我国冻结法施工技术及其发展

第３２卷第ｌ８期　２　０　０　６年９月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣｒＵＲＥ　Ｖ０１．３２　Ｎｏ．１８　Ｓｅｐ．２００６　・１４７・　文章编号：１００９—６８２５（２００６）ｌ８—０１４７—０２　我国冻结法施工技术及其发展　王宗金摘曹化春　要：介绍了冻结法的应用范围及优点，回顾了冻结法的施工发展史，从冻结壁的设计改进、新型机械的应用、监测水　平等方面论述了冻结法的主要技术成就，指出了有待完善的地方。　关键词：冻结法，深井粘土层，冻结壁，冻结深度　中图分类号：ＴＵ７５３．７　文献标识码：Ａ　１概述　纵观国内外冻结法应用历史，其应用领域及范围主要在以下　几代工程技术人员的攻关积极性，为此，完成了多项重大科研项　目，从而也获得了国家和省部级多项科研进步奖、无数工程技术　人员增长了才干，成为高级工程师，有的还获得国家津贴。　几个方面：１）煤矿井筒施工的冻结封水及临时支护；２）市政工程　地下结构施工封水及临时支护；３）地铁车站及街区明挖施工的冻　３主要技术成就　结临时支护和封水；４）地下水泵站施工的冻结临时支护和封水；　３．１　冻结法凿井主要技术成就　５）水平隧道的冻结支护和封水；６）其他各类地下建筑基坑的冻结　加固；７）交通建筑中水下基坑及桥梁基础施工的冻结支护。　从某种意义上来说，冻结深度往往标志着一个国家的冻结凿　井技术水平，到目前为止，我国冻结深度已达６５０　ｍ。　冻结法之所以日益被推广应用，主要基于以下优点：１）原则　３．１．１冻结壁的设计改进　上冻结法可在各类土层中应用；２）该法适应性强，可与许多边界　１）计算公式。我国冻结法凿井的主要地层为冲积层。冻结　条件及要求相适应；３）该法封水可靠，可实现人工干挖施工，有利　壁的设计是指满足砂性土的强度和粘性土中变形要求的厚度。　于保证各类结构的施工质量；４）该法对环境保护有利，无异物进　其厚度计算主要是根据地压、冻土热学和力学性质、井筒掘进直　入土壤，对周围环境扰动小。　径、段高和裸露时间以及井壁结构与工艺等，实际上由于冻土热　学和力学的耦合计算的影响因素很多，故一般采取热学与力学分　２我国冻结法施工发展史　　我国自１９５５年首次在开滦林西风井采用冻结法以来，主要　别计算和相互检验的方法。在深井粘土层中冻结壁的厚度与强度，往往是造成许多重大　应用于煤矿井筒特殊法施工，现已施工了５００多个冻结井筒，约　流变特性显著，而过去的设　９０　ｋｍ延米。已完工的山东龙固副井冲积层厚５６７．７　ｍ，冻结深　事故的主要原因，因为粘性土强度低，均是按平面　度６５０　ｍ，为国内之最。目前正在施工的郭屯主、副风井冻结深度　计中很少考虑到。浅井常用拉麦公式和多姆克公式，已达７０２　ｍ。在这５０年中，我国人工制冷冻结技术经历了引进、　应变力学模型来计算的，同时也都没有考虑到冻土的流变特性　对于深井中应采用前苏联维亚诺夫和　推广、改进和发展几个阶段，其中具有代表的工程主要有安徽潘　（即与时间有关这一特征），三东风井、河南陈四楼主、副井、山东济西主、副井以及龙固副井。　扎列茨基提出的小段高（空间结构）的强度和变形公式。这个公　上述井筒的建成标志着我国冻结凿井技术已达到国家先进水平，　式不仅考虑了强度，也考虑到变形。龙固副井就是按此公式计算　施工中也是顺利的。　当然也遇到了无数的困难。其中，两淮施工中经常遇到的冻结管　的，前述两个公式都是基于与时间有关的弹性或弹塑性理论，后　断管，井壁破裂漏水，甚至淹井等事故，不仅危及井筒施工安全，　还大大推迟了工期，经济损失惨重。教训是深刻的，但也激励了　一公式已考虑了冻土流变（参数ｍ，Ａ）和掘砌工艺（参数　，ｈ，ｔ，　施工中在支设时，必须做到大头朝下、保证垂直度误差小于　［１］ＧＢ　５０００５—２００３，木结构设计规范［Ｓ］．　５　Ｉ／ｉｒａ，底部支座要牢固，选用的支撑应材质均匀、无弯曲、缺陷　［２］周国瑾．建筑力学［Ｍ］．上海：同济大学出版社，２０００．４０－４１．　少，使木支撑尽量符合最佳的受力状况，这样才能确保结构的安　［３］刘昭培，张韫美．结构力学（上、下册）［Ｍ］，天津：天津大学出　全性，并满足质量要求。　参考文献：　版社，２００２．６０—６１．　Ｃｈｅｃｋｉｎｇ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｌｏａｄｓ　ｏｆ　ｗｏｏｄｅｎ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｓｔ・ｉｎ・ｐｌａｃｅ　ｆｌｏｏｒ　ｏｆ　ｈｏｕｓｅｓ　ＷＵ　Ｙｏｎｇ　ＪＩＡＮＧ　Ｒｕ－ｈａｉ　Ａ￣ｌｌ－ｌｉｃｔ＿－Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｗｏｏｄｅｎ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｙｓｔｅｍｉｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆ　ｃａｓｔ－ｉｎ－ｐｌａｃｅｆｌｏｏｒｏｆ　—　ａｓ，ｂａｓｅｄ　ｕｐｏｎ　ｃｈｅｃｋｉｎｇ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ　ａｍｏｎｇ　ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｓｐａｃｉｇ　ａｎｄ　ｓｅｃｕｒｉｎｔｙｏｆｗｏｏｄｅｎ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｆｏｒ　ｗｏｏｄｅｎ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｉｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｓｔ—ｉｎ—ｐｌａｃｅ　ｆｌｏｏｒ　ｏｆ　ｈｏｕｓｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｏｏｄｅｎ　ｂｒａｃｅ，ｌｏａｄ，ｃｈｅｃｋｉｎｇ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｓｐａｃｉｇ　ｎ收稿日期：２∞６—０３一ｌ９　作者简介：王宗金（１９７１一），男，硕士，工程师，中煤特殊凿井（集团）有限责任公司，安徽淮北曹化春（１９６４一），男，工程师，中煤特殊凿井（集团）有限责任公司，安徽淮北２３５０４４　２３５０４４　维普资讯 http://www.cqvip.com

・　１４８　・　．　．　第３２　ｏ　２卷藿１ｏ　６　９年　月　８瞽　　山　西　建　筑’　）即用时空观点来认识分析事物，经实践检验也是正确的。它不　３．１．５施工过程监测监控水平大大提高　但更新了冻结壁设计的传统理论及观念，同时为深井冻结信息施　冻结孔施工水平的提高不仅得益于新型钻机的应用，而且得　工奠定了理论基础，并将产生较好的经济效益。　益于新型螺杆钻具、陀螺测斜仪以及配套的纠偏应用软件的运　２）冻结温度。冻结壁厚度的边界，过去都以０℃温度线为　用，使得深冻结孔偏斜率远远小于现行规范中规定的最大值，大　界，即认为０℃为土中孔隙水的结冰温度，现根据龙固副井冻土　大提高了钻孔质量，为保证冻结壁的质量奠定了基础。　试验，其冻结温度为一１．０５℃～一４．２８℃，另外其值还随地压增　的叠加。　加强对冻结壁的监测监控是保证冻结工程安全最重要的措　测：常规监测设备的精度、速度和自动化程度大大提高，多排孔冻　大而降低（可按０．０７５℃／ＭＰａ计算），其冻结温度将是上述两者　施之一。根据施工惯例，冻结壁监测又分为常规监测和非常规监　３）冻土抗压强度。１９８９年以前一直采用５０　ｍｍ×５０　ｍｍ×　结温度场模拟计算取得了长足进展；冻结壁绝对位移、内部冻胀　５０　ｍｍ立方体试件按快速加载法（３０　Ｓ±５　ｓ）获得的无侧限瞬时　力等非常规监测已在郭屯冻结工程中实施，意义重大，但能否取　抗压强度除以安全系数作为允许强度进行计算。从１９８９年开始　得成效还有待进一步实践。　使用国际冻土试验规定的圆柱体（　１．８×１５０　ｍｍ）按恒应变速　３．１．６井筒掘砌速度加快　率（１％／ｍｉｎ）轴向加载方法获得无侧限瞬时抗压强度（此时一般　计算。　龙固副井于２００４年４月２６日试挖，６月１日正式开挖，２００５　２．２５　ｍ，掘砌时间大都２４　ｈ～４８　ｈ，井帮温度一１７℃～一２０℃，　经历数分钟），再按井筒施工工艺时间折算成相应长时强度进行　年２月１２日通过５６７．７　ｍ冲积层，深部施工段高控制在３　ｍ～　４）冻结壁（井帮）变形。根据多个井筒资料，段高大于４．５　ｍ　井帮变形较小，每月井简外壁平均进尺６７　ｍ，对于深井掘砌速度　时，井帮变形量较大，一般大于５０　ｍｍ，当段高缩小到２　ｍ～３　ｍ　还是较快的。　时，变形量实测值均较小，一般为２０　ｍｍ～３０　ｍｍ，为了安全起　见，在考虑不超过允许变形量的同时，还要考虑变形速率，不应超　过３　ｍｍ／ｌａ。否则容易断冻结管，例如丁集副井断了３根。　５）Ｙｂ圈孔外侧冻结壁扩展范围。冻结深度３００　ｍ的浅井，经　３．１．７冻、掘配合　冻结与掘砌的良好配合可实现多赢。冻结在方案设计和施　工过程中为掘砌提供上部不片帮、深部少挖冻土的有利条件；掘　砌采用大抓出土减少井帮暴露时间、采用高强混凝土井壁以减小　实测３００　ｄ冻结孔外侧可发展３ｍ，４００　ｄ可以发展到３．５ｍ，而对　井简掘砌荒直径、采用早强剂等手段提高外壁的早期强度以减少　深井，由于地温较高（＋３０℃以上），盐水温度在一３２℃左右时，　冻结壁变形。总之，加强冻、掘配合不仅提高了安全系数、降低了　经龙固副井实测约为２．５　ｍ～２．７　ｍ，丁集不超过２．５　ｍ。　工程成本，而且缩短了建井工期。　３．１．２多圈冻结孔布置　３．２冻结法施工技术在市政等领域取得的主要成就　１）水平孔施工技术取得了突破性进展。　济西主、副井以前都采用单排孔或主、辅孔两圈布置；而龙固　副井（冻结壁设计厚度ｌ１．５　ｍ），首次采用了三圈孔的布置，由于　没有经验，内圈孔径较大，施工中大量片帮，影响进度，也推迟了　开挖时间，从丁集开始，吸取了上述教训，内圈孔布置较近，从而　取得了效果。　根据实践，中圈冻结孔深度应穿过冲积层进入不透水的基岩　１０　ｍ以上，外圈孔要穿过冲积层进入强风化带５　ｍ以上，内圈孔　深度取冲积层厚度的１／２～３／４为宜。外圈孔大都采用下部局部　２）冻胀与融沉得到了有效的控制，压力和变形监测监控手段　较为成熟。　３）适用于市政工程的制冷机组的广泛应用。　４）液氮冻结技术有所发展。　４与国际先进水平的差距　１）同样的地质条件下，我国深井计算的冻结壁厚度偏厚。故　相应的冻结孔数也多。　２）钻机能力还比较低，台月效率不足英国、波兰的一半。　３）冷冻机虽然采用了螺杆机，但仍然采用串联式双级压缩，　安装工作量大，而国外，大都采用移动式机组，比较方便。　４）冻结法施工技术还主要集中应用于煤炭凿井领域，该工法　还未被其他行业所了解、认识和重视。　参考文献：　［１］余力，崔广心，翁家杰．特殊凿井［Ｍ］．北京：煤炭工业出版　社。１９９０．　冻结的方法，但由于具体措施不力，未能获得较好的效果。　３．１．３新型钻机的采用　龙固副井首次采用了ＴＳＪ一２０００Ａ型钻机，６台钻机共施工６　个月，完成１１６孔６８　１３３．５　ｍ，平均台月效率１　８９２．６　ｍ，除中７孔　偏值（１．３７１　ｍ）超过允许靶域半径１．０　ｍ的要求外，其余均满足设　计要求。最大孔间距为２．８７　ｍ位于外ｌ８号～１９号孔（３６０　ｍ～　４００　ｍ水平）。　３．１．４螺杆机广泛采用　龙固副井安装１５台ＫＡ２５Ｃ螺杆机和１７台８ＡＳ－１７活塞机，　总装机容量为２　２４８万大卡／时，运转初期全部投入运转，显得冷　冻机不足。丁集和郭屯冷冻站基本上都选用了螺杆冷冻机。蒸　发式冷凝器的采用大大节约了水资源，同时也减少了对冻结的影　响，效果显著。　［２］林璋璋，扬俊杰．３排冻结管冻土壁温度场分析［Ｊ］．建井技术，　２００３（３）：２１—２４．　［３］崔广心，杨维好，吕恒林．深厚表土层中的冻结壁和井壁［Ｍ］．　徐州：中国矿业大学出版社，１９９８．　Ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｆｒｅｅｚｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｉｎ　ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ　ＷＡＮＧ　Ｚｏｎｇ－ｊ￣ｎ　ＣＡＯ　Ｈｕａ－ｃｈｕｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｒａｎｇｅ　０ｆ　ｆｒｅｅｚｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｍｅｒｉｔｓ，ｒｅｖｉｅｗｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｈｉｓｔｏｒｙ　ｏｆ　ｆｒｅｅｚｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ，．　Ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｆｒｅｅｚｉｇ　ｗａｌｎｌ，ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｍａｃｈｉｎｅ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｉｇ　ｌｎｅｖｅｌｉｔ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔ，ａｎｄ　ｌｍｉｎｔｓ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｐｌａｃｅ　ｔｏ　ｂｅ　ｐｅｒｆｅｃｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｒｅｅｚｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ，ｄｅｅｐ　ｗｅｌｌ　ｃｌａｙ　ｓｔｒａｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｆｒｅｅｚｉｇ　ｗａｌｎｌ，ｆｒｅｅｚｉｎｇ　ｄｅｐｔｈ