冻结法凿井施工技术探析

管玉华

(山东华新建筑工程集团有限责任公司,山东泰安 271219)

冻结法凿井施工技术探析

管玉华

(山东华新建筑工程集团有限责任公司,山东泰安 271219)

本文论述了冻结法凿井的施工技术,其中,主要包括对井简冻结方案进行审查、冻结造孔施工的开展,以及控制冻结制冷施工的整个过程。

冻结法 凿井 施工 技术

1 冻结法凿井原理及在我国的应用

冻结凿井法是用制冷技术暂时冻结加固井筒周围不稳定地层并隔绝地下水后再凿井的特殊施工方法,又称冻结法凿井。冻结法凿井在我国煤矿立井井筒施工中被广泛采用,为了满足目前冻结法施工的迫切需要,中国煤炭建设协会组织制定了“煤矿冻结法开凿立井工程暂行技术规范”,现已发布施行。岩土工程冻结法通常是利用物质由液态变为气态,即气化过程的吸热现象来达到将土体中的水冷却、结冰的目的。其制冷系统多以氨作为制冷工质。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,整个制冷系统是由三大循环构成:一是氨循环系统,二是盐水循环系统,三是冷却水循环系统。这三种制冷系统一般可以获得-30℃～ -35℃的低温盐水。冻结法的特点是技术可靠,安全性高,特别适用于在松散含水表土层的土木工程施工。缺点是准备的时间比较长,需要的设备比较多,需要的成本较高。

我国煤矿立井冻结法凿井法采用的是传统的氨循环制冷技术。它是在开挖井筒之前,采用人工制冷的方法,将井筒周围含水地层冻结成一个封闭的不透水的冻结壁,用于抵抗地压、水压,隔绝地下水与井筒之问的联系。然后,在其保护下进行掘砌施工,待掘砌到预计的深度后,停止冻结,进行拔管和充填工作。为形成冻结壁,首先在欲开挖井筒的周围打一定数量的冻结孔,孔内安装冻结器。低温盐水在冻结器中流动,吸收其周围地层之热量,形成冻结圆柱并逐渐扩大连接成封闭的冻结壁,直至达到其设计厚度和强度为止,以便安全穿过含水地层。冻结法凿井主要工艺过程包括:冷冻站安装、钻孔施工、井筒冻结和井筒掘砌四大内容。

2 对井简冻结方案进行审查

第一,确定井帮暴露时间与深厚膨胀粘土施工段高。确保少于2.5m的段高,以及在20小时内的井帮暴露时间。

第二,确定水文孔区域。需要在冲积层最下面的含水层中深入表土段水文孔,在距离井筒中心1m远的区域进行布置,确保不会影响到井筒的测量与提升。报导水文观测孔通常存在单管分层报导以及单孔单层报导含水层的情况这两种形式。

第三,积极冻结期盐水温度。为了对交圈进迅速地冻结,需要在稳定安全以及实用经济的前提下尽量地使得盐水的温度降低,通常在积极冻结阶段,尽快地降低盐水温度在-30℃以下,而需要保持-30℃～-32℃的强化冻结阶段的盐温。

第四,复核冻结机组制冷能力。为了将快速交圈和快速冻结的目标得以实现,务必保证冻结机组制冷能力跟井筒冻结要求相符合。因为要求进行井筒需冷量计算,在对有关参数进行选择的时候,受到忽视施工环境、认为要素、参数选择误差,以及经验数据局限的影响,会导致较小的井筒需冷量计算结果,从而使得冻结站的装机能力存在缺陷。为此,需要根据井筒实际需冷量选择高效安全的螺杆机组充当冻结站装机容量。

第五,确定井筒冻结深度。对井筒冻结深度进行合理确定,这跟基岩段施工的不间断性以及井筒冻结段施工安全密切相关,为此,在井筒冻结方案当中需要对井筒冻结深度进行严格地审查。通常是由渗透系数、岩性、含水层等资料来确定冻结深度,务必深入不透水稳定岩层至少10m。在基岩下大概30m依旧存在含水层的过程中,需要将冻结深度延伸。

3 冻结造孔施工的开展

第一,在施工的过程中需要高度关注冻结管焊接的打压和质量、冻结孔的测斜、确认下管实际深度,以及复核冻结管配管总长度。

第二,在终孔测斜的过程中,因为通常在距孔底5m～7m的区域放置陀螺,为此,冻结深度的检查需要统一钻具丈量以及孔测斜应记录。

第三,钻场基础务必确保具备充足的平整度与承载能力,进而确保钻机的平移、正常施工钻孔竖直度。通常大概是700m的钻场基础厚度。倘若不能够有效地回填冻结钻场基础,那么在打钻的过程中,由于钻基础的沉降不够均匀,会使得结孔发生偏斜,就难以下放冻结到制定的区域。

4 控制冻结制冷施工的整个过程

第一,为了确保井筒掘砌施工可以在深厚黏土层中安全地通过,尤其是对于膨胀粘土层,井筒冻结单位需要系统化地管理其冻结运行,避免出现断管事故。盐水的流量和温度务必实现井筒安全施工的要求,保障-8℃以下的井帮温度,且对井帮位移量进行控制。在通过深厚膨胀粘土层的过程中,冻结单位需要强化测量工作面底鼓进、井帮温度,以及冻土入荒。

第二,在地沟槽旋工的过程中,需要跟掘砌单位沟通好,进而对地沟槽的建筑构造进行确定,从而实现将来井简掘砌通风以及出矸的要求。做好地沟槽地面的防水工作,防止在井筒中渗入地表水。

第三,必须均匀地搅拌溶化氯化钙,盐水浓度的确定结合盐水温度进行,避免氯化钙溶液发生析盐和析冰的情况。在冻结法施工的过程中,冷却水水源井区域变得十分关键。不适当地选用,会对冻结的效果产生不利的影响。通常来讲,需要在距冻结井筒至少300m、地下水的上游,以及降水漏斗影响范围外设计冻结井筒。对矿井周围500m的水源井做好登记,并且对冻结井筒的水文孔水位的改进进行监测,从而防止对井筒冻结交圈产生影响。

5 结语

总起来说,冻结法是岩土工程施工中的一种辅助手段,当遇到涌水、流沙和淤泥等复杂不稳定地质条件时,需要施工地下工程结构,在技术、经济分析比较的基础上,可以选用冻结法施工。冻结法凿井施工技术的引入,被普遍地应用于不稳定地层立井施工当中。在我国,冻结法凿井施工技术已经变成通过裂隙含水岩层和不稳定冲积层的重要施工技术,有着速度快和施工安全的巨大优势。经过上述的探究,在凿井施工中应用冻结法能够确保井筒的经济性和安全性。

[1]叶湘.冻结法凿井的若干问题研究[J].中国煤炭,2000,26(11):23-28．

[2]姚直书,程桦,张国勇 等.特厚冲积层冻结法凿井外层井壁受力实测研究[J].煤炭科学技术,2004(6):49-52．

[3]贺利民.冻结法在基坑支护工程中的应用研究[J].山西建筑,2007,33(8):135-136．

管玉华(1979-),男,汉族,2003年7月毕业于华北科技学院机电一体化专业,现在山东华新建筑工程集团有限责任公司从事矿井建设施工的技术管理工作,工程师。