第2天報告3-斜井垂直帷幕凍結施工技術探討

山東省鄒城市龍山北路759號斜井垂直帷幕凍結施工技術問題探討兗礦新陸建設發(fā)展有限公司齊吉龍1、斜井凍結方式簡述2、垂直帷幕凍結技術3、金雞灘垂直帷幕凍結實例4、結束語一、斜井凍結方式簡述1、全斷面垂直凍結方式：在斜巷兩側和頂部布置垂直凍結孔，利用直孔形成連續(xù)的凍結巖體，然后在凍結巖體內開鑿斜井?？筛鶕?jù)工期、設備等情況分段凍結。2、雙層管夾層抽真空垂直凍結孔穿井筒隔熱處理方式：1、變頸外保溫3、管內充填保溫材料。優(yōu)點：安全、可靠。缺點：A、凍結管穿井筒掘砌過程中必須切割凍結管，影響掘進速度和施工安全；B、井筒內凍結管不采取隔熱措施或采取的隔熱措施失效導致掘進斷面被凍實（平均溫度小于-12℃），掘進速度極慢（平均小于30m/月）；C、井幫溫度和空氣溫度低，噴射混凝土和澆筑混凝土養(yǎng)護質量難以保證；D、凍結管工程量大，工期長，造價高。適用條件：任何地層。

2、斜孔凍結方式：凍結孔沿斜井掘進外緣布置，使鉆孔平行于斜井的縱軸，在斜井周圍形成凍結壁。優(yōu)點：安全可靠，工程量少，造價低。缺點：斜孔施工工藝復雜，難度大，成孔難，還沒成功先例。適用條件：凍結斜長短，地層簡單。

3、垂直孔與斜孔結合的凍結方式：在井筒兩側采用垂直孔，頂?shù)装迳舷虏捎脙A斜凍結孔凍結形成封閉的凍結帷幕穿越富含水軟弱地層。優(yōu)點：安全可靠。缺點：斜孔施工工藝復雜，難度大，成孔難，還沒成功先例。適用條件：地層簡單，凍結斜長短。山東省鄒城市龍山北路759號二、斜井垂直帷幕凍結技術

原理：垂直凍結帷幕就是在凍結段端頭、兩幫及頂板形成凍結壁，且端頭、兩幫凍結壁深入到底部不透水基巖，與不透水巖層一起形成封閉的不透水帷幕，在此帷幕的保護下進行掘砌施工。工藝特點：在需凍結段四周凍結孔深度進入井筒底板以下穩(wěn)定不透水層，中排孔深度只到掘進荒頂板。開挖斷面兩幫及頂板是凍土，底板是穩(wěn)定不透水地層。優(yōu)點：凍結管不穿井筒不割管；掘金斷面內無凍土，掘進速度快；井幫溫度及工作面空氣溫度比全斷面垂直凍結高，利于澆筑混凝土和養(yǎng)護，井壁質量好。缺點：凍結工程量還是偏大，造價偏高，隔水層的穩(wěn)定及封水性能存在一定風險。適用條件：在斜井凍結段井筒底板以下一定深度范圍內有相對穩(wěn)定的隔水層，一般以厚的不透水黃土層、紅土層、粘土層和不透水基巖為底板隔水層。三、金雞灘礦井主斜井帷幕凍結實例1、礦井簡介：兗礦集團未來能源公司金雞灘礦井設計800萬噸/年，位于陜西省榆林市金雞灘鎮(zhèn)，分主副風三個井筒。主斜井井口縱向標高+1236.600m，傾角14°，井筒凈寬5.6m，凈高4.4m，支護厚度550mm鋼筋混凝土。序號累深(m)層厚(m)巖性11414風積砂220.56.5黃土323.12.6粉砂431.18.0黃土532.91.8風化泥巖641.718.81弱風化中粒砂巖745.33.59中等風化泥巖852.16.8細粒砂巖

檢1孔調整后柱狀圖2、地層柱狀3、凍結方案主、副斜井均穿過含水豐富的四系粉砂層，明槽以下四系及強風化帶確定采用凍結法施工。為加快掘砌速度，提高井壁質量，不切割凍結管，不掘凍土，結合實際地質情況，主副斜井均采用垂直帷幕凍結法通過四系和強風化帶。金雞灘主斜井以23.1~31.1m黃土層和31.1~32.9m風化泥巖為第一凍結段隔水巖層。以41.71~45.3m中等風化泥巖為第二凍結段隔水巖層。序號名稱ⅠⅡ備注1要求凍結段傾斜長度（m）30.37346.654合計77.0282設計凍結段水平長度（m）29.20345.269合計74.4713設計凍結段深度（m）外排35.0043.00以井口標高為計算標高內、中(平均)13.53222.6654凍結部位頂、幫、端頭頂、幫、端頭

5確定凍結壁厚度（m）頂5.0幫2.6頂5.0幫2.6

6凍結壁平均溫度（℃）-8-8

7凍結孔排數(shù)（排）55

8凍結孔排間距（m）2.4252.425

9孔數(shù)（個）外48/中26/內14外76/中42/內22凍結管Φ127*510凍結孔間距（m）外1.217/中1.999/內1.999外1.22/中2.058/內2.058

11封頭孔深度(m/個)35/1443/14

12測溫孔深度(m/個)35/5、13/143/7、20/1、25/1規(guī)格φ89*4.5金雞灘主斜井凍結設計參數(shù)凍結孔平、剖面布置圖

3.1、凍結范圍金雞灘主斜井凍結段自明槽末端開始至井筒掘砌荒頂板進入黃土層底板垂深向下5m。

3.2、凍結孔深度兩幫及兩端凍結孔是帷幕形成的關鍵，其深度原則上必須進入底板以下穩(wěn)定的不透水層，第一凍結段段端頭孔及兩邊排孔進入黃土層及風化泥巖以下，深度35m。第二凍結段端頭孔及兩邊排孔進入中等風化泥巖，深度43m。頂部凍結孔深度根據(jù)井筒掘砌頂板深度不同而不同，既要防止頂部坍塌又要少吃凍土，根據(jù)實際經(jīng)驗以凍結管底端距掘砌荒頂板500mm為宜，且中排孔宜插花布置，開挖時可形成凍土弧頂。3.3、凍結壁設計兩幫及兩端凍結壁厚度：E1=h1tg(90-β)/2頂部凍結壁厚度：E2=（γHb/2）/[τ]凍結壁平均溫度：數(shù)值計算、公式計算和作圖法3.4、凍結孔布置凍結孔布置根據(jù)凍結壁厚度、強度及凍結要求工期而定。一般情況下邊排孔可布置1排或2排，孔間距1.3~1.5m之間；中排孔處在邊排孔之間，可根據(jù)邊排孔之間的距離而設置，排間距和孔間距在2~3m之間；端頭孔起到端頭保護的作用，孔間距在1.2~1.5m之間即可。3.5、凍結分段在凍結斜長較長時可以考慮分段凍結，分段的原則：一是保證早開挖，第一段可適當縮短；二是減少工程量。不同段可以利用不同的隔水層作為底板，因而各段凍結深度也可不同。金雞灘主斜井根據(jù)地質情況和工期要求將凍結段分為兩段，第一段29.2m、第二段45.3m。3.6、凍結壁與已施工明槽的膠結斜井凍結段前端凍土與已施工明槽的膠結對保證整個施工安全非常關鍵，要求除前段封頭孔形成的凍土與已澆筑的明槽井壁膠結外，邊排孔及中排孔應在明槽井壁末端兩側及頂部向上多布置2~3排孔，保證兩側、頂部有足夠的凍土與井壁膠結，防止上部的水順著井壁下流，必要時在底板下可提前埋設凍結管。4、凍結施工4.1、凍結器正常工作斜井多排垂直孔凍結因同時投入的凍結孔數(shù)量多、深度不一致、投入時間有前有后，造成凍結孔工作狀態(tài)差別大，集配干管與凍結孔連接處極易造成凍結孔氣堵而影響正常工作，凍結開始后必須加強對凍結孔去回路溫差的監(jiān)測，及時放空，確保凍結孔處于正常工作狀態(tài)。4.2、冷量損失由于斜井凍結管頭部、連接膠管、鹽水干管都暴露在地表，雖然進行了保溫，但受風吹、日曬、雨淋等影響冷量損失仍極大，最大占到需冷量的50~60%，必須加強保冷避免太陽直曬，將冷量損失降到最低限度。井筒頂板以上凍結壁厚度需要8m即可，所有凍結孔距掘砌頂板8m以上均采用雙塑料管進行凍結，盡可能減少冷量損失。4.3、探放水每一段凍結帷幕必須交圈且凍結壁厚度、強度達到設計厚度和強度后才能開挖。開挖前利用端頭凍結壁作為封堵墻對帷幕封閉范圍內進行探水泄壓，釋放封閉在里面的原狀水或凍脹水，進一步驗證帷幕的封閉情況，防止端頭凍土墻突然打開后水土涌出傷人或出現(xiàn)事故。探放水位置盡可能靠近掘進斷面下部，盡可能將井筒內的原狀水或凍脹水釋放出來。4.4、端頭孔的切割與恢復端頭孔開挖過程中要割斷，為防止明槽底板以下的水順著底板與巖層交界面向下流入開挖面，端頭孔在隔斷后必須及時恢復，確保已澆筑底板與凍土的搭接。4.5、地下水流速和流向的影響帷幕凍結在井筒掘進頂板以上屬于多排群孔凍結，地下水流速對凍結影響不大，但在頂板以下兩幫及端頭多為單排孔凍結，受地下水流速流向影響較大。由于帷幕凍結范圍較大，兩幫較長，上游來水直接沖刷凍結壁，隨著凍土圓柱的不斷擴大及交接，水流方向及流速被改變，局部出現(xiàn)繞流和地下水流速加大，尤其在凍結孔間距較大處及端頭拐角處的流速更大，影響凍結壁交圈，可通過減小水流上方邊排孔和端頭孔的間距或采用插花布置來解決。5、凍結施工情況金雞灘主斜井于2011年11月20日開鉆，2011年12月20日開始凍結，2012年2月16日探水掘砌，2012年4月17日凍結段掘砌完成，因掘進斷面內無凍土且不用割凍結管，迎頭直接用挖掘機挖土、鏟車裝土，頂部凍土自然成拱好，支護快，外壁（拱棚+噴射混凝土）掘砌速度平均2.5m/d，綜合成井速度40m/d，大大快于非帷幕斜井垂直凍結法施工的井筒，掘砌效率提高2~3