冻结法井筒施工中遇到高岭土施工方法

【摘要】本文根据工程具体地质特征确定了开采方式以及施工方式，分析了遇到高岭土化混凝土的施工方案，介绍了冻结法井筒施工原理及优越性及施工中遇到的问题。

【关键词】冻结法井筒施工, 高岭土,施工方法

中途分类号：TQ639.2 文献标识码：A文章编号：

一、前言

随着社会经济的不断发展，冻结法在井筒不稳定表土层的施工中以其独特的优点得到了广泛的应用。下面是我温州矿山井巷工程有限公司承建安徽富凯矿业有限公司风井掘砌工程施工的具体情况。

二、矿床水文地质特征

矿床被第四系松散沉积物覆盖，最大厚度260米，中部分布不等厚度中粗砂层，富含水，结构松散易跨塌，底部为砾质粘土，直接与含矿岩层接触，加之基岩风化层较厚，岩石挤压强度低，工程稳定性差。海拔标高95米。中部为4层松散沙砾粒孔隙含水岩层，主要为中粗沙砾夹泥灰岩、粘土透镜体，总厚83.56米，单层厚5.63~23.53米，埋深62.63~130.93米，岩性呈松散状含有高岭土化，局部含砾石。其孔隙中赋存丰富的承压水，钻孔涌水量2156m³/日，是矿床主要含水层之一；含砾粉沙岩广泛分布矿区，直接覆盖含矿岩层之上。

三、开采方式

采用地下开采，竖井开拓方式，阶段采矿嗣后充填采矿法。竖井第四系及含水层丰富强风化段采用特殊法中的冻结法施工，双层钢筋，双层混凝土，混凝土厚度外层为800mm内层为600mm。风井净断面5.8米。

四、施工方式

根据规程要求冻结段严谨爆破施工，我施工单位结合毛断面较大的优点，采用日产0.2立方米挖掘机取代井筒施工装渣用的抓岩机，冻结壁选用钩机炮锤，提高了冻结段以往使用风镐抠掘冻结壁的施工速度，因第四系冻结后强度类似于C25混凝土，装渣时更换挖斗，月成井60米的施工速度。施工到井筒深度63米时出现岩性呈松散状含有高岭土化，因高岭土冻结后，遇水融化膨胀，膨胀后释放压力。压力四周放射，因井壁有自由空间，最大压力向井筒方向。压力超过钢筋混凝土强度，把混凝土井壁挤裂，第四系水涌入井筒造成淹井事故，后果难以想象。

五、遇到高岭土化混凝土施工方案

依据井筒特点，井筒施工采用整体移动模板，模板段高4米，遇到高岭土化时按设计井筒断面施工，在每个模板段高4米中的井壁四个方位点挖掘长宽高为0.6m×0.6m×1.1m的空间，把提前做好的长宽高为0.5m×0.5m×1m的木制方盒四周用塑料布包好（防止水泥浆进入预埋木盒中）放入挖掘好空间中，然后按设计钢筋混凝土强度进行整体浇注。待混凝土浇注结束后，施工下道工序，再进行下一模浇注；混凝土在凝固过程中浆液侵入井壁中的高岭土中，高岭土释放压力，压力向四周薄弱方向释放，预埋木制盒被挤压破裂，直至释放压力减小到零，挖掘的空间基本挤满，保护钢筋混凝土不会被高岭土释放压力挤破裂，从而保护井筒安全施工，保证了整个矿山的安全生产。

六、冻结法井筒施工原理及优越性

立井冻结凿井在井筒开挖之前，用人工制冷的方法，将井筒周围含水地层冻结成一个封闭的不透水的帷幕一冻结壁，用于抵抗地压、水压．隔绝地下水与并筒之间的联系。而后，在其保护下进行掘砌施工．冻结壁形成前，首先在欲开挖井筒的周围打一定数量的冻结孔，孔内安装供浪管．低温盐水在冻结器中流动。吸收其周围地层之热量。形成冻结圆柱．冻结圆柱逐渐扩大，直至达到设计厚度和强度为止，最后连接成封闭的冻结壁．在其保护下掘砌施工就可以安全穿过含水地层。

冻结法施工在复杂和特殊地层施工中具有很大的优越性，表现在：

（一）适应性强。它适应于各种复杂地质及水文地质条件下的任何含水地层的土层加固，并且基本不受基坑形式、平面尺寸和深度的影响．

（二）支护结构灵活、易控制．可根据不同地质条件、环境及场地条件灵活布置冻结孔，调节盐水的温度，从而获得高质量的冻土帷幕，特殊情况下还可以采用液氮进行快速抢险．同时可通过地温监测指导施工，符合现代信息化施工的要求．

（三）隔水性好．它本身就是地下水的控制系统，防水性能是其它施工方法无法相比的。

（四）对环境影响小。它充分利用土体自身的特点。材料是土体本身，对地下水及周围环境无污染，冻结壁解冻后，冻结管可回收，地下土层恢复原状，对地下工程较为有利。

七、施工中遇到的问题及其解决措施

1.冻结管的断裂问题

在冻结井筒掘进中，冻结管断裂现象时有发生。近年来，由于冻结深度逐年增加，遇到厚粘土层的机会越来越多，冻结管断裂的现象也就会越来越严重。究其原因，主要有：冻结壁的变形过大，冻结孔偏斜大，冻结管接头焊接质量差或幺幺扣连接时扣形不适。其防治措施有：

（一）合理确定冻结孔布置圈直径。如冻结孔布置圈过小，虽然井帮温度较低，但其整体厚度小够，可能造成井壁变形过大。因此，应合理确定冻结孔的布置圈径，以保证冻结壁的厚度。

（二）正确选用管材和连接方式。冻结管一般选用优质低碳钢、中碳钢或低合金钢无缝管材，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。同时，要保证冻结管的连接质量。

（三）控制掘进段高和井帮暴露时间，特别是深厚黏土层要严格控制。由于段高小暴露时间短，有利于控制冻土的蠕变和冻胀力的发展，避免断管。

（四）降低盐水温度以控制井帮温度，使深部粘土层的强度达到设计要求。

2.冻结井壁破裂问题

冻结壁发生破裂在国内冻结井筒施工中是一种较为普遍的现象。究其原因，有以下几个方而：对地层土体性质掌握不全面，尤其是含有膨胀性矿物的地层；冻结壁强度低，黏土蠕变胀裂外层井壁。低温下混凝土早期强度低，在其未达到最终强度前井壁破裂。

针对冻结井壁破裂问题，可从几个方面采取措施：

（一）弄清土层的物理力学性质并进行合理的设计。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。

（二）加强冻结，尽可能降低冻结温度。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。有关资料统计分析认为，井筒开挖时，井帮温度应保证在一10℃以下。在外壁和冻结壁共同作用的承压结构中，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，使冻结壁几乎可以成为一个弹性结构，从而减小变形，缓解作用在外壁上的压力。

（三）加强施工管理。加强施工管理、保证施工质量、改进施工工艺、提高施工速度是防止井壁破坏的有效措施。在施工中应做到以下几点：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上层中井帮温度必须达到一10℃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。

八、施工总结

根据冻结段施工，减少工人的劳动强度，加快井筒施工速度，设备选型要合理，取代以往使用人工挖掘冻结壁和抓岩机装岩的方式，以及最重要遇到含有高岭土地段施工必须做到高岭土遇水膨胀释放压力，设计减压方式，方可保证矿山正常生产。

参考文献：

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