地下工程冻结法施工技术应用
华北科技学院 张维亚 魏鋆
1 工程概况及地层条件
山西某矿井设计生产能力为300万吨／年，采用立井开拓，布置主、副、风三个井筒，表土段均采用冻结法施工，施工总工期不大于8个月。
据井检孔所提供的地质资料，风井位置地面标高为+931.246m。表土段以粘土和砂质粘土为主，夹有少量砂土（参见表1）。地下水水位离地表在10m左右。冻结深度范围内最高地温约为16℃。
表1 表土层土性组成
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项 目
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单位
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参 数
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地面标高
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m
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+931.246
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表土厚度
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m
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166.82
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土性
组成
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砂 土
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m
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13.19
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砂质粘土或亚粘土
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m
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25.80
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粘 土
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m
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127.83
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据地层资料分析，该工程井筒表土层埋深浅，地压小，土性以粘土为主，含水砂层较少，表土段地温偏低。根据以上地层特点，该工程宜采用冻结法施工。
2 冻结方案
由于井筒开挖直径和冻结深度小，要求冻结工期短，该风井采取单圈冻结孔冻结，并采用一次冻全深的冻结方式。
根据设计要求，风井冻结深度为210m。最终冻结深度应根据冻结孔施工中的实测风化带深度进行适当调整。按有关规范要求，冻结深度应进入完整基岩不小于10m。
冻结管均采用Φ127×6mm的优质20#低碳钢无缝钢管，采用内衬对焊焊接。
按快速冻结要求，并考虑合理提高冻结效率，逐级降低盐水温度。设计冻结12d盐水温度降到−20℃以下，开挖时达到−26℃。设计最低盐水温度为−30℃。井帮温度降至零度以下后，视冻结壁温度和变形监测情况（冻土进入井帮大于0.5m，实测井帮位移小于30mm）可转入维护冻结，维护冻结盐水温度控制在−20℃～−22℃之间。
冻结孔单孔盐水流量取10m3/h。
设计控制层冻结壁平均温度为−8℃。正式开挖时冻土离井帮不大于0.5m，井帮温度不高于3℃。掘进到100m时井帮温度达到0℃以下。冻结壁的平均温度和井帮温度采用维亚洛夫的成冰公式计算，即：
式中：T ℃；T−30℃；T2为井帮冻土温度，℃；L为冻结孔间距，m；E为冻结壁有效厚度，m。1 为盐水温度，为冻结壁平均温度，
采用多姆克公式计算冻结壁厚度，冻土强度按有关手册及经验确定。
根据实测规律和经验，冻结壁扩展速度见表2。
表2 冻结壁扩展速度
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参数名称
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单位
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数 量
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冻结时间
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d
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40
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60
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80
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100
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冻结壁扩展厚度
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m
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2.0
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2.7
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3.4
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4.0
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在表土层内，风井筒冻结孔成孔的靶域半径为0.45m，向井心的允许偏斜值为不大于0.40m，主冻结孔允许成孔间距不大于2.0m。在基岩层成孔间距不大于3.0m。
取冲积层底板深度作为冻结壁厚度计算的控制层深度。风井冻结设计控制层深度为166.82m。
井筒具有冻结孔布置圈径小、冻结孔浅的特点，冻结孔平均钻进效率取2500m／台·月，布置2～3台钻机。
控制层冻结壁厚度计算见表3。
表3 控制层冻结壁厚度
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掘进直径m
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计算深度m
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地压MPa
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平均温度℃
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6.8
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166.8
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2.17
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-8
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冻土强度MPa
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安全系数
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计算厚度m
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设计厚度m
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9.7
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2.2
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2.39
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2.6
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风井冻结孔布置圈径9.6m，25个冻结孔。详见图1。
根据冻结壁扩展速度预计和主冻结孔最大控制间距，预计风井冻结壁交圈冻结时间为33d，积极冻结40d试挖，试挖深度为20m。积极冻结52d正式开挖。
风井冻结段设深、浅2个测温孔，深、浅2个水文孔。
3 制冷系统
3.1 冻结需冷量计算
设计取冻结管散热系数为300 kcal／m2/h，另外，考虑20％的热量损夫。风井在低温工况条件下(−28℃盐水温度）的最大需冷量为：
Q=1.2×3.1416×0.127×210×25×300／10000＝75.4万kcal／h
在标准工况下的最大需冷量约为188万kcal /h。
冻结管散热系数取300kcal/m2· h。
3.2 制冷站装机容量与冷冻机选型
冻结站装备5台YSLGF600(或YSKF220）型氟利昂螺杆冷冻机组，另外安装1台YSLGF300型氟利昂螺杆冷冻机组作备用。在低温工况下（冷却水温度28℃／盐水温度−29℃），每套YSLGF600（或YSKF220）型氟利昂螺杆冷冻机机组的实际制冷能力为16.8万kcal/h。风井冻结站的低温制冷量为：
风井：16.8×5=84.0万kcal／h。
换算成标准制冷量后，冻结制冷量约为210万kcal /h。
3.3 冷却水系统设计
安装4台DBNL3-300型冷却塔用于冻结站冷凝水冷却降温。预计风井共需新水补给量约为30m3／h，实际用量根据施工季节变化进行调整。
冷冻机冷却水系统去、回路总管设计规格为Φ325×6mm螺旋钢管。总管与冷冻机连接的支管按设备说明书采用Φ133×6mm焊接钢管。
3.4 盐水系统设计
盐水比重取l.260~1.265，每立方米盐水的氯化钙掺量约360kg。风井的单孔盐水流量为10m3/h，井筒总盐水流量为25010m3/h。
4 冻结施工实测
4.1 预测依据
井筒正式施工前，根据水文孔冒水时间及测温孔温度变化、地层性质、钻孔偏斜图进行分析，正式开挖后，结合矿建施工速度、风井相应地层冻土扩展速度、井帮温度、冻土形成实测数据进行分析并预测冻土形成与井帮温度。
4.2 冻结壁分析预测
为了保证井筒正常顺利施工，合理安排施工计划，提高施工效率，在施工过程中进行不间断分析预测预报，每月底进行一次冻结分析总结并对下一步施工进行冻结预测。
4.3 冻结壁实测
该风井井筒冻结段施工期间，冻结单位实施井帮温度、冻结壁形成跟踪检测，检测手段采用数字式温度计。根据冻土实测数据，校核各测点水平冻结壁形成实际情况。
5 施工经验
(1)降低盐水温度能够加大冻结壁的厚度和强度，缩短开挖工期、保证连续施工，但是，这将带来能耗的增大。
(2)正确选用冻结工艺，既保证了冻结壁有效厚度，又可减少冻土挖掘量，有利于快速施工。
(3)合理选用冷却塔，降低冷凝温度，提高冷却效果，并降低了水资源的消耗。
(4)提高冻结钻孔施工质量，确保冻结壁发展均匀，井帮温度差值减少，避免因温度应力不均衡造成井筒外层井壁质量受损。