立井井筒深厚黏土层施工技术浅析

【摘要】本文就冻结施工深厚表土层，尤其是在连续黏土层厚度较大且含水率较低、蠕变性较大的条件下的掘砌施工方法，提出了施工方法及经验。

【关键词】 深厚黏土层施工施工方法

一、概况

立井井筒是矿井的咽喉，井筒深，断面大，施工条件复杂，比其他工程困难，虽然工程量不大，但工期长，因此加快立井井筒施工进度是缩短矿井总工期的有效途径。近年我们施工的几个井筒，有的区域黏土含水率较低，个别层位含水率甚至不足10％，且滑面较多，所含钙质黏土单轴蠕变变形较大，-10 ℃的最大达到14％，且冻胀率较大，最大甚至25％，黏土实验冻结冰点为-2.3 ℃，冻土强度偏低，-20 ℃时为3 MPa。下面简要谈谈施工经验。

二、冻结措施与掘砌施工方法

具体施工冻结设计为：深度为512 m，3圈孔布置，内圈防片帮孔深210 m，冻结管直径Φ159×5 mm，为无缝钢管,中圈孔深度512 m，为主孔，冻结管直径Φ140×5～7 mm，为无缝钢管,外圈孔采用下部局部加强，上部用无缝钢管200 m，Φ159×5 mm,下部至483 m为Φ140×7 mm。

设计主井使用冻结机，制冷能力为8.3万MJ／h，全部是高效率螺杆压缩机，需冷量为1.9万MJ／h，盐水温度为-33～－35 ℃，设计冻结壁厚度8.3 m，冻结壁平均温度-20 ℃，控制层井帮温度-8 ℃，计划冻结时间96 d，75 d开始开挖。

主井开工后头两个月施工速度较快，采用段高3.3 m施工，月进度超过100 m，但到了施工下部，特别是到256 m后，因冻土强度低、冻结井帮温度偏高、井帮位移较大等原因，出现冻结管断裂现象。通过缩小施工段高、强化冻结、下套管处理断管、加强监测等一系列措施，深部井帮温度大大降低，-400 m深以下的井帮均低于-10 ℃，这时段高控制在1.8 m以下，通过对盐水浸泡的区段采取快速通过，便安全顺利地通过了厚黏土层。取得了满意的施工效果。

主井施工过程中断管发生大多存在类似问题，有的断管位置发生在掘进头以下4～8 m处，时间多为浇筑混凝土之前，层位均为钙质或红色黏土层内，而且部分断裂冻结管偏向井心，井帮温度相对较高一侧断管较多等。断管原因有多种，一是黏土成分较多，含水率较低，冻胀蠕变性较大，冻结壁抗压强度不高，在-15 ℃时仅为2 MPa ；二是连续钙质粘土厚度最厚达51.5 m，较大；三是上部井帮温度偏高，冻结壁强度较小；四是个别冻结管偏向井心距离较大；五是冻结管焊接处低温时抗拉强度较小，等等。

三、施工中技术环节

保证冻结钻孔施工质量

对冻结孔尤其是向井中心方向偏斜要进行有效控制，确保偏斜在要求之内，应尽量加长冻结管一次下放，提前在地面将两段焊接在一起，尽量缩小下放冻结管的时间，容易焊接，节省焊接点冷却时间，以防下放期间缩孔。

2 、注意冻结壁厚度及强度

冻结壁厚度会影响到冻结井的施工安全，科学地选择并确保冻结井的冻结壁厚度及强度是成功的关键。冻结壁厚度要综合参考各计算结果，选取合理的参数。为减少掘砌施工对冻结管位移的影响，中圈孔布置距井筒径宜大于2.5 m，尽量控制钻孔不偏向井心方向。根据潜水流速流向，考虑迎水及背水方向冻结孔间距的微调，确保冻结壁厚相对均匀。另外，冻结壁平均温度要达到设计要求，确保冻结强度。可以考虑布置一个测温孔在中圈孔以内，便于及时掌握井帮位置的冻结，使掘砌施工可靠。为节省能量，应考虑采用深部加强局部冻结。

冻结深度及防片帮孔

一般井筒正式开挖后施工速度均较快，相当数量矿井月进度超过100 m，为提前使上部冻结孔交圈，对深井冻结设计一般为三圈孔，最内圈作为防片帮孔，设计深度要考虑矿井开挖施工速度的因素。能够使防片帮孔加深，可以强化冻结效果，提高上部早期井帮强度。

冻结深度必须超过不透水的稳定基岩10 m以上，为有效冻结深度，由于冻结器下部一般均有3 m左右加重管，而此段盐水不能进入循环会影响冻结效果。因此，冻结钻施工实际深度必须考虑此因素。

4、冻结站制冷能力

深井冻结制冷量大，应采用高效率的螺杆压缩制冷机，两级压缩，减少占地面积，降低安装工作量，可节约用电及循环用水。冻结设计应优化各冻结孔内进回盐水速度，内外均速来提高盐水流速。深井冻结，应考虑深部高温，一般采用正循环方式，使回水处于紊流状态，最大限度地与土层进行热交换。

5、盐水温度

在深井冻结中，冻结盐水温度逐渐降低，超过500 m的冻结井盐水温度一般超过－33 ℃，造成该部位在长期低温下，即使受较小的变形都可能发生开裂，容易导致冻结管断裂，给施工造成危险。因此，研究抗低温焊接材料及工艺对当前冻结管施工安全具有重要意义。

6、开挖时间的确定与施工段高

一般地，深部水文孔冒水后7天就具备开挖条件，但由于目前施工速度较快，开挖后很快即达深部，而此时深部尚未达到冻结厚度的要求。因此，要选择合理的施工段高，根据现场土层情况及井帮温度，一般可选取1.5～2.5 m，在200 m以下浅井帮温度可在-3 ℃以上，段高可适当加大，200 m以上深井帮温度则要逐渐降低，特别达到300 m深以后，井帮温度要低于-8 ℃，段高要控制在合理的范围，使循环段高（一般20 h）内井帮位移控制在50 mm内。

7、谨防冻结管断裂与冻结期间水源井影响

冻结管断裂在深井冻结中常见，采取的措施主要是确保冻结孔的施工质量，降低偏斜率；保障自然冷却时间，改善焊接工艺，研究冻结管焊接点在低温下抗拉抗弯性能；冻结壁的厚度及强度要得到保证；减少空帮暴露时间，控制掘砌段高，控制井帮位移量以及加强各项监测等。另外由于地下水的流动，冻结期间，要求井筒300 m内不得有水源井使用，尤其是冻结初期，也要考虑到周围农村水井浇地造成的影响，确保冻结正常降温。

参考文献

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