冻结法凿井技术在立井开拓中应用及其注意事项

冻结法凿井技术在立井开拓中的应用及其注意事项
摘要：冻结法凿井在井筒特殊施工中被大量应用。

其优点在于：适应性强、支护结构灵活、易控制、隔水性好、对环境影响小，尤其在不稳定表土层中施工井筒。

自90年代中期，随着冻结法凿井技术的逐渐推广，我国已是世界上用冻结法凿井穿过表土层最厚的国家之一。

但是在立井井筒冻结法施工中，仍然存在一些问题。

介绍了冻结法施工技术、存在的问题及其注意事项。

关键词: 冻结法施工；井筒；主要问题；注意事项
中图分类号：td265文献标识码： a 文章编号：
在立井井筒开挖之前，必须在开挖井筒的周围打一定数量的冻结孔，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。

立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，冻结法在井筒的施工中还存在很多的不确定性，从而引起了很多问题，像冻结管断裂、冻结井壁破裂、工作面底鼓、冻结壁变形、风动机具的冻结堵塞以及地表冻融危害等问题。

现结合多年来的工作实践，就以上相关问题作简要分析，重点阐述了施工过程中的注意事项。

1 冻结孔偏斜及其注意事项
1.1 原因分析
一方面，随着施工的推进，钻机天轮、立轴和钻孔已不在一条垂直线上，或者钻具发生了弯曲，或者使用的泥浆过浓或过稀，这些问题只要认真检查是可以避免的。

另一方面就是地质条件的变化因素引起的，随着钻孔深度的变化，地层中岩石的性质也在不断变化，无论是由硬变软还是由软变硬，若不改变原来的钻进参数和采取相应的措施，就容易发生冻结孔偏斜。

1.2 注意事项
首先要根据工程地质实际情况合理选择钻具，φ89mm钻杆使用方便、纠斜较好，应是冻结孔施工的首选，其次适当加重管的长度和重量也可有效防止偏孔；其三是钻头选择，一般而言，上部采用四翼钻头，下部采用牙轮钻头较为合理。

其四是要依据地质变化及时调整钻进参数：钻压，最理想的钻压是钻头牙齿或刮刀吃入岩石，进尺均匀，钻具运转平稳，不颤抖、不摆动；钻速，不宜过大，一般控制在150~200r/min为宜。

2 冻结管的断裂及其注意事项
2.1 原因分析
在冻结井筒掘进中，冻结管断裂现象时有发生。

主要是冻结深度越来越深，遇到厚粘土层的机会越来越多，冻结管断裂的现象也就会越来越严重。

究其原因，主要有冻结壁的变形过大，冻结孔偏斜大，冻结管接头焊接质量差或丝扣连接时扣形不适。

2.2 注意事项
1）要合理确定冻结孔布置圈直径。

如冻结孔布置圈过小，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。

因此，应合理确定冻结孔的布置圈径，以保证冻结壁的厚度。

2）要正确选用管材和连接方式。

冻结管一般选用优质低碳钢、中碳钢或低合金钢无缝管材，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。

同时，要保证冻结管的连接质量。

3）要控制掘进段高和井帮暴露时间，特别是深厚黏土层要严格控制。

由于段高小暴露时间短，有利于控制冻土的蠕变和冻胀力的发展,避免断管。

4）要降低盐水温度以控制井帮温度，使深部粘土层的强度达到设计要求。

3 冻结井壁破裂及其注意事项
3.1 原因分析
冻结壁发生破裂在国内冻结井筒施工中是一种较为普遍的现象。

究其原因，有以下几个方面：对地层土体性质掌握不全面，尤其是含有膨胀性矿物的地层；冻结壁强度低，黏土蠕变胀裂外层井壁；低温下混凝土早期强度低，在其未达到最终强度前井壁破裂；因冻结壁形状不规则和厚度不同等造成冻胀力不均匀以及在掘砌过程中，由于冻结壁流变量的不均匀，造成砌筑壁前冻结壁冻胀量释放不均匀，致使作用在外壁上的冻胀力不均匀；施工质量不复合要求。

3.2 注意事项
1）必须弄清土层的物理力学性质并进行合理的设计。

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。

2）要加强冻结,尽可能降低冻结温度。

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。

有关资料统计分析认为，井筒开挖时，井帮温度应保证在-10℃以下。

在外壁和冻结壁共同作用的承压结构中，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，使冻结壁几乎可以成为一个弹性结构，从而减小变形，缓解作用在外壁上的压力。

3）要提高井壁混凝土的早期强度。

设计混凝土强度一般是以28d 强度计算的，但混凝土早期强度增大速率往往滞后于冻结压力增大速率，两者不相适应。

为此，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。

4）改善冻结壁和外壁之间夹层的保温缓压功能。

通常在冻结壁与外壁间加入泡塑板，其主导作用是延长外壁混凝土的养护时间，让压作用是辅助的。

对于砂质土层，这种泡塑板尚能达到预想的效果，但对于深厚易膨胀粘土层，冻结压力很大，已不能满足完全卸
压的目的。

为真正起到缓压目的，宜在冻结壁与外壁之间砌1层预制混凝土块，在预制混凝土块之间放可缩木板，或者先砌1层预制混凝土块，再铺层泡塑板，这样既可以起到保温作用，又可有效防止外壁破坏。

此外，也可选用fs新型防水膨胀剂掺入内壁混凝土，这样混凝土具有一定的膨胀量，在作用机理上起到了塑料板的作用，取消了双层井壁间的塑料板，加快了井筒的施工进度。

5）加强施工管理。

施工过程中要保证施工质量、改进施工工艺、提高施工速度是防止井壁破坏的有效措施。

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。

4 工作面底鼓及其注意事项
4.1原因分析
井筒掘进中,工作面底鼓现象时有发生。

少量底鼓属正常现象，这主要是由冻土的流变特性所决定的，但大量的底鼓对工程而言却是不允许的。

造成底鼓的主要原因：当井筒未冻实时，因井帮径向超前变形导致底鼓；当水位观察孔堵塞，地下冻胀力无出处时，可能导致底鼓；井壁交圈不好，有窗口时，涌砂冒泥和冻结管断裂、
盐水漏失，都会导致底鼓。

4.2 注意事项
采取措施降低冻结壁内的平均温度，提高冻结壁强度和稳定性，底鼓现象也随之减少。

一般导通的水位观察孔，地下水顺畅放出，底鼓程度就会明显减轻。

5 冻结壁变形及其注意事项
5.1原因分析
冻结井壁的变形问题主要是由冻结壁的强度不够、段高过大或井帮暴露时间过长引起的。

5.2 注意事项
要控制冻结壁的变形，控制办法是降低冻结壁平均温度，提高冻结壁的强度和稳定性，加快掘进速度，减小段高，减少井帮暴露时间。

6 风动机具冻结堵塞及其注意事项
6.1原因分析
目前，我国冻结井筒掘进，几乎全部使用风动机具，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。

6.2 注意事项
应当采取：①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；②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根据冻结井筒掘进特点，最好使用液压动力机具，从而
从根本上解决压风机具容易冻死的缺点。

7 地表冻融危害及其注意事项
7.1原因分析
凡是采用冻结法施工的井筒，在冻结与融冻期间，井口附近地表往往因土层冻融而发生升降起伏，从而影响凿井井架的升降。

由于井架一般是在冻结的同时进行安装的，井架会因地表的冻胀上升而发生变化。

7.2 注意事项
为了控制地表的冻融危害，确保施工安全，必须采取：①提高井架的承载能力，特别是偏心承载能力，加大安全系数，施工组织设计中，对井架的选型，要加以考虑；②合理布置悬吊与提升设施，尽可能使井架承受较为均匀的荷载；③简化悬吊设施，尽可能采用井壁吊挂方式，以减少井架承受的施工荷载；④加强对井架基础沉降的观察和井架变形的观察，发现异常情况，应及时采取加固措施。

8 小结
冻结法在立井井筒开拓施工中得到了广泛的应用，尽管冻结法施工技术与工艺在不断提高，但是由于不同地域的地质条件千差万别，所以在施工中总会遇到的一些技术难点与质量控制重点，因此必须引起我们的高度重视，以推动冻结法在矿井建设工程领域发挥更大的作用。

作者简介：魏奎（1982-），男，技术员。

毕业于安徽理工大学测绘工程专业，现在中煤第三建设集团有限责任公司钻井工程处从事
工程项目管理工作，发表专业论文1篇。