冻结立井外壁掘砌全流程控制方法研究

王成博，张海骄，张俊卿

（淮南矿业集团，安徽 淮南 232000）

冻结立井外壁掘砌全流程控制方法研究

王成博，张海骄，张俊卿

（淮南矿业集团，安徽 淮南 232000）

摘要：冻结立井外壁施工往往因为冻结壁强度不够、施工质量不高、设计缺陷等原因造成混凝土外壁破坏、断管、透水淹井等事故，目前除了对冻结壁加强冻结、提高外壁混凝土标号、缩短段高等有限手段来防止事故发生外，没有更为有效的方法处理上述问题。淮南某矿副井表土段厚340m，其中，粘土层总厚度占表土段的66%，其中2层厚度超过10m的膨胀粘土，具有很大的膨胀性，施工难度很大。为了保证安全快速通过表土段外壁掘砌，研究了如何加强冻结壁温度场的预测预报、井帮温度准确控制等技术，同时，设置壁爪和卸压槽、敷设泡沫板、控制混凝土原材料质量、研究特殊快速混凝土、控制循环时间等多种措施，实现了冻结段安全快速施工，未发生断管、透水等事故，安全高效通过表土段施工。

关键词：冻结立井；厚粘土；快速施工；外壁掘砌

本井筒净直径8.8 m，最大荒径12.75 m，深度876.5m（累深，下同），井底水平标高为-820 m。采用“上冻下注”法施工，冻结深度406 m，基岩段采用地面预注浆封水法，注浆范围370 m～942m。冻结工程为了能满足外壁掘砌时起到稳定围堰和封水要求，采用主冻孔+辅助孔+防片帮孔三圈孔的设计。冻结壁设计厚度7.3 m，双层井壁，最大壁厚1.7 m，混凝土标号为C30～C70。冻结段厚度超过10m的粘土层共有6层，其中最厚一层达37.1 m，2层厚膨胀粘土，最厚14.6 m，由于该层粘土较厚、埋深大、且具有膨胀性，故在外壁施工时，存在极大的断管、透水等安全威胁［1］。

1　地质概况

见表1，新地层底界深338.85 m，取芯段厚308.85 m，划分为49个分层，由粘土、砂质粘土、细砂、中砂、粗砂、砂砾层、粉砂、钙质粘土等组成。粘土、砂质粘土、钙质粘土类总厚203.8 m，占取芯地层总厚的66.0%；细砂、中砂、粗砂、砂砾总厚71.85 m，占取芯地层总厚的23.3%；粉砂厚33.2 m，占取芯地层总厚的10.7%。

表1　新生界地层分岩性层数与厚度统计表

本区新生界地层结构特征：①粘土、砂质粘土层数多、厚度大，单层厚度大于5m的有13层，最大单层厚度达37.1m，粘土、砂质粘土层总厚181.1 m，占新地层总厚的56.5%，显示以粘土为主的特点；②下部钙质粘土、钙质粘土夹砾石层，因受钙化，粘结性、可塑性差，呈半固结状；③底部砾石层，呈块状，分选性差，主要成分为石英砂岩，在谢桥、张集地区普遍分布，超复于基岩之上，称之为“红层”，其时代可能早于第四系。

2　关键技术与全流程控制方法

因为本井筒直径大、地质状况复杂，所以对冻结段施工进行方案研究、冻结壁发展、井帮温度预测预报，以及外壁混凝土质量的过程控制尤为重要。掘进过厚粘土层和膨胀粘土层时［2］，采取了一系列有效手段，如：研究冻结温度场关键技术，加强冻结的预测预报、控制井帮温度，缩短段高控制循环时间、严格把关混凝土质量、加厚泡沫板、设置壁爪和卸压槽、加强片帮管理等措施［3］。

2.1关键技术

井筒冻结段施工，冻结发展的预测非常重要，预测的准确与否直接影响到下一阶段的施工能否进行，甚至影响到井筒是否安全。目前，施工单位和科研单位都在积极研究冻结温度场计算和模拟技术，其中就包括了冻结预测技术，但大多都处在完善和实验阶段，也有的还一直在使用经验法，虽然这些技术对冻结的预测有很大帮助，但有时误差太大，仍然不能为井筒掘进施工提供可靠的依据。

基于以上原因，提出了冻结壁温度场计算新方法，并根据现场实测数据对比分析，得到一个契合实际的结论，指导施工。介绍如下：

1）根据冻融原理和热能交换理论，建立了计算模型，并利用数理方法，推导出计算冻结壁交圈时间和冻结壁发展状况的关键计算公式如下：

①冻结壁交圈时间计算公式：

②冻结壁最薄弱处厚度计算公式：

③冻结壁任意位置及井帮温度计算公式：

式中：Lc为最大冻结孔间距，m；r1为单管冻结管第1天发展半径，m；Rn为单孔冻结壁半径，m；Rb为冻结壁到任一点的距离，m；其他符号的含义如表2所示。

根据以上公式，准确预测了冻结交圈的时间，并在井筒试挖前，预测了一定开挖速度情况下的整个冻结段施工过程中，每个层位的井帮温度、冻结壁有效厚度和强度、冻结壁薄弱区和方位，解决了问题，保证了安全。

2）通过以上公式计算出的冻结壁交圈时间与实际交圈时间误差为±4 d，冻结壁厚度与实测值误差±200 mm，井帮温度与实测值误差为±1℃，预测数据具有很高的可信度。实测时因有个别冻结管偏斜问题或片帮问题，引起局部井帮温度偏高或偏低，属于正常现象［4］。预测结果如表2所示。

表2　二水平项目部冻结壁温度场预测计算结果

通过准确预测预报井帮温度、冻结壁发展情况，有效地指导掘砌施工，为井筒安全、快速通过表土段施工创造了有利条件。

2.2全流程质量控制

1）超前挖小井泄压，然后向四周依次开挖，并在粘土层中开挖泄压槽和壁爪，有效防止了井壁下沉。泡沫板的敷设是给混凝土保温，并在井帮有位移时，起到前期吸收变形、保护混凝土不被压坏的作用。故根据现场实际情况，我们制定了加或不加泡沫板的原则：①井帮温度高于-1℃时不加；②井帮片帮较严重时不加；③井帮无变形时，且井帮温度在-3℃以上时不加；④井帮温度在-1℃以下且不片帮时或在-3℃以下时加泡沫板。

总之，泡沫板的加与不加，应全面考虑，实时掌握，随机应变，目的是保护混凝土、确保围抱力。尤其是在特殊位置（如井筒变径处），应权衡利弊，采取更为有利的措施，确保井壁混凝土安全［5］。

2）因现场原材料的含水率随天气变化而改变，故搅拌站很难按原配合比的水灰比施工，需要根据混凝土塌落度实时调整水灰比，使塌落度严格控制在设计范围以内。项目部技术小组因此安排了跟班人员现场盯班，观察并随机抽检混凝土的塌落度。

同时，严格把关土产材料质量。制定了严格的土产材料进场验收制度，进场的每车材料均要经过项目部、监理、施工方现场取样、试验，并录像记录下过程，合格的才可以卸车使用，验收不合格的材料坚决清退出场，在源头很好地控制了混凝土质量，为保证井壁质量打下了坚实的基础，满足了混凝土早期强度和脱模时间要求。

在混凝土试块抽检方面，不但要求施工单位按规范要求进行送检，项目部还随机抽检试块送第三家进行试压，包括8 h～72 h的强度情况，实时掌握混凝土质量。应重点把握以下几个方面：①配合比实验及现场配比计量设备的随机校验；②严把原材料质量；③现场搅拌站的管理，重点是塌落度控制；④试块的管理及抽检。

3）由于防片帮孔的设计原因，间距过大，井壁局部地方产生了片帮。在施工过程中，我们根据冻结壁厚度、强度，以及井帮位移情况，综合分析，认为冻结壁已具备足够强度，井帮位移也是在安全可控范围内（井帮位移没有超过10mm/4 h），虽然有部分粘土层中片帮，但外壁掘砌工作是安全的。

片帮管理：虽然井帮局部温度达到设计要求，但两孔之间井帮温度有时仍然很高，施工中曾经出现过大范围的片帮情况，给冻结管安全乃至井壁安全带来不小的威胁，为此采取了相应措施。首先，加快掘砌速度，减少井帮暴露时间；其次，开帮时不要一次开到荒径位置，等掘到一定段高后（1.5m～2 m），再刷帮至荒径大小，及时清理片下来的土，坚决不容许土往混凝土里片；最后，加大防片孔的流量，加快防片孔的冻结速度。

4）对几个主要的含水层水文孔均进行了报导，而且已将含水层的冻胀水释放出来，其他没有报导的含水层，在掘到该层位上面2 m时，向下提前挖水泱子，释放下面的水压力，将水提前排出。尤其值得总结的是，提前释放风化基岩上面的砾石层的水为安全通过该层位提供了安全保障。

5）安排专人每天检查井壁，发现异常情况，立即采取措施。在现场准备了井圈、钢槽背板等抢险物资。

总之，冻结井筒掘砌工作的几项重点工作是：首先，有强有力的技术支持，提前做好预测、预报工作，保证安全、高效施工；其次，严把混凝土质量关，从源头来抓，不能只搞好试块，过程控制是关键；最后，细部工作要细致，比如，井筒变径处的施工方案，片帮的管理，泡沫板的敷设，钢筋的绑扎，脱模和开帮的时间，冻结机组的开、停机等工作，均需要细致的分析，才能做出合理的决策［6］。

3　结束语

第二副井实现了安全、快速的掘砌，在施工过程中没有出现一处断管，掘砌单位基本没有超挖冻土，做到了冻结和外壁掘砌的完美协调。具体如下：

1）积极、准确地做好冻结的预测、预报工作，为掘砌施工提供重要指导意义，及时采取合适的预防措施，创造最优的施工条件。

2）详细地叙述了过厚粘土层的一些有效的施工方法，但最根本、最有效的方法是冻结的方案设计。在方案设计完成后应根据该方案进行预测，再根据预测的结果进一步优化方案，才能最大程度地保证掘砌的安全和连续施工。

3）过程的质量控制是关键，尤其是井壁混凝土质量，关键体现在原材料质量，以及混凝土搅拌过程中。

4）重视每一个细节，井筒施工中每个环节和工序都很关键，必须充分研究，才能做出正确的决策。

参考文献：

［1］江军，唐胜民.大直径深立井安全、优质、快速施工［J］.建井技术.2012，33（4）：11-14.

［2］关玉祥.巨厚表土层大直径立井井筒冻结法施工技术［J］.山东煤炭科技.2009（1）：72-73.

［3］江军，冯广奎.立井冻结段金属块模套内壁施工［J］.建井技术.2012，33（1）：7-8，17.

［4］羊群山，袁浩，何杰兵.大断面深立井井筒冻结表土段快速施工技术［J］.煤炭技术.2009，28（9）：128-130.

［5］江军.立井井筒深厚冻结表土段快速施工实践［J］.建井技术.2008（6）：8-9.

［6］程桦，姚直书.巨野矿区冻结法凿井关键技术问题［A］.矿山建设学术会议论文选集［C］.2002：15-19.

（编辑：李森森）

中图分类号：TD421.4

文献标识码：A

文章编号：1672-5050（2016）03-042-04

DO I：10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.06.013

收稿日期：2016-02-23

作者简介：王成博（1980-），男，河北唐山人，本科，助教，从事煤矿生产技术工作。

W hole-process Control M ethod for Outer W all Excavation and Lining in Freezing Shafts

WANG Chengbo,ZHANG Haijiao,ZHANG Junqing
（Huainan Mining Industry（Group）Co.，Ltd.，Huainan 232000，China）

Abstract：In the construction of outer wall of freezing shafts，some factors，including insufficient strength of freezing wall，poor construction，and defective designs，cause the damage of concrete outer wall，breaking pipes，shaftsubmergence，and other accidents.Atpresent，in addition to a limited number ofmethods，such as strengthening freezing wall，raising concrete grade，and shortening sectional height，there are no other effective ways to prevent the accidents.In amine in Huainan Mining Industry Group，the topsoilof itsauxiliary shaft is340meters thick and the total thicknessof clay layeraccounts for66%. There are two layers of swelling clay，more than 10 meters thick.With huge expansibility of the clay layers，the construction is very difficult.To ensure safe and fast passing the outer wall excavation and lining of the top soil，the paper studies how to improve the prediction of temperature field of the freezing wall and accuracy control of the temperature at themine sides.In themeantime，multiplemeasures are used to realize safe and fast construction in the freezing section，including setting wall claws and pressure-relief slots，laying foam board，controlling raw material quality of the concrete，developing special rapid concrete，controlling cycle time.Therefore，safe and fast construction passing the top soil in the freezing shafthasbeen achieved withoutbreaking pipesand water inrush accidents.

Keywords：freezing shaft；thick clay；rapid construction；outerwallexcavation and lining