第2天报告3-斜井垂直帷幕冻结施工技术探讨

山东省邹城市龙山北路759号斜井垂直帷幕冻结施工技术问题探讨兖矿新陆建设发展有限公司齐吉龙1、斜井冻结方式简述2、垂直帷幕冻结技术3、金鸡滩垂直帷幕冻结实例4、结束语一、斜井冻结方式简述1、全断面垂直冻结方式：在斜巷两侧和顶部布置垂直冻结孔，利用直孔形成连续的冻结岩体，然后在冻结岩体内开凿斜井。可根据工期、设备等情况分段冻结。2、双层管夹层抽真空垂直冻结孔穿井筒隔热处理方式：1、变颈外保温3、管内充填保温材料。优点：安全、可靠。缺点：A、冻结管穿井筒掘砌过程中必须切割冻结管，影响掘进速度和施工安全；B、井筒内冻结管不采取隔热措施或采取的隔热措施失效导致掘进断面被冻实（平均温度小于-12℃），掘进速度极慢（平均小于30m/月）；C、井帮温度和空气温度低，喷射混凝土和浇筑混凝土养护质量难以保证；D、冻结管工程量大，工期长，造价高。适用条件：任何地层。

2、斜孔冻结方式：冻结孔沿斜井掘进外缘布置，使钻孔平行于斜井的纵轴，在斜井周围形成冻结壁。优点：安全可靠，工程量少，造价低。缺点：斜孔施工工艺复杂，难度大，成孔难，还没成功先例。适用条件：冻结斜长短，地层简单。

3、垂直孔与斜孔结合的冻结方式：在井筒两侧采用垂直孔，顶底板上下采用倾斜冻结孔冻结形成封闭的冻结帷幕穿越富含水软弱地层。优点：安全可靠。缺点：斜孔施工工艺复杂，难度大，成孔难，还没成功先例。适用条件：地层简单，冻结斜长短。山东省邹城市龙山北路759号二、斜井垂直帷幕冻结技术

原理：垂直冻结帷幕就是在冻结段端头、两帮及顶板形成冻结壁，且端头、两帮冻结壁深入到底部不透水基岩，与不透水岩层一起形成封闭的不透水帷幕，在此帷幕的保护下进行掘砌施工。工艺特点：在需冻结段四周冻结孔深度进入井筒底板以下稳定不透水层，中排孔深度只到掘进荒顶板。开挖断面两帮及顶板是冻土，底板是稳定不透水地层。优点：冻结管不穿井筒不割管；掘金断面内无冻土，掘进速度快；井帮温度及工作面空气温度比全断面垂直冻结高，利于浇筑混凝土和养护，井壁质量好。缺点：冻结工程量还是偏大，造价偏高，隔水层的稳定及封水性能存在一定风险。适用条件：在斜井冻结段井筒底板以下一定深度范围内有相对稳定的隔水层，一般以厚的不透水黄土层、红土层、粘土层和不透水基岩为底板隔水层。三、金鸡滩矿井主斜井帷幕冻结实例1、矿井简介：兖矿集团未来能源公司金鸡滩矿井设计800万吨/年，位于陕西省榆林市金鸡滩镇，分主副风三个井筒。主斜井井口纵向标高+1236.600m，倾角14°，井筒净宽5.6m，净高4.4m，支护厚度550mm钢筋混凝土。序号累深(m)层厚(m)岩性11414风积砂220.56.5黄土323.12.6粉砂431.18.0黄土532.91.8风化泥岩641.718.81弱风化中粒砂岩745.33.59中等风化泥岩852.16.8细粒砂岩

检1孔调整后柱状图2、地层柱状3、冻结方案主、副斜井均穿过含水丰富的四系粉砂层，明槽以下四系及强风化带确定采用冻结法施工。为加快掘砌速度，提高井壁质量，不切割冻结管，不掘冻土，结合实际地质情况，主副斜井均采用垂直帷幕冻结法通过四系和强风化带。金鸡滩主斜井以23.1~31.1m黄土层和31.1~32.9m风化泥岩为第一冻结段隔水岩层。以41.71~45.3m中等风化泥岩为第二冻结段隔水岩层。序号名称ⅠⅡ备注1要求冻结段倾斜长度（m）30.37346.654合计77.0282设计冻结段水平长度（m）29.20345.269合计74.4713设计冻结段深度（m）外排35.0043.00以井口标高为计算标高内、中(平均)13.53222.6654冻结部位顶、帮、端头顶、帮、端头

5确定冻结壁厚度（m）顶5.0帮2.6顶5.0帮2.6

6冻结壁平均温度（℃）-8-8

7冻结孔排数（排）55

8冻结孔排间距（m）2.4252.425

9孔数（个）外48/中26/内14外76/中42/内22冻结管Φ127*510冻结孔间距（m）外1.217/中1.999/内1.999外1.22/中2.058/内2.058

11封头孔深度(m/个)35/1443/14

12测温孔深度(m/个)35/5、13/143/7、20/1、25/1规格φ89*4.5金鸡滩主斜井冻结设计参数冻结孔平、剖面布置图

3.1、冻结范围金鸡滩主斜井冻结段自明槽末端开始至井筒掘砌荒顶板进入黄土层底板垂深向下5m。

3.2、冻结孔深度两帮及两端冻结孔是帷幕形成的关键，其深度原则上必须进入底板以下稳定的不透水层，第一冻结段段端头孔及两边排孔进入黄土层及风化泥岩以下，深度35m。第二冻结段端头孔及两边排孔进入中等风化泥岩，深度43m。顶部冻结孔深度根据井筒掘砌顶板深度不同而不同，既要防止顶部坍塌又要少吃冻土，根据实际经验以冻结管底端距掘砌荒顶板500mm为宜，且中排孔宜插花布置，开挖时可形成冻土弧顶。3.3、冻结壁设计两帮及两端冻结壁厚度：E1=h1tg(90-β)/2顶部冻结壁厚度：E2=（γHb/2）/[τ]冻结壁平均温度：数值计算、公式计算和作图法3.4、冻结孔布置冻结孔布置根据冻结壁厚度、强度及冻结要求工期而定。一般情况下边排孔可布置1排或2排，孔间距1.3~1.5m之间；中排孔处在边排孔之间，可根据边排孔之间的距离而设置，排间距和孔间距在2~3m之间；端头孔起到端头保护的作用，孔间距在1.2~1.5m之间即可。3.5、冻结分段在冻结斜长较长时可以考虑分段冻结，分段的原则：一是保证早开挖，第一段可适当缩短；二是减少工程量。不同段可以利用不同的隔水层作为底板，因而各段冻结深度也可不同。金鸡滩主斜井根据地质情况和工期要求将冻结段分为两段，第一段29.2m、第二段45.3m。3.6、冻结壁与已施工明槽的胶结斜井冻结段前端冻土与已施工明槽的胶结对保证整个施工安全非常关键，要求除前段封头孔形成的冻土与已浇筑的明槽井壁胶结外，边排孔及中排孔应在明槽井壁末端两侧及顶部向上多布置2~3排孔，保证两侧、顶部有足够的冻土与井壁胶结，防止上部的水顺着井壁下流，必要时在底板下可提前埋设冻结管。4、冻结施工4.1、冻结器正常工作斜井多排垂直孔冻结因同时投入的冻结孔数量多、深度不一致、投入时间有前有后，造成冻结孔工作状态差别大，集配干管与冻结孔连接处极易造成冻结孔气堵而影响正常工作，冻结开始后必须加强对冻结孔去回路温差的监测，及时放空，确保冻结孔处于正常工作状态。4.2、冷量损失由于斜井冻结管头部、连接胶管、盐水干管都暴露在地表，虽然进行了保温，但受风吹、日晒、雨淋等影响冷量损失仍极大，最大占到需冷量的50~60%，必须加强保冷避免太阳直晒，将冷量损失降到最低限度。井筒顶板以上冻结壁厚度需要8m即可，所有冻结孔距掘砌顶板8m以上均采用双塑料管进行冻结，尽可能减少冷量损失。4.3、探放水每一段冻结帷幕必须交圈且冻结壁厚度、强度达到设计厚度和强度后才能开挖。开挖前利用端头冻结壁作为封堵墙对帷幕封闭范围内进行探水泄压，释放封闭在里面的原状水或冻胀水，进一步验证帷幕的封闭情况，防止端头冻土墙突然打开后水土涌出伤人或出现事故。探放水位置尽可能靠近掘进断面下部，尽可能将井筒内的原状水或冻胀水释放出来。4.4、端头孔的切割与恢复端头孔开挖过程中要割断，为防止明槽底板以下的水顺着底板与岩层交界面向下流入开挖面，端头孔在隔断后必须及时恢复，确保已浇筑底板与冻土的搭接。4.5、地下水流速和流向的影响帷幕冻结在井筒掘进顶板以上属于多排群孔冻结，地下水流速对冻结影响不大，但在顶板以下两帮及端头多为单排孔冻结，受地下水流速流向影响较大。由于帷幕冻结范围较大，两帮较长，上游来水直接冲刷冻结壁，随着冻土圆柱的不断扩大及交接，水流方向及流速被改变，局部出现绕流和地下水流速加大，尤其在冻结孔间距较大处及端头拐角处的流速更大，影响冻结壁交圈，可通过减小水流上方边排孔和端头孔的间距或采用插花布置来解决。5、冻结施工情况金鸡滩主斜井于2011年11月20日开钻，2011年12月20日开始冻结，2012年2月16日探水掘砌，2012年4月17日冻结段掘砌完成，因掘进断面内无冻土且不用割冻结管，迎头直接用挖掘机挖土、铲车装土，顶部冻土自然成拱好，支护快，外壁（拱棚+喷射混凝土）掘砌速度平均2.5m/d，综合成井速度40m/d，大大快于非帷幕斜井垂直冻结法施工的井筒，掘砌效率提高2~3