冻结法竖井施工技术

邱晓东,李永进

(1.金建工程设计有限公司， 山东 烟台市 264670；2.华煤集团有限公司， 吉林 长春市 130012)

冻结法凿井主要是利用人工制冷技术，使地层土层中的自由水冻结，形成封闭的圆筒形冻结壁，以抵抗地压并隔绝地下水与井筒的联系，在冻结壁的保护下进行掘砌作业的施工方法。在不稳定地层中施工井筒时，冻结法具有适应性强、支护结构灵活、易控制、隔水性好、对环境影响小等优点。

1 冻结法竖井施工技术

1.1 冻结壁

冻结法竖井的掘砌作业是在冻结壁的保护下进行的，冻结壁的安全与合理是确保冻结法凿井安全、快速、经济的关键所在，是冻结法竖井建设的前提和基础。主要的目的是既能满足井筒安全掘砌，又能有利于井筒的提前开挖。既能保证冻结壁的均匀性，又能尽量减少冻结壁冻胀应力。既能防止井筒开挖初期不片帮，又能尽可能的减少冻土入荒量，为掘砌施工创造有利条件，缩短凿井工期。

1.2 井壁结构

特殊的地层以及冻结施工工艺必然使得冻结竖井的井壁结构与普通竖井不同,双层复合井壁是目前国内通用的冻结法竖井井壁结构，其原理是在竖井冻结开挖期间由外壁作为临时支护承受冻结压力[1]与温度应力，外壁掘砌结束后，浇砌内层井壁，地层解冻恢复原始状态后内外壁共同承受地压。结合安徽省霍邱县境内某铁矿南风井的设计井壁结构予以阐述。

矿山地处淮河流域中上游冲积平原区，矿床均为第四系地层覆盖，厚度122.22～210.33 m，平均厚度167.96 m，第四系总体趋势由北向南、由西向东逐渐增厚。矿床内无大的地表水体，第四系上部普遍见粉质亚粘土，厚度有68.19～90.95 m，分布广，透水性差，为良好的隔水层，在天然状态下，地表水和地下水之间的水力联系极其微弱。

矿山设计生产能力200万t/a,采用尾砂充填采矿方法，竖井开拓方式，有主井、副井、进风井、南风井、北风井共5条竖井，都穿过第四系与砂层，前4条竖井均采用冻结法施工，北风井前期采用注浆法封水掘砌施工，施工至97.7 m井深时，注浆堵水无效，以至无法下掘，被迫改为冻结法施工。

南风井井筒净直径Φ4.5 m，根据工程地质勘察资料，南风井第四系土层与砂层厚度193.95 m(+40～-153.95 m)，以下强风化岩厚度31.5 m(-153.95～-185.45 m)，不稳定地层总厚225.45 m。设计冻结深度240 m。

1.2.1 井壁结构选择

复合井壁按照内外壁之间有无塑料夹层分为两种结构，有塑料夹层,可以减少内壁的温度约束应力裂缝，但由于外壁在冻结壁作用和短段掘砌施工方案的影响下并不能保证完全隔水，夹层的存在导通了地下各水层的水，破坏了原有地层中隔水层的隔水作用，使内壁成为其外完全浸水的筒体，因此不允许内壁任何一处有裂缝存在，这种井壁必须经壁后注浆才是安全的，且该井壁成本较高。相关文献中对一些冻结施工竖井的非采动影响破坏[2]的原因调查表明，在矿山开采过程中第四系含水层水头的大幅疏降,使该含水层及上覆土层产生压缩和变形,且引起地表沉降,在地层发生变形的过程中对井壁产生垂直向下的附加力是井壁发生破裂的主要原因。矿山水文地质条件表明，第四系有较好的隔水层，且矿山采用充填法开采，不至于造成第四系含水层的大幅疏降和上覆土层产生压缩和变形，因此采用复合井壁无夹层结构方案。

1.2.2 竖井地压与井壁结构

根据南风井工程地质钻孔柱状图资料，不稳定地层土性不同分为22层，最大地压表现在21层(标高-153.95～-168.25 m)，其次为16层(标高-142.95～-153.95 m)，再次为10层(标高-41.11～-81.6 m)，地压作为井壁结构选取的主要因素，还应考虑冻结力、温度应力、附加荷载与地震荷载，据此对井壁厚度、外壁稳定性，外壁抗冻结力与温度应力、整体井壁稳定性、整体井壁抗压强度等进行确定。

地压的一般规律是随埋深增加而增大，如果统一按照最大压力要求设计井壁，掘砌工程量加大，造成浪费而降低矿山经济效益，因此分段式井壁为冻结法竖井所普遍采用，南风井井壁结构分三段设计，支护厚度自上而下分为第一段700 mm、第二段800 mm和第三段950 mm，混凝土强度等级C35～C40，井壁结构如图1所示。

图1 冻结法井壁结构示意

2 北风井施工出现的问题

矿山北风井前期采用注浆法施工，井壁为500 mm单层钢筋混凝土支护，施工至97.7 m井深时,注浆堵水无效以至无法下掘，改为冻结法施工，冻结深度175 m，在冻结段施工结束继续下掘至-170 m标高时，冻结段井壁出现不同程度的裂缝，主要裂缝有4条，为环形水平不连续裂缝，最大裂缝存在于标高-81.793 m，最宽处达10 mm以上，出现轻微渗水现象。

针对出现的问题，结合北风井冻结方案、施工方案进行分析研究，主要因素有以下几个方面：

(1) 工期要求时间紧，且为了水文观测孔的布置，冻结圈相对较大，冻结时间短，开挖时冻结圈尚未交圈，冻结壁强度不足，降低了对外井壁的外支撑作用;

(2) 改为冻结法施工后没有及时调整井壁结构，仍然采用单层井壁，使得在冻结结束地层解冻恢复地压后单层井壁受压，而单层井壁在冻结施工时受条件限制强度不足;

(3) 设计于-63.7 m标高处有壁座，而在施工至此处为砂层，没有及时调整位置进行施工，同时由于冻结壁强度不足，摩擦力降低，造成混凝土在重力作用下产生拉裂，形成裂缝。

经分析研究确定，为防止裂缝继续扩大，尽快实施增加钢筋混凝土内壁方案，厚度250 mm，高度为-170～-33 m，在-170 m标高设壁座增加对上部井壁进行支撑。采取该方案后，北风井也顺利穿过上部不稳定地层。

3 结 论

(1) 双层复合井壁是冻结法施工竖井时确保井壁安全的可靠保障。在竖井冻结开挖期间外壁接触的冻结壁环境条件恶劣，在短段掘砌施工因素的影响下，砌筑过程中外井壁受反复的冻胀应力作用，并不能保证完全隔水。必须在外壁掘砌结束后，地层恢复原有状态前及时施工内壁以达到内外壁共同抗压和封水目的。

(2) 外壁筑壁前冻结壁温度一般在-5℃～-10℃，约在筑壁后1 d左右开始承受一定的冻结压力，因而要求采取必要的早强防冻措施，使不同龄期的混凝土强度增长率超过冻结压力的最大增长率，降至零度前混凝土的强度大大超过“冻害临界强度”，有效地防止外层井壁压坏和冻结管的断裂。

(3) 浇筑内壁普遍采用滑模施工，连续浇注，混凝土体积大，在硬化过程中产生一定的收缩作用，井壁易产生横向裂缝，降低隔水性能。浇筑前应将外层井壁的内表面冰、霜清除干净，以保证内层井壁厚度和质量。并采用矿物添加剂与防裂密实剂等配制低水化热防裂密实高性能混凝土，较全面地适应冻结井筒内层井壁连续筑壁时大体积混凝土的收缩裂缝和温差裂缝，提高井壁的整体性和封水性。

参考文献：

[1]苏立凡，徐兵壮.我国地层人工冻结工程技术的进展、应用和问题[C]//全国矿山建设学术会议论文选集(上册).2003.

[2]曹 静.兖州矿区近30年冻结施工经验[C]//地层冻结工程技术和应用—中国地层冻结工程40年论文集.1995.

[3]荣传新.深厚冲积层冻结壁与井壁的力学特性及其共同作用机理研究[D].合肥：中国科学技术大学，2006.

[4]王宗金.深表土冻结设计研究及郭屯风井工程实践[D].淮南：安徽理工大学,2006.