复杂地质构造竖井井筒冻结法施工

摘要：在不稳定表土层中施工竖井井筒时，冻结法具有大量的优点，主要包括：适应性强；支护结构灵活、易控制；隔水性好；对环境影响小等。 因此，冻结法在复杂地质构造竖井井筒的特殊施工中被大量应用。

关键词：复杂地质构造；竖井井筒；冻结法施工技术

中图分类号： TU74文献标识码：A 文章编号：

近年来，人们越来越重视对地下空间的开发和利用，但由于地下空间各种复杂的工程地质和水文地质条件，如软土、含水不稳定层、流砂、高水压及高地压地层等，在这种复杂环境下施工，常规施工方法不能维持周围土体稳定，而要采用一些特殊的施工方法，冻结法就是其中之一。另外，我国经济发达地区且地质条件好的煤田，绝大部分已得到充分开发，其中不少煤田已经枯竭，需要开发深厚表土所覆盖下的煤田。但这些矿井大多都要穿过400~800m的深厚表土层，在这种复杂的地质条件下，用常规的建井技术已经不可能，必须考虑采用特殊的凿井技术，即竖井井筒冻结法凿井技术。由于冻结法（特别是竖井井筒冻结法）在复杂地质施工中的普遍应用，它的施工技术要点及难点也成为研究的主要课题。

一、冻结法的施工工艺

冻结法施工技术在国际上已有一百多年的应用历史，在城市土木工程的应用始于1886年瑞典斯德哥尔摩24m的人行隧道的建设。在西欧、前苏联、日本等科技发达国家，该技术已是城市建设中一项成熟的施工技术和施工方法。如比利时的布鲁塞尔某深基坑尺寸为37×81m，采用冻结法施工效果较好，又如东京地下快速公路十号及十一号隧道，瑞士阿尔堡勃恩隧道，杜塞尔多夫隧道均采用先冻结后开挖的施工方法，原西德的海尔纳东部泵站建筑基坑，苏联莫斯科地铁车站的开挖，也均采用冻结法施工技术施工。

我国采用冻结法技术施工煤矿井筒自1955年开始，至今有40多年的历史，共用冻结法施工煤矿井筒430余个。其中冻结最大深度435m，冻结表土层最大厚度375m，冻结法技术已是我国煤矿井筒施工中成熟、可靠的特殊施工方法之一。进入70年代，冻结法技术开始在城市建设基坑开挖及路桥施工中推广应用。如北京地铁车站的护坡工程、沈阳地铁试验井开挖、内蒙海拉尔水泥厂地下皮带走廊施工、南通钢厂沉淀池施工，凤台大桥主桥墩开挖上海过江隧道出口、地铁车站、泵站施工等均是采用冻结法技术施工，效果很好。

冻结法的施工工艺:第一阶段是冻结管的排列，根据工程特征要求，可布置各种形状；第二阶段，开始土壤冻结，冻土首先从每个冻结管周围向外扩展，当各分离的圆柱冻结体联成一体时，该冻结阶段就告完成；第三阶段是继续降低冻结体的平均湿度和扩大冻土墙厚度使之达到设计要求；第四阶段是维持低温，保证开挖和做永久结构施工期间，冻土墙强度保持不变。完成使命后即开始强行解冻，拔除冻结管。

冻结法的基本原理

冻结法起源于天然冻结，随着人工制冷技术的发展和应用，出现了人工冻结。冻结法在矿井建设中多用于立井的开凿，井筒直径大小和深度基本不受限制。通常，当存在不稳定地层或含水极丰富的裂隙岩层，地下水含盐量不大，且地下水流速较小时(流速V＜17～10m/s)，均可使用冻结法。冻结法凿井就是在不稳定含水地层中进行施工时，利用人工设置的冻结管，在冻结管内循环冷媒剂，将井筒周围岩层的热量带走，冻结形成封闭的圆筒——冻结壁，抵抗地压、承受水压力和隔断地下水，在冻结壁的保护下进行开挖地层和砌筑井壁的一种特殊施工方法。冻结法凿井在煤矿特法建井中具有明显的优势，既能用于不稳定的含水层,又可用于基岩含水层，既可应用于立井，又可应用于斜井及风道口工程，适应性强，安全可靠。

冻结法的应用及特点

冻结法是利用人工制冷技术，将低温冷媒送入具有一定含水量和地下水流速的软弱地层中，使地层中的水与周围土颗粒发生冻结，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程地联系，从而形成强度高、弹性大和抗渗性好的冻结壁，以便在冻结壁的保护下，进行井筒或地下工程掘砌施工的特殊结构施工技术。竖井井筒冻结技术是目前复杂地质构造中常用的施工技术。主要应用在：煤矿井筒施工的冻结封水及临时支护；市政工程地下结构施工封水及临时支护；地铁车站及街区明挖施工的冻结临时支护和封水；地下水泵站施工的冻结临时支护和封水；

水平隧道的冻结支护和封水；其他各类地下建筑基坑的冻结加固；交通建筑中水下基坑及桥梁基础施工的冻结支护等。经过多年来国内外施工的实践经验证明冻结法施工有以下特点：1。可有效隔绝地下水，其抗渗透性能是其它任何方法不能相比的，对于含水量大于10%的任何含水、松散，不稳定地层均可采用冻结法施工技术；2.冻土帷幕的形状和强度可视施工现场条件，地质条件灵活布置和调整，冻土强度可达5-10Mpa，能有效提高工效；3， 冻结法是一种环保型工法，对周围环境无污染，无异物进入土壤，噪音小，冻结结束后，冻土墙融化，不影响建筑物周围地下结构；4， 冻结施工用于桩基施工或其它工艺平行作业，能有效缩短施工工期。

四、冻结法施工技术

（一）.复杂地质构造竖井井筒冻结法施工

竖井井筒冻结法施工主要工艺过程包括冻结孔施工、井筒冻结和井筒掘砌等主要工作。 由于地下空间的不确定性和复杂性，以及随着开挖表土层厚度的增大，冻结深度增加，地压加大，冻结法在井筒的施工中常存在很多的问题，像冻结管的断裂问题、冻结井壁的破裂变形问题、工作面底鼓、风动机具的冻结堵塞问题和地表冻融危害问题等。如何避免这些问题的频发，施工过程中应注意以下几个方面：

1.冻结深度。冻结深度确定合理，可节省冻结费用，保证井壁质量，加快建井速度，同时能防止涌水冒砂事故，做到安全可靠。这就要求冻结深度必须穿过分化基岩，深入到不透水的稳定基岩10m 以上；若分化基岩带裂隙发育，且分化带以下基岩破碎，富水性强或有断层及断层破碎带时，冻结深度应考虑穿过破碎基岩；距离分化带30m 以内的含水基岩岩层，应与松散层一起冻结，并宜采用差异冻结施工。

2.冻结孔施工

冻结孔圈径、数量。井筒冻结采用外、中、内圈孔和防片帮孔的多圈冻结孔设计布置。外圈孔直径30.8m, 58 个冻结孔, 孔深578m, 采用局部冻结。为有效防止冻结孔偏斜的情况发生，对冻结孔偏斜率提出了以下要求：位于冲积层的钻孔不宜大于0.3%，相邻两个钻孔终孔的间距不得大于3m；位于分化带及含水基岩的钻孔，不宜大于0.5%，但相邻两个钻孔的终孔不得大于5m；对于径向偏斜，均控制在500～800mm 范围内。当相邻两个钻孔的偏斜值超过上述规定时，应补孔，以有效防止冻结壁开窗，涌砂冒泥，而造成淹井事故。

在井筒开挖之前，在欲开挖井筒的周围打一定数量的冻结孔，两圈布置，采用差异冻结，插花布置， 深度为220P470m，保证上部地层的冻结壁厚度和防止井筒掘进时片帮，实现井筒提前交圈。可辅以内，中，外圈孔。来确保深部冻结壁的厚度和强度和封水性。在保障冻结壁强度要求的前提下，尽量减小冻结壁的体积，以减少冻结量和掘进难度。在冻结过程中，冻结壁的厚度和温度取决于冻结孔的实际成孔情况，因此冻结孔的成孔质量决定着冻结法凿井的顺利与否。

孔内安装冻结器。低温盐水在冻结器中流动，吸收其周围地层的热量，形成冻结圈并逐渐扩大连接成封闭不透水的冻结壁，用于抵抗地压、隔绝地下水。然后，在其保护下进行掘砌施工，待掘砌到预计的深度后，停止冻结，进行拔管和充填工作。

开孔间距误差控制在±20mm 内。在打钻设备就位前，用仪器精确确定开孔孔位，以提高定位精度。准确丈量钻杆尺寸，控制钻进深度。 按要求钻进、用灯光测斜，偏斜过大则进行纠偏。钻进 3m时，测斜一次，如果偏斜不符合设计要求，立即采取调整钻孔角度及钻进参数等措施进行纠偏，如果钻孔仍然超出设计规定，则进行补孔。

合理确定冻结孔布置圈直径，以保证冻结壁的厚度。如果冻结孔布置圈过小，虽然井帮温度较低，但其整体厚度不够，可能造成井壁变形过大，冻结管断裂。

3.井筒施工

.3.1冻结管施工

冻结管应选择低碳钢、中碳钢或低合金钢无缝钢管，采用低碳钢无缝钢管时，宜用外箍焊接，而采用中碳钢或低合金钢时，宜用外箍丝扣连接。管子端部采用底盖板和底锥密封。在断管中下套管，恢复盐水循环。冻结管安装完，进行水压试漏，经 30 分钟观察，再延长 15 分钟压力不降为合格，否就近重新钻孔下管。

特别是深厚黏土层，要严格控制掘进段高和井帮暴露时间，这样有利于控制冻土的蠕变和冻胀力的发展,避免断管。

3.2冻结井壁防破裂防变形施工工艺

冻结壁发生破裂在竖井冻结井筒施工中是一种较为普遍的现象。针对此问题,可从几个方面采取措施：

在井筒施工前，应弄清井筒穿过的土层矿物成分及有关的物理力学性质。为此，必须进行施工专门的井检孔，对井筒穿过的主要土层，特别是厚度较大的黏土层，应尽量保证取样完整，精确测定其有关的物理力学参数，特别是与土体膨胀有关的参数，以便于冻结方案的确定。根据地层土的性质、含水层的情况以及冻结站冻结能力合理确定冻结孔的大小、深度及间距，进一步提高冻结孔垂直质量，形成合理的孔圈结构，以减少冻结壁厚度的不均匀性。

在冻结法施工中，应适当加强冻结，或降低盐水温度或延长冻结时间。加强冻结能够使冻结壁厚度和强度远远地超过一般的设计规定，使冻结壁成为一个弹性结构，从而减小变形，缓解作用在外壁上的压力。

提高井壁混凝土的早期强度，可以在混凝土中掺入适量外加剂，以使不同龄期的混凝土强度增长超前于冻结压力的增长。

3.3井筒开挖及掘进

井筒冻结试运行阶段，定时检测盐水温度、盐水流量和冻土帷幕扩展情况，必要时调整冻结系统运行参数。在维护冻结阶段，要根据实测温度数据判断冻土帷幕是否交圈和达到设计厚度，测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度后再进行探孔试挖，确认冻土帷幕内土层无流动水后（饱和水除外）再进行正式开挖。

井筒的开挖时间要选择适时，即当冻结壁已形成而又尚未冻至井筒范围以内时最为理想，此时，既便于掘进又不会造成涌水冒砂事故。切忌为赶工期，在冻结壁强度与厚度未完全达到设计要求时便匆匆开挖；合理控制制冷量，不能过早停机及进入维持冻结，尤其在膨胀性大的粘土层中井帮温度必须达到-10℃以下；加大监控力度，保证混凝土设计强度及井壁的厚度，必要时应在已砌好的井壁段取芯检验；宜采用短段掘砌，小段高快速掘砌的作业方式，尤其在膨胀性大的黏土层中。

井筒掘进中过程，我国几乎全部使用风动机具，而在低温环境，压风中的水分结冰会很快堵塞机具气孔通道，使机具无法使用，大大影响掘进速度。为此必须采取除湿措施。解决方法有两种：过滤干燥法，即压风入井前通过活性炭和无水氯化钙过滤除湿；压风入井前通过冷凝器，使压风中的水蒸汽凝结成水放出。

（二）.施工过程检测

竖井井筒冻结施工过程中要采用通讯系统和视频系统有效的监控施工现场，对施工中发现的问题及时汇报处理，杜绝一切不安全的施工现象和违章的操作，把事故制止在萌芽状态。

冻结孔施工监测内容为：冻结管钻进深度；冻结管偏斜率；冻结耐压度；供液管铺设长度；冻结系统监测；监测盐水在冻结管内的流速；冻结帷幕监测包括：冻结壁温度场；冻结壁与隧道胶结；开挖后冻结壁暴露时间内冻结壁表面位移；开挖后冻结壁表面温度。

冻结施工监测可以为冻结井施工提供及时的反馈信息；可以通过对现场监测结果分析为设计和施工定量化预测计算提供依据；还可以判断冻结壁是否达到设计标准，这些都是确保工程安全可靠的重要手段。

五.结束语

冻结法在竖井井筒不稳定表土层的施工中得到了广泛的应用，同时，随着社会经济的不断发展，人口的不断增长和空间的相对缩小，开发地下空间己经成为人类扩大生存空间的重要手段和发展趋势，随着21世纪地下工程的大规模开发利用，以及煤矿矿井向深层的开发，冻结法也将会得到更加广泛的使用，而且其发展也会加快。而竖井井筒冻结施工中的问题也将越来越引起人们的重视，新的改进措施将不断被应用于施工过程中。

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