復雜地質(zhì)構造豎井井筒凍結(jié)法施工

1、復雜地質(zhì)構造豎井井筒凍結(jié)法施工復雜地質(zhì)構造豎井井筒凍結(jié)法施工近年來，人們越來越重視對地下空間的開發(fā)和利用，但由于地下空間各種復雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，如軟土、含水不穩(wěn)定層、流砂、高水壓及高地壓地層等，在這種復雜環(huán)境下施工，常規(guī)施工方法不能維持周圍土體穩(wěn)定，而要采用一些特殊的施工方法，凍結(jié)法就是其中之一。另外，我國經(jīng)濟興隆地區(qū)且地質(zhì)條件好的煤田，絕大局部已得到充分開發(fā)，其中不少煤田已經(jīng)枯竭，需要開發(fā)深沉表土所覆蓋下的煤田。但這些礦井大多都要穿過400800的深沉表土層，在這種復雜的地質(zhì)條件下，用常規(guī)的建井技術已經(jīng)不可能，必須考慮采用特殊的鑿井技術，即豎井井筒凍結(jié)法鑿井技術。由于凍結(jié)法本文由論

2、文聯(lián)盟搜集整理特別是豎井井筒凍結(jié)法在復雜地質(zhì)施工中的普遍應用，它的施工技術要點及難點也成為研究的主要課題。一、凍結(jié)法的施工工藝凍結(jié)法施工技術在國際上已有一百多年的應用歷史，在城市土木工程的應用始于1886年瑞典斯德哥爾摩24的人行隧道的建立。在西歐、前蘇聯(lián)、日本等科技興隆國家，該技術已是城市建立中一項成熟的施工技術和施工方法。如比利時的布魯塞爾某深基坑外圍尺寸為3781，采用凍結(jié)法施工效果較好，又如東京地下快速公路十號及十一號隧道，瑞士阿爾堡勃恩隧道，杜塞爾多夫隧道均采用先凍結(jié)后開挖的施工方法，原西德的海爾納東部泵站建筑基坑，蘇聯(lián)莫斯科地鐵車站的開挖，也均采用凍結(jié)法施工技術施工。我國采用凍結(jié)法

3、技術施工煤礦井筒自1955年開始，至今有40多年的歷史，共用凍結(jié)法施工煤礦井筒430余個。其中凍結(jié)最大深度435，凍結(jié)表土層最大厚度375，凍結(jié)法技術已是我國煤礦井筒施工中成熟、可靠的特殊施工方法之一。進入70年代，凍結(jié)法技術開始在城市建立基坑開挖及路橋施工中推廣應用。如北京地鐵車站的護坡工程、沈陽地鐵試驗井開挖、內(nèi)蒙海拉爾水泥廠地下皮帶走廊施工、南通鋼廠沉淀池施工，鳳臺大橋主橋墩開挖上海過江隧道出口、地鐵車站、泵站施工等均是采用凍結(jié)法技術施工，效果很好。凍結(jié)法的施工工藝:第一階段是凍結(jié)管的排列，根據(jù)工程特征要求，可布置各種形狀；第二階段，開始土壤凍結(jié)，凍土首先從每個凍結(jié)管周圍向外擴展，當各別

4、離的圓柱凍結(jié)體聯(lián)成一體時，該凍結(jié)階段就告完成；第三階段是繼續(xù)降低凍結(jié)體的平均濕度和擴大凍土墻厚度使之到達設計要求；第四階段是維持低溫，保證開挖和做永久構造施工期間，凍土墻強度保持不變。完成使命后即開始強行解凍，拔除凍結(jié)管。凍結(jié)法的根本原理凍結(jié)法起源于天然凍結(jié)，隨著人工制冷技術的開展和應用，出現(xiàn)了人工凍結(jié)。凍結(jié)法在礦井建立中多用于立井的開鑿，井筒直徑大小和深度根本不受限制。通常，當存在不穩(wěn)定地層或含水極豐富的裂隙巖層，地下水含鹽量不大，且地下水流速較小時(流速V1710/s)，均可使用凍結(jié)法。凍結(jié)法鑿井就是在不穩(wěn)定含水地層中進展施工時，利用人工設置的凍結(jié)管，在凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)冷媒劑，將井筒周圍巖層的

5、熱量帶走，凍結(jié)形成封閉的圓筒凍結(jié)壁，抵抗地壓、承受水壓力和隔斷地下水，在凍結(jié)壁的保護下進展開挖地層和砌筑井壁的一種特殊施工方法。凍結(jié)法鑿井在煤礦特法建井中具有明顯的優(yōu)勢，既能用于不穩(wěn)定的含水層,又可用于基巖含水層，既可應用于立井，又可應用于斜井及風道口工程，適應性強，平安可靠。凍結(jié)法的應用及特點凍結(jié)法是利用人工制冷技術，將低溫冷媒送入具有一定含水量和地下水流速的軟弱地層中，使地層中的水與周圍土顆粒發(fā)生凍結(jié)，增加其強度和穩(wěn)定性，隔絕地下水與地下工程地聯(lián)絡，從而形成強度高、彈性大和抗?jié)B性好的凍結(jié)壁，以便在凍結(jié)壁的保護下，進展井筒或地下工程掘砌施工的特殊構造施工技術。豎井井筒凍結(jié)技術是目前復雜地質(zhì)構

6、造中常用的施工技術。主要應用在：煤礦井筒施工的凍結(jié)封水及臨時支護；市政工程地下構造施工封水及臨時支護；地鐵車站及街區(qū)明挖施工的凍結(jié)臨時支護和封水；地下水泵站施工的凍結(jié)臨時支護和封水；程度隧道的凍結(jié)支護和封水；其他各類地下建筑基坑的凍結(jié)加固；交通建筑中水下基坑及橋梁根底施工的凍結(jié)支護等。經(jīng)過多年來國內(nèi)外施工的理論經(jīng)歷證明凍結(jié)法施工有以下特點：1?？捎行Ц艚^地下水，其抗浸透性能是其它任何方法不能相比的，對于含水量大于10%的任何含水、松散，不穩(wěn)定地層均可采用凍結(jié)法施工技術；2.凍土帷幕的形狀和強度可視施工現(xiàn)場條件，地質(zhì)條件靈敏布置和調(diào)整，凍土強度可達5-10pa，能有效進步工效；3，凍結(jié)法是一種環(huán)

7、保型工法，對周圍環(huán)境無污染，無異物進入土壤，噪音小，凍結(jié)完畢后，凍土墻融化，不影響建筑物周圍地下構造；4，凍結(jié)施工用于樁基施工或其它工藝平行作業(yè)，能有效縮短施工工期。四、凍結(jié)法施工技術一.復雜地質(zhì)構造豎井井筒凍結(jié)法施工豎井井筒凍結(jié)法施工主要工藝過程包括凍結(jié)孔施工、井筒凍結(jié)和井筒掘砌等主要工作。由于地下空間的不確定性和復雜性，以及隨著開挖表土層厚度的增大，凍結(jié)深度增加，地壓加大，凍結(jié)法在井筒的施工中常存在很多的問題，像凍結(jié)管的斷裂問題、凍結(jié)井壁的破裂變形問題、工作面底鼓、風動機具的凍結(jié)堵塞問題和地表凍融危害問題等。如何防止這些問題的頻發(fā)，施工過程中應注意以下幾個方面：1.凍結(jié)深度。凍結(jié)深度確定合

8、理，可節(jié)省凍結(jié)費用，保證井壁質(zhì)量，加快建井速度，同時能防止涌水冒砂事故，做到平安可靠。這就要求凍結(jié)深度必須穿過分化基巖，深化到不透水的穩(wěn)定基巖10以上；假設分化基巖帶裂隙發(fā)育，且分化帶以下基巖破碎，富水性強或有斷層及斷層破碎帶時，凍結(jié)深度應考慮穿過破碎基巖；間隔 分化帶30以內(nèi)的含水基巖巖層，應與松散層一起凍結(jié)，并宜采用差異凍結(jié)施工。2.凍結(jié)孔施工凍結(jié)孔圈徑、數(shù)量。井筒凍結(jié)采用外、中、內(nèi)圈孔和防片幫孔的多圈凍結(jié)孔設計布置。外圈孔直徑30.8,58個凍結(jié)孔,孔深578,采用局部凍結(jié)。為有效防止凍結(jié)孔偏斜的情況發(fā)生，對凍結(jié)孔偏斜率提出了以下要求：位于沖積層的鉆孔不宜大于0.3%，相鄰兩個鉆孔終孔的

9、間距不得大于3；位于分化帶及含水基巖的鉆孔，不宜大于0.5%，但相鄰兩個鉆孔的終孔不得大于5；對于徑向偏斜，均控制在500800范圍內(nèi)。當相鄰兩個鉆孔的偏斜值超過上述規(guī)定時，應補孔，以有效防止凍結(jié)壁開窗，涌砂冒泥，而造成淹井事故。在井筒開挖之前，在欲開挖井筒的周圍打一定數(shù)量的凍結(jié)孔，兩圈布置，采用差異凍結(jié)，插花布置，深度為220P470，保證上部地層的凍結(jié)壁厚度和防止井筒掘進時片幫，實現(xiàn)井筒提早交圈?？奢o以內(nèi)，中，外圈孔。來確保深部凍結(jié)壁的厚度和強度和封水性。在保障凍結(jié)壁強度要求的前提下，盡量減小凍結(jié)壁的體積，以減少凍結(jié)量和掘進難度。在凍結(jié)過程中，凍結(jié)壁的厚度和溫度取決于凍結(jié)孔的實際成孔情況，

10、因此凍結(jié)孔的成孔質(zhì)量決定著凍結(jié)法鑿井的順利與否?？變?nèi)安裝凍結(jié)器。低溫鹽水在凍結(jié)器中流動，吸收其周圍地層的熱量，形成凍結(jié)圈并逐漸擴大連接成封閉不透水的凍結(jié)壁，用于抵抗地壓、隔絕地下水。然后，在其保護下進展掘砌施工，待掘砌到預計的深度后，停頓凍結(jié)，進展拔管和充填工作。開孔間距誤差控制在20內(nèi)。在打鉆設備就位前，用儀器準確確定開孔孔位，以進步定位精度。準確丈量鉆桿尺寸，控制鉆進深度。按要求鉆進、用燈光測斜，偏斜過大那么進展糾偏。鉆進3時，測斜一次，假設偏斜不符合設計要求，立即采取調(diào)整鉆孔角度及鉆進參數(shù)等措施進展糾偏，假設鉆孔仍然超出設計規(guī)定，那么進展補孔。合理確定凍結(jié)孔布置圈直徑，以保證凍結(jié)壁的厚度

11、。假設凍結(jié)孔布置圈過小，雖然井幫溫度較低，但其整體厚度不夠，可能造成井壁變形過大，凍結(jié)管斷裂。3.井筒施工.3.1凍結(jié)管施工凍結(jié)管應選擇低碳鋼、中碳鋼或低合金鋼無縫鋼管，采用低碳鋼無縫鋼管時，宜用外箍焊接，而采用中碳鋼或低合金鋼時，宜用外箍絲扣連接。管子端部采用底蓋板和底錐密封。在斷管中下套管，恢復鹽水循環(huán)。凍結(jié)管安裝完，進展水壓試漏，經(jīng)30分鐘觀察，再延長15分鐘壓力不降為合格，否就近重新鉆孔下管。特別是深沉黏土層，要嚴格控制掘進段高和井幫暴露時間，這樣有利于控制凍土的蠕變和凍脹力的開展,防止斷管。3.2凍結(jié)井壁防破裂防變形施工工藝凍結(jié)壁發(fā)生破裂在豎井凍結(jié)井筒施工中是一種較為普遍的現(xiàn)象。針對

12、此問題,可從幾個方面采取措施：在井筒施工前，應弄清井筒穿過的土層礦物成分及有關的物理力學性質(zhì)。為此，必須進展施工專門的井檢孔，對井筒穿過的主要土層，特別是厚度較大的黏土層，應盡量保證取樣完好，準確測定其有關的物理力學參數(shù)，特別是與土體膨脹有關的參數(shù)，以便于凍結(jié)方案確實定。根據(jù)地層土的性質(zhì)、含水層的情況以及凍結(jié)站凍結(jié)才能合理確定凍結(jié)孔的大孝深度及間距，進一步進步凍結(jié)孔垂直質(zhì)量，形成合理的孔圈構造，以減少凍結(jié)壁厚度的不均勻性。在凍結(jié)法施工中，應適當加強凍結(jié)，或降低鹽水溫度或延長凍結(jié)時間。加強凍結(jié)可以使凍結(jié)壁厚度和強度遠遠地超過一般的設計規(guī)定，使凍結(jié)壁成為一個彈性構造，從而減小變形，緩解作用在外壁上

13、的壓力。進步井壁混凝土的早期強度，可以在混凝土中摻入適量外加劑，以使不同齡期的混凝土強度增長超前于凍結(jié)壓力的增長。3.3井筒開挖及掘進井筒凍結(jié)試運行階段，定時檢測鹽水溫度、鹽水流量和凍土帷幕擴展情況，必要時調(diào)整凍結(jié)系統(tǒng)運行參數(shù)。在維護凍結(jié)階段，要根據(jù)實測溫度數(shù)據(jù)判斷凍土帷幕是否交圈和到達設計厚度，測溫判斷凍土帷幕交圈并到達設計厚度后再進展探孔試挖，確認凍土帷幕內(nèi)土層無流動水后飽和水除外再進展正式開挖。井筒的開挖時間要選擇適時，即當凍結(jié)壁已形成而又尚未凍至井筒范圍以內(nèi)時最為理想，此時，既便于掘進又不會造成涌水冒砂事故。切忌為趕工期，在凍結(jié)壁強度與厚度未完全到達設計要求時便匆匆開挖；合理控制制冷量

14、，不能過早停機及進入維持凍結(jié)，尤其在膨脹性大的粘土層中井幫溫度必須到達-10以下；加大監(jiān)控力度，保證混凝土設計強度及井壁的厚度，必要時應在已砌好的井壁段取芯檢驗；宜采用短段掘砌，小段高快速掘砌的作業(yè)方式，尤其在膨脹性大的黏土層中。井筒掘進中過程，我國幾乎全部使用風動機具，而在低溫環(huán)境，壓風中的水分結(jié)冰會很快堵塞機具氣孔通道，使機具無法使用，大大影響掘進速度。為此必須采取除濕措施。解決方法有兩種：過濾枯燥法，即壓風入井前通過活性炭和無水氯化鈣過濾除濕；壓風入井前通過冷凝器，使壓風中的水蒸汽凝結(jié)成水放出。二.施工過程檢測豎井井筒凍結(jié)施工過程中要采用通訊系統(tǒng)和視頻系統(tǒng)有效的監(jiān)控施工現(xiàn)場，對施工中發(fā)現(xiàn)的問題及時匯報處理，杜絕一切不平安的施工現(xiàn)象和違章的操作，把事故制止在萌芽狀態(tài)。凍結(jié)孔施工監(jiān)測內(nèi)容為：凍結(jié)管鉆進深度；凍結(jié)管偏斜率；凍結(jié)耐壓度；供液管鋪設長度；凍結(jié)系統(tǒng)監(jiān)測；監(jiān)測鹽水在凍結(jié)管內(nèi)的流速；凍結(jié)帷幕監(jiān)測包括：凍結(jié)壁溫度場；凍結(jié)壁與隧道膠結(jié)；開挖后凍結(jié)壁暴露時間內(nèi)凍結(jié)壁外表位移；開挖后凍結(jié)壁外表溫度。凍結(jié)施工監(jiān)測可以為凍結(jié)井施工提供及時的反響信息；可以通過對現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析為設計和施工定量化預測計算提供根