深立井井筒凍結(jié)工法榮譽表彰

2008年01月31日，中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《關(guān)于公布2005-2006年度國家級工法的通知》建質(zhì)[2008]22號，《深立井井筒凍結(jié)工法》被評定為2005-2006年度國家一級工法。 2100433B

《深立井井筒凍結(jié)工法》的應(yīng)用實例如下：

• 實例1

郭屯煤礦隸屬于山東魯能集團(tuán)菏澤煤電公司，設(shè)計生產(chǎn)能力240萬噸/年。郭屯煤礦主井表土

層埋深587.5米，強(qiáng)風(fēng)化帶底板埋深609.8米，弱風(fēng)化帶底板埋深614.0米，凍結(jié)深度為702米。中煤第一建設(shè)公司特殊鑿井處運用立井井筒凍結(jié)施工工法，安全、順利完成凍結(jié)工程。

• 實例2

口孜東煤礦風(fēng)井井筒凍結(jié)工程，該礦風(fēng)井表土層厚度573.2米，凍結(jié)深度626米，井簡凈直徑7.5米。表土深，凈徑大、地壓大，凍土蠕變性大，地質(zhì)條件極其復(fù)雜。由于采用深立井凍結(jié)工法，口孜東煤礦風(fēng)井井簡達(dá)到提前開挖。

• 實例3

山東鄆北煤礦副井凍結(jié)工程，副井表土層厚度為536.63米，凍結(jié)深度為590米。中煤第一建設(shè)公司特殊鑿井處采用立井凍結(jié)工法，于2006年11月6日開機(jī)凍結(jié)。

《深立井井筒凍結(jié)工法》的效益分析如下：

凍結(jié)法鑿井主要用于特殊地層條件下的井筒掘進(jìn)，在沖積層較深，地層含流砂、淤泥等條件，采用普通施工方法難以通過時采用。雖然凍結(jié)法施工成本較高，但綜合考慮工期、質(zhì)量、施工速度等因素，凍結(jié)法在特殊地質(zhì)條件下具有優(yōu)越性，截至2005年，若一個井筒要穿過賦存在300米以下的富水厚砂層，或350米以下的厚黏土層，采用其他施工工藝可能無法通過，但是采用凍結(jié)法施工，施工速度快，效益好，所以立井井簡凍結(jié)法鑿井是解決復(fù)雜地質(zhì)條件下井筒順利掘進(jìn)的有效工法。

《深立井井筒凍結(jié)工法》無污染，對周圍環(huán)境大氣、土壤、地下水沒有有害影響。該工法對冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，相比其他施工工法可以節(jié)省了大量水，同時選用新型高效的冷凍機(jī)，可以節(jié)省電費，符合國家節(jié)能降耗的方針。

《深立井井筒凍結(jié)工法》除嚴(yán)格遵守《煤礦安全規(guī)程》、《礦山井巷工程施工及驗收規(guī)范》等規(guī)程、規(guī)定之外，為保證工法的順利實施，還應(yīng)注意的主要安全措施有：

1.打鉆部分

（1）安、拆鉆塔要有專人統(tǒng)一指揮，有秩序的進(jìn)行，嚴(yán)禁塔上、塔下平行作業(yè)。

（2）高空作業(yè)人員要戴安全帽，系安全帶，穿防滑鞋，所用工具要用工具包接送，防止墜物傷人。

（3）鉆孔期間要嚴(yán)格按照操作規(guī)程作業(yè)，并做好防雷、防火等防護(hù)工作。

2.凍結(jié)部分

（1）加強(qiáng)各種設(shè)備、管路的巡查，杜絕氨、鹽水、油的跑、冒、漓、漏現(xiàn)象，各種壓力容器按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行試驗。

（2）凍結(jié)站內(nèi)要做好防火、防爆、防毒等安全防護(hù)工作。凍結(jié)制冷操作人員要有防毒面具、橡膠手套等防護(hù)用品。

（3）冬期施工不得赤手觸及金屬物件，場地周圍應(yīng)采取防滑措施，供水管路采用保溫材料包扎，當(dāng)停止供水時，應(yīng)及時將設(shè)備和管路內(nèi)的水放凈。雨期施工時，應(yīng)了解當(dāng)?shù)厍闆r，要安裝避雷針，連接好接地極。

《深立井井筒凍結(jié)工法》的質(zhì)量控制要求如下：

1.鉆孔施工質(zhì)量要求

（1）鉆孔偏斜：

在沖積層中要求偏斜率<0.3%，基巖段<0.5%。鉆孔孔間距：沖積層<3米、基巖段<5米。

（2）凍結(jié)管下置深度誤差<0.5米，開孔誤差<0.05米。

（3）凍結(jié)管下置完畢后進(jìn)行打壓試驗，以確保凍結(jié)管不滲不漏。試驗壓力公式為P=P₁ 2（d-1）H/10，式中P₁——鹽水泵壓（千克/平方厘米）；d——鹽水比重；H——凍結(jié)管深度（米）。

2.凍結(jié)施工質(zhì)量要求

（1）凍結(jié)站安裝應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計圖紙施工。凍結(jié)站安裝完畢后，對氨系統(tǒng)進(jìn)行打壓試漏試驗壓力：

高壓系統(tǒng)18千克/平方厘米；中壓14千克/平方厘米；低壓12千克/平方厘米；觀察24小時，壓力降<0.2千克/平方厘米為合格。

（2）開機(jī)前，對三大循環(huán)系統(tǒng)從單臺設(shè)備、單個系統(tǒng)到整體系統(tǒng)進(jìn)行逐步試運行，確認(rèn)各系統(tǒng)運行良好后方可進(jìn)行化鹽水、充氨等最后工序。

（3）凍結(jié)站鹽水降溫在0℃以上，每天不得超過5℃，鹽水達(dá)到0℃以下時，每天不少于2℃，一般在開機(jī)40～60天后，鹽水溫度應(yīng)達(dá)到設(shè)計值。

（4）凍結(jié)站開機(jī)后，其凍結(jié)器的檢查工作是凍結(jié)工程的重點，為此，加強(qiáng)對凍結(jié)器運行狀況的檢查和對測溫孔數(shù)據(jù)的分析是確保凍結(jié)成敗的關(guān)鍵。

開機(jī)后，應(yīng)重點檢查：

a.凍結(jié)孔各孔流量不小于設(shè)計值。

b.凍結(jié)孔縱向溫度自上而下，比較均勻無突變點現(xiàn)象。

c.測溫孔溫度應(yīng)均勻下降，降幅一般為0.2~0.5℃/天。

（5）開機(jī)后應(yīng)對水文孔水位及井筒四周參考井水位進(jìn)行觀測，掌握地下水位與井筒內(nèi)水位變化，以及了解凍結(jié)壁交圈情況。

（6）凍結(jié)壁交圈檢驗：

a.當(dāng)經(jīng)過水文孔水位觀察，井筒內(nèi)水文孔水位有規(guī)律上漲，并冒出地面。

b.凍結(jié)器檢查沒有發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

c.測溫孔推算凍結(jié)壁已交圈時，可以認(rèn)為凍結(jié)壁已交圈。

《深立井井筒凍結(jié)工法》所用的設(shè)備明細(xì)如下：

1.打鉆設(shè)備

截至2005年，中國國內(nèi)常用的打鉆設(shè)備，有DZJ-500/1000型、TSJ-2000E型等鉆機(jī)，與之配套的有TBW-850/50型、TBW-120/TB型泥漿泵。

2.測斜設(shè)備

常用的有燈光測斜儀和陀螺測斜儀。燈光測斜儀適用于淺凍結(jié)孔，陀螺測斜儀為2005年前使用的較多的測斜儀。其中JDT-3型、JDT-5A型測斜儀均可實現(xiàn)不提鉆測斜，所測結(jié)果可以自動打印。

3.凍結(jié)設(shè)備

主機(jī)及附屬設(shè)備包括：

（1）主機(jī)

主要有氨工質(zhì)的8AS-12.5、8AS-17、8AS-25等活塞式壓縮機(jī)，螺桿機(jī)有25CF、KA20C等。

（2）附屬設(shè)備

主要有冷凝器、蒸發(fā)器、中冷器、油分器、儲液器、鹽水泵、清水泵等設(shè)備、管路、閥門。

深立井井筒凍結(jié)工法適用范圍

《深立井井筒凍結(jié)工法》的適用范圍有：

1.凍結(jié)法主要應(yīng)用于地層條件復(fù)雜，地層松軟，有流砂及淤泥等特殊不穩(wěn)定地層，用普通法無法進(jìn)行地下工程施工的地層。

2.地質(zhì)條件及地下水流速、流向是凍結(jié)法施工設(shè)計的兩個主要參考指標(biāo)。常規(guī)凍結(jié)一般要求地下水流速度小于10米/天，流速大時可采取加密凍結(jié)孔等措施來實施凍結(jié)。

3.根據(jù)凍結(jié)法原理，截至2005年，該工法成功地應(yīng)用于煤炭、水利、交通、地鐵、橋涵、港口、深基礎(chǔ)等地下工程建設(shè)中，為特殊地質(zhì)條件下工程建設(shè)的可靠工法。

深立井井筒凍結(jié)工法工藝原理

《深立井井筒凍結(jié)工法》的工藝原理敘述如下：

制冷工藝包括：a.鹽水循環(huán)系統(tǒng)；b.氨循環(huán)系統(tǒng)；c.冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。

1.鹽水循環(huán)系統(tǒng)

利用水的低溫結(jié)冰性質(zhì)，在立井井筒周圍一定范圍內(nèi)施工鉆孔（凍結(jié)孔），孔深為所需凍深，然后在鉆孔內(nèi)下置凍結(jié)器（凍結(jié)管、供液管等組成），經(jīng)過凍結(jié)站降溫的低溫鹽水（-20~-35℃的氯化鈣水溶液）經(jīng)管路輸送，抵達(dá)凍結(jié)器底部，沿凍結(jié)管與供液管之間的環(huán)狀空間上升，此時低溫鹽水吸收地層傳給凍結(jié)管的熱量，使低溫鹽水逐步升溫，并返回到凍結(jié)站，進(jìn)行再次冷卻，這就是鹽水循環(huán)系統(tǒng)。低溫鹽水吸收凍結(jié)管傳來的熱量。使凍結(jié)管四周溫度逐步降低。結(jié)冰范圍逐步打大形成凍結(jié)圓柱，各個凍結(jié)圓柱不斷擴(kuò)展，兩兩相連，形成一封閉的具有一定厚度和強(qiáng)度的凍結(jié)壁。當(dāng)凍結(jié)管的強(qiáng)度與厚度達(dá)到設(shè)計要求后，井筒即可開挖。井筒在凍結(jié)壁的保護(hù)下安全施工。

2.冷卻水系統(tǒng)

在冷凝器中，冷卻水不斷地流過冷凝器，吸收內(nèi)部氨相態(tài)變化所放出的熱量，并使冷卻水水溫升高，這就是冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。

綜上所述，凍結(jié)法鑿井的基本原理，就是鹽水從地層中吸收熱量，并將其熱量傳遞給氨，氨經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，將這部分熱量傳遞給冷卻水，最后由冷卻水把熱量散發(fā)到大自然中。這樣通過三大循環(huán)，逐步地將地層降溫并凍結(jié)，形成所需之凍結(jié)壁。

深立井井筒凍結(jié)工法施工工藝

• 工藝流程

《深立井井筒凍結(jié)工法》的工藝流程見圖2。

• 操作要點

《深立井井筒凍結(jié)工法》的操作要點如下：

1.根據(jù)地質(zhì)及水文地質(zhì)資料，全面掌握井筒所穿過的地層特性、地下水的流速與流向、凍結(jié)段終止位置的地層特點。根據(jù)地層結(jié)構(gòu)、地下水流速大小及凍結(jié)終止部位的地層含水狀況等資料編制施工組織設(shè)計。對于地下水流速較大的地層，可分別采取減少凍結(jié)孔間距、加大凍結(jié)管直徑或布置雙圈孔等措施以克服水流的冷量散失。對于凍結(jié)段終止的地層必須是不透水的穩(wěn)定基巖，否則會使凍結(jié)段下部出水，造成透水事故。

2.凍結(jié)孔施工要重點把握凍結(jié)孔開孔位置準(zhǔn)確，各水平鉆孔偏斜率及間距不許超過設(shè)計值。

3.凍結(jié)管打壓試漏合格，深度達(dá)到設(shè)計要求，并根據(jù)測斜情況繪制各水平凍結(jié)交圈圖以備后用。

4.凍結(jié)站各設(shè)備管路安裝完畢后，進(jìn)行氨系統(tǒng)、鹽水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)的打壓試漏工作，做到不滲不漏，設(shè)備單臺及聯(lián)合試運行正常。

5.根據(jù)地下水流向，確定好凍結(jié)水源井的位置，以水井抽水不影響井筒凍結(jié)為原則，要求凍結(jié)水源井應(yīng)距井筒水流上游300米以上。鹽水比重應(yīng)達(dá)到設(shè)計要求。首次充氨量宜適量，隨著鹽水溫度的降低，系統(tǒng)液氨須不斷地加以補(bǔ)充。

6.試運轉(zhuǎn)開機(jī)時要掌握系統(tǒng)中各壓力、溫度的變化應(yīng)在正常指標(biāo)的范圍之內(nèi)，如有異常要及時加以處理。

7.隨著制冷系統(tǒng)的運行，鹽水溫度逐漸降低，地層溫度也隨之而降，此時應(yīng)加強(qiáng)凍結(jié)器及測溫孔溫度的監(jiān)測。凍結(jié)器應(yīng)檢查每根凍結(jié)管的鹽水流量及去、回路溫度，查看凍結(jié)器結(jié)霜情況，了解凍結(jié)器的運行。測溫孔應(yīng)每天測量記錄，收集原始溫度數(shù)據(jù)。掌握各地層凍結(jié)發(fā)展?fàn)顩r，及時分析異常數(shù)據(jù)。

8.開機(jī)20天后，對各個凍結(jié)器進(jìn)行縱向測溫，從而全面掌握每個凍結(jié)器的運行狀況及各水平地層的凍土發(fā)展情況。

9.開機(jī)后應(yīng)對井內(nèi)水文孔及井外參考水井的水位進(jìn)行每日觀測，記錄水文孔水位變化，掌握含水地層的凍結(jié)交圈時間。

10.當(dāng)井內(nèi)水文孔冒水，并經(jīng)測溫孔溫度計算，凍結(jié)壁厚度、強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計值時，開始井筒掘進(jìn)。

11.當(dāng)井筒掘進(jìn)距設(shè)計凍結(jié)深度剩5～8米時，停止掘進(jìn)，進(jìn)行套內(nèi)壁作業(yè)。當(dāng)復(fù)壁正常，并經(jīng)測溫孔計算凍結(jié)壁可以滿足復(fù)壁施工時，即可停止凍結(jié)運轉(zhuǎn)，復(fù)壁工作結(jié)束后，可以進(jìn)行下一步凍結(jié)站拆除及現(xiàn)場清理工作。

• 勞動組織

《深立井井筒凍結(jié)工法》的勞動組織安排如下：

1.勞動組織安排，見圖3。

2.打鉆管理輔助人員配備情況（見表1）。

3.凍結(jié)人員配備情況（見表2）。

利用水凍結(jié)成冰這一現(xiàn)象，通過制冷機(jī)組及其他輔助設(shè)施，在井筒周圍凍結(jié)形成一個不透水的筒狀凍結(jié)壁，井筒開挖在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行，《深立井井筒凍結(jié)工法》的顯著特點如下：

1.極大地改善了井筒施工條件

因凍結(jié)壁隔斷了地下水與井筒開挖工作面的聯(lián)系，使井筒掘進(jìn)工作環(huán)境大為改觀，取消了排水設(shè)施，省去了排水費用，改善了施工環(huán)境。

2.解決了普通法鑿井難以解決的問題

當(dāng)井筒地質(zhì)條件復(fù)雜，井筒穿過流砂、淤泥、深厚黏土等不穩(wěn)定地層，采取其他施工方法難以通過時，凍結(jié)法是順利通過特殊地層的最有效手段。

3.極大地提高掘進(jìn)速度

因井筒掘砌環(huán)境的改善，排水等輔助設(shè)施的取消，使井筒掘進(jìn)速度大為提高。

4.適用范圍廣

利用凍結(jié)原理，該工法可廣泛應(yīng)用于地鐵、橋涵、港口、深基礎(chǔ)及其他地下工程建設(shè)中。

根據(jù)熱力學(xué)原理，利用制冷機(jī)組，進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換，從被冷凍的物質(zhì)中抽取熱量，使其逐步降溫達(dá)到預(yù)定溫度的一種工藝方法。

將凍結(jié)法這一原理應(yīng)用于地下巖土工程，進(jìn)行人工凍土，截至2005年，在國際上已有130多年的歷史。在中國也有五十多年，所開鑿的井筒凍結(jié)深度由最初的百米到2005年的560多米，表土深度由最初的50多米達(dá)到了525米，已成為煤炭行業(yè)通過特殊地層的主要施工方法，隨著凍結(jié)技術(shù)的發(fā)展，它已逐步應(yīng)用于公路、橋梁、隧道、地鐵等行業(yè)，成為解決特殊地質(zhì)條件下，進(jìn)行地下工程施工的主要施工工法。

隨著煤礦建并技術(shù)的發(fā)展,特殊鑿井技術(shù)也有了長足的進(jìn)步，特別是凍結(jié)法施工深厚沖積層井筒的掘砌技術(shù)得到了快速的發(fā)展，形成了鉆孔、凍結(jié)、掘進(jìn)、砌壁等一系列完整的技術(shù)系統(tǒng)，已成為施工深厚沖積層立井井簡主要的施工方法。

凍結(jié)法鑿井的主要原理就是在地面按設(shè)計鉆凍結(jié)鉆孔到預(yù)計需凍結(jié)的深度，然后在凍結(jié)鉆孔內(nèi)下凍結(jié)管，利用凍結(jié)站內(nèi)的制冷設(shè)備壓縮低溫鹽水在凍結(jié)鉆孔內(nèi)循環(huán)流動，形成凍結(jié)帷幕，當(dāng)凍結(jié)帷幕達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，就可以在凍結(jié)帷幕的保護(hù)下進(jìn)行井簡掘砌。

凍結(jié)井簡施工適時開挖，是加快井簡施工速度、縮短工期的重要一環(huán)。開挖過早，會發(fā)生片幫甚至通砂透水;開挖過遲,隨著凍土墻的不斷擴(kuò)展，會增加施工難度，影響施工進(jìn)度。因此，并簡開挖時間應(yīng)遵循以下原則。

(1) 當(dāng)水文觀測孔內(nèi)的水位已有規(guī)律地上升并冒水;

(2) 測溫孔的溫度已降至設(shè)計值,證實凍結(jié)壁已全部澆圈，其強(qiáng)度具備開挖條件;

(3) 開挖前的準(zhǔn)備工作均已就緒,完全具備井筒施工條件。

根據(jù)以上條件開挖時間一般選定在凍結(jié)壁澆圈10 d 后進(jìn)行，即預(yù)計主機(jī)開凍90 d后試挖,井簡試挖30 m 后進(jìn)行吊盤及其他鑿井懸吊設(shè)備安裝，在開凍120 d 后井筒即可正式開挖。 2100433B

內(nèi)容介紹

《深立井與隧道工程理論和實踐(2000-2008年學(xué)術(shù)論文選集)》以重大地下巖土工程的關(guān)鍵技術(shù)研究、設(shè)計和施工為基礎(chǔ)，以單篇論文的形式闡述了深立井井筒開鑿、隧道施工理論和技術(shù)的創(chuàng)新、發(fā)展及推廣應(yīng)用。主要內(nèi)容包括：深立井開鑿實用鉆爆新技術(shù)研究和應(yīng)用，立井凍結(jié)基巖深孔鉆爆掘進(jìn)和大段高砌壁，深立井硬巖深孔鉆爆參數(shù)的研究與應(yīng)用，特厚表土層大直徑深立井凍結(jié)法施工及關(guān)鍵技術(shù)研究，深凍結(jié)立井高膨脹巨厚黏土層安全快速施工，深立井綜合機(jī)械化配套快速高效施工，立井井筒基巖段工作面預(yù)注漿，小直徑深立井施工提升系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用，立井凍結(jié)段內(nèi)壁可縮裝置設(shè)計思路及安裝工作，井筒裝備設(shè)計與施工，兩井共用一個轉(zhuǎn)水站的排水系統(tǒng)設(shè)計與安裝，隧道出口段高壓旋噴注漿加固設(shè)計與施工等。

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