井筒冻结法施工工艺和风险分析

井筒冻结法施工工艺和风险分析

【摘要】冻结法具有适应性强、支护结构灵活、隔水性好等特点，在深厚表土层中井筒施工主要采用冻结法。本文介绍冻结法的施工工艺进行介绍，为深厚表土层冻结施工提供经验。

【关键词】井筒冻结设计；冻结施工；冻结原理

【Abstract 】Freezing method has strong adaptability and flexible support structure ，impermeable and good features，in deep alluvium Shaft Construction mainly freezing method. This article describes the method to freeze the construction process will be introduced to freeze the construction of deep topsoil provide experience.

【Key words 】Freeze wellbore design；Freeze construction；Freeze principle

1.引言由于我国地层条件比较复杂，在华东、华北、西北地区井筒建设无法采用普通凿井法凿井，需要采用冻结法、沉降法和盾构法等特殊凿井技术进行建设。当建设井筒地层为不稳定厚表土层时，采用的施工方法主要以冻结法为主。并且煤矿向深部开采延伸，其井筒往往要穿过特殊地层，如过含水丰富或碎破的基岩，都要采用冻结法施工。因此，冻结法施工是广泛采用行之有效的技

术方法之一。

2.冻结原理在地下工程施工之前，采用人工技术制冷，将地下工程周围的含水或者含有松散碎石岩层冻结，形成冻土结构物

一一冻结壁，用来承受来自地层中压力和隔绝砂子和地下水涌入，然后在形成冻土结构中进行开挖、支护的特殊施工方法称为人工冻结法(简称冻结法) 。

3.冻结设计在深厚表土层采用冻结法建设井筒，冻结壁设计是关键问题之一。冻结壁设计的优劣直接关系到整个井筒施工能否安全顺利进行。冻结壁设计包括盐水温度、冻结深度、冻结壁厚度、冻结圈径等内容。设计和施工人员总结经验发现，冻结壁设计首先考虑冻结壁强度条件，其次要考虑地层、施工工艺等对冻结壁形成的影响，从而来设计冻结壁初始厚度。之后再用冻土平均温度检验其厚度是否满足要求，用冻结粘土的强度校核冻结壁厚，最终确定冻结壁厚度。以下为冻结壁厚度确定计算过程：

3.1初始设计冻结壁厚度。以最深部的砂层深度，采用公式

p=O.OI27H ( MPa)计算地压，运用多姆克公式来计算冻结壁初始厚度：E=R( 0.29Pmax/ 8 +2.3P2min/ 8 )，式中：P 地压；D 最大地压壁厚；E 井筒掘进半径；R 井筒掘进半径；

8冻土允许抗压强度。

3.2计算冻土平均温度。初始冻结壁厚度确定后，根据盐水、井帮预计温度及钻孔间距离等参数计算得出的冻结壁温度，判断其是否高于设计冻土平均温度，若大于则要增加冻结壁厚度或降低盐

水温度。冻土平均温度与开孔间距、井帮温度有直接关系，与盐水温度、原始地温更为密切。可利用已知所需冻土平均温度，来逆向推出冻结壁厚渡，因此合理确定盐水温度显得尤为重要。

3.3校核冻结壁厚度。由于粘土层冻结强度是最低的，

所以宜结合段高按有限塑性厚壁圆筒考虑其冻结壁厚，这样既安全又经济。维亚洛夫公式：E= 3P a （上端固定，下端

不固定）.式中：P 计算层位地压；8 冻结粘±允许抗压强度，取0.7 倍的瞬时极限抗压强度。

通过初选冻结壁厚、平均温度的计算，结合施工中的段高，从质量和效益上进行综合分析，最后选出经济安全的冻结壁厚度。

3.4冻结深度的确定。冻结深度确定因素，包括表土、风化带以及风化滞以下的含水基岩。其中含水基岩是主要的影响因素，若不采用冻结技术对其进行封堵，则凿井施工阶段就有出水的可能。因此，按照规范要求，冻结深度必须穿过凤化带进入完整的不含水基岩10m 以上，如果基岩下部30m 以上仍有强含水基岩时，应延长冻结深度。

3.5冻结圈径及孔间距的布置。冻结圈径的大小D 。与掘砌荒径D 、冻结壁厚度有直接关系，同时要考虑钻孔偏率a。偏率大小直接影响到冻结圈径的确定，因此要严格控制偏率。

冻结圈径公式：Do=D+2 （0.6E+aH）孔距与冻结壁厚、冻结深度有密切关系。一般来说，冻结越深，冻结壁越厚，孔间距越

大。对于一次冻全深的辅助圈，孔距一般4〜5m;

差异冻结双圈布置的，内外孔数相等，插花均匀分布，内外圈之间的孔距控制在14m 左右为宜。

4.冻结施工技术

在开凿立井井筒周围的地面布置大量垂直钻孔，将钢管顺孔埋入其中，并采用注浆技术进行堵漏。在钢管中通人盐水，采用盐水循环制冷技术，将井筒周围土层降温、冻结，形成立井开凿所需的冻结壁交圈，保证立井周围地层稳定，防止地下水和砂子涌入，确保施工顺利进行。

4.1设备安装。按照施工设计图，找准基准点布置冻结孔、测温孔和水文孔。将钻机按设计位置要求进行固定，找平、找正塔基和钻机，使提升器中心对准钻孔位置。冻结站设在井口附近，冻结站设备主要包括冷冻机组、盐水箱、盐水泵、清水泵，冷却塔和清水池等，同时设立冻结站专用变电所为冻结施工提供电力。

4.2设备调试与开挖。冻结系统安装结束后，开始进行冻结设

备调试与初步运行。在初步运行期间，要随时观测、调节压

力、温度等相关状态参数，使运行的设备机组在工艺规程和

设计要求的技术参数条件下运行。当冻结程度达到井筒设计

开凿要求时准备开挖。开挖之前，要做好漏水、片帮的防护

措施。并在开凿期间，随时注意冻结壁状况，做好检测工

作。内层冻结井壁砌筑后即可停止冻结，并自然解冻。冻结

结束后，用水泥砂浆充填、充实冻结管。4.3 施工监测。冻