邱曉東,李永進(jìn)

(1.金建工程設(shè)計有限公司， 山東 煙臺市 264670；2.華煤集團(tuán)有限公司， 吉林 長春市 130012)

凍結(jié)法鑿井主要是利用人工制冷技術(shù)，使地層土層中的自由水凍結(jié)，形成封閉的圓筒形凍結(jié)壁，以抵抗地壓并隔絕地下水與井筒的聯(lián)系，在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行掘砌作業(yè)的施工方法。在不穩(wěn)定地層中施工井筒時，凍結(jié)法具有適應(yīng)性強(qiáng)、支護(hù)結(jié)構(gòu)靈活、易控制、隔水性好、對環(huán)境影響小等優(yōu)點。

1 凍結(jié)法豎井施工技術(shù)

1.1 凍結(jié)壁

凍結(jié)法豎井的掘砌作業(yè)是在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行的，凍結(jié)壁的安全與合理是確保凍結(jié)法鑿井安全、快速、經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵所在，是凍結(jié)法豎井建設(shè)的前提和基礎(chǔ)。主要的目的是既能滿足井筒安全掘砌，又能有利于井筒的提前開挖。既能保證凍結(jié)壁的均勻性，又能盡量減少凍結(jié)壁凍脹應(yīng)力。既能防止井筒開挖初期不片幫，又能盡可能的減少凍土入荒量，為掘砌施工創(chuàng)造有利條件，縮短鑿井工期。

1.2 井壁結(jié)構(gòu)

特殊的地層以及凍結(jié)施工工藝必然使得凍結(jié)豎井的井壁結(jié)構(gòu)與普通豎井不同,雙層復(fù)合井壁是目前國內(nèi)通用的凍結(jié)法豎井井壁結(jié)構(gòu)，其原理是在豎井凍結(jié)開挖期間由外壁作為臨時支護(hù)承受凍結(jié)壓力[1]與溫度應(yīng)力，外壁掘砌結(jié)束后，澆砌內(nèi)層井壁，地層解凍恢復(fù)原始狀態(tài)后內(nèi)外壁共同承受地壓。結(jié)合安徽省霍邱縣境內(nèi)某鐵礦南風(fēng)井的設(shè)計井壁結(jié)構(gòu)予以闡述。

礦山地處淮河流域中上游沖積平原區(qū)，礦床均為第四系地層覆蓋，厚度122.22～210.33 m，平均厚度167.96 m，第四系總體趨勢由北向南、由西向東逐漸增厚。礦床內(nèi)無大的地表水體，第四系上部普遍見粉質(zhì)亞粘土，厚度有68.19～90.95 m，分布廣，透水性差，為良好的隔水層，在天然狀態(tài)下，地表水和地下水之間的水力聯(lián)系極其微弱。

礦山設(shè)計生產(chǎn)能力200萬t/a,采用尾砂充填采礦方法，豎井開拓方式，有主井、副井、進(jìn)風(fēng)井、南風(fēng)井、北風(fēng)井共5條豎井，都穿過第四系與砂層，前4條豎井均采用凍結(jié)法施工，北風(fēng)井前期采用注漿法封水掘砌施工，施工至97.7 m井深時，注漿堵水無效，以至無法下掘，被迫改為凍結(jié)法施工。

南風(fēng)井井筒凈直徑Φ4.5 m，根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，南風(fēng)井第四系土層與砂層厚度193.95 m(+40～-153.95 m)，以下強(qiáng)風(fēng)化巖厚度31.5 m(-153.95～-185.45 m)，不穩(wěn)定地層總厚225.45 m。設(shè)計凍結(jié)深度240 m。

1.2.1 井壁結(jié)構(gòu)選擇

復(fù)合井壁按照內(nèi)外壁之間有無塑料夾層分為兩種結(jié)構(gòu)，有塑料夾層,可以減少內(nèi)壁的溫度約束應(yīng)力裂縫，但由于外壁在凍結(jié)壁作用和短段掘砌施工方案的影響下并不能保證完全隔水，夾層的存在導(dǎo)通了地下各水層的水，破壞了原有地層中隔水層的隔水作用，使內(nèi)壁成為其外完全浸水的筒體，因此不允許內(nèi)壁任何一處有裂縫存在，這種井壁必須經(jīng)壁后注漿才是安全的，且該井壁成本較高。相關(guān)文獻(xiàn)中對一些凍結(jié)施工豎井的非采動影響破壞[2]的原因調(diào)查表明，在礦山開采過程中第四系含水層水頭的大幅疏降,使該含水層及上覆土層產(chǎn)生壓縮和變形,且引起地表沉降,在地層發(fā)生變形的過程中對井壁產(chǎn)生垂直向下的附加力是井壁發(fā)生破裂的主要原因。礦山水文地質(zhì)條件表明，第四系有較好的隔水層，且礦山采用充填法開采，不至于造成第四系含水層的大幅疏降和上覆土層產(chǎn)生壓縮和變形，因此采用復(fù)合井壁無夾層結(jié)構(gòu)方案。

1.2.2 豎井地壓與井壁結(jié)構(gòu)

根據(jù)南風(fēng)井工程地質(zhì)鉆孔柱狀圖資料，不穩(wěn)定地層土性不同分為22層，最大地壓表現(xiàn)在21層(標(biāo)高-153.95～-168.25 m)，其次為16層(標(biāo)高-142.95～-153.95 m)，再次為10層(標(biāo)高-41.11～-81.6 m)，地壓作為井壁結(jié)構(gòu)選取的主要因素，還應(yīng)考慮凍結(jié)力、溫度應(yīng)力、附加荷載與地震荷載，據(jù)此對井壁厚度、外壁穩(wěn)定性，外壁抗凍結(jié)力與溫度應(yīng)力、整體井壁穩(wěn)定性、整體井壁抗壓強(qiáng)度等進(jìn)行確定。

地壓的一般規(guī)律是隨埋深增加而增大，如果統(tǒng)一按照最大壓力要求設(shè)計井壁，掘砌工程量加大，造成浪費而降低礦山經(jīng)濟(jì)效益，因此分段式井壁為凍結(jié)法豎井所普遍采用，南風(fēng)井井壁結(jié)構(gòu)分三段設(shè)計，支護(hù)厚度自上而下分為第一段700 mm、第二段800 mm和第三段950 mm，混凝土強(qiáng)度等級C35～C40，井壁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 凍結(jié)法井壁結(jié)構(gòu)示意

2 北風(fēng)井施工出現(xiàn)的問題

礦山北風(fēng)井前期采用注漿法施工，井壁為500 mm單層鋼筋混凝土支護(hù)，施工至97.7 m井深時,注漿堵水無效以至無法下掘，改為凍結(jié)法施工，凍結(jié)深度175 m，在凍結(jié)段施工結(jié)束繼續(xù)下掘至-170 m標(biāo)高時，凍結(jié)段井壁出現(xiàn)不同程度的裂縫，主要裂縫有4條，為環(huán)形水平不連續(xù)裂縫，最大裂縫存在于標(biāo)高-81.793 m，最寬處達(dá)10 mm以上，出現(xiàn)輕微滲水現(xiàn)象。

針對出現(xiàn)的問題，結(jié)合北風(fēng)井凍結(jié)方案、施工方案進(jìn)行分析研究，主要因素有以下幾個方面：

(1) 工期要求時間緊，且為了水文觀測孔的布置，凍結(jié)圈相對較大，凍結(jié)時間短，開挖時凍結(jié)圈尚未交圈，凍結(jié)壁強(qiáng)度不足，降低了對外井壁的外支撐作用;

(2) 改為凍結(jié)法施工后沒有及時調(diào)整井壁結(jié)構(gòu)，仍然采用單層井壁，使得在凍結(jié)結(jié)束地層解凍恢復(fù)地壓后單層井壁受壓，而單層井壁在凍結(jié)施工時受條件限制強(qiáng)度不足;

(3) 設(shè)計于-63.7 m標(biāo)高處有壁座，而在施工至此處為砂層，沒有及時調(diào)整位置進(jìn)行施工，同時由于凍結(jié)壁強(qiáng)度不足，摩擦力降低，造成混凝土在重力作用下產(chǎn)生拉裂，形成裂縫。

經(jīng)分析研究確定，為防止裂縫繼續(xù)擴(kuò)大，盡快實施增加鋼筋混凝土內(nèi)壁方案，厚度250 mm，高度為-170～-33 m，在-170 m標(biāo)高設(shè)壁座增加對上部井壁進(jìn)行支撐。采取該方案后，北風(fēng)井也順利穿過上部不穩(wěn)定地層。

3 結(jié) 論

(1) 雙層復(fù)合井壁是凍結(jié)法施工豎井時確保井壁安全的可靠保障。在豎井凍結(jié)開挖期間外壁接觸的凍結(jié)壁環(huán)境條件惡劣，在短段掘砌施工因素的影響下，砌筑過程中外井壁受反復(fù)的凍脹應(yīng)力作用，并不能保證完全隔水。必須在外壁掘砌結(jié)束后，地層恢復(fù)原有狀態(tài)前及時施工內(nèi)壁以達(dá)到內(nèi)外壁共同抗壓和封水目的。

(2) 外壁筑壁前凍結(jié)壁溫度一般在-5℃～-10℃，約在筑壁后1 d左右開始承受一定的凍結(jié)壓力，因而要求采取必要的早強(qiáng)防凍措施，使不同齡期的混凝土強(qiáng)度增長率超過凍結(jié)壓力的最大增長率，降至零度前混凝土的強(qiáng)度大大超過“凍害臨界強(qiáng)度”，有效地防止外層井壁壓壞和凍結(jié)管的斷裂。

(3) 澆筑內(nèi)壁普遍采用滑模施工，連續(xù)澆注，混凝土體積大，在硬化過程中產(chǎn)生一定的收縮作用，井壁易產(chǎn)生橫向裂縫，降低隔水性能。澆筑前應(yīng)將外層井壁的內(nèi)表面冰、霜清除干凈，以保證內(nèi)層井壁厚度和質(zhì)量。并采用礦物添加劑與防裂密實劑等配制低水化熱防裂密實高性能混凝土，較全面地適應(yīng)凍結(jié)井筒內(nèi)層井壁連續(xù)筑壁時大體積混凝土的收縮裂縫和溫差裂縫，提高井壁的整體性和封水性。

參考文獻(xiàn)：

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