斜井井壁底板破损冻结修复施工

任志刚 杨 焱 陈旭志

(1.中煤邯郸特殊凿井有限公司，河北 邯郸 056003； 2.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116)

0 引言

应用人工制冷技术冻结加固土体，使之发展为封闭的冻土结构，为正常施工创造一个较强的围护结构[1]。在整个施工过程，从冻结开始到开挖直至永久支护结构形成的整个时期，冻结土体的热力学性质经历了剧烈的变化，并由此对施工环境产生影响[2]。对若干重要参数的现场监测，是工程顺利施工的重要保证条件之一，为优化施工方案提供依据[3]。

1 工程概况

袁大滩主斜井修复工程里程340 m～385 m底板仍有不均匀隆起，最大隆起高度0.4 m，裂缝宽度10 cm，见图1。

2 底板破坏修复冻结设计

2.1 总体修复原则

由于里程360～372(第三段)之间没有布置封帮封顶孔，且侧帮孔距离井壁较远(6.5 m)，底板修复施工时底板周围没有冻结壁的保护，而采用注浆等其他手段进行加固时，无法保证加固的均匀性和防水性能。

根据底板实际情况，现对底板进行底板修复。冻结孔布孔里程在359 m～373 m。在冻结帷幕的保护下进行现有底板井壁凿除、恢复和新井壁的浇筑工作。

2.2 冻结壁厚度设计

采用井筒内垂直板块冻结，根据主斜井冲积层埋深，计算侧帮承受地压力。井口标高+1 212.90 m作为冻结深度起始标高±0.000 m，第三段最大开挖深度90 m，地层为冲积层，连续粉砂、细砂层，侧压力按似重液公式Pb=0.013H计算，Pb=1.17 MPa[4]。冻结壁平均温度取-10 ℃，考虑到井筒断面形状压力的不均匀性及应力集中情况，井筒底板底部冻结壁厚度确定为4.5 m，井筒底板侧帮处冻结壁厚度确定为2.5 m。在360 m～372 m里程两头各有2 m厚冻结壁厚度，保证端头开挖安全[5]。

2.3 钻孔布置设计

冻结孔布置：在里程359 m～373 m间隔1.42 m共布置冻结孔总数90个，冻结孔总长度478.566 m。

测温孔布置：布置测温孔5个，测温孔深度4.5 m(深入冻土3.3 m)，总长度22.5 m。冻结孔及测温孔布置见图2,图3。

2.4 冻结循环设计

冻结管采用φ89×8 mm无缝钢管，内置φ50×5 mm塑料管，测温管采用φ89×8 mm无缝钢管，冻结管、测温管均采用外管箍焊接连接。

可以直接利用地面垂直孔的第三段封尾孔内部的盐水用于隧道底板的冻结修复。首先在里程390 m处井筒两侧各暴露出一根封尾冻结管，将管内盐水吹干并拔出供液软管，在井筒内将冻结管割开，并焊接弯头和集、配液管，配液管上安装管道泵，冻结管每排8个孔为一组首尾依次串联后接入集、配液管(φ325×8 mm无缝钢管)，冻结管与集、配液管之间通过高压胶皮软管连接。集、配液管应牢固固定在井壁上，在供水冻结管和配液管之间安装减压阀，同时在集、配液管上安装放空阀。

3 底板破坏修复施工

3.1 冻结孔施工

采用金刚石取芯钻开孔提前开孔以减少打钻施工时间，确定孔位时注意井筒内垫层为随坡浇筑。冻结孔开孔前安装好孔口密封、防喷装置。按设备的安装要求进行，并配套好泥浆设施。接通水、电、安装夜间照明，检查钻具，做好各项准备工作。钻机采用跟管钻进方法，钻进用钻杆应采用丝扣连接，分班连续作业方式。冻结管施工过程需要在隧道内焊接，为了给工作面提供新鲜空气并及时将废气排出，井筒内部应加强通风。

3.2 冻结施工

由于井筒埋深位于地面以下90 m，因此冻结施工期间需要注意以下问题：

1)盐水循环系统压力。对于集配液管与冻结管的连接用高压管，连接高压管的钢管上焊接螺丝帽将绑扎管路的铁丝固定牢靠。一旦有盐水漏失能采取紧急措施关闭地面及井下盐水管路减少盐水漏失。每组冻结管的进出口各装阀门一个，以便控制流量。

2)由于冬季地面已冻住因此冻结帷幕内的冻胀压力无法泄压，使井壁承受超过设计值的压力，因此在地面应设置不冻的水文孔，将帷幕内井筒上部的冻胀压力释放掉。

3)冻结施工范围内禁止水流入。冻结段上方水要截止并通过管路引至冻结段下方，冻结段下方水要即时排出。

积极冻结期盐水温度为-22 ℃～-24 ℃，设计冻结时间35 d，要求冻结孔单孔流量不小于4 m3/h；如盐水温度和盐水流量达不到设计要求，应延长积极冻结时间。

3.3 开挖前冻结效果判定

通过以下判定手段判断冻结帷幕是否达到设计要求：

1)冻结系统运行情况判定。

集、配液管盐水温度及各组循环冻结孔端头温度监测。

2)冻结壁厚度估算。

根据测温孔判断冻结壁达到设计要求后，在底板孔间距较大处布置探孔，根据测温孔和探孔对冻结壁厚度进行估算。

3.4 原有底板及内壁的凿除、浇筑

根据井壁破坏情况和设计的要求，从里程360 m～372 m顺井筒掘进破除需要修复的混凝土底板(内壁)，恢复至原有设计标准。在破除原有井壁的位置，按设计院图纸浇筑混凝土井壁。修复期间保留A,P排冻结孔及Z1,Z2,Z23,Z24四个冻结孔。井壁修复完成后停止冻结，割除冻结管并对冻结孔防水处理及里程底板接槎处理。

4 施工监测

4.1 端头温度

端头温度见图4，盐水循环整体情况良好。

4.2 井壁收敛情况

井壁收敛情况见表1。

从收敛监测可以看出目前359 m～373 m里程段总体井壁结构处于稳定状态。

4.3 测温孔温度监测

表1 收敛情况监测表

典型测温孔温度变化曲线如图5,图6所示。

4.4 冻结状况分析

水平冻土发展情况见表2，表3。

表2 1.5 m水平冻土发展情况

表3 4.4 m水平冻土发展情况

结合冻结孔孔间距情况及测温孔降温情况分析，360 m～372 m修复段底板两端冻土已超过2 m保护段，冻结段中部冻土发展速度较快，也已经交圈，经过推算，冻土平均温度达到-11 ℃左右。同时底板两侧在钻孔施工前探测冻土已至井壁外侧2 m左右，经过冻结计算，底板左右两侧已形成冻结壁，实现了封闭封水达到开挖要求。

5 结语

本文通过对袁大滩主斜井360 m～372 m底板破坏段的实际情况分析，提出了具体的对破坏段进行冻结加固开挖及砌筑冻结设计方案：

1)根据底板实际情况，现对360 m～372 m底板进行底板修复。采用井筒内垂直板块冻结，根据主斜井冲积层埋深，计算侧帮承受地压力，确定冻结壁厚度并对冻结孔、测温孔以及冻结循环进行合理的设计。

2)根据井壁破坏情况和设计的要求，对冻结孔施工、冻结施工、开挖及浇筑进行详细的分析，确保底板破坏修复施工的安全进行。

3)与工程同步进行了冻结系统盐水温度、冻结帷幕土体温度、井壁收敛的监测，得到了土体冻结的一些规律，指导了工程施工，证明工程设计及所采取的各种技术措施是可行有效的，保证了工程安全顺利施工。为冻结施工的成功应用，积累了宝贵的经验。