第2天報告3-斜井垂直帷幕凍結(jié)施工技術(shù)探討

山東省鄒城市龍山北路759號斜井垂直帷幕凍結(jié)施工技術(shù)問題探討兗礦新陸建設(shè)發(fā)展有限公司齊吉龍1、斜井凍結(jié)方式簡述2、垂直帷幕凍結(jié)技術(shù)3、金雞灘垂直帷幕凍結(jié)實例4、結(jié)束語一、斜井凍結(jié)方式簡述1、全斷面垂直凍結(jié)方式：在斜巷兩側(cè)和頂部布置垂直凍結(jié)孔，利用直孔形成連續(xù)的凍結(jié)巖體，然后在凍結(jié)巖體內(nèi)開鑿斜井。可根據(jù)工期、設(shè)備等情況分段凍結(jié)。2、雙層管夾層抽真空垂直凍結(jié)孔穿井筒隔熱處理方式：1、變頸外保溫3、管內(nèi)充填保溫材料。優(yōu)點(diǎn)：安全、可靠。缺點(diǎn)：A、凍結(jié)管穿井筒掘砌過程中必須切割凍結(jié)管，影響掘進(jìn)速度和施工安全；B、井筒內(nèi)凍結(jié)管不采取隔熱措施或采取的隔熱措施失效導(dǎo)致掘進(jìn)斷面被凍實（平均溫度小于-12℃），掘進(jìn)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(hù)質(zhì)量難以保證；D、凍結(jié)管工程量大，工期長，造價高。適用條件：任何地層。

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

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

原理：垂直凍結(jié)帷幕就是在凍結(jié)段端頭、兩幫及頂板形成凍結(jié)壁，且端頭、兩幫凍結(jié)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(hù)下進(jìn)行掘砌施工。工藝特點(diǎn)：在需凍結(jié)段四周凍結(jié)孔深度進(jìn)入井筒底板以下穩(wěn)定不透水層，中排孔深度只到掘進(jìn)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(diǎn)：凍結(jié)管不穿井筒不割管；掘金斷面內(nèi)無凍土，掘進(jìn)速度快；井幫溫度及工作面空氣溫度比全斷面垂直凍結(jié)高，利于澆筑混凝土和養(yǎng)護(hù)，井壁質(zhì)量好。缺點(diǎn)：凍結(jié)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(fēng)險。適用條件：在斜井凍結(jié)段井筒底板以下一定深度范圍內(nèi)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(jié)實例1、礦井簡介：兗礦集團(tuán)未來能源公司金雞灘礦井設(shè)計800萬噸/年，位于陜西省榆林市金雞灘鎮(zhèn)，分主副風(fēng)三個井筒。主斜井井口縱向標(biāo)高+1236.600m，傾角14°，井筒凈寬5.6m，凈高4.4m，支護(hù)厚度550mm鋼筋混凝土。序號累深(m)層厚(m)巖性11414風(fēng)積砂220.56.5黃土323.12.6粉砂431.18.0黃土532.91.8風(fēng)化泥巖641.718.81弱風(fēng)化中粒砂巖745.33.59中等風(fēng)化泥巖852.16.8細(xì)粒砂巖

檢1孔調(diào)整后柱狀圖2、地層柱狀3、凍結(jié)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(qiáng)風(fēng)化帶確定采用凍結(jié)法施工。為加快掘砌速度，提高井壁質(zhì)量，不切割凍結(jié)管，不掘凍土，結(jié)合實際地質(zhì)情況，主副斜井均采用垂直帷幕凍結(jié)法通過四系和強(qiáng)風(fēng)化帶。金雞灘主斜井以23.1~31.1m黃土層和31.1~32.9m風(fēng)化泥巖為第一凍結(jié)段隔水巖層。以41.71~45.3m中等風(fēng)化泥巖為第二凍結(jié)段隔水巖層。序號名稱ⅠⅡ備注1要求凍結(jié)段傾斜長度（m）30.37346.654合計77.0282設(shè)計凍結(jié)段水平長度（m）29.20345.269合計74.4713設(shè)計凍結(jié)段深度（m）外排35.0043.00以井口標(biāo)高為計算標(biāo)高內(nèi)、中(平均)13.53222.6654凍結(jié)部位頂、幫、端頭頂、幫、端頭

5確定凍結(jié)壁厚度（m）頂5.0幫2.6頂5.0幫2.6

6凍結(jié)壁平均溫度（℃）-8-8

7凍結(jié)孔排數(shù)（排）55

8凍結(jié)孔排間距（m）2.4252.425

9孔數(shù)（個）外48/中26/內(nèi)14外76/中42/內(nèi)22凍結(jié)管Φ127*510凍結(jié)孔間距（m）外1.217/中1.999/內(nèi)1.999外1.22/中2.058/內(nèi)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(jié)設(shè)計參數(shù)凍結(jié)孔平、剖面布置圖

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

3.2、凍結(jié)孔深度兩幫及兩端凍結(jié)孔是帷幕形成的關(guān)鍵，其深度原則上必須進(jìn)入底板以下穩(wěn)定的不透水層，第一凍結(jié)段段端頭孔及兩邊排孔進(jìn)入黃土層及風(fēng)化泥巖以下，深度35m。第二凍結(jié)段端頭孔及兩邊排孔進(jìn)入中等風(fēng)化泥巖，深度43m。頂部凍結(jié)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(jié)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(jié)壁設(shè)計兩幫及兩端凍結(jié)壁厚度：E1=h1tg(90-β)/2頂部凍結(jié)壁厚度：E2=（γHb/2）/[τ]凍結(jié)壁平均溫度：數(shù)值計算、公式計算和作圖法3.4、凍結(jié)孔布置凍結(jié)孔布置根據(jù)凍結(jié)壁厚度、強(qiáng)度及凍結(jié)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(shè)置，排間距和孔間距在2~3m之間；端頭孔起到端頭保護(hù)的作用，孔間距在1.2~1.5m之間即可。3.5、凍結(jié)分段在凍結(jié)斜長較長時可以考慮分段凍結(jié)，分段的原則：一是保證早開挖，第一段可適當(dāng)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(jié)深度也可不同。金雞灘主斜井根據(jù)地質(zhì)情況和工期要求將凍結(jié)段分為兩段，第一段29.2m、第二段45.3m。3.6、凍結(jié)壁與已施工明槽的膠結(jié)斜井凍結(jié)段前端凍土與已施工明槽的膠結(jié)對保證整個施工安全非常關(guān)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(jié)外，邊排孔及中排孔應(yīng)在明槽井壁末端兩側(cè)及頂部向上多布置2~3排孔，保證兩側(cè)、頂部有足夠的凍土與井壁膠結(jié)，防止上部的水順著井壁下流，必要時在底板下可提前埋設(shè)凍結(jié)管。4、凍結(jié)施工4.1、凍結(jié)器正常工作斜井多排垂直孔凍結(jié)因同時投入的凍結(jié)孔數(shù)量多、深度不一致、投入時間有前有后，造成凍結(jié)孔工作狀態(tài)差別大，集配干管與凍結(jié)孔連接處極易造成凍結(jié)孔氣堵而影響正常工作，凍結(jié)開始后必須加強(qiáng)對凍結(jié)孔去回路溫差的監(jiān)測，及時放空，確保凍結(jié)孔處于正常工作狀態(tài)。4.2、冷量損失由于斜井凍結(jié)管頭部、連接膠管、鹽水干管都暴露在地表，雖然進(jìn)行了保溫，但受風(fēng)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(qiáng)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(jié)壁厚度需要8m即可，所有凍結(jié)孔距掘砌頂板8m以上均采用雙塑料管進(jìn)行凍結(jié)，盡可能減少冷量損失。4.3、探放水每一段凍結(jié)帷幕必須交圈且凍結(jié)壁厚度、強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計厚度和強(qiáng)度后才能開挖。開挖前利用端頭凍結(jié)壁作為封堵墻對帷幕封閉范圍內(nèi)進(jìn)行探水泄壓，釋放封閉在里面的原狀水或凍脹水，進(jìn)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(jìn)斷面下部，盡可能將井筒內(nèi)的原狀水或凍脹水釋放出來。4.4、端頭孔的切割與恢復(fù)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(fù)，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(jié)在井筒掘進(jìn)頂板以上屬于多排群孔凍結(jié)，地下水流速對凍結(jié)影響不大，但在頂板以下兩幫及端頭多為單排孔凍結(jié)，受地下水流速流向影響較大。由于帷幕凍結(jié)范圍較大，兩幫較長，上游來水直接沖刷凍結(jié)壁，隨著凍土圓柱的不斷擴(kuò)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(jié)孔間距較大處及端頭拐角處的流速更大，影響凍結(jié)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(jié)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(jié)，2012年2月16日探水掘砌，2012年4月17日凍結(jié)段掘砌完成，因掘進(jìn)斷面內(nèi)無凍土且不用割凍結(jié)管，迎頭直接用挖掘機(jī)挖土、鏟車裝土，頂部凍土自然成拱好，支護(hù)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(jié)法施工的井筒，掘砌效率提高2~3