井筒冻结法施工的常见问题及防治措施

井筒冻结法施工的常见问题及防治措施xxxxxxxxx（中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州221116）摘要：在不稳定表土层中施工井筒时，冻结法具有大量的优点，主要包括：适应性强；支护结构灵活、易控制；隔水性好；对环境影响小等。因此，冻结法在井筒的特殊施工中被大量应用。我国煤矿于1955年在开林西风井首次使用冻结法凿井，此后，冻结法凿井技术逐渐推广。现在，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，但是井筒在冻结法施工中，仍然存在很多的问题，这些问题必须引起我们的高度重视。本文主要是介绍了冻结法施工的原理及共存在的主要问题，并提出了相关的防治措施。岩土工程冻结法通常是利用物质气化过程的吸热现象来达到将主体中的水冷却、结冰的目的。其制冷系统多以氨作为制冷物质。为了使氨由液态变成气态，由气态又变为液态，如此循环进行，整个制冷系统由三大循环构成：氨循环系统、盐水系统、冷却水循环系统。在井筒开挖之前，在欲开井筒的周围打一定数量的冻结孔。低温盐水在冻结器中流动，吸收其周围地层之热量，形成冻结圈。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，在其保护下进行崛砌施工，待掘砌到预计的深处后，停止冻结，进行拔管和填充工作。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，像冻结管的断裂问冻结井壁的破裂问题、工作面底冻结壁的变形问风动机具的冻结堵塞问题和地表冻融危害问题等。冻结法井筒施工中的常见问题及防治措施。在冻结井筒掘进中，冻结管断裂现象时有发生。近年来，由于冻结深度逐年增加，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。究其问题，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。其防治措施有：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。正确选用管材和连接方式。冻结管一般选用优质低碳中碳钢或低合金无缝管材，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。控制掘进段高和井帮暴露时间，特别是深厚粘土层要严格控制。由于段高小暴露时间短，有利于控制冻土层的蠕变和冻胀力的发展，避免断管。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。2冻结井壁破裂问题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；施工质量不佳。针对冻结井壁破裂问题，可从以下几个方面采取措施［5］：（1）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。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，井帮温度应保证在一10r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。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。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一层预制混凝土块，在预制混凝土块之间放可缩木板，或者先一层预制混凝土块，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上，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。加强施工管理。加强施工管理、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。在施工中应做到以下几点：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-10r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。3.3工作面底鼓问题井筒掘进中，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可能有以下几种：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。当井筒冻实后，底鼓现象将大大减少。降低冻结壁内的平均温度，冻结壁强度和稳定性提高，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，底鼓程度则明显减轻。3.4冻结璧变形问题和工作面底鼓一样，冻结壁变形也时有发生。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。冻结壁的变形应得到控制，其主要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。3.5风动机具的冻结堵塞问题目前，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。为此必须采取除湿措施。解决的办法有两种：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。此外，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。3.6地表冻融危害问题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。为了控制地表的冻融危害，减小其对施工安全的影响，我们必须采取针对性措施［6］，其中主要有：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。4结语冻结法在井筒不稳定表土层的施工中得