浅谈冻结法井筒掘进施工
摘要:至20世纪末,我国已在安徽、江苏等地采用冻结法共施工了约450个立井井筒,冻结总长度超过75公里,成为国内安全通过不稳定地层施工的主要工法。
本文就冻结法井筒掘进的开挖条件、开挖前的准备、段高的确定、挖掘方法、风动工具的防冻措施等方面谈了谈笔者的认识。
关键词:井筒冻结法掘进
0 引言
冻结法井筒施工指的是在井筒开凿之前,用人工制冷的方法,将井筒周围含水松散不稳定的冲积层、基岩含水层进行地层冻结,形成封闭的符合工程安全要求的起到临时保护作用的冻结壁,然后在冻结壁的保护下进行井筒掘砌工作的一种方法。
本文就冻结法井筒掘进的开挖条件、开挖前的准备、段高的确定、挖掘方法、风动工具的防冻措施等方面谈了谈笔者的认识。
1 试挖与正式开挖的条件及时间估算
1.1 冻结壁厚度冻结壁厚度是按照冻结地层的最大地压计算的,最大地压值一般是在冻结段的下部。
而上部的地压较小,要求冻结壁的厚度也相应的小些。
若等到冻结壁的厚度达到设计厚度时才进行开挖,那么随着冻结的继续,冻结壁不断增厚,当开挖到最大地压时,冻土将扩展到荒经以内很多,甚至使井筒冻实,这将给工作带来困难。
一般要求冻结壁交圈后,浅部冻结壁的厚度或强度足以抵抗该处的地压时就可以进行开挖,并继续进行积极冻结。
使冻结壁
进一步扩展,以适应深部地压的要求。
1.2 井筒开挖的条件及时间估算
1.2.1 试挖过程中
①条件 a水文观测孔内的水位已有规律的上升并冒水;b测温孔的温度降至设计要求值,证实含水层的冻结壁已全部交圈;c按不同地区,不同底层的冻结速度以及冻结壁的平均温度推算,在井筒掘砌过程中,每一岩层的冻结壁厚度和温度均能符合设计要求。
②时间估算 ts=t0+z1
式中:ts—估算井筒试挖时间,天;t0—不同孔距的冻结壁交圈时间;z1—冻结壁交圈后至开始试挖时间,一般取10～20天。
1.2.2 正式开挖时
①条件 a根据水文孔和测温孔资料,确定全部含水层的冻结壁均以交圈;b通过试挖已证实冻结壁已有一定的厚度,按冻土扩展速度推荐,不同深度的冻结壁厚度和强度可以适应掘进速度要求;c正式开挖前的准备工作已全部就绪。
②时间估算 tz=t0+z2
式中:tz—估算井筒正式开挖时间,天;t0—不通孔间距的冻结壁交圈时间;z2—冻结壁交圈后至开始正式开挖时间,一般取20～40天。
2 开挖前的准备工作
在井筒准备开挖前,需要进行以下的准备工作。
2.1 四通一平①场外公路及场内主要运输路线已能满足井筒
施工设备、材料运输的需要;②供配电系统以正常供水,供水量能适应井筒施工的需要;③工程施工供水系统已正常供水,供水量满足
井筒施工的需要;④通信联络系统已正常使用,能满足井筒施工的
需要;⑤施工现场的平整程度已能适应井筒施工的需要。
2.2 临时工业建筑冻结段崛起工业建筑已交正常使用,并能适应井筒施工的需要。
2.3 锁口、井口盘、井口棚、固定盘和凿井吊盘、稳绳盘①冻结井筒一般先施工临时锁口,风井还应考虑风道口的施工;②锁口、井架基础应和环形冷冻沟槽的,相互关系,当井架基础与冻结管、集液管位置互相影响时,应提出具体方案和施工图;③应注意井架基
础与环形冷冻沟槽的关系,当井架基础与冻结管、集液管位置互相影响时,应提出具体方案和施工图。
④井口安装,质量合格。
2.4 提升信号系统①井架、天轮、翻矸台、溜矸台和矸石仓安装完毕、质量合格;②提升机、绞车安装完毕,提升系统运转系统正常;③提升钢丝绳缠绕完毕,提升机运转正常;④信号系统安装完毕,联络方便、准确。
2.5 压风系统①压风机安装完毕,试运转正常;②压风管路和
压风干燥装置完毕,质量合格。
2.6 混凝土搅拌运输系统①混凝土搅拌机安装完毕,试运转正常;②沙石堆和清洗场地施工完毕,系统安装和试运转正常;③沙、石、水泥过磅装置及运输系统已施工和安装完毕,试运转正常。
2.7 试挖①冻结壁交圈后10～20天左右进行试挖,深度一般为
20米左右;②试挖15～20米后进行吊盘、固定盘及其它凿井悬吊设备—稳绳盘、压风管、电缆、安全梯等的安装工作。
2.8 技术培训完成各种工种的安全、质量和技术操作的培训工作,有些特殊工种要经过考试合格。
3 段高的确定
3.1 影响掘进段高的主要因素①岩层性质:a细、中、粗沙层和卵石层中充满着易于冻结的自由水,冻结后强度较大,蠕变特性不
显著,段高可相对大一些;b粉沙、砂质粘土、粘土层中含有较多的薄膜水,冻结后强度较低,且易于产生塑性变形,段高不宜过大。
②地压与冻结壁强度:从冲击层地压随着深度增加而增大的特点分析,段高应随着深度的增加而缩短。
从冻结壁的强度分析,一般当上部冻结壁未扩至井帮就开挖,经帮温度较高,易于片帮,不宜采用较大的段高,中部冻结孔间距不大,强度往往超过设计指标,段高可适当加大;下部冻结孔偏斜大,虽然井帮温度较低,但冻结壁有效强度不大,加上地压大,冻结壁易于产生塑性变形,宜采用小段高。
③冻结管偏斜:掘进速度快,相应地缩短了井帮的暴露时间,段高可适当加大,否则段高应相应减小。
3.2 根据井帮稳定性确定的掘进段高(深井冻结) ①上部:井深20米以内,一般冻土已接近或扩入荒径以内,经帮稳定性差,易引起片帮坍塌,宜采用短段掘砌。
②中部:井深50～150米范围内,一般冻土已接近或扩入荒径以内,冻结壁厚度和强度的储备系数较大,
经帮稳定性较好,开采用较大段高掘砌。
③下部:井深150米往下,
尽管冻土扩入井内较多,但由于冻结孔间距大以及部分冻结管偏斜而靠近片帮,或偏入井内,使冻结壁有效厚度减薄,强度受到消弱,加上地压大,冻结壁强度的储备系数较小,尤其是粘性土层的流变特性更为显著,井帮易于变形或片落,掘进段高应根据冻结壁厚度和平均温度适当缩小。
4 挖掘方法
4.1 冻土进入荒径前的挖掘方法采用短段分块掘砌法,设计荒径以内,先砌一层砖或料石作临时支护,壁后充填砂浆或混凝土,待整圈临时支架做好后砌筑外壁,段高1.0～1.2米。
4.2 冻土进入荒径的挖掘方法①冻土扩入片帮不多时,可采用风镐超前挖掘未冻土;②井心全部冻实或接近冻实,用风镐或机械破岩,也可采用钻研爆破法,但需要浅打眼少装药;③风化带或含水基岩掘进可采用钻爆法,但须采取措施保证不损坏冻结管。
5风动工具的防冻措施
5.1 压风过滤干燥法压风入井前通过装有活性炭或无水氯化钙的过滤器,水分被吸收而提高压风干燥度。
5.2 压风冷凝分离器法①冷凝器放在井口;②压风管通过冷冻沟槽中。
5.3 降低冰点法本法是在压风管路上安装一个盛酒精与冷冻机油混合溶液的容器,每隔一定时间向压风管内注入,起降低压风中水分的冰点和润滑风动工具的作用。
5.4 风动工具直接消冻法①风动工具直接注入酒精化掉风动
工具的冰屑;②井下设正温器,容器内保持40℃左右正温。
将冻住的风动工具放入容器内消冻后再使用。
6 结束语
我国自1955年在开滦煤矿林西风井首次应用冻结法凿井获得成功后,至20世纪末,已在黑龙江、吉林、河北、安徽、江苏、河南等地采用冻结法共施工了约450个立井井筒,冻结总长度超过75公里,成为国内安全通过不稳定地层(冲积层)施工的主要工法。
笔者相信,随着井筒冻结技术的不断完善和发展,冻结施工的安全性和施工总长度必将越来越高。