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复杂地质构造竖井井筒冻结法施工

作者：张秋生

来源：《城市建设理论研究》2013年第17期

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。 1.冻结法的基本原理及应用

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。

2.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

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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： 2.1冻结孔施工

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。 2.2井筒施工 2.2.1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。

2.2.2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：

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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。 2.2.3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。 3.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。