淺談凍結法井筒掘進施工

摘要:至20世紀末，我國已在安徽、江蘇等地采用凍結法共施工了約450個立井井筒，凍結總長度超過75公里，成為國內安全通過不穩定地層施工的主要工法。本文就凍結法井筒掘進的開挖條件、開挖前的準備、段高的確定、挖掘方法、風動工具的防凍措施等方面談了談筆者的認識。

關鍵詞:井筒 凍結法 掘進

0 引言

凍結法井筒施工指的是在井筒開鑿之前，用人工制冷的方法，將井筒周圍含水松散不穩定的沖積層、基巖含水層進行地層凍結，形成封閉的符合工程安全要求的起到臨時保護作用的凍結壁，然后在凍結壁的保護下進行井筒掘砌工作的一種方法。本文就凍結法井筒掘進的開挖條件、開挖前的準備、段高的確定、挖掘方法、風動工具的防凍措施等方面談了談筆者的認識。

1 試挖與正式開挖的條件及時間估算

1.1 凍結壁厚度 凍結壁厚度是按照凍結地層的最大地壓計算的，最大地壓值一般是在凍結段的下部。而上部的地壓較小，要求凍結壁的厚度也相應的小些。若等到凍結壁的厚度達到設計厚度時才進行開挖，那么隨著凍結的繼續，凍結壁不斷增厚，當開挖到最大地壓時，凍土將擴展到荒經以內很多，甚至使井筒凍實，這將給工作帶來困難。一般要求凍結壁交圈后，淺部凍結壁的厚度或強度足以抵抗該處的地壓時就可以進行開挖，并繼續進行積極凍結。使凍結壁進一步擴展，以適應深部地壓的要求。

1.2 井筒開挖的條件及時間估算

1.2.1 試挖過程中

①條件 a水文觀測孔內的水位已有規律的上升并冒水;b測溫孔的溫度降至設計要求值，證實含水層的凍結壁已全部交圈;c按不同地區，不同底層的凍結速度以及凍結壁的平均溫度推算，在井筒掘砌過程中，每一巖層的凍結壁厚度和溫度均能符合設計要求。

②時間估算 TS=T0+Z1

式中:TS—估算井筒試挖時間，天;T0—不同孔距的凍結壁交圈時間;Z1—凍結壁交圈后至開始試挖時間，一般取10～20天。

1.2.2 正式開挖時

①條件 a根據水文孔和測溫孔資料，確定全部含水層的凍結壁均以交圈;b通過試挖已證實凍結壁已有一定的厚度，按凍土擴展速度推薦，不同深度的凍結壁厚度和強度可以適應掘進速度要求;c正式開挖前的準備工作已全部就緒。

②時間估算 Tz=T0+Z2

式中:Tz—估算井筒正式開挖時間，天;T0—不通孔間距的凍結壁交圈時間;Z2—凍結壁交圈后至開始正式開挖時間，一般取20～40天。

2 開挖前的準備工作

在井筒準備開挖前，需要進行以下的準備工作。

2.1 四通一平 ①場外公路及場內主要運輸路線已能滿足井筒施工設備、材料運輸的需要;②供配電系統以正常供水，供水量能適應井筒施工的需要;③工程施工供水系統已正常供水，供水量滿足井筒施工的需要;④通信聯絡系統已正常使用，能滿足井筒施工的需要;⑤施工現場的平整程度已能適應井筒施工的需要。

2.2 臨時工業建筑 凍結段崛起工業建筑已交正常使用，并能適應井筒施工的需要。

2.3 鎖口、井口盤、井口棚、固定盤和鑿井吊盤、穩繩盤 ①凍結井筒一般先施工臨時鎖口，風井還應考慮風道口的施工;②鎖口、井架基礎應和環形冷凍溝槽的，相互關系，當井架基礎與凍結管、集液管位置互相影響時，應提出具體方案和施工圖;③應注意井架基礎與環形冷凍溝槽的關系，當井架基礎與凍結管、集液管位置互相影響時，應提出具體方案和施工圖。④井口安裝，質量合格。

2.4 提升信號系統 ①井架、天輪、翻矸臺、溜矸臺和矸石倉安裝完畢、質量合格;②提升機、絞車安裝完畢，提升系統運轉系統正常;③提升鋼絲繩纏繞完畢，提升機運轉正常;④信號系統安裝完畢，聯絡方便、準確。

2.5 壓風系統 ①壓風機安裝完畢，試運轉正常;②壓風管路和壓風干燥裝置完畢，質量合格。

2.6 混凝土攪拌運輸系統 ①混凝土攪拌機安裝完畢，試運轉正常;②沙石堆和清洗場地施工完畢，系統安裝和試運轉正常;③沙、石、水泥過磅裝置及運輸系統已施工和安裝完畢，試運轉正常。

2.7 試挖 ①凍結壁交圈后10～20天左右進行試挖，深度一般為20米左右;②試挖15～20米后進行吊盤、固定盤及其它鑿井懸吊設備—穩繩盤、壓風管、電纜、安全梯等的安裝工作。

2.8 技術培訓 完成各種工種的安全、質量和技術操作的培訓工作，有些特殊工種要經過考試合格。

3 段高的確定

3.1 影響掘進段高的主要因素 ①巖層性質:a細、中、粗沙層和卵石層中充滿著易于凍結的自由水，凍結后強度較大，蠕變特性不顯著，段高可相對大一些;b粉沙、砂質粘土、粘土層中含有較多的薄膜水，凍結后強度較低，且易于產生塑性變形，段高不宜過大。②地壓與凍結壁強度:從沖擊層地壓隨著深度增加而增大的特點分析，段高應隨著深度的增加而縮短。從凍結壁的強度分析，一般當上部凍結壁未擴至井幫就開挖，經幫溫度較高，易于片幫，不宜采用較大的段高，中部凍結孔間距不大，強度往往超過設計指標，段高可適當加大;下部凍結孔偏斜大，雖然井幫溫度較低，但凍結壁有效強度不大，加上地壓大，凍結壁易于產生塑性變形，宜采用小段高。③凍結管偏斜:掘進速度快，相應地縮短了井幫的暴露時間，段高可適當加大，否則段高應相應減小。

3.2 根據井幫穩定性確定的掘進段高(深井凍結) ①上部:井深20米以內，一般凍土已接近或擴入荒徑以內，經幫穩定性差，易引起片幫坍塌，宜采用短段掘砌。②中部:井深50～150米范圍內，一般凍土已接近或擴入荒徑以內，凍結壁厚度和強度的儲備系數較大，經幫穩定性較好，開采用較大段高掘砌。③下部:井深150米往下，盡管凍土擴入井內較多，但由于凍結孔間距大以及部分凍結管偏斜而靠近片幫，或偏入井內，使凍結壁有效厚度減薄，強度受到消弱，加上地壓大，凍結壁強度的儲備系數較小，尤其是粘性土層的流變特性更為顯著，井幫易于變形或片落，掘進段高應根據凍結壁厚度和平均溫度適當縮小。

4 挖掘方法

4.1 凍土進入荒徑前的挖掘方法 采用短段分塊掘砌法，設計荒徑以內，先砌一層磚或料石作臨時支護，壁后充填砂漿或混凝土，待整圈臨時支架做好后砌筑外壁，段高1.0～1.2米。

4.2 凍土進入荒徑的挖掘方法 ①凍土擴入片幫不多時，可采用風鎬超前挖掘未凍土;②井心全部凍實或接近凍實，用風鎬或機械破巖，也可采用鉆研爆破法，但需要淺打眼少裝藥;③風化帶或含水基巖掘進可采用鉆爆法，但須采取措施保證不損壞凍結管。

5風動工具的防凍措施

5.1 壓風過濾干燥法 壓風入井前通過裝有活性炭或無水氯化鈣的過濾器，水分被吸收而提高壓風干燥度。

5.2 壓風冷凝分離器法 ①冷凝器放在井口;②壓風管通過冷凍溝槽中。

5.3 降低冰點法 本法是在壓風管路上安裝一個盛酒精與冷凍機油混合溶液的容器，每隔一定時間向壓風管內注入，起降低壓風中水分的冰點和潤滑風動工具的作用。

5.4 風動工具直接消凍法 ①風動工具直接注入酒精化掉風動工具的冰屑;②井下設正溫器，容器內保持40℃左右正溫。將凍住的風動工具放入容器內消凍后再使用。

6 結束語

我國自1955年在開灤煤礦林西風井首次應用凍結法鑿井獲得成功后，至20世紀末，已在黑龍江、吉林、河北、安徽、江蘇、河南等地采用凍結法共施工了約450個立井井筒，凍結總長度超過75公里，成為國內安全通過不穩定地層(沖積層)施工的主要工法。筆者相信，隨著井筒凍結技術的不斷完善和發展，凍結施工的安全性和施工總長度必將越來越高。