结孔孔数按照如下公式确定：

N=πD 0l s（4）

式中：N为冻结孔孔数;l s为冻结孔开孔间距，当冻结深度小于300 m时，采用1.00～1.30 m（依据施工经验，采用1.10～1.20 m）。

根据计算结果，主冻结孔孔数取29个，冻结孔开孔间距为1.19 m;辅助冻结孔孔数取29个，冻结孔开孔间距为1.10 m。主冻结孔偏斜率控制不大于3 ‰，向内偏斜不大于200 mm。

5）观测孔的确定。①水文孔设置在井筒内，深入冲积层最下部的主要含水层，孔深60 m。②测温孔的设计：冲积层厚度小于300 m时，不应少于2个测温孔，一般布置在地下水流上方冻结孔主面外侧和2个冻结孔孔间距最大位置外侧冻结壁界面处。根据进风井施工经验，近海地区地下水流速对冻结影响较为严重，故在地下水流上方、下方冻结孔主孔外侧各布置1个测温孔，孔深均为85 m。

主井冻结孔布置见图1，测温孔、水文孔布置见图2。

2.2 冻结孔参数

根据计算，冻结孔参数见表1。

3 冻结壁“天窗”原因分析及治理措施

3.1 温度检测

为了掌握冻结效果，在每个测温孔内沿纵向10 m左右及土层交界处布置测点（测温孔1布置11个测点，测温孔2布置10个测点），具体布置见图2。

主井冻结站于2019年8月5日正式开机运转，测温孔内测点温度变化趋势（部分）见图3。在开机运转第53 d（9月26日）后，测温孔1和测温孔2 10 m处土体温度在-10 ℃以下;第68 d，测温孔2 20 m处土体温度降至-5 ℃左右时，由于土体中的水结冰发生相变，释放出大量的潜热[2]，测温孔温度下降变缓，说明地层结冰温度在-5 ℃左右;第73 d，测温孔1 20 m处温度出现异常，一直在10 ℃左右。

3.2 纵向测温

为了弄清楚测温孔1 20 m处温度异常情况，对冻结器进行了第一次纵向测温。冻结器纵向测温技术依据传统导热学理论结合地层地质条件对冻结壁的冻结状态进行判定，将冻结壁作为整体结构进行监测，取代之前温度观测孔以点代面来判断冻结壁是否交圈的结论[3-9]。深度为13～26 m时，每1 m布置1个测点，每个孔布置14个测点，完成了主孔奇数号孔共计15个孔的冻结器纵向测温工作，部分冻结器测温结果见图4。

主孔冻结器纵向测温结果显示：冻结器停冻后部分孔位在垂深20 m层位的温度均较上下层位高，主1孔和主29孔13 m层位与20 m层位温差分别为3.5 ℃和4.6 ℃，高差仅7 m的相同地层冻结器停冻后温差达到4.6 ℃。其他层位各冻结器纵向温度没有明显异常跳跃。根据冻结器纵向测温结果分析，主29孔～主1孔处的冻结壁在井筒垂深20 m层位处存在未闭合冻结壁，形成了“天窗”，井筒其他部位冻结壁没有问题。

3.3 原因分析

1）从地质报告上看，垂深20 m层位为含水层，通过调查发现井筒南边水产养殖区采用该层位地下水进行水产养殖，每昼夜抽取地下水约1万m3，达到417 m3/h，使近岸处地下水位均低于海平面。该层位地下水与海水有明显的水力联系，地下水主要接受海水补给，海水渗入加大了地下水流速，据测算，地下水流速达13.38 m/d。

2）水质类似于海水，结冰温度约为-5 ℃，加大了冻结难度。

3.4 治理措施

为了加快冻结壁交圈，2019年10月24日在井筒内（当时井筒已开挖12.5 m）增补钻孔7个。其中，6个冻结孔（孔间距2.77 m），1个测温孔，孔深20 m，具体布置见图5。10月30日开始冻结，经过11 d的强化冻结后，测温孔垂深7.5 m（井筒垂深20 m）处温度降至-4.5 ℃，再次对北侧冻结器进行纵向测温，测温结果见图6。从图6可以看出，冻结壁未交圈处已全部交圈。11月11日增补的冻结器拆除，井筒继续向下开挖，11月18日顺利通过该层位。

4 结 语

通过瑞海矿业公司主井第四系地层冻结法施工过程中的冻结实例可以得出：近海盐水结冰温度在-5 ℃左右，地下水抽取引起水流速过大，导致冻结壁开“天窗”。使用冻结器纵向测温这一监测手段，可及时准确找出冻结壁开窗位置。在地下水流速较大，冻结壁难以交圈时，采取补打冻结孔，加强冻结的方法是可行的。

[参 考 文 献]

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.矿山立井冻结法施工及质量验收标准：GB/T 51277—2018[S].北京：中国计划出版社，2018.

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Causes and management of frozen skylight in offshore shaft

Zhang Chengtao，Xu Xingbao

（Zhaojin Mining Industry Co.，Ltd.）

Abstract：The main shaft of Ruihai mining company is only 35 m offshore.The strata are water-rich and weak.The topsoil section is constructed by freezing method.Due to the influence of tide and groundwater extraction from the surrounding sea water farms，"skylight" is easily formed on the frozen wall.The window opening position of the frozen wall is predicted by adopting the longitudinal temperature measurement technology of the freezer，and the measures of supplementing strengthened freezing holes are adopted，speeding up the crossing circle of the frozen wall.The effect is good and the process is worth promotion.

Keywords：offshore shaft;freezing method;frozen wall;skylight;longitudinal temperature measurement technology