凍結(jié)法豎井施工技術(shù)

邱曉東,李永進(jìn)

(1.金建工程設(shè)計(jì)有限公司， 山東 煙臺(tái)市 264670；2.華煤集團(tuán)有限公司， 吉林 長(zhǎng)春市 130012)

凍結(jié)法鑿井主要是利用人工制冷技術(shù)，使地層土層中的自由水凍結(jié)，形成封閉的圓筒形凍結(jié)壁，以抵抗地壓并隔絕地下水與井筒的聯(lián)系，在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行掘砌作業(yè)的施工方法。在不穩(wěn)定地層中施工井筒時(shí)，凍結(jié)法具有適應(yīng)性強(qiáng)、支護(hù)結(jié)構(gòu)靈活、易控制、隔水性好、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。

1 凍結(jié)法豎井施工技術(shù)

1.1 凍結(jié)壁

凍結(jié)法豎井的掘砌作業(yè)是在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行的，凍結(jié)壁的安全與合理是確保凍結(jié)法鑿井安全、快速、經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵所在，是凍結(jié)法豎井建設(shè)的前提和基礎(chǔ)。主要的目的是既能滿足井筒安全掘砌，又能有利于井筒的提前開挖。既能保證凍結(jié)壁的均勻性，又能盡量減少凍結(jié)壁凍脹應(yīng)力。既能防止井筒開挖初期不片幫，又能盡可能的減少凍土入荒量，為掘砌施工創(chuàng)造有利條件，縮短鑿井工期。

1.2 井壁結(jié)構(gòu)

特殊的地層以及凍結(jié)施工工藝必然使得凍結(jié)豎井的井壁結(jié)構(gòu)與普通豎井不同,雙層復(fù)合井壁是目前國內(nèi)通用的凍結(jié)法豎井井壁結(jié)構(gòu)，其原理是在豎井凍結(jié)開挖期間由外壁作為臨時(shí)支護(hù)承受凍結(jié)壓力[1]與溫度應(yīng)力，外壁掘砌結(jié)束后，澆砌內(nèi)層井壁，地層解凍恢復(fù)原始狀態(tài)后內(nèi)外壁共同承受地壓。結(jié)合安徽省霍邱縣境內(nèi)某鐵礦南風(fēng)井的設(shè)計(jì)井壁結(jié)構(gòu)予以闡述。

礦山地處淮河流域中上游沖積平原區(qū)，礦床均為第四系地層覆蓋，厚度122.22～210.33 m，平均厚度167.96 m，第四系總體趨勢(shì)由北向南、由西向東逐漸增厚。礦床內(nèi)無大的地表水體，第四系上部普遍見粉質(zhì)亞粘土，厚度有68.19～90.95 m，分布廣，透水性差，為良好的隔水層，在天然狀態(tài)下，地表水和地下水之間的水力聯(lián)系極其微弱。

礦山設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力200萬t/a,采用尾砂充填采礦方法，豎井開拓方式，有主井、副井、進(jìn)風(fēng)井、南風(fēng)井、北風(fēng)井共5條豎井，都穿過第四系與砂層，前4條豎井均采用凍結(jié)法施工，北風(fēng)井前期采用注漿法封水掘砌施工，施工至97.7 m井深時(shí)，注漿堵水無效，以至無法下掘，被迫改為凍結(jié)法施工。

南風(fēng)井井筒凈直徑Φ4.5 m，根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，南風(fēng)井第四系土層與砂層厚度193.95 m(+40～-153.95 m)，以下強(qiáng)風(fēng)化巖厚度31.5 m(-153.95～-185.45 m)，不穩(wěn)定地層總厚225.45 m。設(shè)計(jì)凍結(jié)深度240 m。

1.2.1 井壁結(jié)構(gòu)選擇

復(fù)合井壁按照內(nèi)外壁之間有無塑料夾層分為兩種結(jié)構(gòu)，有塑料夾層,可以減少內(nèi)壁的溫度約束應(yīng)力裂縫，但由于外壁在凍結(jié)壁作用和短段掘砌施工方案的影響下并不能保證完全隔水，夾層的存在導(dǎo)通了地下各水層的水，破壞了原有地層中隔水層的隔水作用，使內(nèi)壁成為其外完全浸水的筒體，因此不允許內(nèi)壁任何一處有裂縫存在，這種井壁必須經(jīng)壁后注漿才是安全的，且該井壁成本較高。相關(guān)文獻(xiàn)中對(duì)一些凍結(jié)施工豎井的非采動(dòng)影響破壞[2]的原因調(diào)查表明，在礦山開采過程中第四系含水層水頭的大幅疏降,使該含水層及上覆土層產(chǎn)生壓縮和變形,且引起地表沉降,在地層發(fā)生變形的過程中對(duì)井壁產(chǎn)生垂直向下的附加力是井壁發(fā)生破裂的主要原因。礦山水文地質(zhì)條件表明，第四系有較好的隔水層，且礦山采用充填法開采，不至于造成第四系含水層的大幅疏降和上覆土層產(chǎn)生壓縮和變形，因此采用復(fù)合井壁無夾層結(jié)構(gòu)方案。

1.2.2 豎井地壓與井壁結(jié)構(gòu)

根據(jù)南風(fēng)井工程地質(zhì)鉆孔柱狀圖資料，不穩(wěn)定地層土性不同分為22層，最大地壓表現(xiàn)在21層(標(biāo)高-153.95～-168.25 m)，其次為16層(標(biāo)高-142.95～-153.95 m)，再次為10層(標(biāo)高-41.11～-81.6 m)，地壓作為井壁結(jié)構(gòu)選取的主要因素，還應(yīng)考慮凍結(jié)力、溫度應(yīng)力、附加荷載與地震荷載，據(jù)此對(duì)井壁厚度、外壁穩(wěn)定性，外壁抗凍結(jié)力與溫度應(yīng)力、整體井壁穩(wěn)定性、整體井壁抗壓強(qiáng)度等進(jìn)行確定。

地壓的一般規(guī)律是隨埋深增加而增大，如果統(tǒng)一按照最大壓力要求設(shè)計(jì)井壁，掘砌工程量加大，造成浪費(fèi)而降低礦山經(jīng)濟(jì)效益，因此分段式井壁為凍結(jié)法豎井所普遍采用，南風(fēng)井井壁結(jié)構(gòu)分三段設(shè)計(jì)，支護(hù)厚度自上而下分為第一段700 mm、第二段800 mm和第三段950 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35～C40，井壁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 凍結(jié)法井壁結(jié)構(gòu)示意

2 北風(fēng)井施工出現(xiàn)的問題

礦山北風(fēng)井前期采用注漿法施工，井壁為500 mm單層鋼筋混凝土支護(hù)，施工至97.7 m井深時(shí),注漿堵水無效以至無法下掘，改為凍結(jié)法施工，凍結(jié)深度175 m，在凍結(jié)段施工結(jié)束繼續(xù)下掘至-170 m標(biāo)高時(shí)，凍結(jié)段井壁出現(xiàn)不同程度的裂縫，主要裂縫有4條，為環(huán)形水平不連續(xù)裂縫，最大裂縫存在于標(biāo)高-81.793 m，最寬處達(dá)10 mm以上，出現(xiàn)輕微滲水現(xiàn)象。

針對(duì)出現(xiàn)的問題，結(jié)合北風(fēng)井凍結(jié)方案、施工方案進(jìn)行分析研究，主要因素有以下幾個(gè)方面：

(1) 工期要求時(shí)間緊，且為了水文觀測(cè)孔的布置，凍結(jié)圈相對(duì)較大，凍結(jié)時(shí)間短，開挖時(shí)凍結(jié)圈尚未交圈，凍結(jié)壁強(qiáng)度不足，降低了對(duì)外井壁的外支撐作用;

(2) 改為凍結(jié)法施工后沒有及時(shí)調(diào)整井壁結(jié)構(gòu)，仍然采用單層井壁，使得在凍結(jié)結(jié)束地層解凍恢復(fù)地壓后單層井壁受壓，而單層井壁在凍結(jié)施工時(shí)受條件限制強(qiáng)度不足;

(3) 設(shè)計(jì)于-63.7 m標(biāo)高處有壁座，而在施工至此處為砂層，沒有及時(shí)調(diào)整位置進(jìn)行施工，同時(shí)由于凍結(jié)壁強(qiáng)度不足，摩擦力降低，造成混凝土在重力作用下產(chǎn)生拉裂，形成裂縫。

經(jīng)分析研究確定，為防止裂縫繼續(xù)擴(kuò)大，盡快實(shí)施增加鋼筋混凝土內(nèi)壁方案，厚度250 mm，高度為-170～-33 m，在-170 m標(biāo)高設(shè)壁座增加對(duì)上部井壁進(jìn)行支撐。采取該方案后，北風(fēng)井也順利穿過上部不穩(wěn)定地層。

3 結(jié) 論

(1) 雙層復(fù)合井壁是凍結(jié)法施工豎井時(shí)確保井壁安全的可靠保障。在豎井凍結(jié)開挖期間外壁接觸的凍結(jié)壁環(huán)境條件惡劣，在短段掘砌施工因素的影響下，砌筑過程中外井壁受反復(fù)的凍脹應(yīng)力作用，并不能保證完全隔水。必須在外壁掘砌結(jié)束后，地層恢復(fù)原有狀態(tài)前及時(shí)施工內(nèi)壁以達(dá)到內(nèi)外壁共同抗壓和封水目的。

(2) 外壁筑壁前凍結(jié)壁溫度一般在-5℃～-10℃，約在筑壁后1 d左右開始承受一定的凍結(jié)壓力，因而要求采取必要的早強(qiáng)防凍措施，使不同齡期的混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率超過凍結(jié)壓力的最大增長(zhǎng)率，降至零度前混凝土的強(qiáng)度大大超過“凍害臨界強(qiáng)度”，有效地防止外層井壁壓壞和凍結(jié)管的斷裂。

(3) 澆筑內(nèi)壁普遍采用滑模施工，連續(xù)澆注，混凝土體積大，在硬化過程中產(chǎn)生一定的收縮作用，井壁易產(chǎn)生橫向裂縫，降低隔水性能。澆筑前應(yīng)將外層井壁的內(nèi)表面冰、霜清除干凈，以保證內(nèi)層井壁厚度和質(zhì)量。并采用礦物添加劑與防裂密實(shí)劑等配制低水化熱防裂密實(shí)高性能混凝土，較全面地適應(yīng)凍結(jié)井筒內(nèi)層井壁連續(xù)筑壁時(shí)大體積混凝土的收縮裂縫和溫差裂縫，提高井壁的整體性和封水性。

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