冷冻竖井过高岭土段施工

2016-12-01李志超王志强杨红蕊河北钢铁集团矿业有限公司河北唐山063000

中国科技纵横 2016年10期

李志超　王志强　杨红蕊（河北钢铁集团矿业有限公司，河北唐山　063000）

冷冻竖井过高岭土段施工

李志超王志强杨红蕊
（河北钢铁集团矿业有限公司，河北唐山063000）

【摘要】高岭土黏土层在地下工程中被列为不良地层，未被揭露前，为强风化状或土状，与周围岩土保持平衡。一旦被开挖揭露，就迅速风化为颗粒状松散体，粘结强度迅速变低。本文根据工程地质水文条件结合特定的开采方式及施工方式，分析了竖井冷冻法施工中遇到高岭土地层的施工方案，介绍了冻结法施工中可能出现的问题及解决措施。

【关键词】冻结法施工高岭土施工方法措施

1　引言

高岭土黏土层的主要成分是硅铝酸盐遇水膨胀，体积增大，使土层膨胀。这不仅更加快了风化成松散体的速度，同时由于水对松散体的软化和冲刷，岩层的内摩擦角变小，稳定性变差，失去自我支撑能力，在竖井掘砌施工中造成大面积片帮，威胁施工安全。上述情况给竖井施工和设计都会带来很大麻烦，如果某一环节处理不当，就可能给施工带来巨大的损失，如山东某煤矿竖井在遇高岭土黏土层时，虽然井筒经过两层钢筋混凝土支护，但后来井壁还是承受不住巨大的地压力，最终开裂，严重影响了安全生产。对工程造成巨大损失。

2　矿床水文地质特征

矿区为第四系覆盖区，基岩上覆60-182.7m的第四系，第四系钻孔揭露覆盖层厚度122.7米，为河床、河漫滩冲洪积物。从北向南逐渐增厚，自上而下依次为粉土、圆砾、卵石、粉质粘土、卵石、粉质粘土、粘土或含砾粘土等。其中卵砾石层稳定，厚度较大。加之基岩风化层较厚，岩石挤压强度低，抗滑移系数较差。因此地层整体稳定性较差。竖井井口标高23米，中部为3层松散砂砾孔隙含水岩层，部分地层为成松散状高岭土化黏土，局部含砾石。

3　开采方式

采用地下开采方式，竖井开拓，平巷延伸方式。阶段采矿用后充填采矿法，竖井第四系含水层采用冻结法施工，双层钢筋双层混凝土护壁，井壁外层C50强度，750mm壁厚；内层C45强度，500mm壁厚。井筒净断面7.2米。

4　施工方式

由于冻结段严禁爆破施工，根据施工毛断面较大，可采取双提升的有利条件，施工单位采用两台日产0.2方挖掘机配合两只5立方米吊桶进行掘进，冷冻壁选用一勾机一炮锤方式，提高了冻结井壁掘进速度。当施工到井筒深度146米时，出现松散状高岭土层。因高岭土冻结时强度尚可，但若暴露时间过长，高岭土冻壁强度遭到破坏，则极可能造成冻壁破坏甚至混凝土井壁破坏的情况，后果难以想象。

5　过高岭土段施工方法

根据该区段地层特点及施工情况，总结了十二字措施方针，即“强冷冻，短掘进，勤支护，多观察”。

强冷冻：立井冻结法施工在开挖之前，通过布置冻结孔的方式，均匀在井壁以外0.5米-1.5米范围内，将井筒周围含水地层冻结成一个密不透水的冷冻壁，用于抵抗地压及水压的冲击，隔绝地下水与井筒之间的联系。而后在其保护下，进行掘砌施工。由于高岭土段强度较低，因此在过高岭土段施工过程中，我们采取人工加强冷冻的方式，加大冷冻壁的厚度及强度，保证施工顺利进行。

短掘进：由于立井冻结法施工掘进强度较大，一般采用模高4米模板的情况下，每模掘进时间在24-36小时，而在这段时间之内，冷冻壁暴漏在井筒的空气中，由于井下通风，温度较高，冷冻壁长时间暴露必然会降低冻壁强度，加之遇水膨胀，体积增大，使土层膨胀，后果将会很难控制。因此在本段施工中，我们采用“短掘进”的方法，即采用模高1米的模板施工，这样每模1米的掘进时间会控制在6-9小时，极大程度上较少了冻结井壁的暴露时间，降低了出现隐患的可能。

勤支护：同短掘进一样，勤支护也是为了缩短冻结井壁暴露时间，在每模1米的掘进工作完成后，立刻进行绑筋工作，采用1米模高的模板进行钢筋混凝土支护，是混凝土护壁尽快达到强度，进一步缩短冻壁暴露时间。这样，由于段高小，暴露时间短，有利于控制冻土的蠕变和冻胀力的发展。

多观察：由于竖井掘砌施工的不确定性，以及该地区地下水极其丰富的现状，掘砌施工全过程中，都要多注意观察。观察井筒冻壁的结霜现象，观察井筒冻壁的位移情况，观察井底涌水情况，必要情况下要进行掘前探水，即通过打探水孔的方式，提前确定前方工作面是否有水。同时，我们可以通过勤观察来发现已经发生的隐患，如发现前方工作面有水，通过探水注浆方式予以化解；如发现冻结壁出现位移、蠕变，则要立即加强冷冻，必要时可采取向已形成井筒灌注混凝土，后井筒注水至水平面的方法，平衡井壁内外压力。防止已成型的井壁出现破裂，降低事故对工程造成的损失。

6　施工中容易遇到的问题及解决措施

6.1冻结管断裂

在冻结井筒掘进过程中，冻结管断裂现象时有发生，尤其是近年来随着冻结深度逐渐增加，遇到黏土层的机会越来越多，冻结管断裂时有发生，究其原因主要有：冻结孔偏斜率大、冻结管焊接质量差、冻结壁变形过大等。其防治措施有：（1）加强冻结孔造孔过程中的测斜工作，勤测量，勤纠偏。保证所有冻结孔均匀分布在井壁周围，冻结过程中形成有效的冻结壁。（2）合理确定冻结孔圈径。若圈径过小，虽然井帮温度较低，但冻结壁整体厚度变小，可能造成井壁变形过大导致冻结管挤压破坏，因此要合理确定冻结孔圈径布置，保证冻壁厚度。（3）控制掘进段高（模高）和减少井帮暴露时间，这有利于控制冻土的蠕变和冻胀压力的发育，避免冷冻管被挤断。

6.2冻结井壁破裂

冻结井壁破裂在我国前些年的冻结井筒施工中是一种较为普遍的施工事故，究其原因有以下几个方面：对地层土体性质信息掌握不全，尤其是遇到含有膨胀性矿物如高岭土的地层；冻结壁强度低，冻壁蠕变导致外层井壁涨裂；低温情况下混凝土早期强度低，井壁在其未达到强度前破裂。其防治措施有：（1）加强冻结，形成有效的冻壁厚度和强度。（2）加强冻结孔偏斜率控制，防止冻结孔深入到井筒中，形成不必要的施工隐患。（3）弄清土层的物理力学性能，提前进行合理的设计并提前采取有效的施工方法，如遇到高岭土段，必须采取短掘短支的方式，尽快通过。