初探快速強化凍結法施工動態設計方法

黃　鶴（中煤特殊鑿井有限責任公司,安徽　淮北　235044）

初探快速強化凍結法施工動態設計方法

黃鶴
（中煤特殊鑿井有限責任公司,安徽淮北235044）

摘要：近年來，凍結法已在我國很多座城市的地鐵及市政基礎設施施工中得到了廣泛的應用。通過技術的使用及不斷的更新，相關工程技術人員已經掌握凍結設計與施工方法，并學會地層變形的控制方法，積累了大量的資料及工程實踐經驗。當下，我國對凍結法的使用在世界位居前列。本文筆者將對快速強化凍結法施工動態設計的方法進行探究。

關鍵詞：快速強化凍結法；施工動態設計；探究

1　快速強化凍結設計的目的

快速強化凍結設計的目的與工程建設的目的是具有一致性的，都是為了實現施工的高效、安全、快速與優質，即在資源投入最少的情況下，保證地層凍結加固的實際效果達到最佳。在具體的施工過程中，施工要求與凍結設計受施工條件與地層條件的影響較大。例如，如果土層為深厚的粘土，那么施工與設計的重點問題就應當是如何解決外層井壁壓壞并防止凍結管斷裂；如果地層條件相對較好，那么施工的重點問題就應當是如何有效減少凍結施工的成本投入以及如何保證井筒掘砌施工速度的提高。

2　設計原則

凍結設計在強化的過程中要遵循以下七個原則。

第一，把握施工建設核心。凍結設計的核心在于實現工程建設的總體目標，即施工中要將安全放在首位，其次要保證工程建設的質量與施工進度能夠滿足建設需要，最后工藝技術的選取要以經濟合理為依據，將成本控制在合理范圍內。

第二，施工設計因地制宜。不同地區的地質條件存在差異，因此對施工的要求也不一致，針對不同的建設要求應當選擇適宜的凍結施工設計。例如，若建設地區的凍結井筒中不存在深厚粘土的土層，那么可不采取強化凍結方法進行處理。

第三，根據實際情況設計或調整參數。凍結設計施工中應當考慮到的問題包括井筒掘砌施工的速度、井幫暴露的時間、井壁結構、井壁變形、掘井段高等，根據施工中的要求不同，要不斷調整相關參數。為了使操作簡便化，施工與設計人員可依據合同內的相關標準與規范設計凍結施工的相關參數，然后結合實際工程中掘砌施工與凍結壁的情況將施工速度以及掘進段高等參數進行合理調整。

第四，對凍結壁的安全性進行評定。這一原則是快速強化凍結設計與以往凍結設計的根本區別所在，它能夠為工期的縮短以及成本的降低奠定良好的基礎。井筒凍結施工過程較長，在這期間凍結壁的溫度與厚度會一直處于變化的狀態，因此為了保證施工的安全，每到達一個不同的施工層位，都需對當時的土層特性以及凍結壁的實際情況進行分析，對凍結壁的安全性予以評定。

第五，將防控凍結壁變形作為設計中的重點。凍結壁如果發生變形，就很可能導致凍結管發生斷裂或者導致外層井壁出現壓壞的現象。從理論上是很難對變形的發生予以準確判斷，因此預測變形的發生一般都以施工經驗為依據，凍結壁在設計時以及凍結孔在布置時應用到的相關指標包括凍結管距離井幫的長度、掘進過程中井幫的溫度以及凍土的入荒量。

第六，評價設計方案可行性要進行多方面分析。在制定設計方案時受到施工情況與地層條件的限制，相關人員很難精確地對凍結壁進行設計，因此若想評價設計方案的可行性需要從多方面進行分析，例如通過工程類比法與理論分析法進行綜合考量，將工程中的實際施工規律為主要判斷依據。

第七，施工中要進行監測與預測。為了保證施工的安全性以及施工工藝應用的合理性，需要對工程建設予以實時監測，并對未來一階段的施工情況予以預測，保證能夠及時發現施工中的問題并采取對策進行解決。

3　設計內容

（1）收集資料分析問題。基礎資料是進行施工設計的前提，只有對相關資料予以充分的分析與了解才能夠保證施工設計的合理性。相關資料包括井筒設計的相關參數、井筒附近的地質資料、掘砌與凍結施工的工期要求、類似工程的建設經驗等。

另外，還要對凍結設計中可能出現的主要問題進行分析，并在設計方案中對這些問題進行規避或解決，從而確定關鍵性的凍結工藝。

（2）根據規定及經驗確定設計參數。由于地質與施工條件的復雜性，相關參數難以做到精確化設計，因此需以有關規定以及類似的設計經驗為依據，確定基本參數。這些參數包括井幫暴露時間、井幫位移、井幫溫度、凍結方式、凍結深度、凍結管直徑、供冷方式、鹽水流量、鹽水溫度、井筒挖掘時間、掘砌段高等。砂性地層要注意，這類地層的凍結設計可不予以井幫移位的相關參數，但是要給出凍結壁可以出現塑性的范圍值。

除此之外，還要對主要控制層中的凍結壁部分的有效厚度進行計算，并需在未布置凍結孔的前提下根據凍結時間、井幫溫度、鹽水溫度以及相鄰凍結孔之間的最大間隔等設計參數，將凍結壁的平均溫度予以確定。然后還要對凍結孔布置中的相關參數予以計算，例如孔間間距、各方向上的合理偏斜范圍以及圈徑等。

（3）驗算強度及穩定性。當以上參數確定后需對凍結壁予以動態校驗，校驗的項目包括不同凍結時間以及掘進深度下凍結壁穩定的平均值、井幫溫度、凍結壁交圈以及凍土進到荒徑中的時間與位置等。當校驗值超出控制范圍時，應當及時對凍結孔的相關參數予以調整，必要時可對凍結工藝進行改變，將凍結參數進行調整。

最后還要對凍結壁的穩定性與強度進行分層驗算，一旦出現與控制要求不符的情況，要重新對凍結孔進行布置或者將凍結工藝進行調整。

（4）供冷系統設計。首先要對總體上的鹽水流量進行計算，計算方法為將單只凍結孔的鹽水流量乘上凍結孔的總數；其次要對整個系統的需冷量進行計算，計算的依據為凍結管上的散熱面積；再次要根據制冷設備本身的參數以及鹽水的溫度對冷凍機的容量進行確定；最后，根據凍結系統的參數確定配套的設備選型。

4　結語

凍結設計的展開受施工技術與地層條件的影響極大，為了適應相關工程的開展，應當對設計工藝予以快速強化。在強化的過程中堅持七項原則，對參數予以合理化的設計與調整，保證工程建設符合高效、安全、快速與優質的要求。

參考文獻：

[1]趙玉明.斜井步進式凍結工法應用研究[J].建井技術，2013(06).

[2]宋亞楠.凍結法鑿井兩井一站設計及施工效果分析[J].西部探礦工程,2014(04).

作者簡介：黃鶴（1982-），男，安徽濉溪人，工程師，主要從事：于煤礦、非煤礦礦山井筒凍結工程的施工及凍結技術研究工作。