李志超　王志強(qiáng)　楊紅蕊（河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司，河北唐山　063000）

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冷凍豎井過高嶺土段施工

李志超王志強(qiáng)楊紅蕊
（河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司，河北唐山063000）

【摘 要】高嶺土黏土層在地下工程中被列為不良地層，未被揭露前，為強(qiáng)風(fēng)化狀或土狀，與周圍巖土保持平衡。一旦被開挖揭露，就迅速風(fēng)化為顆粒狀松散體，粘結(jié)強(qiáng)度迅速變低。本文根據(jù)工程地質(zhì)水文條件結(jié)合特定的開采方式及施工方式，分析了豎井冷凍法施工中遇到高嶺土地層的施工方案，介紹了凍結(jié)法施工中可能出現(xiàn)的問題及解決措施。

【關(guān)鍵詞】凍結(jié)法施工高嶺土施工方法措施

1　引言

高嶺土黏土層的主要成分是硅鋁酸鹽遇水膨脹，體積增大，使土層膨脹。這不僅更加快了風(fēng)化成松散體的速度，同時由于水對松散體的軟化和沖刷，巖層的內(nèi)摩擦角變小，穩(wěn)定性變差，失去自我支撐能力，在豎井掘砌施工中造成大面積片幫，威脅施工安全。上述情況給豎井施工和設(shè)計都會帶來很大麻煩，如果某一環(huán)節(jié)處理不當(dāng)，就可能給施工帶來巨大的損失，如山東某煤礦豎井在遇高嶺土黏土層時，雖然井筒經(jīng)過兩層鋼筋混凝土支護(hù)，但后來井壁還是承受不住巨大的地壓力，最終開裂，嚴(yán)重影響了安全生產(chǎn)。對工程造成巨大損失。

2　礦床水文地質(zhì)特征

礦區(qū)為第四系覆蓋區(qū)，基巖上覆60-182.7m的第四系，第四系鉆孔揭露覆蓋層厚度122.7米，為河床、河漫灘沖洪積物。從北向南逐漸增厚，自上而下依次為粉土、圓礫、卵石、粉質(zhì)粘土、卵石、粉質(zhì)粘土、粘土或含礫粘土等。其中卵礫石層穩(wěn)定，厚度較大。加之基巖風(fēng)化層較厚，巖石擠壓強(qiáng)度低，抗滑移系數(shù)較差。因此地層整體穩(wěn)定性較差。豎井井口標(biāo)高23米，中部為3層松散砂礫孔隙含水巖層，部分地層為成松散狀高嶺土化黏土，局部含礫石。

3　開采方式

采用地下開采方式，豎井開拓，平巷延伸方式。階段采礦用后充填采礦法，豎井第四系含水層采用凍結(jié)法施工，雙層鋼筋雙層混凝土護(hù)壁，井壁外層C50強(qiáng)度，750mm壁厚；內(nèi)層C45強(qiáng)度，500mm壁厚。井筒凈斷面7.2米。

4　施工方式

由于凍結(jié)段嚴(yán)禁爆破施工，根據(jù)施工毛斷面較大，可采取雙提升的有利條件，施工單位采用兩臺日產(chǎn)0.2方挖掘機(jī)配合兩只5立方米吊桶進(jìn)行掘進(jìn)，冷凍壁選用一勾機(jī)一炮錘方式，提高了凍結(jié)井壁掘進(jìn)速度。當(dāng)施工到井筒深度146米時，出現(xiàn)松散狀高嶺土層。因高嶺土凍結(jié)時強(qiáng)度尚可，但若暴露時間過長，高嶺土凍壁強(qiáng)度遭到破壞，則極可能造成凍壁破壞甚至混凝土井壁破壞的情況，后果難以想象。

5　過高嶺土段施工方法

根據(jù)該區(qū)段地層特點(diǎn)及施工情況，總結(jié)了十二字措施方針，即“強(qiáng)冷凍，短掘進(jìn)，勤支護(hù)，多觀察”。

強(qiáng)冷凍：立井凍結(jié)法施工在開挖之前，通過布置凍結(jié)孔的方式，均勻在井壁以外0.5米-1.5米范圍內(nèi)，將井筒周圍含水地層凍結(jié)成一個密不透水的冷凍壁，用于抵抗地壓及水壓的沖擊，隔絕地下水與井筒之間的聯(lián)系。而后在其保護(hù)下，進(jìn)行掘砌施工。由于高嶺土段強(qiáng)度較低，因此在過高嶺土段施工過程中，我們采取人工加強(qiáng)冷凍的方式，加大冷凍壁的厚度及強(qiáng)度，保證施工順利進(jìn)行。

短掘進(jìn)：由于立井凍結(jié)法施工掘進(jìn)強(qiáng)度較大，一般采用模高4米模板的情況下，每模掘進(jìn)時間在24-36小時，而在這段時間之內(nèi)，冷凍壁暴漏在井筒的空氣中，由于井下通風(fēng)，溫度較高，冷凍壁長時間暴露必然會降低凍壁強(qiáng)度，加之遇水膨脹，體積增大，使土層膨脹，后果將會很難控制。因此在本段施工中，我們采用“短掘進(jìn)”的方法，即采用模高1米的模板施工，這樣每模1米的掘進(jìn)時間會控制在6-9小時，極大程度上較少了凍結(jié)井壁的暴露時間，降低了出現(xiàn)隱患的可能。

勤支護(hù)：同短掘進(jìn)一樣，勤支護(hù)也是為了縮短凍結(jié)井壁暴露時間，在每模1米的掘進(jìn)工作完成后，立刻進(jìn)行綁筋工作，采用1米模高的模板進(jìn)行鋼筋混凝土支護(hù)，是混凝土護(hù)壁盡快達(dá)到強(qiáng)度，進(jìn)一步縮短凍壁暴露時間。這樣，由于段高小，暴露時間短，有利于控制凍土的蠕變和凍脹力的發(fā)展。

多觀察：由于豎井掘砌施工的不確定性，以及該地區(qū)地下水極其豐富的現(xiàn)狀，掘砌施工全過程中，都要多注意觀察。觀察井筒凍壁的結(jié)霜現(xiàn)象，觀察井筒凍壁的位移情況，觀察井底涌水情況，必要情況下要進(jìn)行掘前探水，即通過打探水孔的方式，提前確定前方工作面是否有水。同時，我們可以通過勤觀察來發(fā)現(xiàn)已經(jīng)發(fā)生的隱患，如發(fā)現(xiàn)前方工作面有水，通過探水注漿方式予以化解；如發(fā)現(xiàn)凍結(jié)壁出現(xiàn)位移、蠕變，則要立即加強(qiáng)冷凍，必要時可采取向已形成井筒灌注混凝土，后井筒注水至水平面的方法，平衡井壁內(nèi)外壓力。防止已成型的井壁出現(xiàn)破裂，降低事故對工程造成的損失。

6　施工中容易遇到的問題及解決措施

6.1凍結(jié)管斷裂

在凍結(jié)井筒掘進(jìn)過程中，凍結(jié)管斷裂現(xiàn)象時有發(fā)生，尤其是近年來隨著凍結(jié)深度逐漸增加，遇到黏土層的機(jī)會越來越多，凍結(jié)管斷裂時有發(fā)生，究其原因主要有：凍結(jié)孔偏斜率大、凍結(jié)管焊接質(zhì)量差、凍結(jié)壁變形過大等。其防治措施有：（1）加強(qiáng)凍結(jié)孔造孔過程中的測斜工作，勤測量，勤糾偏。保證所有凍結(jié)孔均勻分布在井壁周圍，凍結(jié)過程中形成有效的凍結(jié)壁。（2）合理確定凍結(jié)孔圈徑。若圈徑過小，雖然井幫溫度較低，但凍結(jié)壁整體厚度變小，可能造成井壁變形過大導(dǎo)致凍結(jié)管擠壓破壞，因此要合理確定凍結(jié)孔圈徑布置，保證凍壁厚度。（3）控制掘進(jìn)段高（模高）和減少井幫暴露時間，這有利于控制凍土的蠕變和凍脹壓力的發(fā)育，避免冷凍管被擠斷。

6.2凍結(jié)井壁破裂

凍結(jié)井壁破裂在我國前些年的凍結(jié)井筒施工中是一種較為普遍的施工事故，究其原因有以下幾個方面：對地層土體性質(zhì)信息掌握不全，尤其是遇到含有膨脹性礦物如高嶺土的地層；凍結(jié)壁強(qiáng)度低，凍壁蠕變導(dǎo)致外層井壁漲裂；低溫情況下混凝土早期強(qiáng)度低，井壁在其未達(dá)到強(qiáng)度前破裂。其防治措施有：（1）加強(qiáng)凍結(jié)，形成有效的凍壁厚度和強(qiáng)度。（2）加強(qiáng)凍結(jié)孔偏斜率控制，防止凍結(jié)孔深入到井筒中，形成不必要的施工隱患。（3）弄清土層的物理力學(xué)性能，提前進(jìn)行合理的設(shè)計并提前采取有效的施工方法，如遇到高嶺土段，必須采取短掘短支的方式，盡快通過。

7　結(jié)語

根據(jù)凍結(jié)段的施工特點(diǎn)，要盡量減少個人的勞動強(qiáng)度，加快井筒掘砌速度，選取合理的設(shè)備取代以往人工掘進(jìn)和抓巖機(jī)裝巖的方式，遇到高嶺土層等膨脹系數(shù)較大的地層，牢記“強(qiáng)冷凍，短掘進(jìn)，勤支護(hù)，多觀察”的方法，設(shè)計好防治措施，方可保證礦山建設(shè)的順利進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)

［1］黃飛.凍結(jié)法鑿井施工及常見問題分析［J］.中國科技博覽，2011 年34期.

［2］張亮，亞軍.立井井筒凍結(jié)法施工中預(yù)防凍結(jié)管斷裂的措施［J］.山西建筑，2011年12期.

作者簡介：李志超（1989—），男，河北秦皇島人，本科，助理工程師，研究方向：礦山建設(shè)。