井筒凍結法施工的常見問題及防治措施

井筒凍結法施工的常見問題及防治措施xxxxxxxxx（中國礦業(yè)大學建筑工程學院，江蘇徐州221116）摘要：在不穩(wěn)定表土層中施工井筒時，凍結法具有大量的優(yōu)點，主要包括：適應性強；支護結構靈活、易控制；隔水性好；對環(huán)境影響小等。因此，凍結法在井筒的特殊施工中被大量應用。我國煤礦于1955年在開林西風井首次使用凍結法鑿井，此后，凍結法鑿井技術逐漸推廣。現在，我國已是世界上用凍結法鑿井穿過表土層最厚的國家之一，但是井筒在凍結法施工中，仍然存在很多的問題，這些問題必須引起我們的高度重視。本文主要是介紹了凍結法施工的原理及共存在的主要問題，并提出了相關的防治措施。巖土工程凍結法通常是利用物質氣化過程的吸熱現象來達到將主體中的水冷卻、結冰的目的。其制冷系統(tǒng)多以氨作為制冷物質。為了使氨由液態(tài)變成氣態(tài)，由氣態(tài)又變?yōu)橐簯B(tài)，如此循環(huán)進行，整個制冷系統(tǒng)由三大循環(huán)構成：氨循環(huán)系統(tǒng)、鹽水系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。在井筒開挖之前，在欲開井筒的周圍打一定數量的凍結孔。低溫鹽水在凍結器中流動，吸收其周圍地層之熱量，形成凍結圈。凍結圈并逐漸擴大連接成封閉不透水的凍結壁，用于抵抗地壓、隔絕地下水。然后，在其保護下進行崛砌施工，待掘砌到預計的深處后，停止凍結，進行拔管和填充工作。井筒凍結法施工主要工藝過程包括凍結孔施工、井筒凍結和井筒掘砌等主要工作。由于地下空間的不確定性，凍結法在井筒井筒的施工中還存在很多的不確定性，從而引起了很多問題，像凍結管的斷裂問凍結井壁的破裂問題、工作面底凍結壁的變形問風動機具的凍結堵塞問題和地表凍融危害問題等。凍結法井筒施工中的常見問題及防治措施。在凍結井筒掘進中，凍結管斷裂現象時有發(fā)生。近年來，由于凍結深度逐年增加，遇到厚粘土層的機會越來越多，凍結管斷裂的現象也就會越來越嚴重。究其問題，主要有:凍結壁的變形過大，凍結孔偏斜大，凍結管接頭焊接質量差或絲扣連接時扣形不適。其防治措施有：合理確定凍結孔布置圈直徑。如凍結孔布置圈過小，雖然井幫溫度較低，但其整體厚度不夠，可能造成井壁變形過大。因此，應合理確定凍結孔的布置圈徑，以保證凍結壁的厚度。正確選用管材和連接方式。凍結管一般選用優(yōu)質低碳中碳鋼或低合金無縫管材，采用低碳鋼無縫鋼管時，宜用外箍焊接而采用中碳鋼或低合金鋼時，宜用外箍絲扣連接。同時，要保證凍結管的連接質量。控制掘進段高和井幫暴露時間，特別是深厚粘土層要嚴格控制。由于段高小暴露時間短，有利于控制凍土層的蠕變和凍脹力的發(fā)展，避免斷管。降低鹽水溫度以控制井幫溫度，使深部粘土層的強度達到設計要求。2凍結井壁破裂問題凍結壁發(fā)生破裂在國內凍結井筒施工中是一種較為普遍的現象。究其原因，有以下幾個方面：對地層土體性質掌握不全面，尤其是含有膨脹性礦物的地層；凍結壁強度低，黏土蠕變脹裂外層井壁；低溫下混凝土早期強度低，在其未達到最終強度前井壁破裂；因凍結壁形狀不規(guī)則和厚度不同等造成凍脹力不均勻以及在掘砌過程中，由于凍結壁流變量的不均勻，造成砌筑壁前凍結壁凍脹量釋放不均勻，致使作用在外壁上的凍脹力不均勻；施工質量不佳。針對凍結井壁破裂問題，可從以下幾個方面采取措施［5］：（1）弄清土層的物理力學性質并進行合理的設計。在井筒施工前，應弄清井筒穿過的土層礦物成分及有關的物理力學性質。為此，必須施工專門的井檢孔，對井筒穿過的主要土層，特別是厚度較大的黏土層，應盡量保證取樣完整，精確測定其有關的物理力學參數，特別是與土體膨脹有關的參數，以便于凍結方案的確定。根據地層土的性質、含水層的情況以及凍結站凍結能力合理確定凍結孔的大小、深度及間距，進一步提高凍結孔垂直質量，形成合理的孔圈結構，以減少凍結壁厚度的不均勻性。加強凍結，盡可能降低凍結溫度。在凍結法施工中，應適當加強凍結，或降低鹽水溫度或延長凍結時間。有關資料統(tǒng)計分析認為，井筒開挖時，井幫溫度應保證在一10r以下。在外壁和凍結壁共同作用的承壓結構中，加強凍結能夠使凍結壁厚度和強度遠遠地超過一般的設計規(guī)定，使凍結壁幾乎可以成為一個彈性結構，從而減小變形，緩解作用在外壁上的壓力。提高井壁混凝土的早期強度。設計混凝土強度一般是以28d強度計算的，但混凝土早期強度增大速率往往滯后于凍結壓力增大速率，兩者不相適應。為此，可以在混凝土中摻入適量外加劑，以使不同齡期的混凝土強度增長超前于凍結壓力的增長。改善凍結壁和外壁之間夾層的保溫緩壓功能。通常在凍結壁與外壁間加入泡塑板，其主導作用是延長外壁混凝土的養(yǎng)護時間，讓壓作用是輔助的。對于砂質土層，這種泡塑板尚能達到預想的效果，但對于深厚易膨脹粘土層，凍結壓力很大，已不能滿足完全卸壓的目的。為真正起到緩壓目的，宜在凍結壁與外壁之間砌一層預制混凝土塊，在預制混凝土塊之間放可縮木板，或者先一層預制混凝土塊，再鋪層泡塑板，這樣既可以起到保溫作用，又可有效防止外壁破壞。此外，也可選用FS新型防水膨脹劑摻入內壁混凝上，這樣混凝土具有一定的膨脹量，在作用機理上起到了塑料板的作用，取消了雙層井壁間的塑料板，加快了井筒的施工進度。加強施工管理。加強施工管理、保證施工質量、改進施工工藝、提高施工速度是防止井壁破壞的有效措施。在施工中應做到以下幾點：井筒的開挖時間要選擇適時，即當凍結壁已形成而又尚未凍至井筒范圍以內時最為理想，此時，既便于掘進又不會造成涌水冒砂事故。切忌為趕工期，在凍結壁強度與厚度未完全達到設計要求時便匆匆開挖；合理控制制冷量，不能過早停機及進入維持凍結，尤其在膨脹性大的粘土層中井幫溫度必須達到-10r以下；加大監(jiān)控力度，保證混凝土設計強度及井壁的厚度，必要時應在已砌好的井壁段取芯檢驗；宜采用短段掘砌，小段高快速掘砌的作業(yè)方式，尤其在膨脹性大的黏土層中。3.3工作面底鼓問題井筒掘進中，工作面底鼓現象時有發(fā)生。少量底鼓屬正?，F象，這主要是由凍土的流變特性所決定的，但大量的底鼓對工程而言卻是不允許的。造成底鼓的主要原因可能有以下幾種：當井筒未凍實時，因井幫徑向超前變形導致底鼓：當水位觀察孔堵塞，地下凍脹力無出處時，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。當井筒凍實后，底鼓現象將大大減少。降低凍結壁內的平均溫度，凍結壁強度和穩(wěn)定性提高，底鼓現象也隨之減少。一般導通的水位觀察孔，地下水順暢放出，底鼓程度則明顯減輕。3.4凍結璧變形問題和工作面底鼓一樣，凍結壁變形也時有發(fā)生。凍結井壁的變形問題主要是由凍結壁的強度不夠、段高過大或井幫暴露時間過長引起的。凍結壁的變形應得到控制，其主要控制辦法是降低凍結壁平均溫度，提高凍結壁的強度和穩(wěn)定性，加快掘進速度，減小段高，減少井幫暴露時間。3.5風動機具的凍結堵塞問題目前，我國凍結井筒掘進，幾乎全部使用風動機具，在低溫環(huán)境，壓風中的水分結冰會很快堵塞機具氣孔通道，使機具無法使用，大大影響掘進速度。為此必須采取除濕措施。解決的辦法有兩種：①過濾干燥法，即壓風入井前通過活性炭和無水氯化鈣過濾除濕；②壓風入井前通過冷凝器，使壓風中的水蒸汽凝結成水放出。此外，根據凍結井筒掘進特點，最好使用液壓動力機具，從而從根本上解決壓風機具容易凍死的缺點。3.6地表凍融危害問題凡是采用凍結法施工的井筒，在凍結與融凍期間，井口附近地表往往因土層凍融而發(fā)生升降起伏，從而影響鑿井井架的升降。由于井架一般是在凍結的同時進行安裝的，井架會因地表的凍脹上升而發(fā)生變化。為了控制地表的凍融危害，減小其對施工安全的影響，我們必須采取針對性措施［6］，其中主要有：①提高井架的承載能力，特別是偏心承載能力，加大安全系數，施工組織設計中，對井架的選型，要加以考慮。②合理布置懸吊與提升設施，盡可能使井架承受較為均勻的荷載。③簡化懸吊設施，盡可能采用井壁吊掛方式，以減少井架承受的施工荷載。④加強對井架基礎沉降的觀察和井架變形的觀察，發(fā)現異常情況，應及時采取加固措施。4結語凍結法在井筒不穩(wěn)定表土層的施工中得