凍結(jié)立井外壁掘砌全流程控制方法研究

王成博，張海驕，張俊卿

（淮南礦業(yè)集團(tuán)，安徽 淮南 232000）

凍結(jié)立井外壁掘砌全流程控制方法研究

王成博，張海驕，張俊卿

（淮南礦業(yè)集團(tuán)，安徽 淮南 232000）

摘要：凍結(jié)立井外壁施工往往因?yàn)閮鼋Y(jié)壁強(qiáng)度不夠、施工質(zhì)量不高、設(shè)計(jì)缺陷等原因造成混凝土外壁破壞、斷管、透水淹井等事故，目前除了對(duì)凍結(jié)壁加強(qiáng)凍結(jié)、提高外壁混凝土標(biāo)號(hào)、縮短段高等有限手段來防止事故發(fā)生外，沒有更為有效的方法處理上述問題?；茨夏车V副井表土段厚340m，其中，粘土層總厚度占表土段的66%，其中2層厚度超過10m的膨脹粘土，具有很大的膨脹性，施工難度很大。為了保證安全快速通過表土段外壁掘砌，研究了如何加強(qiáng)凍結(jié)壁溫度場(chǎng)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、井幫溫度準(zhǔn)確控制等技術(shù)，同時(shí)，設(shè)置壁爪和卸壓槽、敷設(shè)泡沫板、控制混凝土原材料質(zhì)量、研究特殊快速混凝土、控制循環(huán)時(shí)間等多種措施，實(shí)現(xiàn)了凍結(jié)段安全快速施工，未發(fā)生斷管、透水等事故，安全高效通過表土段施工。

關(guān)鍵詞：凍結(jié)立井；厚粘土；快速施工；外壁掘砌

本井筒凈直徑8.8 m，最大荒徑12.75 m，深度876.5m（累深，下同），井底水平標(biāo)高為-820 m。采用“上凍下注”法施工，凍結(jié)深度406 m，基巖段采用地面預(yù)注漿封水法，注漿范圍370 m～942m。凍結(jié)工程為了能滿足外壁掘砌時(shí)起到穩(wěn)定圍堰和封水要求，采用主凍孔+輔助孔+防片幫孔三圈孔的設(shè)計(jì)。凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度7.3 m，雙層井壁，最大壁厚1.7 m，混凝土標(biāo)號(hào)為C30～C70。凍結(jié)段厚度超過10m的粘土層共有6層，其中最厚一層達(dá)37.1 m，2層厚膨脹粘土，最厚14.6 m，由于該層粘土較厚、埋深大、且具有膨脹性，故在外壁施工時(shí)，存在極大的斷管、透水等安全威脅［1］。

1　地質(zhì)概況

見表1，新地層底界深338.85 m，取芯段厚308.85 m，劃分為49個(gè)分層，由粘土、砂質(zhì)粘土、細(xì)砂、中砂、粗砂、砂礫層、粉砂、鈣質(zhì)粘土等組成。粘土、砂質(zhì)粘土、鈣質(zhì)粘土類總厚203.8 m，占取芯地層總厚的66.0%；細(xì)砂、中砂、粗砂、砂礫總厚71.85 m，占取芯地層總厚的23.3%；粉砂厚33.2 m，占取芯地層總厚的10.7%。

表1　新生界地層分巖性層數(shù)與厚度統(tǒng)計(jì)表

本區(qū)新生界地層結(jié)構(gòu)特征：①粘土、砂質(zhì)粘土層數(shù)多、厚度大，單層厚度大于5m的有13層，最大單層厚度達(dá)37.1m，粘土、砂質(zhì)粘土層總厚181.1 m，占新地層總厚的56.5%，顯示以粘土為主的特點(diǎn)；②下部鈣質(zhì)粘土、鈣質(zhì)粘土夾礫石層，因受鈣化，粘結(jié)性、可塑性差，呈半固結(jié)狀；③底部礫石層，呈塊狀，分選性差，主要成分為石英砂巖，在謝橋、張集地區(qū)普遍分布，超復(fù)于基巖之上，稱之為“紅層”，其時(shí)代可能早于第四系。

2　關(guān)鍵技術(shù)與全流程控制方法

因?yàn)楸揪仓睆酱?、地質(zhì)狀況復(fù)雜，所以對(duì)凍結(jié)段施工進(jìn)行方案研究、凍結(jié)壁發(fā)展、井幫溫度預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，以及外壁混凝土質(zhì)量的過程控制尤為重要。掘進(jìn)過厚粘土層和膨脹粘土層時(shí)［2］，采取了一系列有效手段，如：研究?jī)鼋Y(jié)溫度場(chǎng)關(guān)鍵技術(shù)，加強(qiáng)凍結(jié)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、控制井幫溫度，縮短段高控制循環(huán)時(shí)間、嚴(yán)格把關(guān)混凝土質(zhì)量、加厚泡沫板、設(shè)置壁爪和卸壓槽、加強(qiáng)片幫管理等措施［3］。

2.1關(guān)鍵技術(shù)

井筒凍結(jié)段施工，凍結(jié)發(fā)展的預(yù)測(cè)非常重要，預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確與否直接影響到下一階段的施工能否進(jìn)行，甚至影響到井筒是否安全。目前，施工單位和科研單位都在積極研究?jī)鼋Y(jié)溫度場(chǎng)計(jì)算和模擬技術(shù)，其中就包括了凍結(jié)預(yù)測(cè)技術(shù)，但大多都處在完善和實(shí)驗(yàn)階段，也有的還一直在使用經(jīng)驗(yàn)法，雖然這些技術(shù)對(duì)凍結(jié)的預(yù)測(cè)有很大幫助，但有時(shí)誤差太大，仍然不能為井筒掘進(jìn)施工提供可靠的依據(jù)。

基于以上原因，提出了凍結(jié)壁溫度場(chǎng)計(jì)算新方法，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得到一個(gè)契合實(shí)際的結(jié)論，指導(dǎo)施工。介紹如下：

1）根據(jù)凍融原理和熱能交換理論，建立了計(jì)算模型，并利用數(shù)理方法，推導(dǎo)出計(jì)算凍結(jié)壁交圈時(shí)間和凍結(jié)壁發(fā)展?fàn)顩r的關(guān)鍵計(jì)算公式如下：

①凍結(jié)壁交圈時(shí)間計(jì)算公式：

②凍結(jié)壁最薄弱處厚度計(jì)算公式：

③凍結(jié)壁任意位置及井幫溫度計(jì)算公式：

式中：Lc為最大凍結(jié)孔間距，m；r1為單管凍結(jié)管第1天發(fā)展半徑，m；Rn為單孔凍結(jié)壁半徑，m；Rb為凍結(jié)壁到任一點(diǎn)的距離，m；其他符號(hào)的含義如表2所示。

根據(jù)以上公式，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了凍結(jié)交圈的時(shí)間，并在井筒試挖前，預(yù)測(cè)了一定開挖速度情況下的整個(gè)凍結(jié)段施工過程中，每個(gè)層位的井幫溫度、凍結(jié)壁有效厚度和強(qiáng)度、凍結(jié)壁薄弱區(qū)和方位，解決了問題，保證了安全。

2）通過以上公式計(jì)算出的凍結(jié)壁交圈時(shí)間與實(shí)際交圈時(shí)間誤差為±4 d，凍結(jié)壁厚度與實(shí)測(cè)值誤差±200 mm，井幫溫度與實(shí)測(cè)值誤差為±1℃，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)具有很高的可信度。實(shí)測(cè)時(shí)因有個(gè)別凍結(jié)管偏斜問題或片幫問題，引起局部井幫溫度偏高或偏低，屬于正?，F(xiàn)象［4］。預(yù)測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2　二水平項(xiàng)目部?jī)鼋Y(jié)壁溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果

通過準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)井幫溫度、凍結(jié)壁發(fā)展情況，有效地指導(dǎo)掘砌施工，為井筒安全、快速通過表土段施工創(chuàng)造了有利條件。

2.2全流程質(zhì)量控制

1）超前挖小井泄壓，然后向四周依次開挖，并在粘土層中開挖泄壓槽和壁爪，有效防止了井壁下沉。泡沫板的敷設(shè)是給混凝土保溫，并在井幫有位移時(shí)，起到前期吸收變形、保護(hù)混凝土不被壓壞的作用。故根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，我們制定了加或不加泡沫板的原則：①井幫溫度高于-1℃時(shí)不加；②井幫片幫較嚴(yán)重時(shí)不加；③井幫無變形時(shí)，且井幫溫度在-3℃以上時(shí)不加；④井幫溫度在-1℃以下且不片幫時(shí)或在-3℃以下時(shí)加泡沫板。

總之，泡沫板的加與不加，應(yīng)全面考慮，實(shí)時(shí)掌握，隨機(jī)應(yīng)變，目的是保護(hù)混凝土、確保圍抱力。尤其是在特殊位置（如井筒變徑處），應(yīng)權(quán)衡利弊，采取更為有利的措施，確保井壁混凝土安全［5］。

2）因現(xiàn)場(chǎng)原材料的含水率隨天氣變化而改變，故攪拌站很難按原配合比的水灰比施工，需要根據(jù)混凝土塌落度實(shí)時(shí)調(diào)整水灰比，使塌落度嚴(yán)格控制在設(shè)計(jì)范圍以內(nèi)。項(xiàng)目部技術(shù)小組因此安排了跟班人員現(xiàn)場(chǎng)盯班，觀察并隨機(jī)抽檢混凝土的塌落度。

同時(shí)，嚴(yán)格把關(guān)土產(chǎn)材料質(zhì)量。制定了嚴(yán)格的土產(chǎn)材料進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收制度，進(jìn)場(chǎng)的每車材料均要經(jīng)過項(xiàng)目部、監(jiān)理、施工方現(xiàn)場(chǎng)取樣、試驗(yàn)，并錄像記錄下過程，合格的才可以卸車使用，驗(yàn)收不合格的材料堅(jiān)決清退出場(chǎng)，在源頭很好地控制了混凝土質(zhì)量，為保證井壁質(zhì)量打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，滿足了混凝土早期強(qiáng)度和脫模時(shí)間要求。

在混凝土試塊抽檢方面，不但要求施工單位按規(guī)范要求進(jìn)行送檢，項(xiàng)目部還隨機(jī)抽檢試塊送第三家進(jìn)行試壓，包括8 h～72 h的強(qiáng)度情況，實(shí)時(shí)掌握混凝土質(zhì)量。應(yīng)重點(diǎn)把握以下幾個(gè)方面：①配合比實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)配比計(jì)量設(shè)備的隨機(jī)校驗(yàn)；②嚴(yán)把原材料質(zhì)量；③現(xiàn)場(chǎng)攪拌站的管理，重點(diǎn)是塌落度控制；④試塊的管理及抽檢。

3）由于防片幫孔的設(shè)計(jì)原因，間距過大，井壁局部地方產(chǎn)生了片幫。在施工過程中，我們根據(jù)凍結(jié)壁厚度、強(qiáng)度，以及井幫位移情況，綜合分析，認(rèn)為凍結(jié)壁已具備足夠強(qiáng)度，井幫位移也是在安全可控范圍內(nèi)（井幫位移沒有超過10mm/4 h），雖然有部分粘土層中片幫，但外壁掘砌工作是安全的。

片幫管理：雖然井幫局部溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但兩孔之間井幫溫度有時(shí)仍然很高，施工中曾經(jīng)出現(xiàn)過大范圍的片幫情況，給凍結(jié)管安全乃至井壁安全帶來不小的威脅，為此采取了相應(yīng)措施。首先，加快掘砌速度，減少井幫暴露時(shí)間；其次，開幫時(shí)不要一次開到荒徑位置，等掘到一定段高后（1.5m～2 m），再刷幫至荒徑大小，及時(shí)清理片下來的土，堅(jiān)決不容許土往混凝土里片；最后，加大防片孔的流量，加快防片孔的凍結(jié)速度。

4）對(duì)幾個(gè)主要的含水層水文孔均進(jìn)行了報(bào)導(dǎo)，而且已將含水層的凍脹水釋放出來，其他沒有報(bào)導(dǎo)的含水層，在掘到該層位上面2 m時(shí)，向下提前挖水泱子，釋放下面的水壓力，將水提前排出。尤其值得總結(jié)的是，提前釋放風(fēng)化基巖上面的礫石層的水為安全通過該層位提供了安全保障。

5）安排專人每天檢查井壁，發(fā)現(xiàn)異常情況，立即采取措施。在現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備了井圈、鋼槽背板等搶險(xiǎn)物資。

總之，凍結(jié)井筒掘砌工作的幾項(xiàng)重點(diǎn)工作是：首先，有強(qiáng)有力的技術(shù)支持，提前做好預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)工作，保證安全、高效施工；其次，嚴(yán)把混凝土質(zhì)量關(guān)，從源頭來抓，不能只搞好試塊，過程控制是關(guān)鍵；最后，細(xì)部工作要細(xì)致，比如，井筒變徑處的施工方案，片幫的管理，泡沫板的敷設(shè)，鋼筋的綁扎，脫模和開幫的時(shí)間，凍結(jié)機(jī)組的開、停機(jī)等工作，均需要細(xì)致的分析，才能做出合理的決策［6］。

3　結(jié)束語

第二副井實(shí)現(xiàn)了安全、快速的掘砌，在施工過程中沒有出現(xiàn)一處斷管，掘砌單位基本沒有超挖凍土，做到了凍結(jié)和外壁掘砌的完美協(xié)調(diào)。具體如下：

1）積極、準(zhǔn)確地做好凍結(jié)的預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)工作，為掘砌施工提供重要指導(dǎo)意義，及時(shí)采取合適的預(yù)防措施，創(chuàng)造最優(yōu)的施工條件。

2）詳細(xì)地?cái)⑹隽诉^厚粘土層的一些有效的施工方法，但最根本、最有效的方法是凍結(jié)的方案設(shè)計(jì)。在方案設(shè)計(jì)完成后應(yīng)根據(jù)該方案進(jìn)行預(yù)測(cè)，再根據(jù)預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化方案，才能最大程度地保證掘砌的安全和連續(xù)施工。

3）過程的質(zhì)量控制是關(guān)鍵，尤其是井壁混凝土質(zhì)量，關(guān)鍵體現(xiàn)在原材料質(zhì)量，以及混凝土攪拌過程中。

4）重視每一個(gè)細(xì)節(jié)，井筒施工中每個(gè)環(huán)節(jié)和工序都很關(guān)鍵，必須充分研究，才能做出正確的決策。

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（編輯：李森森）

中圖分類號(hào)：TD421.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5050（2016）03-042-04

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

收稿日期：2016-02-23

作者簡(jiǎn)介：王成博（1980-），男，河北唐山人，本科，助教，從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)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