井筒冻结法施工工艺和风险分析
【摘要】冻结法具有适应性强、支护结构灵活、隔水性好等特点，在深厚表土层中井筒施工主要采用冻结法。

本文介绍冻结法的施工工艺进行介绍，为深厚表土层冻结施工提供经验。

【关键词】井筒冻结设计；冻结施工；冻结原理
【Abstract 】Freezing method has strong adaptability and flexible support structure ，impermeable and good features，in deep alluvium Shaft Construction mainly freezing method. This article describes the method to freeze the construction process will be introduced to freeze the construction of deep topsoil provide experience.
【Key words 】Freeze wellbore design；Freeze construction；Freeze principle
1.引言由于我国地层条件比较复杂，在华东、华北、西北地区井筒建设无法采用普通凿井法凿井，需要采用冻结法、沉降法和盾构法等特殊凿井技术进行建设。

当建设井筒地层为不稳定厚表土层时，采用的施工方法主要以冻结法为主。

并且煤矿向深部开采延伸，其井筒往往要穿过特殊地层，如过含水丰富或碎破的基岩，都要采用冻结法施工。

因此，冻结法施工是广泛采用行之有效的技
术方法之一。

2.冻结原理在地下工程施工之前，采用人工技术制冷，将地下工程周围的含水或者含有松散碎石岩层冻结，形成冻土结构物
一一冻结壁，用来承受来自地层中压力和隔绝砂子和地下水涌入，然后在形成冻土结构中进行开挖、支护的特殊施工方法称为人工冻结法(简称冻结法) 。

3.冻结设计在深厚表土层采用冻结法建设井筒，冻结壁设计是关键问题之一。

冻结壁设计的优劣直接关系到整个井筒施工能否安全顺利进行。

冻结壁设计包括盐水温度、冻结深度、冻结壁厚度、冻结圈径等内容。

设计和施工人员总结经验发现，冻结壁设计首先考虑冻结壁强度条件，其次要考虑地层、施工工艺等对冻结壁形成的影响，从而来设计冻结壁初始厚度。

之后再用冻土平均温度检验其厚度是否满足要求，用冻结粘土的强度校核冻结壁厚，最终确定冻结壁厚度。

以下为冻结壁厚度确定计算过程：
3.1初始设计冻结壁厚度。

以最深部的砂层深度，采用公式
p=O.OI27H ( MPa)计算地压，运用多姆克公式来计算冻结壁初始厚度：E=R( 0.29Pmax/ 8 +2.3P2min/ 8 )，式中：P 地压；D 最大地压壁厚；E 井筒掘进半径；R 井筒掘进半径；
8冻土允许抗压强度。

3.2计算冻土平均温度。

初始冻结壁厚度确定后，根据盐水、井帮预计温度及钻孔间距离等参数计算得出的冻结壁温度，判断其是否高于设计冻土平均温度，若大于则要增加冻结壁厚度或降低盐
水温度。

冻土平均温度与开孔间距、井帮温度有直接关系，与盐水温度、原始地温更为密切。

可利用已知所需冻土平均温度，来逆向推出冻结壁厚渡，因此合理确定盐水温度显得尤为重要。

3.3校核冻结壁厚度。

由于粘土层冻结强度是最低的，
所以宜结合段高按有限塑性厚壁圆筒考虑其冻结壁厚，这样既安全又经济。

维亚洛夫公式：E= 3P a （上端固定，下端
不固定）.式中：P 计算层位地压；8 冻结粘±允许抗压强度，取0.7 倍的瞬时极限抗压强度。

通过初选冻结壁厚、平均温度的计算，结合施工中的段高，从质量和效益上进行综合分析，最后选出经济安全的冻结壁厚度。

3.4冻结深度的确定。

冻结深度确定因素，包括表土、风化带以及风化滞以下的含水基岩。

其中含水基岩是主要的影响因素，若不采用冻结技术对其进行封堵，则凿井施工阶段就有出水的可能。

因此，按照规范要求，冻结深度必须穿过凤化带进入完整的不含水基岩10m 以上，如果基岩下部30m 以上仍有强含水基岩时，应延长冻结深度。

3.5冻结圈径及孔间距的布置。

冻结圈径的大小D 。

与掘砌荒径D 、冻结壁厚度有直接关系，同时要考虑钻孔偏率a。

偏率大小直接影响到冻结圈径的确定，因此要严格控制偏率。

冻结圈径公式：Do=D+2 （0.6E+aH）孔距与冻结壁厚、冻结深度有密切关系。

一般来说，冻结越深，冻结壁越厚，孔间距越
大。

对于一次冻全深的辅助圈，孔距一般4〜5m;
差异冻结双圈布置的，内外孔数相等，插花均匀分布，内外圈之间的孔距控制在14m 左右为宜。

4.冻结施工技术
在开凿立井井筒周围的地面布置大量垂直钻孔，将钢管顺孔埋入其中，并采用注浆技术进行堵漏。

在钢管中通人盐水，采用盐水循环制冷技术，将井筒周围土层降温、冻结，形成立井开凿所需的冻结壁交圈，保证立井周围地层稳定，防止地下水和砂子涌入，确保施工顺利进行。

4.1设备安装。

按照施工设计图，找准基准点布置冻结孔、测温孔和水文孔。

将钻机按设计位置要求进行固定，找平、找正塔基和钻机，使提升器中心对准钻孔位置。

冻结站设在井口附近，冻结站设备主要包括冷冻机组、盐水箱、盐水泵、清水泵，冷却塔和清水池等，同时设立冻结站专用变电所为冻结施工提供电力。

4.2设备调试与开挖。

冻结系统安装结束后，开始进行冻结设
备调试与初步运行。

在初步运行期间，要随时观测、调节压
力、温度等相关状态参数，使运行的设备机组在工艺规程和
设计要求的技术参数条件下运行。

当冻结程度达到井筒设计
开凿要求时准备开挖。

开挖之前，要做好漏水、片帮的防护
措施。

并在开凿期间，随时注意冻结壁状况，做好检测工
作。

内层冻结井壁砌筑后即可停止冻结，并自然解冻。

冻结
结束后，用水泥砂浆充填、充实冻结管。

4.3 施工监测。

冻
结施工过程中要进行实时监测，内容主要包括：冻结孔偏斜
和间距、冻结管深度与耐压性能、冻结站运转参数、盐水箱
水位、干管盐水温度和盐水压力，冻结孔盐水流量和盐水温
度、测温孔地层温度、水文孔水位和水温，井帮温度等。

4.4 防裂措施。

井壁承受的应力和温度是引起井壁破裂的主要因素，因此应针对这两个因素因地制宜采取措施。

措施如下：在将要出现破裂危险带上下一定范围内增大井筒的横截面积，来降低井壁所承受的轴向应力；将冻结管采取分期冻结的方法，来降低表土层对井壁的摩擦力；增强混凝土的粘结强度，来使井壁增加承受外界应力的能力；还可以采用通过风筒将工作面较热的空气排出地面，使井壁温度降低，来防止井壁的破裂。

5.冻结法施工特点和风险分析
5.1 冻结法施工特点。

冻结法施工主要技术包括冷冻站的安装、
钻孔的施工、井筒冻结、井筒掘砌，在复杂和特殊地层施工中具有很大的优越性：冻结施工法具有很强的适应性，对各种复杂地质条件，其施工基本不受到尺寸和深度的影响。

支护结构灵活、易控制，凭借其对不同地质条件、环境及场地条件适应性，可以灵活布置冻结孔、调节盐水的温度，从而获得高质量的冻土帷幕。

由于具有良好隔水性能，控制地下水渗透能力强，施工对象是土体本身，因而对地下水及周围环境没有太大影响。

5.2冻结法凿井。

（1）在冻结钻孔施工中，钻机性能跟不上要求，不能满足深
冻结孔施工要求，以致影响工期。

（2）冻结壁强度不够，1987 年以来，在华东地区，先后有30 几个厚表土层中竖井井壁发生横向环状破裂，严重影响安全。

（3）制冷系统跟不上要求，对凿井进程造成影响。

（4）井
壁结构设计不合理，产生断管等重大事故。

5.3通常技术上出现问题，安全就得不到保障。

因此，
对风险的控制最关键的就是要技术上过关，主要措施有：（1）提高全员质量意识，同时提高人员的技术素质；
（2）要严把材料质量关；
（3）做好关键技术的质量控制，包括一些细节上的质量，比如说温度控制，还有成品的养护质量控制。

6.结论冻结法具有适应性强、支护结构灵活、隔水性好、环境影响小的特点，因而被广泛用来进行深厚表土层井筒建设。

虽然冻结法的安全可靠性是可以确信的，但其施工成本较高，需要在技术上与施工管理上得到进一步的改进，降低工程成本，以适应矿井建设新形式的需要，对冻结法施工的广泛采用与发展将有着特别重要的意义。

参考文献
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[2] 圆姚直.特厚冲积层冻结法凿井外层井壁关键技术分析
[J].煤炭工程，2005.1. 7〜9.
[文章编号]1619-2737 （2015）03-18-321。