初探快速强化冻结法施工动态设计方法

2015-10-09中煤特殊凿井有限责任公司安徽淮北235044

山东工业技术 2015年19期

关键词：探究

黄　鹤（中煤特殊凿井有限责任公司,安徽　淮北　235044）

初探快速强化冻结法施工动态设计方法

黄鹤
（中煤特殊凿井有限责任公司,安徽淮北235044）

摘要：近年来，冻结法已在我国很多座城市的地铁及市政基础设施施工中得到了广泛的应用。通过技术的使用及不断的更新，相关工程技术人员已经掌握冻结设计与施工方法，并学会地层变形的控制方法，积累了大量的资料及工程实践经验。当下，我国对冻结法的使用在世界位居前列。本文笔者将对快速强化冻结法施工动态设计的方法进行探究。

关键词：快速强化冻结法；施工动态设计；探究

1　快速强化冻结设计的目的

快速强化冻结设计的目的与工程建设的目的是具有一致性的，都是为了实现施工的高效、安全、快速与优质，即在资源投入最少的情况下，保证地层冻结加固的实际效果达到最佳。在具体的施工过程中，施工要求与冻结设计受施工条件与地层条件的影响较大。例如，如果土层为深厚的粘土，那么施工与设计的重点问题就应当是如何解决外层井壁压坏并防止冻结管断裂；如果地层条件相对较好，那么施工的重点问题就应当是如何有效减少冻结施工的成本投入以及如何保证井筒掘砌施工速度的提高。

2　设计原则

冻结设计在强化的过程中要遵循以下七个原则。

第一，把握施工建设核心。冻结设计的核心在于实现工程建设的总体目标，即施工中要将安全放在首位，其次要保证工程建设的质量与施工进度能够满足建设需要，最后工艺技术的选取要以经济合理为依据，将成本控制在合理范围内。

第二，施工设计因地制宜。不同地区的地质条件存在差异，因此对施工的要求也不一致，针对不同的建设要求应当选择适宜的冻结施工设计。例如，若建设地区的冻结井筒中不存在深厚粘土的土层，那么可不采取强化冻结方法进行处理。

第三，根据实际情况设计或调整参数。冻结设计施工中应当考虑到的问题包括井筒掘砌施工的速度、井帮暴露的时间、井壁结构、井壁变形、掘井段高等，根据施工中的要求不同，要不断调整相关参数。为了使操作简便化，施工与设计人员可依据合同内的相关标准与规范设计冻结施工的相关参数，然后结合实际工程中掘砌施工与冻结壁的情况将施工速度以及掘进段高等参数进行合理调整。

第四，对冻结壁的安全性进行评定。这一原则是快速强化冻结设计与以往冻结设计的根本区别所在，它能够为工期的缩短以及成本的降低奠定良好的基础。井筒冻结施工过程较长，在这期间冻结壁的温度与厚度会一直处于变化的状态，因此为了保证施工的安全，每到达一个不同的施工层位，都需对当时的土层特性以及冻结壁的实际情况进行分析，对冻结壁的安全性予以评定。

第五，将防控冻结壁变形作为设计中的重点。冻结壁如果发生变形，就很可能导致冻结管发生断裂或者导致外层井壁出现压坏的现象。从理论上是很难对变形的发生予以准确判断，因此预测变形的发生一般都以施工经验为依据，冻结壁在设计时以及冻结孔在布置时应用到的相关指标包括冻结管距离井帮的长度、掘进过程中井帮的温度以及冻土的入荒量。

第六，评价设计方案可行性要进行多方面分析。在制定设计方案时受到施工情况与地层条件的限制，相关人员很难精确地对冻结壁进行设计，因此若想评价设计方案的可行性需要从多方面进行分析，例如通过工程类比法与理论分析法进行综合考量，将工程中的实际施工规律为主要判断依据。

第七，施工中要进行监测与预测。为了保证施工的安全性以及施工工艺应用的合理性，需要对工程建设予以实时监测，并对未来一阶段的施工情况予以预测，保证能够及时发现施工中的问题并采取对策进行解决。

3　设计内容

（1）收集资料分析问题。基础资料是进行施工设计的前提，只有对相关资料予以充分的分析与了解才能够保证施工设计的合理性。相关资料包括井筒设计的相关参数、井筒附近的地质资料、掘砌与冻结施工的工期要求、类似工程的建设经验等。

另外，还要对冻结设计中可能出现的主要问题进行分析，并在设计方案中对这些问题进行规避或解决，从而确定关键性的冻结工艺。

（2）根据规定及经验确定设计参数。由于地质与施工条件的复杂性，相关参数难以做到精确化设计，因此需以有关规定以及类似的设计经验为依据，确定基本参数。这些参数包括井帮暴露时间、井帮位移、井帮温度、冻结方式、冻结深度、冻结管直径、供冷方式、盐水流量、盐水温度、井筒挖掘时间、掘砌段高等。砂性地层要注意，这类地层的冻结设计可不予以井帮移位的相关参数，但是要给出冻结壁可以出现塑性的范围值。

除此之外，还要对主要控制层中的冻结壁部分的有效厚度进行计算，并需在未布置冻结孔的前提下根据冻结时间、井帮温度、盐水温度以及相邻冻结孔之间的最大间隔等设计参数，将冻结壁的平均温度予以确定。然后还要对冻结孔布置中的相关参数予以计算，例如孔间间距、各方向上的合理偏斜范围以及圈径等。

（3）验算强度及稳定性。当以上参数确定后需对冻结壁予以动态校验，校验的项目包括不同冻结时间以及掘进深度下冻结壁稳定的平均值、井帮温度、冻结壁交圈以及冻土进到荒径中的时间与位置等。当校验值超出控制范围时，应当及时对冻结孔的相关参数予以调整，必要时可对冻结工艺进行改变，将冻结参数进行调整。

最后还要对冻结壁的稳定性与强度进行分层验算，一旦出现与控制要求不符的情况，要重新对冻结孔进行布置或者将冻结工艺进行调整。

（4）供冷系统设计。首先要对总体上的盐水流量进行计算，计算方法为将单只冻结孔的盐水流量乘上冻结孔的总数；其次要对整个系统的需冷量进行计算，计算的依据为冻结管上的散热面积；再次要根据制冷设备本身的参数以及盐水的温度对冷冻机的容量进行确定；最后，根据冻结系统的参数确定配套的设备选型。