井巷特殊施工(第二章_凍結法(節(jié)3_凍結法施工))

1、第第2章章 凍結法凍結法1 1 概述概述2 2 蒸汽壓縮制冷蒸汽壓縮制冷3 3 凍結法施工凍結法施工4 4 凍結方案凍結方案5 5 凍土物理力學性質(zhì)凍土物理力學性質(zhì)6 6 凍結溫度場凍結溫度場7 7 凍結壁計算凍結壁計算8 8 凍結井壁凍結井壁9 9 凍結法設計計算凍結法設計計算第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.13.1 冷凍站安裝冷凍站安裝3.23.2 鉆孔施工鉆孔施工3.33.3 井筒凍結井筒凍結3.4 3.4 井筒掘進井筒掘進3.5 3.5 井筒砌壁井筒砌壁3.6 3.6 收尾工作收尾工作 冷凍站位置冷凍站位置 冷凍站位置應以供冷、供電、供水和排水方便為原則。同時應

2、不影響永久建筑施工，盡量少占地。為減少冷量損失，冷凍站離井口應盡量近些，一般為一個井筒服務時，距離為20一50米，為主、副兩個并筒服務時，位置選在兩并中間，距離為50一60米左右，有關防火、通風等應符合安全規(guī)程。第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.13.1 冷凍站安裝冷凍站安裝 冷凍站設備布置冷凍站設備布置冷凍站設備分站內(nèi)、外兩大區(qū)域布置。通常，站內(nèi)區(qū)布置蒸發(fā)器（鹽水箱），朝向井口，接著是低壓機、氨液分離器、中間冷卻器和高壓機。站外區(qū)布置集油器、油氨分離器、貯氨器和冷凝器。冷卻水池在冷凝器的外側。 冷凍站安裝程序冷凍站安裝程序冷凍站安裝與打鉆同時進行。對于氨壓縮機的安裝質(zhì)量

3、應予格外重視、氨壓縮機的混凝土基礎要嚴格照圖紙施工，其他設備也應按各自的技術質(zhì)量標準進行安裝。 第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.13.1 冷凍站安裝冷凍站安裝第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.13.1 冷凍站安裝冷凍站安裝第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.13.1 冷凍站安裝冷凍站安裝管路耐壓密封試驗管路耐壓密封試驗壓密封試驗。試驗前，先進行氨壓縮機的空載及負荷運轉，運轉累計時間不得少于24小時，合格后，再對氨循環(huán)管路壓風吹洗，清除管內(nèi)碎屑雜物，然后進行耐壓密封試驗。試驗可分壓氣和真空試漏兩種。壓氣試漏時間規(guī)定為24小時，開始

4、6小時由于壓縮空氣冷卻，允許壓降為0.02一0.03MPa，此后18小時內(nèi)不再下降為合格。一般試壓壓力為正常工作壓力的1.5倍。為了進一步檢查管路的密封性，還要進行真空試驗，將管路抽成真空度為0.0973一0.1013MPa，24小時后真空度仍保持在0.09337MPa以上的為合格。第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.13.1 冷凍站安裝冷凍站安裝管路保溫管路保溫管路密封性試驗合格后，應對低壓管路和設備進行絕熱保溫。經(jīng)保溫處理后，一般冷凍站管路和鹽水管路冷量損失約占總制冷量的25。我國現(xiàn)場習慣使用棉花作管路保溫材料，外纏塑料薄膜，其主要特點是拆裝方便，并可復用。一般認為硬質(zhì)

5、泡沫塑料是一種很好的保溫材料，保溫層內(nèi)外應敷設防濕層。絕熱層厚度以計算為準。 第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.13.1 冷凍站安裝冷凍站安裝 灌鹽水及充氨灌鹽水及充氨根據(jù)設計的密度配制鹽水。在灌鹽水時，凍結管中的清水因小于鹽水的密度而自動排出，灌鹽水時應注意經(jīng)常放空氣，使干管、配液圈充滿鹽水，鹽水箱內(nèi)鹽水要高出蒸發(fā)器立管200毫米。嚴禁將濃度很高的鹽水直接灌入凍結管內(nèi)，以防析鹽堵管。灌鹽水時開動鹽水泵，經(jīng)常循環(huán)，以防鹽水結晶。鹽水灌注后才能充氨，其方法如圖所示。充氨前，應先將氨系統(tǒng)抽成真空，液氨由于氨瓶內(nèi)的壓力作用自行流入，當系統(tǒng)內(nèi)壓力高于瓶內(nèi)壓力時，靠壓縮機進行充氨，

6、直至充到設計量為止。第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.13.1 冷凍站安裝冷凍站安裝 水源井位置水源井位置 冷卻水水源井位置在凍結法施工中至關重要。為避免人為加大地下水流速，影響凍結壁交圈，水源井的位置應使凍結井筒在其降水漏斗影響范圍以外。除此，水源井還應位于地下水流的上游。一般水源井應距凍結井筒300m以上，兩水源井間距不小于150m。水源井個數(shù)應視冷卻水補充數(shù)量決定，一般不少于2個。 第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.13.1 冷凍站安裝冷凍站安裝鉆孔布置鉆孔布置 凍結法鑿井所鉆的鉆孔按用途分為三種：凍結孔、水位觀測孔和測溫孔。 1）凍結孔。凍結

7、孔一般按等距離布置在與井筒同心的圓周上，其圈徑的大小由井筒掘進直徑、凍結壁厚度、凍結深度及鉆孔允許偏斜率來確定。布置凍結孔的圈徑可按下式計算： D0Dj2(EdeH)式中 D0凍結孔單圈布置圈徑，m； Dj凍結井筒掘進直徑，m； 凍結壁內(nèi)側擴展系數(shù)， =0.550.60； Ed凍結壁厚度，m； H凍結深度，m； e凍結孔允許偏斜率，一般要求0.3%。第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.23.2 鉆孔施工鉆孔施工鉆孔布置鉆孔布置 凍結孔數(shù)目：N=D0/l式中：N凍結孔數(shù)目；D0凍結孔布置圈徑，m；l凍結孔間距，一般l=11.3m。求出孔數(shù)若為小數(shù)，則調(diào)整為整數(shù)后，再確定孔距。

8、凍結孔的間距一般取0.9一1.3米。這個區(qū)間其凍結孔鉆進成本、凍結器安裝成本及凍結成本之和數(shù)值變化不大。當孔間距小于0.9米或大于1.3米時成本有明顯的增高。 第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.23.2 鉆孔施工鉆孔施工 鉆孔布置鉆孔布置 凍結孔多布置在一圈上，近年來由于凍結深度增加，凍結壁加厚，為減少凍結時間，提高凍結壁的承載力，也有布置在兩圈上的，兩圈凍結孔應相間交錯分開。凍結孔的偏斜率一般小于5。隨著凍結深度的增大，在允許一定偏斜率的情況下，井筒下部的偏斜值將很大，將影響凍結壁的質(zhì)量和增加凍結時間。國外在凍結深井時規(guī)定鉆孔偏斜值控制在5001000毫米以內(nèi)。超過此值

9、就必須糾偏到合格為止，或者重新鉆孔。凍結孔的深度按凍結深度來確定，一般情況下，為防止凍結孔底沉渣，凍結孔應較凍結深度大0.5m以上。而凍結深度應根據(jù)地質(zhì)條件來決定，一般要進入不透水層5一15米，以至20m，用以形成“凍結底墊”，防止底部涌冒砂水等事故。凍結孔開孔（深1020m）直徑應比正常鉆進直徑大2040mm。終孔直徑應較凍結管外箍大1520mm。第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.23.2 鉆孔施工鉆孔施工 鉆孔布置鉆孔布置 2）水位觀測孔 水位觀測孔一般應打在距井心1米左右的地方，以不影響掘進為宜。孔數(shù)為12個，孔數(shù)過多會影響掘進工作，其深度不應超過凍結深度但應穿過所

10、有含水層。在主要含水層應裝有濾水裝置。水位觀測孔的作用水位觀測孔的作用是：當凍結壁交圈以后，井筒周圍形成密封的凍結圓筒，由于土的凍脹作用使孔內(nèi)之靜水位上升以致濫出地面，這是凍結壁交圈的主要標志。必須注意，在安裝主要含水層的濾水裝置時，絕不可使各含水層連通，以便分層觀察其水位變化。如果高壓含水層與低壓含水層溝通，則將形成地下環(huán)流，影響凍結圓柱的交圈時間，若環(huán)流流速過大，則可能不交圈。倘若在預定交圈時間仍不交圈，要全面分析不交圈的原因，并及時處理。水文孔不要偏出井簡，否則起不到水文觀測孔的作用，水文觀測孔的套管應高出地面并加蓋。第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.23.2 鉆孔

11、施工鉆孔施工 鉆孔布置鉆孔布置 3）測溫孔為了確定凍結壁的厚度和開挖時間，在凍結壁內(nèi)必須打一定數(shù)量的測溫孔，根據(jù)測量溫度結果分析判斷計算凍結壁峰面即零度等溫線的位置。測溫孔一般布置在凍結壁外緣界面上。根據(jù)凍結孔偏斜情況，也可打在偏斜最大的兩孔之間，或打在難以凍結的需要控制觀察的主要含水層中。數(shù)量按需要而定，一般3一4個。其允許偏斜率與凍結孔相同。我國現(xiàn)場常用銅-康銅熱電偶測溫。 第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.23.2 鉆孔施工鉆孔施工凍結孔鉆進我國現(xiàn)均使用旋轉式鉆機鉆凍結孔。常用的有XB-100A、紅旗1000型，THJ-1500、SPJ-300及DZJ500-100

12、0。其中DZJ500-1000是為打凍結孔和注漿孔設計的專用鉆機，屬旋轉轉盤鉆機，有較高的打垂直孔的性能。鉆機配用鑲合金鉆頭、三翼鉆頭和牙輪鉆頭。鉆孔前，在井口修筑一個帶有軌道的環(huán)形平臺。平臺基礎是一個灰土盤。鉆機對稱布置，鉆機及電動機等全部設備均安裝在一個帶滑撬的鐵制或木質(zhì)梯形臺基上，臺基可沿軌道滑動，鉆完一孔后，鉆機向同一方向自行移動。鉆場布置好后，安裝鉆機，鉆機應安設水平，主軸應垂直，鉆具應處于良好工作狀態(tài)。 開孔時，首先用長1米，直徑為219240毫米的巖芯管鉆進，鉆進至56米后，下放直徑為219毫米的套管固井，然后繼續(xù)鉆進。為保持孔垂直，不得把鉆桿重量作鉆壓，只能用鉆鋌自重作鉆壓。每

13、10米測斜一次，直至全深。第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.23.2 鉆孔施工鉆孔施工第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.23.2 鉆孔施工鉆孔施工 測斜方法 在鉆孔工作中，必須樹立“防偏為主、糾偏為輔”的思想，鉆進過程中要經(jīng)常測斜，了解孔的偏斜情況以便采取措施。目前所使用的測斜儀中，都是測得孔長、傾斜角和方位角，再求算偏斜值。常用的測斜方法有：燈光測斜儀（適于淺孔），磁性單點測斜儀和陀螺測斜儀。第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.23.2 鉆孔施工鉆孔施工1）磁性單點測斜儀磁性單點測斜儀是由球形磁羅盤及與外殼聯(lián)在一起的照像機構等部

14、件所組成，整個儀器無論處于何種狀態(tài)，球羅盤因受地球磁場作用其南、北方向永遠不變，球內(nèi)重錘體因受重力作用，球體豎軸永遠指向地球中心。故球羅盤上的經(jīng)緯線可以直接反映出鉆孔的方位角和傾斜角。測斜時，將儀器放入一節(jié)非磁性鉆鋌內(nèi)，該鉆鋌由強度很高的鎳、銅、鋁、鐵組成的蒙乃爾合金制成。磁性單點測斜儀外殼裝有橡膠扶正器和非磁性鉆鋌呈同一傾斜狀態(tài)，按照預定時間拍出照片，用放大鏡可以讀出方位角和偏斜角。磁性單點測斜儀外套直徑44.5毫米，可以在直徑50毫米的鉆桿內(nèi)不提鉆測斜，精度高、尺寸小、操作簡單、耐用價廉。第第2章章 凍結法凍結法 測斜方法3 3 凍結法施工凍結法施工3.23.2 鉆孔施工鉆孔施工2）陀螺測

15、斜儀。JDT和JDT型陀螺測斜儀是我國自行設計制造的精度較高的測斜儀。它用陀螺馬達及相應的一套控制系統(tǒng)來保證定向。傾角測量是利用重錘保持垂直當儀器在鉆孔中隨孔傾斜時，其四個傳感器就與重錘發(fā)生角度變化，使傳感器電壓變化，顯示出傾角在直角坐標中的兩個分量?？组L由電纜長測出，則可計算出所測點的偏斜值、方位及偏斜率。整套儀器由下井儀器、地面量測儀、直流穩(wěn)壓器、變流器、測井電纜、CJ1000型絞車組成。 第第2章章 凍結法凍結法 測斜方法3 3 凍結法施工凍結法施工3.23.2 鉆孔施工鉆孔施工第第2章章 凍結法凍結法 糾偏鉆孔偏斜原因很多，大致分兩類；地質(zhì)原因：由于地層軟硬不同、地層傾斜角度不同、卵石

16、層、大裂隙、空洞等都能引起鉆孔偏斜。操作技術原因：導向管安裝不正，鉆機主鈾不垂直，鉆桿彎曲，泥漿質(zhì)量不好，鉆壓過大、鉆孔中有落物等均可引起鉆孔偏斜。當孔斜超過允許值，可以用三翼鉆頭刷孔糾偏，也可以把斜孔充填后重新鉆進，但必須是減壓快轉速、慢給進的通過這一孔段。糾偏鉆具也稱定向鉆具，有渦輪鉆具和Dyna鉆具兩種。第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.23.2 鉆孔施工鉆孔施工第第2章章 凍結法凍結法 凍結管安裝凍結管安裝顧序是鉆好一個孔，安裝一個孔的凍結管。對凍結管的安裝要求是：凍結管總長度應符合設計深度，長度不得小于200毫米；凍結管不漏。為此要對凍結管進行試壓和試漏。其后方

17、可安裝供液管、回液管與集、配液圈等，構成鹽水循環(huán)。第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.23.2 鉆孔施工鉆孔施工從開始凍結到凍結壁達到設計厚度，這個時期叫積極凍結期，積極凍結期的主要工作是維護冷凍站的正常運轉，使用一切測試手段檢查凍結壁發(fā)展情況，保證高速度、高質(zhì)量形成凍結壁，創(chuàng)造開挖條件。第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.33.3 井筒凍結井筒凍結 一、二級壓縮混合系統(tǒng)的合理使用一、二級壓縮混合系統(tǒng)的合理使用 這種系統(tǒng)的優(yōu)點在于能夠適應積極陳結期間對鹽水溫度和冷量變化的要求。積極凍結初期，凍結器中熱交換強烈，采用一級壓縮比較合理。隨著凍結時間的延長，凍

18、結器中熱交換強度下降，而需要降低鹽水溫度增強熱交換時，采用二級壓縮比較合理。這樣可以充分發(fā)揮冷凍站設備潛力，提高壓縮機的制冷效率。特別在積極凍結期的后朗，鹽水溫度一般可達到-30以下，對于加快凍結速度是有利的。第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.33.3 井筒凍結井筒凍結 正、反鹽水循環(huán)的合理使用 在積極凍結期間可根據(jù)地層需要冷量情況，靈活運用正反鹽水循環(huán)，達到既能提前開挖又能不挖凍土的目的。例如深井凍結時，深部地層溫度高，可先用正循環(huán)而后再用反循環(huán)。而淺井凍結時，由于上下巖層溫度相差不大，用正循環(huán)時會使凍結壁下厚上薄，對提前開挖和下部掘進均不利。根據(jù)此種情況，最好初期用反

19、循環(huán)，使凍結壁早日交圈提前開挖，而后期用正循環(huán)，維護上部陳結壁，加速下部凍結壁擴展速度。第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.33.3 井筒凍結井筒凍結 去、回路鹽水溫差及流量觀察去、回路鹽水溫差及流量觀察開始凍結時，去、回路鹽水溫差較大。但隨著凍結壁的形成，熱交換強度降低并趨于穩(wěn)定，去、回路鹽水溫差也趨于穩(wěn)定。其值為：凍結深度在100米以內(nèi)時，其溫差為23，深度大于100米時，為34。為了觀察每根凍結管鹽水冷量供應和鹽水流失情況，應在去、回路干管和供液管與回液管上安裝流量計，如有流失，及時處理。 溫度測量在凍結過程中要經(jīng)常測量測溫孔各點溫度變化情況，根據(jù)所測數(shù)據(jù)，求解凍結壁

20、擴展位置，給開挖時間提供可靠依據(jù)。第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.33.3 井筒凍結井筒凍結 水位觀察孔的水位觀察水位觀察孔的水位觀察當凍結壁形成一個封閉圓筒后，因水溫下降可能會引起水文孔內(nèi)水位暫短下降，但隨后不久，因凍結壁向井內(nèi)擴展時體積膨脹，迫使地下水沿水文孔上升，以致冒水，它僅僅表明凍結壁已經(jīng)初步形成。 開挖時間的確定開挖時間的確定通過綜合資料分析，在水位觀察孔水位明顯上升，測溫孔資料已測知凍土壁位置而冷凍站工作正常以及凍結時間與設計時間基本相符時，可進行試挖。如無異常，則可正式掘進。 注意利用天然冷量注意利用天然冷量積極凍結期最好選擇在冬季開工，以便利用天然冷量

21、提高冷凍站的制冷效率。 第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.33.3 井筒凍結井筒凍結 作好掘砌前的準備工作四通一平、臨時工業(yè)建筑、鎖口、井架、井口棚、各種盤臺、提升信號系統(tǒng)、壓風系統(tǒng)、混凝土攪拌運輸系統(tǒng)、試挖、技術培訓等。 井筒掘進短斷掘砌單行作業(yè)。根據(jù)掘進進度、土層性質(zhì)，選用不同段高，掘一段，砌一段，如何提高掘砌效率是凍結井筒施工的關鍵。 第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.43.4 井筒掘進井筒掘進1）井筒掘進施工的特點井內(nèi)無淋水、涌水，不需井筒排水設備，無需臨時支護，設備除水、防凍。2）掘進段高掘進段高是指掘進段未經(jīng)支護的高度。地壓、掘進速度、平

22、均溫度、凍結壁形成過程。目前，國外掘進段高一般取1030m，我國取220m。3）壓風除濕設備過濾干燥法：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，使壓風中的水蒸氣凝結成水放出，或者使壓風通過井口環(huán)形溝槽，達到除濕目的最好利用液壓動力工具。第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.43.4 井筒掘進井筒掘進 井筒掘進4）鉆爆法破碎凍土效率較人工提高35倍。淺打眼少裝藥。1.5m，每段和每次0.6m；風化帶0.3m；周邊眼到凍結管的距離：沖擊層1.5m；基巖1.2m。5）凍結管斷裂原因：接頭質(zhì)量；凍結壁強度；爆破影響低溫凍結工藝，研究凍結管連接方式。6）工作面底鼓與凍結壁變形原因：井筒未凍實，井幫徑向超前變形；水位觀察孔堵塞，地下凍脹水無出處時，可能導致底鼓。井壁交圈不好，有窗口時，涌砂冒泥和凍結管斷裂、鹽水漏失，都會導致底鼓。主要措施：凍實，提高凍土強度和穩(wěn)定性，降低平均溫度，減小段高，加快掘進速度，減少井幫暴露時間等。 第第2章章 凍結法凍結法3 3 凍結法施工凍結法施工3.43.4 井筒掘進井筒掘進 井筒掘進 凍