冻结技术方案（精选7篇）
冻结技术方案 篇1
摘要：李粮店煤矿主井周围地层在注浆加固治理过程中, 通过对井筒原冻结管割孔、射孔、新打孔三种注浆方案进行技术、经济比较, 找到了适合本地层注浆的有效方法, 获得了较好的技术、经济效果, 为地质条件类似的矿井注浆施工提供了经验。
关键词：冻结井,表土段注浆,方案比较,效果评价
郑州华辕煤业有限公司李粮店煤矿主井井筒Φ5.0m, 井深765m, 因地质原因, 井筒50~270m段淋水加大, 同时地表出现缝隙及沉陷区。为防止井筒淋水继续增大及周围地层沉陷导致井筒被破坏的危险。决定在主井周围半径20m范围内进行地层注浆加固。通过对周围地层的挤密加固, 一是封堵井筒周围涌水通道, 二是通过注浆提高其周围地层的稳定性, 避免井筒因周围地层固结沉降而受竖向附加力的影响, 发生井壁破损。
1 井筒水文地质特征
主井第四系、新近系松散沉积岩组主要由粘土、砂质粘土和细砂、砾石组成, 厚度479.20m。第四系主要含水层是粉砂, 松散, 饱和, 含水较强;次为粉土, 含水一般;第四系底部的含砾粉质粘土和砾石层厚度0.98m~5.32m, 局部被粘土胶结减小了其含水和透水性, 含水一般;中上部粉质粘土透水性较差, 含水较弱。第四系隔水层主要是粘土, 局部能起到一定的隔水作用。
第三系含水层主要是粉细砂及中粗砂、砾砂, 密实, 湿~饱和, 局部弱胶结, 中砂、粗砂均含少量砾石, 主要富水段在中上部, 下部含水性变差, 富水性弱。第三系隔水层主要是粘土和粉质粘土, 可塑-坚硬, 弱胶结。随着埋深的增加, 压实作用及固结作用使岩层逐渐密实, 垂向上含水层的含水性逐渐减弱, 隔水层的隔水性逐渐增强。
2 施工方案
利用主井原有冻结管对主井周围受扰动土层进行注浆, 注浆范围为:深度0~280m, 水平方向以主井井筒中心为中心, 从内半径3.4m (井壁外缘处) 至外半径17m (外圈冻结孔布置圈半径9m+浆液有效扩散半径8m) 的环形空间。此次注浆, 主要利用原主井冻结管进行割管注浆, 射孔注浆和新打孔注浆作为比较方案[1], 以评价注浆效果。
2.1 注浆孔布置原则
主井原有冻结孔的选用, 遵循“分散、多孔、均匀布孔注浆”的原则, 确定如下:
(1) 利用主井井筒原冻结钻孔, 外圈孔选14个钻孔, 尽可能均匀布置 (拟采用W5、W15、W26、W37, W11、W20、W32、W41, W2、W29、W8、W23、W16、W36) 。
(2) 利用原有部分冻结孔进行透孔割管注浆处理主井周围280m以上扰动地层, 如选定的的冻结管因断裂、弯曲严重无法利用时, 可选用相邻的冻结管进行割管注浆。
(3) 射孔注浆原则上利用与割管相邻的冻结孔, 保证注浆有一定的扩散半径与相邻孔注浆交圈, 形成一定厚度闭合的帷幕;如原有冻结钻孔确实无法利用则需重新打孔注浆。
注浆钻孔布置详见如图1。
2.2 钻孔施工顺序及注浆方式
(1) 主井注浆钻孔施工顺序: (1) W5、W15、W26、W37 (2) W11、W20、W32、W41 (3) W2、W8、W16、W23、W29、W36。
(2) 主井原冻结钻孔外圈所下冻结管为Φ159×7mm无缝钢管, 设计透孔深度280m, 钻机安装到位后采用相应钻头透孔至设计深度, 采用上行式分段注浆;新打孔选用50mΦ159×7mm无缝钢管作为孔口管, 采用下行式分段注浆。
2.3 注浆段高
注浆段高即一次注浆的钻孔长度。分段注浆是保证注浆质量的重要技术措施之一。在每个段高底部及该段相应含水砂层处采用割管为主, 射孔为辅的作业方式, 尽可能多孔同层位同步注浆, 同层位交叉注浆, 力求浆液分散均匀。
依据上述段高划分原则, 将各井筒注浆段进行段高划分, 将受扰动严重的地层 (一般为砂层) 作为重点注浆段。主井划分为11个段高, 段高长度15~30m。
2.4 注浆压力
理论与实践经验均表明:当注浆压力与土层原始地应力之差大于土层的抗劈裂强度时, 土层中即可进浆。根据《矿山井巷工程施工及验收规范》[2]有关规定, 此次设计的注浆终压值取静水压力1.2~1.5倍 (静水位一般从孔口起算) , 既能保证主井周围受扰动地层形成的空隙经注浆后得到有效充填、密实, 也能保证井筒在注浆施工期间不受损害, 确保主井井壁的安全。
上限取值为:
下限取值为:
式中H为注浆深度, 单位为m。
注浆时为了方便和安全, 压力值以注浆泵上表压数据为准, P表=P终- (ρ浆-ρ水) H/100, ρ浆=1.4~1.6g/cm3。可以根据注浆情况进行一定程度的调整。达到设计注浆量时, 注浆终压取下限值;达不到设计注浆量时, 注浆终压取上限值。
2.5 注浆结束标准
(1) 注浆压力达到设计最大注浆压力且稳定10min以上时停止该段高的注浆。
(2) 当一个段高的注浆量达到设计量的120%, 孔口注浆压力 (泵压) 达设计值80%以上并稳定10min时结束该段高注浆。
(3) 任一段高的注浆量达设计值的150%时, 尽管压力不升也应停止该段高注浆。
(4) 主井井口地面抬升量一旦达到安全限值, 必须立即结束主井注浆。
2.6 注浆材料及注浆配比
水泥:采用P.O42.5普通硅酸盐水泥, 粉煤灰:粉煤灰宜采用一级灰, 水玻璃:模数2.4~3.4, 波美度为30~42Be′。
粉煤灰~水泥浆水固比取0.6:1~1:1, 固相比水泥:粉煤灰取0.1:0.9~0.45:0.55 (质量比) 。本次注浆选用水:水泥:粉煤灰:添加剂=1:0.2:0.8:0.02浆液配方。
2.7 浆液注入量及材料用量预计
计算公式:
式中:Q———浆液体积 (m3) ;
A———浆液超扩散消耗系数, 取1.2;
R———以井筒中心为基点的浆液有效扩散距离 (m) , R=r+L;
r———注浆半径 (m) , r主井=9m;
L———浆液沿径向方向的最小有效扩散距离, 主井取8m;
H———注浆段总段高 (m) , H主井=230m;
m———浆液结石率, m=0.85;
β———浆液充填系数, β=0.9;
n———地层平均浆液充填率 (%) , 主井取1.75%。
3 钻注施工
钻注设备主要配备TXB-1000型钻机, TSJ-1000型钻机、TBW-850/5型泥浆泵、NBB250/60型泥浆泵、JDT-6型陀螺测斜定向仪、5LZ95×7.0型螺杆钻具、BQ-350型注浆泵等, 这些设备性能优良, 稳定性好, 满足工程施工需要。主井所选冻结管用同径无缝钢管焊接到原地表以上0.4m, 然后对冻结沟槽进行回填, 在井口周围用三七灰土分层夯实做灰土盘。在距井筒井心50m处的适宜位置建造8个泥浆循环池 (单个泥浆池规格为2×2.5×2m) , 并配有相应的循环沟槽, 以此作为钻孔施工的泥浆循环系统。
4 效果评价
4.1 割管注浆
主井首先选取W-5#、W-15#、W-26#、W-37#这4个基本上互成90°夹角的冻结管作为割管注浆孔。
注浆效果分析:
(1) 总注浆量为248.75m3, 注浆效果不甚理想。因此选择W-20#、W-36#、W-41#3个冻结管作为第二组孔, 进行射孔注浆试验, 同时在主井井筒中心与W-11#孔连线外侧3米处新打一个注浆试验孔X-11#, 对割管注浆、射孔注浆和新打孔注浆3种注浆方法进行对比, 同时以此来进一步判断主井280米以上地层的受扰动程度。
(2) 主井第二组孔透孔至280米后, 对第十一注浆段进行再次割管注浆试验, 其中W-20#的割管深度为266m、271m、275m、280m, W-36#的割管深度为265m、270m、275m、280m, W-41#的割管深度为266m、271m、275m、280m;经压水试验判定该段并不具有可注性 (压水试验压力分别为2.7MPa、2.9MPa、3.0MPa) , 于是在第十段开始选择射孔注浆法进行试验。
(3) 主井W-20#、W-41#第十段、W-36#第十一段射孔深度分别为241.5-244.5m、269.5-270.5m、257.5-258.5m, 压水试验压力分别为1.0MPa、0.5MPa、1.2MPa;之后选用稀浆进行注浆, W-20#注浆量12.95m3, W-41#注浆量23.45m3, W-36#注浆约18、19分钟压力就达到2.3MPa, 根据计算分析, 这个时间浆液刚刚好达到割口深度向地层内充填, 因此实际上该段地层并未进浆。
4.2 射孔注浆
根据注浆情况再次调整射孔方案, 决定对W-20#、W-41#两个冻结孔进行全段注射孔浆, 射孔压水/注浆数据如下表。
注:射枪有效长度1m, 以射枪底头标定深度, 为避开在冻结管内节箍处射孔, 在设计位置上提0.5m.
注浆效果分析:
射孔注浆效果略好于割管注浆, 由于受射弹穿孔效果及周围地层固结性大小的影响, 可注性虽然增加, 但远远未达到设计注浆量的要求, 此次射孔注浆共计注入量为150.1m3, 未达到设计要求。
4.3 新打孔注浆
注浆效果分析:
新打钻孔X-11#孔单孔注浆量229.6m3, 因其穿透多层地层可注面增加, 加之孔口管固结作用, 增强了注浆效果。考虑到固管效果的影响 (3次因孔口返浆终止注浆) , 注浆量比较可观。
5 经济比较
根据合同要求, 透孔割管综合费用180元/m;1m射枪射孔5000元/次 (2m射枪8500元/次) , 遥测车出场费35000元, 定位费15000元/天;新打孔套管270元/m, 钻孔450元/m, 水泥-粉煤灰1:1浆液358元/m3。如全部采用透孔割管费用总计为579600元, 射孔费用达1408000元, 而新打孔费用为757620元 (按6个孔位计) ;通过经济对比, 新打孔费用比透孔割管费用略高, 是射孔费用的一半多一点, 而注浆效果却是此中方案中最好的。因此, 表土层注浆, 无论从注浆效果, 还是经济合理性上, 新打孔都占有明显优势。
6 结论
通过对主井地面注浆三种方案的技术、经济效果分析比较, 在治理井筒表土层沉陷、井筒涌水危害进行地面注浆时, 新打孔注浆施工能取得较好的技术、经济效果。从施工角度考虑, 新打孔便于操作和实施, 注浆作业直接有效, 是治理井筒沉陷、井筒涌水危害的有力途径, 并能从根本上消除矿井的安全隐患。
参考文献
[1]骆志兵.矿山建设工程技术新进展 (下册) [M].合肥:合肥工业大学出版社.
[2]GBJ-213矿山井巷工程施工及验收规范[S].MT/T-1150-2011注浆孔施工技术规范[S].DL/T 5055-2007水工混凝土掺用粉煤灰技术规范[S].
[3]虎维丘.矿山水害防治理论与方法[M].北京:煤炭工业出版社.
冻结技术方案 篇2
关键词：深厚冲积层,冻结管断裂,冻结设计,冻结管焊接
0 引言
我国从1955年首次应用地层冻结技术成功开凿了开滦矿林西风井以来, 计施工了470个立井井筒, 累计冻结总深度达75 km。实践表明:冻结法已成为我国解决深厚冲积层凿井困难的最主要特殊施工方法。应当指出, 随着冲积层厚度的增大, 地压和水压增大, 地温升高, 特别是深部粘土层的冻土扩展速度慢和强度低, 冻结壁的蠕变位移大, 对冻结凿井产生不利的影响, 成为导致冻结管断裂、井壁破裂、井筒漏水的主要原因, 轻则延长工期和增加工程造价, 重则导致透水淹井和危及施工安全, 造成重大损失。国内、外冻结凿井资料表明, 在深厚粘土层中都存在较为严重的冻结管断裂问题, 因此搞好深厚冲积层的冻结设计具有重要的意义。
1 深厚冲积层地层特点及冻结管断裂的主要原因
深厚冲积层的地层特点:华东地区的深厚冲积层具有第三系厚度大, 粘性土层多且单层厚度大、埋藏深度大、含水量低和呈半固结状、固结状等特点, 另根据土工试验数据、冻土抗压强度试验数据和冻土蠕变试验数据分析得出第三系深部粘土层普遍结冰点低、冻土抗压强度低、蠕变特性显著均对冻结凿井产生不利的影响。
根据分析, 深厚粘土层中冻结管断裂的主要原因有: (1) 冻结壁的有效厚度和有效强度未能满足强度条件和变形条件的要求; (2) 粘土层的埋藏深度大, 地压大, 起始冻结温度低, 承压能力小, 蠕变特性显著, 易于产生径向位移; (3) 掘砌段高大, 冻结壁裸露时间长, 位移大, 使冻结管处在冻结壁的塑性变形区内工作; (4) 冻结管材脆化温度转化点高, 低温韧性差, 管接头抗弯密封性能差。
2 合理的冻结设计是防止冻结管断裂的前提
2.1 冻结深度的确定
《矿山井巷工程施工及验收规范》第4.2.2条规定, 立井井筒的冻结深度必须深入不透水的稳定岩层10 m以上。当基岩下部30 m左右仍有含水岩层时, 应延深冻结深度, 并宜采用差异冻结法施工。根据国内深井冻结的实践经验, 冻结进入不透水基岩的深度宜考虑下列因素: (1) 钻孔提供的风化带深度与井筒横断面实际穿过的风化带最大深度之间的误差, 一般取2 m; (2) 钻孔偏斜或钻杆弯曲以及泥浆沉淀等造成下冻结管深度的减少, 按冲积层深度1%估算; (3) 冻结段底部采用爆破时要考虑爆破对冻土松动范围的影响, 按爆破松动圈实测范围1.2～1.8 m分析取值; (4) 《矿山井巷工程施工及验收规范》第4.2.26规定, 冻结法施工的井筒, 冻结段的掘砌深度应比井筒的冻结深度浅5～8 m。
2.2 冻结壁厚度的设计
2.2.1 设计指导思想
(1) 冻结壁既能满足强度条件又能满足变形条件的要求;
(2) 运用冻结壁的有效厚度、有效平均温度、有效强度等概念, 严格控制冻结孔的终孔间距和内侧径向偏值, 积极冻结期和维持冻结期实行全过程低温冻结, 确保深部冻结壁的有效厚度、有效强度和稳定性;
(3) 选取埋深最大的砂性土层和厚粘性土层作为冻结壁强度设计和稳定性验算的控制地层;
(4) 坚持冻结段不间断地施工的原则, 协调好冻结与掘砌的关系, 在确保安全条件下加快掘砌速度, 实现稳进高速;
(5) 坚持外层井壁短段掘砌, 严格控制冻结壁的裸露时间和径向位移, 使冻结管处在冻结壁的弹性变形区内。
2.2.2 厚度设计公式的选取
根据国内深厚冲积层冻结壁设计经验, 砂性土层和粘性土层分别按强度条件和变形条件的理论公式计算。基本上是取最大埋深的砂性土层, 按多姆克的无限长弹塑性厚壁筒公式计算冻结壁厚度。
E=R{0.29×P÷[K]+2.3× (P÷[K]) 2}
式中E—按强度条件计算的冻结壁厚度, m;
R—井筒掘进半径, m;
P—计算水平的地压, MPa;
K—砂性土层的冻土计算强度, MPa。
2.2.3 厚度计算基本参数的优选
设计控制地层一般取冲积层底部具有代表性的主要砂性和粘性土层;设计控制地层的地压值一律按悬浮体理论计算;冻结盐水温度一般选取较低的盐水温度在-32℃～-34℃之间。
2.2.4 冻结壁平均温度计算
冻结壁平均温度是确定冻土强度的基本依据, 它主要取决于冻结壁厚度、冻结盐水温度、冻结孔间距、井帮冻土温度诸因素。根据《冻结法施工》等多年的试验实测研究, 提出深厚冲积层冻结壁有效厚度的平均温度等于按冻结壁0边界线计算的平均温度值与井帮冻土温度对冻结壁有效厚度的平均温度影响值之和。
式中tc—按冻结壁有效厚度计算的平均温度, ℃;
toc—按冻结壁0边界线计算的平均温度, ℃;
te—井帮冻土温度对冻结壁有效厚度的平均温度影响值, ℃;
tb—冻结盐水温度, ℃;
L—计算水平的冻结孔最大间距, m;
E—冻结壁有效厚度, m;
tn—计算水平的井帮土壤温度, ℃;
△—井帮冻土温度每升高或降低1℃对冻结壁有效厚度的平均温度影响系数, 一般取0.25～0.3, 可近似取0.27, 当井帮土壤为正温时, 取0。
2.2.5 冻土计算强度的选取
冻土计算强度 (K) 可直接按持久强度选取或冻土极限抗压强度 (σc) 除以安全系数 (m0) 求得, 在缺乏系统的冻土持久抗压强度试验资料的情况下, 按K=σc/m0的计算方法较为符合实际, 并摸索出一定的经验, 一般砂性土的m0取2.0～2.2, 粘性土的m0取2.5。
国内在冻结壁厚度设计中, 一直沿用50 mm×50 mm×50 mm立方体冻土试件快速加载 (30±5) 的无侧限瞬时抗压强度 (σs) 。从1985年开始改用国际冻土强度试验的圆柱体试件 (φ61.8×150 mm) 和恒应变速度轴向加载方法获得的无限瞬时抗压强度 (σφ) , σs与σφ之间的一定比例关系, 试验初步得出, 砂性土的σs=1.7～1.9σφ, 粘性土的σs=1.8～2.2σφ。
2.2.6 深部粘土层安全掘进段高验算
按维亚洛夫-扎列茨基的有限长塑性厚壁筒公式验算安全掘进段高。
H=Eδ/ηP
式中H—按变形条件计算的安全掘进段高, m;
E—按变形条件计算的冻结壁厚度, m;
δ—粘土土层的冻土持久抗压强度或计算强度, MPa;
P—计算水平的地压, MPa;
η—工作面冻结状态系数, 掘进工作面为冻实状态时取0.865, 掘进工作面为非冻结状态时取1.73, 即η在0.865～1.73之间。为了便于计算, 工作面冻土扩展范围为0、1/4、2/4、3/4、4/4时, η值可相应地取1.732、1.516、1.299、1.082、0.865。
3 施工中解决冻结管断裂的有效措施
3.1 冻结管焊接过程控制措施
工程实践与室内试验充分证明, 外接箍接头焊接强度均低于母体强度, 而且接头又无延伸性能, 不适应冻结壁变形, 易造成冻结管接头断裂。鉴于内衬箍对焊接头强度高于母体强度, 提高了冻结管的整体变形能力, 近几年各冻结单位普遍采用内衬箍对焊接头和低碳钢无缝钢管组成的冻结管。从目前国内深立井井筒冻结工程施工情况来看, 发生冻结管断裂的主要原因是内衬箍焊接质量差, 其焊接强度低于母体强度, 降低了冻结管的整体变形能力。综上所述, 内衬箍焊接质量差是冻结管断裂的直接原因。针对冻结管焊接质量问题, 应从以下几个方面进行控制:
(1) 应建立造孔分项工程组织管理机构, 分工明确, 责任到人;制定并实施焊接质量监检员全过程监督的办法。
(2) 施焊过程中, 必须按照《焊接作业指导书》要求去执行。
(3) 冻结管、管箍材质应一致, 必须采用塑性大、韧性好的20#低碳钢流体无缝钢管;使用前必须进行材质化验和超低温力学试验。
(4) 焊接采用J422低碳钢酸性焊条, 其焊条特性应与母材匹配。
(5) 每根冻结管使用前, 管口内、外均应当在地面打倒角, 其倒角应符合要求。
(6) 施焊前, 管端污物必须清理干净, 如:水、泥土、油污等。
(7) 冻结管焊接接头试件应现场随即取样, 并送至具有相应资质的实验室进行常温、低温抗拉、挠度两种试验, 检验冻结管接头焊接强度是否与母体相适应。
(8) 配管、下管期间应逐根检查冻结管管材质量, 不得使用弯曲、变形或有夹皮等问题的管材。
(9) 电焊工应持证上岗, 其证件 (SMAW) 必须符合压力管道焊接工艺要求。
(10) 电焊条贮存、烘烤及领用应严格按照规范要求去执行。
(11) 针对深冻结孔冻结管焊接, 一般施焊作业总时间都较长, 有的需要10 h时之上。焊接时, 应充分考虑人的疲劳状态因素。由于电焊操作工施焊时间过长, 易引起焊接质量问题。建议电焊工施焊时间不宜超过4 h;需分班作业时, 必须将两班交接焊接部位或垂深进行记录, 以保证每个钻孔冻结管的焊接质量具有可追溯性。
(12) 每根管材接头焊接完成后, 必须进行冷却一定时间而后再下管, 冷却时间至少6～10 min。
(13) 冻结管焊接时, 管端应分层施焊, 焊缝应饱满无砂眼。施焊电流、电压, 必须严格执行《压力管道焊接工艺要求》。禁止电焊工根据自己的焊接习惯行为人为调节施焊电流、电压。
(14) 每次施焊前, 应仔细检查电焊机的工作性能。若电焊机存在故障 (比如施焊电流不能正常调节等) , 必须及时进行修理并保持完好状态, 否则不得投入使用。
3.2 掘砌施工过程控制措施
目前冻结井外壁掘砌基本上采用大模板、大吊桶、挖掘机、中心回转抓岩机等设备, 机械化程度高, 为井筒快速施工创造外部条件。井筒正式开挖后的1～2个月内, 速度快的月进尺在150 m左右, 有的甚至达200 m之多, 相应造成冻结时间减少, 直至出现冻结壁厚度、强度满足不了井筒施工, 最终发生冻结管断裂。鉴于此, 建议采取小段高、快速施工, 缩短作业循环时间及井帮围岩暴露时间, 控制井帮位移总量;或根据冻结壁形成分析和掘砌施工单位实际施工能力, 合理确定井筒正式开挖时间, 以确保井筒安全、快速、连续施工。
4 结论
(1) 根据地层性质、冻土力学实验, 结合目前优秀冻结施工单位的经验, 对冻结方案进行优化设计。
(2) 在冻结管材材质选用上, 要对各生产厂家材质进行超低温条件下力学试验, 保证用材质量。
(3) 冻结施工与井筒掘砌施工要密切配合。通过现场实测数据的采集, 及时了解冻结状态, 合理确定井筒开挖时间, 科学预测冻结壁交圈和发展状况, 合理组织井筒掘砌施工。
冻结技术方案 篇3
故而, 技术人员应掌握对该技术质量的监测方式, 以保证冻结工程的施工质量。
一、冻结法简述及其监测方案
(一) 冻结法
所谓冻结法, 指施工人员通过人工制冷的方式, 冻结开挖目标地下空间范围土体中的水, 使水凝固成冰, 进而同土体胶结为一体, 形成与设计轮廓相符合的冻土墙, 或是密闭状态的冻土体, 负责抵挡土体所施加的压力, 同时将地下水隔断, 在冻土墙或是冻土体的防护下, 施工人员实施凿井的施工方法便称为冻结法。
(二) 冻结法质量监测目的
为了确保矿井冻结工程的质量, 施工人员必须时刻对施工状态进行监测。监测人员需要在施工现场实施监测, 以便保证获取数据的有效性。借助现场监测, 能够得到制冷设备以及井筒冻结的实际情况, 检验施工设计方案的正确率, 进而使冻结效率有较大的提升。
此外还可以得到冻结墙壁的厚度以及强度等相关数据, 确认上述数据是否符合施工方案的要求。监测人员需及时监测的目标有盐水系统监测、冻结孔施工监测、冻结期各阶段工作状态以及工作面井帮各阶段的温度。
二、施工质量监测方案的分析
(一) 造孔施工过程监测
监测人员若通过对造孔过程进行监控以控制矿井冻结工程的质量, 则应注意如下三个方面:
1. 冻结孔的位置
施工人员应遵照施工方案的要求对矿井需要冻结的部分实施孔位布置作业。
实施布置过程中, 施工人员需使用钢尺以及经纬仪精确测量标记位置, 避免出现差错。
2. 冻结孔的深度
孔的深度应结合当地标准高度进行设定。并在成孔之后进行复测, 确保符合施工方案要求。
3. 冻结孔的斜度
部分施工地区, 地层较为复杂, 地层当中包含有砾石, 钻孔就容易发生偏斜。故而, 施工人员应采取措施控制孔偏斜程度, 在造孔过程中, 需定期测量孔的偏斜度, 以免孔位产生严重的偏离。
成孔的各项数据要满足施工方案要求, 之后按照绘制完毕的偏斜图实施分析。
(二) 冻结壁温度场监测
监测人员可根据实际情况布置若干个测点, 以便能够及时对冻结范围内土体的状态进行监测, 了解该区域内温度状态。本文以某煤矿副斜井冻结壁实际情况为例, 简述如何通过测点对冻结壁进行监测, 获取该冻结壁的状态。
以其中一个冻结段为例, 根据测温孔测温数据, 部分地层温度情况分析如下表所示:
根据表1实际监测数据显示冻土发展速度26.1~33.2mm/d, 结合冻结孔偏斜图进行分析, 预计冻结壁厚度2.47m, 冻结壁厚度未达设计要求, 故应继续进行积极冻结。
根据表2实际监测数据显示冻土发展速度29.5~31.8mm/d, 结合冻结孔偏斜图进行分析, 预计最薄弱处冻结壁有效厚度有3.02m, 冻结壁厚度达到设计要求, 可以进行井筒的掘砌工作。
在挖掘过程中, 通过对施工现场所挖开的断面进行温度与位移的监测, 数据显示冻结效果良好, 冻结部分均匀稳定, 没有出现异常现象。
监测人员通过对各测点温度值的获取, 可以确定该阶段是否适合掘进施工。若温度降低速度较慢, 施工人员可添加一台冷冻机组加强冷冻, 以便使温度快速下降, 令掘进施工人员能够尽早施工。
三、结语
监测人员借助对冻结过程实施监测, 可以获取大量数据, 从而使矿井冻结工程的施工更为便捷, 也令冻结参数得到优化。故而, 监测人员应不断优化监测方案, 以便保证矿井冻结工程的施工质量。
参考文献
[1]杨更社, 奚家米.煤矿立井冻结设计理论的研究现状与展望分析[J].地下空间与工程学报, 2011, 03:627-635.
[2]赵玉明, 李长忠.冻结监测中分布式光纤测温系统的研究[J].工矿自动化, 2012, 04:55-58.
冻结技术方案 篇4
关键词：主立井,深厚冲积层,全深冻结法,基岩段全冻结
李粮店煤矿位于河南省新密煤田的东南部, 井田面积87.34 km2, 新密煤田位于凤后岭背斜与荥巩背斜之间, 煤田内构造行迹以断层为主, 伴有规模不等的褶皱。
该井田为第三、四系全掩盖区, 根据钻探资料, 地层从老到新依次发育寒武系上统长山组 (∈3ch) 、奥陶系中统马家沟组 (O2m) 、石炭系上统本溪组 (C3b) 和太原组 (C3t) 、二叠系下统山西组 (P1sh) 和下石盒子组 (P1x) 、二叠系上统上石盒子组 (P2s) 及第三、四系。
1工程概况
矿井设计生产能力为2.40 Mt/a。矿井开采初期, 在井田中部工业场地布置主立井和副立井, 在井田北部煤层浅部布置北风井。根据主立井井筒检查孔资料, 主井井筒处第四系和新近系厚度为479.2 m, 基岩厚度为276.3 m, 基岩风化带裂隙承压含水层涌水量为2.90 m3/h, 二1煤层顶板砂岩裂隙承压含水层涌水量为41.58 m3/h。主井井筒设计深度为755.5 m。
2井筒施工方案
根据该矿井地质报告和主立井井筒检查孔报告提供的地质资料, 并结合国内外建井技术现状, 该矿井井筒可行的施工方法目前也只有冻结法和钻井法2种。2种方法均为目前通过地质和水文条件复杂的深厚冲积层凿井的较为有效的特殊凿井法。
但是, 由于该矿井冲积层厚度较大, 水文和地质条件复杂, 无论是采用冻结法还是采用钻井法施工, 都面临着许多技术难题:冻结法要解决冻结孔施工技术、冻结壁设计和制冷技术等问题;而钻井法要解决因为井筒较深井壁所受重力较大, 造成井筒难以上浮, 泥浆占地面积较大, 处理较难, 且会带来一定污染等问题。
参考河南矿区邻近的赵家寨煤矿、赵固一矿和二矿、泉店煤矿、新桥矿、程村煤矿、新河煤矿、城郊煤矿和薛湖煤矿的施工经验, 经过多次专家论证, 对于井筒冲积层施工方法达成一致意见:采用冻结法施工。但是, 对于基岩段是采用普通法施工还是冻结法施工则存在较大争议。
3冲积层冻结
冲积层冻结是指按照常规的冻结方法对冲积层实施冻结, 冻结深度必须穿过风化基岩段, 深入到不透水的稳定岩层中10 m以上, 其他基岩则采用普通凿井法施工。
此种方案在国内运用较为广泛, 其中城郊矿东风井, 薛湖煤矿主、副、风井, 泉店煤矿主、副、风井, 赵固一矿和二矿的主、副、风井等均采用冲积层冻结, 基岩段采用普通法, 并均取得了成功。
采用该方案的优缺点:
(1) 优点。节省冻结费, 加快建井速度, 投资较省。
(2) 缺点。基岩含水层涌水量较大, 建井风险较高;遇到出 (漏) 水情况, 由于井筒较深, 水压较大, 注浆困难, 可能延误工期, 造成较大损失。
4基岩段全冻结
基岩段全冻结是指不但对冲积层和基岩风化带段进行冻结, 并且对风化带以深的基岩全部都采用冻结, 冻结深度为井筒深度加上穿过井筒深度后进入稳定岩层10 m以上。冲积层和基岩风化带段采用双排管冻, 基岩段采用单排管冻。基岩段全冻的方案在新桥矿的主、副井井筒施工中已被采用, 并取得了成功。该方案的优点是:全井筒冻结, 建井风险较低, 能保证井筒安全快速施工, 减少注浆费用。
5施工方案综合比较
2种方案在技术均是可行的, 两者的主要差异体现在基岩段的施工方法上。
(1) 冲积层冻结。
冻结深度为579.0 m, 投入资金2 408万元, 建井工期 (正常情况下) 为11个月, 基岩含水层可能出水, 采取的措施为注浆。
(2) 基岩段全冻结。
冻结深度为770.0 m, 投入资金2 803万元, 建井工期 (正常情况下) 为14个月, 基岩含水层不出水, 基岩段不用注浆。
该矿井基岩含水层主要是二1煤层顶板砂岩裂隙承压含水层, 该层涌水量为41.58 m3/h, 其位置在深665.93～714.88 m处, 考虑到该段含水层水量较大, 为二1煤层顶板直接充水含水层, 水压较大 (水位标高+103.03 m) , 对井筒的开凿影响较大, 要注意防水。
不对该段基岩冻结, 凿井过程如果发生出水或者是漏水现象, 则出 (漏) 水量较大, 堵水工程量较大, 需要注浆, 而此处水土压力超过了5 MPa, 为8～10 MPa, 注浆非常困难, 消耗资料量较大, 投资增高 (注浆施工的成本根据现场施工情况来定, 很难用数据来衡量, 按照一般情况考虑, 其成本应是水泥的10倍) , 工期延误, 甚至可能还要重新对基岩段采取冻结 (二次冻结成本为7万～8万元/m, 基岩冻结深度需增加206 m) , 才能够防止出 (漏) 水, 这种现象在同一矿区曾经出现过, 实际产生的费用超过了冻结的综合费用, 工期耽误较长。
而采用全深冻结施工的井筒, 如新桥矿井3对井筒均采用全深冻结, 其中主井冻结深度601 m (刷新了当时全国煤炭冻结建井深度纪录) , 基岩段采用单层井壁, 工期不但没有因为治水延误, 反而比计划提前。
根据主井井检孔地质资料, 井筒579.0 m以深的岩性以砂质泥岩和砂岩为主, 根据同矿区赵固一矿和赵固二矿的冻结情况和取得的成功经验来看, 该矿井的主井井筒深部基岩冻结是可行的, 是能够实现预期效果的。
考虑到该矿井主井设计采用上提式箕斗装置, 并且主井线路为矿井建井工期关键线路, 主井井筒的施工工期影响整个矿井的建设工期, 全冻结更能够确保建井工期, 能够最大限度地降低建井风险。
由此可见, 全深冻结建井的风险相对较低, 能够确保矿井施工安全、优质、快速、高效。
6结语
联络通道冻结工程技术分析 篇5
关键词：联络通道,冻结技术,施工情况
1. 工程概况
昆明市轨道交通3号线延长线普石区间联络通道处左、右线盾构隧道里程为ZDK4+156.6653 (YDK4+158.0000) 。两隧道中心间距19.180m, 左线隧道中心标高为1874.680m, 右线隧道中心标高1873.991m, 联络通道所处位置地面标高约为1891.510m, 联络通道位于春雨路下方, 联络通道上方管线较多, 主要有自来水管、雨水管、污水管、通信信号等相关管线。联络通道处已使用地面旋喷+超前小导管加固地层, 现使用水平冻结法, 矿山暗挖法施工。
依据联络通道的特征和所处地层的特点, 使用冷冻法加固土体, 之后用矿山暗挖法实施开挖构筑施工, 联合以前地铁联络通道施工的经验, 使用“隧道内水平冻结加固土体、隧道内矿山法开挖构筑”的全隧道内施工方案。就是:在隧道内运用水平孔与局部倾斜孔冻结加固地层, 冻结联络通道外围土体, 产生强度高、封闭性好的冻结帷幕。在冻土中使用矿山法开挖、喷锚支护, 初期支护与二次衬砌之间设全封闭防水隔离层, 二次衬砌采用型钢拱架+满堂支架联合支撑、组合钢模立模, 泵送商品混凝土整体衬砌。
2. 冻结法概述
2.1 冻结法意义
冻结技术是使用人工工艺冷却的, 从地层中把冰冷的水结冰, 产生的冻土是天然岩土, 使其强度和稳定性增加, 隔离地下水和地下工程关系, 地下工程掘砌施工的特殊施工技术方便在冻结壁的保护下实施。其实质是运用人工制冷临时改变以岩土特性的地层固结。冻结壁是临时的支护结构, 产生永久支护后, 停止冻结, 解冻冻结壁。将含水地层在结冰温度下冷却, 岩石裂隙或土孔隙中的水变成冰, 岩土的性质发生决定性的变化。将这一性质改良后的冻结岩土用于地下工程施工期内的承载和密封。
2.2 冻土形成
冻土形成的5阶段:
(1) 冷却段:温度从初态减低到水的冰点, 此时尚无冰;
(2) 过冷段:温度续降至冰点下, 自由水仍不结冰, 呈过冷现象。主要与热平衡有关;但若在水达到冰点且全部水未结冰前, 有结冰冰晶生长或有振动的影响, 土中水将立即进入稳定冻结阶段, 而无明显过冷现象产生;
(3) 温度突升段:部分孔隙水冻结, 释放潜热, 温度突升;
(4) 稳定冻结段:温度升至冰点并稳定, 孔隙水开始冻结成冰, 冻土逐渐形成;
(5) 冻土降温段:温度继续降低, 冻结范围扩大、冻土强度增加, 吸收冷量, 温度进一步降低。
2.3 冻结法优点
冻结法对各种地层适用, 特别适合在城市地下管线密布施工条件困难地段的施工, 通过几年来国内外施工的实践经验证明冻结法施工有下面优点:
(1) 地下水能有效隔绝, 其抗渗透性能是别的所有方法不可以比较的, 对于大于10%含水量的任何含水、松散, 不稳定地层都能使用冻结法施工技术;
(2) 冻土帷幕的形状与强度能视施工现场条件, 灵活布置与调整地质条件, 能达5MPa~10MPa的冻土强度, 工效可以有效提高;
(3) 冻结法是一种环保型工法, 不会污染四周环境, 土壤没有异物进入, 噪音小, 完成冻结后, 融化冻土墙, 不影响建筑物四周地下构造;
(4) 冻结施工用于桩基施工或别的工艺平行作业, 施工工期可以有效地缩短。
3. 工程施工情况
3.1 钻孔施工 (图1)
隧道内为双侧钻孔, 共施工冻结孔80个 (左线冻结孔56个, 右线24个) , 共计846.286米;测温孔8个 (右线布置2个、左线布置6个) , 深度2m~8.5m不等, 共40.45m;4个卸压孔 (左右线各2个) 。
钻孔时, 先施工透孔, 依据穿透孔的偏差, 相关的钻进参数进一步调整。之后依据联络通道施工的孔位, 使用从上到下的程序实施施工, 这样能避免由于下层冻结孔的施工引发上部地层扰动, 使钻孔施工时产生的事故减少。
每个钻孔施工前必须完成安装密封装置。用螺丝把孔口装置装在闸阀上, 注意把密封垫片加好。当第一个孔开通后, 没有涌水涌砂可继续钻进, 但以后钻孔仍要装孔口装置, 以防突发涌水涌砂现象出现;若涌水、涌砂现象较厉害, 还应注水泥浆 (或双液浆) 止水。
3.2 冻结施工
冷冻站内设备关键包含冷冻机组、配电柜、盐水箱、清水箱、盐水泵、清水泵等。安装冻结站包含氟系统、盐水体系和冷却水体系安装, 需要依据冻结站的总体设计, 依照先设备后管路的安装程序与施工图的技术需求, 分别实施安装三大循环体系, 并依照《井巷工程施工及验收规范》需求试压、检验验收。
完成设备安装后实施调试与试运转。在试运转时, 压力、温度等各状态参数要随时调节, 让机组在相关工艺规程与设备需求的技术参数条件下运行。冻结体系运转正常后进入积极冻结。这阶段为冻结帷幕的产生阶段, 需要冻结孔单孔不小于5m3/h的流量;积极冻结7天盐水温度降到-18℃以下, 积极冻结15天盐水温度降到-24℃以下, 不大于2℃的去回路温差;开挖前降到-28℃以下盐水温度。每天检验测温孔温度, 并依据测温数据, 分析冻结壁的扩展速度与厚度, 预计冻结壁达到设计厚度时间。
4. 关键施工技术措施
4.1 冻结水平孔施工技术措施
因为隧道管片为300mm的厚度, 为避免开孔后出现涌砂涌水情况, 第一次开孔为250mm厚度, 开孔选用J-200型金刚石钻机, 配φ130mm金刚石取芯钻头实施钻孔, 用钢楔楔断混凝土芯, 管片不开透, 让管片留有50mm的混凝土厚度, 之后把孔口管和大球阀安装好, 完成安装后, J-200型金刚石钻机是第二次开孔选用的, 配φ108mm金刚石取芯钻头对剩余50mm厚管片实施钻透。完成开孔后球阀要及时关闭, 避免涌砂涌水。
钻孔施工时先施工透孔, 用来进一步校核联络通道中心线与腰线, 依据透孔的施工经验和对地层的判断, 对后续施工的冻结孔实施微量调整, 保证冻结孔的终孔偏斜满足设计需求。
完成钻孔施工后, 对全部冻结孔实施耐压试验、测斜与测深, 在所有达到设计需求后才能实施冻结施工, 如果达不到要求, 则需要实施下套管、补孔等形式解决, 以避免后期冻结时泄漏盐水而而导导致致冻冻结结失失败败。。
4.2 冻结施工关键技术方法
(1) 由于联络通道的施工很多危险点, 出现严重的事故损失, 事故影响大, 本项目施工用电负荷依照二级负荷思考。现场变电所上源供电使用双电源供电模式。
(2) 冷却水蓄水箱在冻结站安装两个, 达16m3的总蓄水。在供水中断的状况下, 能运用蓄水箱清水确保冷却用水需求。同时主动联络各方, 及时复原供水。
(3) 冻结站安装有两套冷冻机组, 正常状况下要一台正常运转。机械一旦出现故障, 能暂时运用其中一台持续维持冻结, 同时把故障机组修复, 及时复原冻结。平时增强设备的管理和维修, 冷冻机运转前安排有了解机器功能的设备员对机组实施全面细致的检修, 保证其安全性。
结语
自中国使用冻结法施工技术以来, 作为一种特别的施工办法, 其抗渗透功能是别的任何办法都不可以比较的。这些年来, 城市地下项目施工进入了高峰, 繁杂的施工环境让一些大型的设备常常无能为力, 而冻结法这种只在施工区域内钻孔就能处理问题简单容易方法正好有了用武之地, 具备优良的社会、经济效益, 具备优良的发展前景。随着联络通道冷冻法施工技术的运用发展, 风险防范的技术方法会更加完善, 从而更有利于联络通道冷冻法施工的宣传普及, 更加可控施工风险。
参考文献
[1]马玉峰, 苏立凡, 徐兵壮, 等.地铁隧道联络通道和泵站的水平冻结施工[J].建井技术, 2000, 21 (3) :39-41.
[2]郭晓江.冻结法在广州地铁二号线暗挖隧道中的应用[J].煤炭工程, 2001 (12) :27-29.
刘店矿井冻结法凿井关键技术浅析 篇6
煤炭是我国的主要能源及重要的工业原料, 随着国民经济的发展, 对煤炭的需求和生产提出了更高的要求, 尤其是现在煤炭浅部资源, 表土层厚达400~600m, 在如此深厚的表土层中建井, 为保证建井速度, 通常采用冻土法凿井。冻土法凿井是在深厚表土层及不稳定含水层施工的一种在常见的特殊方法。自1956年首次在开滦西风景使用并获成功, 至今已有半个世纪, 由于冻结法凿井, 混凝土井壁在低温条件下浇铸和养护, 早期强度较低, 以及水化热作用, 使壁厚冻土回冻, 在回冻过程中对井壁产生了较大的冻结压力, 加上井筒表土深、地压大、冻土蠕变特性和井筒材料、工艺等因素, 对冻结井筒井壁施工安全构成较大威胁, 为确保刘店煤矿井筒施工安全, 我们对影响井筒安全的冻结压力和井壁强度进行了研究。
1 工程概况
刘店煤矿位于安徽省涡阳县境内, 西南距涡阳县城约15km, 行政规划隶属马店镇、龙山镇和新兴乡管辖。
刘店矿设计年生产能力为150万吨/年, 采用立井开拓方式, 工业场地设立主、副、风三个井筒, 均采用冻结法施工, 其中主井井筒净直径5m, 表土层厚为318.2m, 冻结厚度422m;副井井筒净直径6.8m, 表土层厚为319.1m, 冻结厚度382m;风井井筒净直径5.5m, 表土层厚为318.8m, 冻结厚度420m。冻结段均采用双层钢筋混凝土内加塑料复合井壁, 并在冻结壁与外层井壁之间铺设25~50mm后的泡沫塑料。
2 刘店煤矿井筒外壁安全性研究:
由现行的《煤矿矿井采矿设计手册》知, 钢筋混凝土井壁的计算公式为:
式中:P——外壁的设计允许承载力
R, r——外壁的内、外半径
Ra, Rg——混凝土轴心抗压设计强度和钢筋设计强度
U——配筋率
K——安全系数
Pd——外壁承受的冻结压力
由上式可见, 为了确保冻结井筒使用现浇钢筋混凝土井壁的安全必须要设法控制冻结压力和提高井壁强度。
2.1 冻结压力
井壁作用于外壁的侧压力称为冻结压力, 它是由于土层的原始应力、土层中水结冰时体积膨胀、粘土稀释后体积膨胀以及冻土蠕变等因素形成的。影响冻结压力大小的主要因素有:土性、厚度、冻结厚度、冻结壁厚度和施工工艺等。在施工中采取如下控制冻结压力的方法:
在砂性土层里, 外壁采用现浇早强高强钢筋砼, 砼入模温度控制在18~20℃, 井壁不会受到冻结压力的破坏, 保证了井壁质量;在深厚膨胀性粘土层里, 采用现浇早强高强钢筋砼外壁与井帮冻土间铺设厚25~50mm的聚苯乙烯泡沫塑料板结构, 其作用是:a.防止粘土层迅速增长和初期冻结压力对井壁的破坏, 起到缓卸压作用;b.起到了隔热保温的作用, 减少冻土对井壁砼的影响, 改善了砼井壁的养护温度。
另外, 在深度和施工工艺相同的情况下, 粘土的赋存条件和冻结温度也是至关重要的。
2.1.1 粘土的赋存条件
深厚表土层主要第四系和第三系新生界地层组成, 固结程度高的第三系粘土的冻结膨胀性将明显小于第四系粘土, 尤其是膨胀性粘土层, 最大冻结压力往往发生在该部位。在暴露时间超过18h、掘砌段高度超过2.5m的情况下可导致冻结管断裂, 甚至酿成出水等事故。
2.1.2 冻结温度
在井壁施工期间, 冻结器仍在运转, 内外壁与冻土发生热交换, 形成升降温过程, 尤其是连续浇筑的内层井壁, 砼用量多, 水泥水化作用发热量大, 温度变化剧烈, 引起较大的温度应力, 易发生裂隙, 影响井壁质量。本次施工采用塑料夹层双层砼复合井壁, 其作用是:a.塑料夹层使内外层井壁不直接接触, 减少外壁对内壁的约束, 使内壁在降温过程中有一定的收缩, 防止出现较大的温度应力, 从而消除了裂隙;b.塑料夹层具有保温作用, 使内壁的降温速率减小, 也减少了瞬时温差, 减弱了温度应力。
2.2 井壁强度
2.2.1 提高井壁强度的途径
井壁的承载力随着混凝土强度等级的提高而显著增加, 如将目前井壁普通使用的混凝土强度等级从C30~C45提高到C40~C60, 则外壁的承载能力将提高约30~40%。
2.2.2 高强高性能混凝土配制原则
针对深厚表土层冻结井筒内、外壁的特殊养护环境和施工条件, 要求外层井壁具有早强、高强和防冻性能, 3d轻度达到设计的75%以上, 以防止因早期强度偏低而遭受破坏;要求内层井壁具有高耐久性、抗裂和防水性能, 以防止冻结壁解冻后出现井壁较大漏水。同时由于内、外壁均属于大体积混凝土施工, 要求混凝土水化热低, 以防止井壁出现温度裂缝, 8h左右可拆模, 以保证建井速度等。
2.2.3 高强高性能混凝土配制途径
高强度性能混凝土的重要特点是强度高, 耐久性好, 变形小。采用常规工艺配置高强高性能混泥土的一般途径是:采用高标号水泥、高效减水剂、矿物掺合料和优质骨料等。
a.采用高标号水泥
该次施工采用海螺牌P.042.5R和P.052.5R普通硅酸盐水泥, 均为早强型普通硅酸盐水泥, 所配制的混泥土早期强度高且水化热相对较低, 特别适用于配制深厚表土层冻结井筒高强高性能混泥土。
b.掺加高效减水剂
在普通混泥土中, 用水量比水泥水化所需的用水量要大得多, 在高强高性能混泥土中加入高性能减水剂, 它可降低水灰比, 改善和易性, 提高混泥土的早期强度, 并可改善抗压、抗拉、抗渗、抗冻等性能。
c.掺加矿物掺合料
随着混泥土技术的进步, 矿物掺合料已成为现代高性能混泥土继外加剂之后必不可少的第六组分, 本次施工中掺入了硅粉, 其Si O2含量达到90%以上, 其在混泥土中的作用和机理是:硅粉颗粒细小, 其表面积为水泥的50~60倍, 具有较高的火山灰性, 其中的Si O2加速水泥矿物的水化过程, 并可充填水泥硬化后形成的毛细孔, 增加混泥土的密实性, 促进混泥土的硬化早强、高强。
d.采用优质骨料
对于高强高性能混泥土, 细骨料 (黄砂) 宜选用质地坚硬、级配良好的河砂, 其平均粒径不小于0.35mm, 含沙量不应大于1.5%, 本次选用淮滨中砂。
粗骨料 (石子) 的性能对高强高性能混泥土的强度起着决定性的制约作用, 现场选用20~40mm的石灰岩碎石, 要求含泥量<1%, 针片状颗粒<15%, 并呈浑圆状。
2.2.4 试验结果以及分析
根据混泥土配合比设计规程, 求得C45、C55、C60混泥土的配置强度分别为46.6MPa、63.9MPa、69.8MPa。
本次施工和安徽理工大学地下工程研究所合作进行混泥土配比试验, 并考虑现场施工的可行性。见表1。
对于表1的混泥土的配合比, 通过有资质的中心实验室和现场进行验证性的试验, 结果见表2。
由表2可见, 该配比3d抗压强度达到设计值为75%, 28d抗压强度达到配制强度, 完全能满足深厚表土层冻结井壁高强高性能混泥土的性能要求。
2.2.5 高强高性能混泥土的质量控制措施
a.所有原材料均要有出厂检验单和合格证, 到达现场的材料需抽样进行复检, 混泥土试块定期做强度试验;
b.混泥土的拌制必须注意原材料、外加剂的投料顺序, 严格执行搅拌制度, 要求搅拌均匀, 严格控制配料量, 搅拌时间不低于3分钟, 要定期对计量系统进行校验;
c.准确控制用水量, 及时测定砂、石中的含水率, 并按测定值调整用水量及砂、石用量, 雨雪天应当有防雨雪措施。
d.冬季施工时, 冻结混泥土入模温度不低于18℃。
3 结论
3.1 由于很好的控制了井帮温度和冻结压力, 可以在保证冻结壁安全的情况下进行掘砌施工, 在施工过程中没有发生一根冻结管断裂和出水事故, 这在相似冻结深度的以前施工中是少见的。
3.2 根据深厚表土层冻结井壁的受力特点和现浇混泥土的施工养护环境, 通过配制实验室研究和现场试验, 得到了深冻结井、高流态、大体积高强高性能混泥土工程配合比, 应用在施工中是成功的, 保证了井筒的安全和质量, 并建立了一套高强、高性能混泥土的质量控制措施。
3.3 应用吊桶下混凝土更能保证井壁的质量, 其可防止离析和堵管的发生, 副井至今还没有出现环向裂缝, 更没有出现竖向裂缝, 这在深厚表土层冻结井的建井史上是少有的。
3.4 在冻结壁安全的情况下进行快速掘砌施工, 主、风井创二淮外壁施工记录, 总体工期提前约16天, 获得直接经济效益约336万元。
我国冻结工程技术现状及发展趋势 篇7
关键词：快速强化冻结动态设计,设计程序,实时监测,冻强壁
岩土工程中, 当遇到涌水、流砂、淤泥等复杂不稳定地层条件时, 常采用冻结法施工。冻结法自1955年在我国首次获得实际应用以来, 经过多年的发展, 现已成为我国矿井通过深厚冲积层的主要施工方法之一。我国将冻结法应用于地下基础工程始于1987年。近年来, 冻结法在上海、北京、广州等城市的地铁和市政基础设施等工程项目中得到了越来越广泛的应用。经过多年的实践, 我国工程技术人员基本掌握了近水平冻结设计、施工方法以及地层变形控制方法, 并积累了大量的第一手资料和丰富的工程经验。目前, 我国已成为世界上冻结法应用较多的国家之一口。实践证明, 冻结法是在松散含水土层中施工地下结构工程的一种较为安全可靠的工法。但随着冻结深度的不断加大, 原有的设计方法已不能适应冻结法施工发展趋势, 研究快速强化冻结的动态设计方法势在必行。
1 快速强化冻结设计目标及设计原则
快速强化冻结设计目标与安全、优质、快速、高效施工的工程总目标是一致的。从价值工程的观点来讲, 就是要用最少的资源投入来实现最佳的地层冻结加固效果。但在实际工程中, 由于地层和施工条件的不同, 对冻结设计与施工的要求也不同。如深厚粘土层应重点解决冻结管断裂和外层井壁压坏等疑难技术问题;地层条件较好时, 应重点解决降低冻结施工费用和提高井筒掘砌速度等问题。对于一个冻结井筒工程项目来说, 冻结设计的最佳目标就是将解决冻结施工技术难题与降低冻结施工费用和提高井筒掘砌速度更好地统一起来。为实现这一目标, 井筒快速强化冻结设计需遵循以下原则:
(1) 冻结设计必须以实现工程总目标为核心, 既要确保工程施工安全, 满足工程质量和工期要求, 又要采用经济合理的工艺技术, 降低施工成本。
(2) 根据不同的地层条件与施工要求, 采用不同的冻结施工工艺。由于井筒地层条件差异很大, 施工要求各不相同, 冻结施工工艺也应有所区别。如在没有深厚粘土层的冻结井筒中, 一般就没有必要采取强化冻结措施。
(3) 根据系统工程观点, 冻结设计要考虑井壁结构情况, 并对井筒掘砌速度、掘进段高与井帮暴露时间、井壁变形特性参数等提出要求;或者根据掘砌施工要求, 对冻结设计参数进行调整。在井筒冻结设计中, 为便于操作, 可先按合同规定的掘砌速度和有关规范对掘进段高的要求进行冻结施工参数设计;而后在井筒施工中, 再根据冻结壁稳定性和掘砌施工能力, 合理调整掘砌施工速度和掘进段高。
(4) 根据动态控制观点, 结合掘砌施工进度, 考虑冻结壁发展规律来布置冻结孔和评价冻结壁的安全性。在整个井筒冻结施工过程中, 冻结壁厚度和温度都是变化的;掘进到某一层位时, 需要根据该层位的土层特性和当时的冻结壁发展状况来判断施工是否安全。这是优化冻结施工参数以降低施工成本和缩短工期的基础, 也是快速强化冻结设计方法区别于传统冻结设计方法的根本点之一。
(5) 深厚粘土层中经常遇到的冻结管断裂和外层井壁被压坏的问题主要与冻结壁变形有关。因此, 在设计冻结壁时, 应将控制冻结壁变形作为主要依据。但由于冻结壁变形是难以从理论上进行正确计算的, 因此在冻结设计中, 只能根据以往施工经验, 将冻结管与井帮距离、冻土进入荒径量和掘进时的井帮温度作为布置冻结孔和设计冻结壁的重要指标。
(6) 由于地层条件和施工情况的复杂多变, 目前要对冻结壁进行精确设计计算是不现实的, 需要借助于工程类比法来评价设计方案的可靠性。同时工程类比应与理论分析相结合, 以工程实测规律为依据。
(7) 要做好实时监测和预测预报工作, 实现对施工过程的有效监控。通过实时监测和预测预报, 可实现对施工过程的有效监控, 从而可使冻结凿井施工更加安全可靠, 施工工艺参数更趋合理。
2 快速强化冻结设计程序和设计内容
根据快速强化冻结设计原则, 结合深厚冲积层冻结凿井工程设计与施工经验, 提出了有别于常规的快速强化冻结动态设计方法;其设计程序和设计内容如下:
(1) 收集和分析设计基础资料。包括井筒地质资料, 井筒设计参数, 冻结和掘砌工期要求, 以及地层条件类似的冻结井筒施工经验等。
(2) 分析冻结设计需要解决的主要问题, 制定冻结施工方案总体设计思路, 选择关键冻结工艺。
(3) 确定冻结设计基本参数。主要包括冻结深度, 冻结方式, 供冷方式, 冻结管直径, 盐水温度, 盐水流量, 冻结壁设计控制层位, 井筒开挖时间, 掘砌施工至控制层所需时间, 掘砌施工段高和井帮暴露时间等。
(4) 按有关规定和施工经验, 初步确定控制层位的井帮温度、井帮位移和冻结孔钻进精度等指标。对于砂性地层, 可以不给出井帮位移控制值, 但应给出冻结壁允许出现的塑性区范围。同时为防止发生严重片帮, 对井筒浅部井帮温度也要提出控制值。
(5) 计算深部主要控制层的冻结壁有效厚度。在冻结孔未布置前, 按盐水温度、井帮温度、冻结孔最大间距、冻结时间等设计控制参数, 初步确定冻结壁平均温度。
(6) 布置冻结孑L, 包括冻结孔布置圈径、各层位冻结孑L设计最大孔间距和向内及向其他方向的允许偏斜等。其中主冻结孔布置参数主要应依据深部控制层的冻结壁有效厚度、冻结孔向内偏斜距离、掘砌至控制层的冻结时间, 以及冻结壁扩展速度来加以确定;如有防片帮加强冻结孔, 则可按允许偏斜距离、井帮温度要求和冻结壁向内发展速度来加以确定。
(7) 冻结壁形成的动态校验。包括冻结壁交圈时问, 冻土进入荒径时间, 不同掘进深度或冻结时间的冻结壁平均温度、井帮温度和冻土进入荒径位置等。如计算出的井帮温度等与控制值不符, 则应返回到上一步, 对冻结孔布置参数进行调整。必要时可返回到第2步, 改变冻结工艺, 调整基本冻结参数;在条件允许的情况下, 还可改变冻结时间。如冻结壁平均温度与计算冻结壁有效厚度时初步取定的值不符, 则需返回到第5步, 重新进行计算。
(8) 按冻结壁形成的动态过程分层验算冻结壁的强度和稳定性。如不符合控制要求, 则需返回到第5步, 重新布置冻结孔;或返回到第2步, 改变冻结工艺, 调整基本冻结参数。
(9) 供冷系统设计。按照冻结孑L数量和单孔盐水流量来计算总盐水流量, 按照冻结管散热面积来计算冻结系统总需冷量, 根据盐水温度及制冷设备特性参数来确定冷冻机装机容量, 最后确定出冷却水用量和进行冻结系统配套设备选型。
(10) 监测与预测系统设计。监测内容主要包括冻结系统供冷量、冻结器工作状况、冻结壁温度变化、井帮温度, 以及冻土进入荒径位置、井帮位移和底鼓量等。预测内容主要包括试挖预测、正式开挖预测和掘进过程预测等。
(11) 冻结施工方案经济分析与设计优化。根据冻结施工方案优化结果, 可以对井筒掘砌施工方法等提出建议。一般来说, 同一个井筒工程, 可以有多个技术可行的冻结施工方案}冻结施工方案优化应从调整关键冻结工艺和设计基础参数人手。
3 结语
通过以上步骤的反复设计计算, 不但可使冻结设计能满足冻结工期、井帮温度、冻结壁强度和稳定性要求, 而且可使冻结施工费用降到最低。冻结设计中, 将井帮温度作为一个重要的控制指标, 是为了弥补冻结壁强度和稳定性计算正确性方面所存在的不足, 为掘砌创造良好的施工条件。