地下工程凍結法施工技術應用
華北科技學院 張維亞 魏鋆
1 工程概況及地層條件
山西某礦井設計生產能力為300萬噸／年，采用立井開拓，布置主、副、風三個井筒，表土段均采用凍結法施工，施工總工期不大于8個月。
據井檢孔所提供的地質資料，風井位置地面標高為+931.246m。表土段以粘土和砂質粘土為主，夾有少量砂土（參見表1）。地下水水位離地表在10m左右。凍結深度范圍內最高地溫約為16℃。
表1 表土層土性組成
|
項 目
|
單位
|
參 數
|
|
|
地面標高
|
m
|
+931.246
|
|
|
表土厚度
|
m
|
166.82
|
|
|
土性
組成
|
砂 土
|
m
|
13.19
|
|
砂質粘土或亞粘土
|
m
|
25.80
|
|
|
粘 土
|
m
|
127.83
|
|
據地層資料分析，該工程井筒表土層埋深淺，地壓小，土性以粘土為主，含水砂層較少，表土段地溫偏低。根據以上地層特點，該工程宜采用凍結法施工。
2 凍結方案
由于井筒開挖直徑和凍結深度小，要求凍結工期短，該風井采取單圈凍結孔凍結，并采用一次凍全深的凍結方式。
根據設計要求，風井凍結深度為210m。最終凍結深度應根據凍結孔施工中的實測風化帶深度進行適當調整。按有關規范要求，凍結深度應進入完整基巖不小于10m。
凍結管均采用Φ127×6mm的優質20#低碳鋼無縫鋼管，采用內襯對焊焊接。
按快速凍結要求，并考慮合理提高凍結效率，逐級降低鹽水溫度。設計凍結12d鹽水溫度降到−20℃以下，開挖時達到−26℃。設計最低鹽水溫度為−30℃。井幫溫度降至零度以下后，視凍結壁溫度和變形監測情況（凍土進入井幫大于0.5m，實測井幫位移小于30mm）可轉入維護凍結，維護凍結鹽水溫度控制在−20℃～−22℃之間。
凍結孔單孔鹽水流量取10m3/h。
設計控制層凍結壁平均溫度為−8℃。正式開挖時凍土離井幫不大于0.5m，井幫溫度不高于3℃。掘進到100m時井幫溫度達到0℃以下。凍結壁的平均溫度和井幫溫度采用維亞洛夫的成冰公式計算，即：
式中：T ℃；T−30℃；T2為井幫凍土溫度，℃；L為凍結孔間距，m；E為凍結壁有效厚度，m。1 為鹽水溫度，為凍結壁平均溫度，
采用多姆克公式計算凍結壁厚度，凍土強度按有關手冊及經驗確定。
根據實測規律和經驗，凍結壁擴展速度見表2。
表2 凍結壁擴展速度
|
參數名稱
|
單位
|
數 量
|
|||
|
凍結時間
|
d
|
40
|
60
|
80
|
100
|
|
凍結壁擴展厚度
|
m
|
2.0
|
2.7
|
3.4
|
4.0
|
在表土層內，風井筒凍結孔成孔的靶域半徑為0.45m，向井心的允許偏斜值為不大于0.40m，主凍結孔允許成孔間距不大于2.0m。在基巖層成孔間距不大于3.0m。
取沖積層底板深度作為凍結壁厚度計算的控制層深度。風井凍結設計控制層深度為166.82m。
井筒具有凍結孔布置圈徑小、凍結孔淺的特點，凍結孔平均鉆進效率取2500m／臺·月，布置2～3臺鉆機。
控制層凍結壁厚度計算見表3。
表3 控制層凍結壁厚度
|
掘進直徑m
|
計算深度m
|
地壓MPa
|
平均溫度℃
|
|
6.8
|
166.8
|
2.17
|
-8
|
|
凍土強度MPa
|
安全系數
|
計算厚度m
|
設計厚度m
|
|
9.7
|
2.2
|
2.39
|
2.6
|
風井凍結孔布置圈徑9.6m，25個凍結孔。詳見圖1。
根據凍結壁擴展速度預計和主凍結孔最大控制間距，預計風井凍結壁交圈凍結時間為33d，積極凍結40d試挖，試挖深度為20m。積極凍結52d正式開挖。
風井凍結段設深、淺2個測溫孔，深、淺2個水文孔。
3 制冷系統
3.1 凍結需冷量計算
設計取凍結管散熱系數為300 kcal／m2/h，另外，考慮20％的熱量損夫。風井在低溫工況條件下(−28℃鹽水溫度）的最大需冷量為：
Q=1.2×3.1416×0.127×210×25×300／10000＝75.4萬kcal／h
在標準工況下的最大需冷量約為188萬kcal /h。
凍結管散熱系數取300kcal/m2· h。
3.2 制冷站裝機容量與冷凍機選型
凍結站裝備5臺YSLGF600(或YSKF220）型氟利昂螺桿冷凍機組，另外安裝1臺YSLGF300型氟利昂螺桿冷凍機組作備用。在低溫工況下（冷卻水溫度28℃／鹽水溫度−29℃），每套YSLGF600（或YSKF220）型氟利昂螺桿冷凍機機組的實際制冷能力為16.8萬kcal/h。風井凍結站的低溫制冷量為：
風井：16.8×5=84.0萬kcal／h。
換算成標準制冷量后，凍結制冷量約為210萬kcal /h。
3.3 冷卻水系統設計
安裝4臺DBNL3-300型冷卻塔用于凍結站冷凝水冷卻降溫。預計風井共需新水補給量約為30m3／h，實際用量根據施工季節變化進行調整。
冷凍機冷卻水系統去、回路總管設計規格為Φ325×6mm螺旋鋼管。總管與冷凍機連接的支管按設備說明書采用Φ133×6mm焊接鋼管。
3.4 鹽水系統設計
鹽水比重取l.260~1.265，每立方米鹽水的氯化鈣摻量約360kg。風井的單孔鹽水流量為10m3/h，井筒總鹽水流量為25010m3/h。
4 凍結施工實測
4.1 預測依據
井筒正式施工前，根據水文孔冒水時間及測溫孔溫度變化、地層性質、鉆孔偏斜圖進行分析，正式開挖后，結合礦建施工速度、風井相應地層凍土擴展速度、井幫溫度、凍土形成實測數據進行分析并預測凍土形成與井幫溫度。
4.2 凍結壁分析預測
為了保證井筒正常順利施工，合理安排施工計劃，提高施工效率，在施工過程中進行不間斷分析預測預報，每月底進行一次凍結分析總結并對下一步施工進行凍結預測。
4.3 凍結壁實測
該風井井筒凍結段施工期間，凍結單位實施井幫溫度、凍結壁形成跟蹤檢測，檢測手段采用數字式溫度計。根據凍土實測數據，校核各測點水平凍結壁形成實際情況。
5 施工經驗
(1)降低鹽水溫度能夠加大凍結壁的厚度和強度，縮短開挖工期、保證連續施工，但是，這將帶來能耗的增大。
(2)正確選用凍結工藝，既保證了凍結壁有效厚度，又可減少凍土挖掘量，有利于快速施工。
(3)合理選用冷卻塔，降低冷凝溫度，提高冷卻效果，并降低了水資源的消耗。
(4)提高凍結鉆孔施工質量，確保凍結壁發展均勻，井幫溫度差值減少，避免因溫度應力不均衡造成井筒外層井壁質量受損。
湘公網安備43011102000873號
