冻结法凿井.docx

1、冻结法凿井冻结法凿井 发布时间：2011-3-18 17:26:28一章 术语、符号1.1冻结法凿井在井筒开凿之前，用人工制冷的方法，将井筒周围含水松散不稳定的冲积层、基岩含水层进行地层冻结，形成封闭的符合工程安全要求的起到临时保护作用的冻结壁，然后在冻结壁的保护下进行井筒掘砌工作的一种方法。1.2冲积层覆盖于基岩露头之上的第三系、第四系地层。1.3冻结壁用人工制冷的方法在井筒围岩中所形成的具有一定厚度和强度的冻土墙。又称冻土帷幕。1.4冻结壁交圈时间从地层冻结开始至井筒周围所有的冻结器单独形成的冻土圆柱均相交连接成筒形的冻结壁所需的时间。1.5积极冻结期从地层开始冻结至井筒周围所有冻土圆柱相

2、交、连接，且形成达到设计厚度、强度冻结壁所需的时间。1.6维护冻结为了在井掘砌工程完工前，维护冻结壁的厚度和强度仍要继续供给一部分冷量，直至井筒掘砌工程结束，维护冻结终止，冻结壁自然融化。1.7人工冻土用人工制冷的方法使含水松散不稳定的地层降温，达到一定的负温度，具有一定强度的冻土。1.8冻结站在井筒附近集中设置制冷设备和设施的建筑场所，其中主要有氨制冷循环系统、盐水循环系统、冷却水循环系统及供电系统。1.9防水性（ ？）井壁结构形式一般有单层、双层、双层混凝土塑料夹层复合井壁，永久井壁漏水量应不得大于0.5m3/h, 并不得有集中喷水和含砂的水孔。1.10双层井壁由外层井壁和内层井壁纸盒而成

3、，外层井壁由上而下随井筒短段掘砌冻结段底部，其厚度和强度应能承受井壁外层井壁施工结束后，由下而上连续一次浇筑至井口，其厚度和强度应能承受静水压或有负摩擦力的作用。内外层井壁材料，我国采用钢筋混凝土和混凝土。1.11双层混凝土塑料夹层复合井壁在双层混凝土井壁的内外井壁之间铺设一层或两层厚1.5mm聚乙烯塑料板而成，设置塑料板后，制止了内层井壁的温度裂缝，井壁防水性能好。第二章 勘察要求2.1井筒检查钻孔2.1.1编制立井井筒冻结法凿井施工组织设计时，必须有该井筒的“井筒检查孔地质报告”。井筒检查钻孔执行矿山井巷工程施工及验收规范GBJ213-90中的有关规定。2.1.2井筒检查钻孔地质报告提供的

4、资料应能满足地层冻结、井壁设计，具有下列资料：1、井筒检查钻孔位置，检查钻孔主要施工工艺及主要施工过程；2、井筒全深的地质柱状图，包括岩性、层厚、倾角、岩芯采取率、累计深度、岩粉层主要特征的描述；3、井筒地质构造及地温；4、冲积层主要土层的常规土工试验指标，其土样的层位、深度应与冻土物理力学性能试验一致；5、冲积层、基岩中各含水层的特征，应包括含水层埋深、层厚、静止水位、渗透系数、流向、流速、水质、水温。冲积层与基岩的水力联系，基岩掘进时井筒预计涌水量；6、在井筒检查钻孔地质资料和邻近冻结井筒施工实践的基础上，针对本井筒采用冻结法凿井方案提出综合评价。2.2地下水流速2.2.1地层中的含水层自

5、然和人为抽水后形成的地下水流速，当超过一定限度（5m/d）时，将影响地层正常冻结。2.2.2对井筒附近的水源井应进行调查，收集水源井的用途、数量、方位、距离、深度，抽水层位及深度，抽水时间，日抽水量以及抽水影响半径等资料。2.2.3井筒附近600m范围内有大抽水量（600m3/h）水源井，或有地下古河道，必须实测该含水层的流向、流速并提供实测报告。2.3人工冻土2.3.1冲积层厚度大于150m时，在井筒检查孔地质报告中应有人工冻土物理力学性能试验报告。2.3.2人工冻土试验，当冲积层厚度小于300m时，至少有3个水平；当冲积层厚度300m-450m时，至少有4个水平的冻土（粘性和砂性土）物理力

6、学性能试验资料，其中应包括冻结壁设计控制层资料。2.3.3人工冻土物理力学性能试验项目执行表2.1中的规定，试验方法执行MT/T593有关规定。 人工冻土试验项目表2.1冲积层厚度试验项目150250m250400m400500m单轴抗压强度-5-12选3种不同温度-5-20选4种不同温度-5 -25选5种不同温度三轴剪切强度-5-12选2种不同温度-5-20选4种不同温度-5-25选4种不同温度单轴蠕变-5-12选2种不同温度-5-20选4种不同温度-5-25选4种不同温度三轴剪切蠕变-5-20选4种不同温度-5-25选4种不同温度导热系数测定测 定测 定测 定热容量测定测 定测 定测 定冻

7、结温度测 定测 定第三章 井壁相关3.1混凝土预制块采用混凝土预制切块砌筑井壁，预制块宜制成楔形，每块质量不大于35kg，强度等级不低于C40。3.2装配式铸件采用球墨铸铁应执行球墨铸铁件GB1348-88标准。采用可锻铸铁应执行可锻铸铁GB9440-88标准。采用铸钢应执行铸钢GB1352-89或JB/ZQ4297-86标准。3.3井壁常用的其他材料应符合下列规定：3.3.1聚乙烯塑料薄板双层混凝土塑料夹层复合井壁中使用的聚乙烯塑料薄板应具有质软、耐水、耐磨、耐寒及化学稳定性好等特点。物理机械性能指标应满足附录A表A要求。3.3.2沥青及沥青制品砌块沥青铁板混凝土复合井壁壁间浇灌的热沥青混合

8、物，宜选用标号为200号国产道路石油沥青掺加石灰石粉等，按沥青混合物15时重度为1.151.3t/m3配制。若采用100号甲国产道路石油沥青，应进行试验确定参数，一般不允许采用100号甲以下。国产道路石油沥青的质量指标见附录B表B。石灰石粉应满足以下规定:细度0.09mm，筛过4900目最小占80%，密度=2.7t/m3水分 0.2%以下3.3.3聚苯乙烯泡沫塑料板冻土与井壁间所用的聚苯乙烯泡沫塑料板物理机械性能指标应符合附录C表C中的规定。3.4可压缩木屑板可压缩木屑板的厚度应根据所需的压缩量确定，一般为620mm。板材性能应满足压力值35N/mm2时，压缩率为30%40%。3.5井壁结构形

9、式及适用条件3.5.1冻结法施工的立井井筒目前我国常用的支护结构形式有单层井壁、双层井壁和不同材料组成复合井壁。单层井壁有素混凝土和钢筋混凝土结构；双层井壁除有素混凝土、钢筋混凝土结构外，还有用于基岩冻结段的喷射混凝土或钢筋网喷射混凝土作为临时支护，内套混凝土的双层结构；复合井壁有双层混凝土、塑料夹层复合井壁和砌块沥青钢板混凝土复合井壁等。3.5.2单层素混凝土井壁一般适用于井筒净直径小于4.5m、冲积层厚度不大于50m且以砂质为主的地层；单层钢筋混凝土井壁适用于冲积层厚度100m左右，以砂质为主的地层。混凝土砌块不得单独用作永久支护，但可在复合井壁中用作外壁或临时支护。3.5.3冲积层厚度小

10、于250m，地层以砂质土层为主且冻土压力显现不大，可采用双层素混凝土井壁；对于冲积层厚度小于250m，但有较厚易膨胀粘土地层，宜采用双层钢筋混凝土井壁或双层混凝土塑料夹层复合井壁。3.5.4双层混凝土塑料夹层复合井壁可用于冲积层厚度小于400m的地层。3.5.5喷射混凝土或钢筋网喷射混凝土结构，可在基岩冻结段中用作临时支护。3.5.6选用其它复合井壁，应考虑下列适用条件:1、砌块沥青钢板混凝土复合井壁主要用于需回采井筒煤柱的井筒，但也可用于防止地层下沉对井壁造成破坏的冲积地层。2、装配式铸件井壁承载力大，可在深厚冲积地层的下部作为承载结构。3.6设计荷载3.6.1作用核井壁上的荷载可分为基本荷

11、载、辅助荷载和特殊荷载三类。基本荷载(设计必须考虑的荷载)；均匀水土压力、不均匀冻土压力、温度应力、负摩擦力、临时吊挂力及注浆压力等。特殊荷载(忝情况设计需考虑的荷载)；地震作用、冲击地压及其它荷载等。3.6.2基本荷载标准值的确定应符合下列规定:1、均匀水土压力P0=0.013H （4.4.2-1）式中P。计算处均匀水土压力标准值，MPa；需考虑水压，则该处的静水压力标准值为P。=0.01H MPa；H计算深度，m。3.6.3冻土压力冻土压力Pd可按表4。4。2选用。不同深度冻土压力参考值 表4.4.2表土深度(m)100150200250300300400冻土压力(MPa)1.21.52.

12、02.32.72.83.5有条件时，可结合地层的实际赋存条件、冻结状况和施工工艺或本地区实测成果，对表4.4.2数值进行读者。3.6.4井壁自重力v=H(4.4.2-2)式中: 井壁自重应力标准值，MN/m2；井壁材料的重度，MN/m3；素混凝土，=0.024 MN/m3；钢筋混凝土，=0.025 MN/m3。3.6.5辅助荷载标准值的确定应符合下列规定:1、不均匀压力不均匀压力分布如图4.4.3所示。略2、负摩擦力出现负摩擦力的井筒，作用在井壁外表面上的负摩擦力PZ值可暂按4080kN/m2控制，也可通过工程类比或试验论证后确定。3、外层井壁吊挂力按吊挂井壁高度1520m的自重力进行承载力及

13、配筋计算。4、注浆压力井壁壁间注浆终压、应结合井壁施工状况估算井壁的最大承载力而定，一不而不得大于注浆处的1.4倍的静水压力。3.6.6特殊荷载标准值的确定应符合下列规定:地震作用只考虑井口以下30m段井筒的浅部。地震作用按下列原则计算:地震烈度为78度，作用在井壁上的水土侧向压力可按公式(4.4.2-1)计算后，再乘以1.2的附加系数作为地震作用的标准值；9度地震区附加系数取1.35。3.7井壁结构设计计算规定3.7.1单层井壁必须按均匀水土压力、冻土压力及不均匀水土压力分别进行内力及承载力计算。同时，应计算稳定性、井壁吊挂力的作用，并用三向应力验算。3.7.2双层井壁或双层混凝土塑料夹层复

14、合井壁的内、外层井壁应分别按静水压力和冻土压力作用计算。外层井壁应验算稳定性，并按电力挂力作结构强度计算。井壁整体应按均匀水土压力、不均匀水土压力及三向应力作用分别进行承载力验算。3.7.3砌块沥青钢板混凝土复合井壁的钢板混凝土复合结构应按沥青混合物的重力对井壁进行均匀压力和不均匀压力作用下的内力及承载力计算；外层井壁应按冻土压力计算。内、外层井壁应分别验算稳定性。3.7.4装配式铸件复合井壁应按铸件组装筒与混凝土共同承受均匀和不均匀水土压力计算，并用冻土压力校核。铸件组装筒应按单独承受静水压力计算，并验算稳定性。设计有混凝土外层井壁，外壁计算应执行第4.5.2条关于外层井壁计算的条文规定。3

15、.7.5单层井壁、双层井壁和双层混凝土塑料夹层复合井壁，在冲积层与基岩交界处，应进行纵向弯矩和剪力的受力计算；井口30m段井壁应按地震烈度进行机翼核；出现过负摩擦力的矿区，井壁设计应考虑负摩擦力的作用。3.7.6完整基岩冻结段程度小于30m，基岩段井壁应与冲积层的井壁作为一体设计，按冲积层西部最大压力值计算；完整基岩段含水层较深厚，冻结深度加长，井壁厚度可按基岩支护经验值确定，但外层临时支护必须满足能承受不小于0.6MPa冻土压力的要求。3.7.7井塔(架)影响段井壁的计算，执行“4。7井塔（架）影响段井壁及壁座计算”中有关规定。3.8井壁内力及承载力计算本规定所标准荷载、标准内力，是指未考虑

16、结构安全系数的荷载或内力值。标准荷载乘以安全系数（见表4.6.3）即为计算荷载(或称力的计算值)，由计算荷载求得的内力值或由标准内力乘以安全系数求得的内力值称为内力计算值。强度验算时，计算荷载应小于或等于结构的最大承载能力，内力计算值应小于或等于结构材料的强度设计值。3.8.1井壁结构的承载力设计应采用下列设计表达式:S(k)R (4.6.2-1)R=R(fc，fy) (4.6.2-2)式中 S()内力组合计算函数k结构的安全系数，见表4.6.3；R结构的承载力；R（）结构的承载力函数；fc，fy混凝土、钢筋的强度设计值。3.8.2井壁不同受力状态的安全系数k应按表4。6。3采用。混凝土结构安

17、全系数值 表4.6.3受力特征混凝土结构安全系数值k均匀水土压力1.4静水压力1.4稳定性1.4不均匀压力1.1冻土压力1.051.1井塔纵向偏压1.4交界面受力1.2井壁吊挂力1.3负摩擦力1.33.8.3混凝土井壁内力及承载力的计算执行附录D规定。3.8.4砌块沥青钢板混凝土复合井壁的计算，应遵循内、外壁分层计算的原则:装配式铸件复合井壁和砌块沥青钢板混凝土复合井壁的内层复合结构，可用纸盒筒公式计算:3.8.5在进行井壁内力及承载力的计算之前，须初步定出井壁厚度，其厚度可通过工程类比或计算拟定。采用计算方法拟定混凝土井壁厚度，可按下列计算: 略3.9井塔(架)影响段井壁及壁座计算3.9.1

18、井塔(架)基础置于天然地基上，井壁计算应执行附录E中E.1规定: 井塔(架)直接支承在井筒上，井壁计算执行附录E中E.2规定。3.9.2壁座按附录F规定计算3.10构造及防护要求3.10.1混凝土井壁(1)井壁可沿深度方向分段采用不同深度。井壁厚度变化应符合下列规定:a、井壁厚度变化应根据井筒直径和冲积层深度综合考虑。对于直径较大，冲积层深度较深的井筒，井壁厚度一般变化12次；直径较小或冲积层深度不大的井筒，一般不变或变化一次厚度。b、外层井壁厚度变化的位置，当井壁由薄变厚时，一般应放在冻土压力显现较大的粘土层上部，距粘土层23m的土层中，使粘土层所需的井壁厚度向上多支护一个段高；当下部冻土压

19、力较小，井壁需变薄时，较厚的井壁应向下延伸，多支护23m。c、内层井壁厚度变化，一般为井壁外径变化，井筒净径不变。但井筒有较大负摩擦力作用，井壁也可设计成内外壁界面不变或井筒净径变化，外径不变的形式。(2)按构造要求单层井壁及双层井壁的内层井壁和外层井壁厚度一般均不宜小于300mm。(3)钢筋混凝土井壁圆环截面的配筋应符合下列规定:a、全截面配筋率不小于0.2%；b、截面单侧配筋率不小于0.15%，混凝土强度等级为C40C60时，配筋率不应小于0.2%；c、配置构造钢筋应符合表4.8.3规定。井壁构造配筋 表4.8.3井筒深度(m)钢筋最小直径(mm)钢筋最大间距(mm)钢筋最小间距(mm)1

20、00163003302002001830020030020300200(4)钢筋混凝土井壁竖向钢筋的配置应符合下列规定:a、外层井壁可按计算确定；内层井壁一般按比环向钢筋小一级直径配置。钢筋最小直径以不小于16mm为宜，间距可与环向钢筋的间距相同。b、井口以下的一段井壁，有地震作用或井塔（架）影响，应按受力状况计算或构造配置学生运动向和环向钢筋。c、素混凝土井壁，在冲积层与基岩交界面上下30m范围，应根据计算或构造配置竖向和环向钢筋。钢筋混凝土井壁，应按受力状况对该段井壁的配筋进行机翼核。(5)钢筋的接头应符合混凝土结构设计规范GBJ10-89第6.1.9条第6.1.12条规定。外层井壁每一段

21、高底部的竖向钢筋连接接头，可布置在同一平面上，但应尽量采用机械连接。(6)混凝土保护层厚度(从受力钢筋的外边缘算起)，内缘钢筋取50mm，外缘钢筋取70mm。(7)井壁混凝土强度等级应不低于C25。(8)附设材料的设置应符合下列规定:a、内外层井壁设置聚乙烯塑料薄板，一般采用单层(1.5m厚)搭接，也可采用双层，接缝应错开。b、在较厚、易膨胀的粘土层与外壁之间，可根据冻土的变形量和冻土压力的大小，铺设厚度为2575mm的泡沫塑料板。(9)为提高外层井壁的早期强度和内层井壁的自防水能力，设计应考虑采用行之有效的混凝土外加剂。(10)基岩冻结段采用喷射混凝土或钢筋网喷射混凝土作为临时支护时，喷射混

22、凝土的总厚度一般不小于150mm，混凝土强度等级不小于C15。(11)双层井壁，双层混凝土塑料夹层复合井壁施工结束后冻结壁尚未全部解冻前，必须适时对层间进行注浆。(12)井筒冻结段的支护深度必须穿过基岩风化带进入完整的不透水基岩，落到较坚硬的岩石部位。冻结深度应比支护深度深58m。3.10.2砌块沥青钢板混凝土复合井壁(1)砌块沥青钢板混凝土复合井壁是由外层预制砌体井壁、内层钢板混凝土复合井壁和内外层井壁间充填一层沥青混合物组成。用于内层钢板混凝土复合井壁的钢板材料宜采用Q235-A或16Mn，钢板厚度一般不小于8mm，不大于30mm。(2)砌块沥青钢板混凝土复合井壁的钢板混凝土复合结构可分为

23、单层钢板与混凝土复合和双层钢板与混凝土复合两种。单层钢板混凝土复合结构所用的钢板宜置于结构的外缘；双层钢板混凝土复合结构的内层钢板外缘必须设置U型锚卡，钢板上的锚卡每平方米不应少于4个，一般按间距500mm上下错开布置。锚卡的程度不宜小于复合结构厚度的一半，锚卡与钢板的焊缝必须满足强度要求。(3)钢板混凝土复合结构的外层钢板内表面，应涂刷不小于0.5mm厚的沥青；裸露在井筒内的钢板表面，应按煤矿立井井筒准备防腐蚀技术规范MT/T5017-96进行防腐蚀设计。(4)钢板混凝土复合结构中充填的混凝土强度等级不应低于C40。(5)砌块沥青钢板混凝土复合井壁中沥青充填层的沥青混合物配制，应符合第4.2

24、.2条第2款规定。沥青层的厚度不得小于150mm。(6)砌块沥青钢板混凝土复合井壁的外层井壁，一般采用混凝土预制砌块砌筑，每距12m设置一个小壁座。砌块的缝和层间应铺设可压缩木屑板，壁后充填50mm还的水泥砂浆。3.10.3装配式铸件复合井壁(1)装配式铸件复合井壁是由铸件组装筒和现浇混凝土紧密结合组成。装配式铸件宜采用球墨铸铁制作。(2)单体铸件每块高度一般为1500mm，弧长应根据井筒直径、安装条件及吊运能力确定，厚度按受力计算确定。(3)装配式铸件采用螺栓连接，孔位设在周边的翼缘上。螺栓的直径和根数，应满足吊挂要求。(4)铸件组装时，各铸件间接缝应铺设质软、耐久和抗腐蚀材料制作的薄垫层。

25、(5)装配式铸件井壁须每光明正大2540m设置一道圈梁，圈梁下浇筑500mm左右的小壁座以承托上部井壁。(6)装配式铸件井壁的铸件组装筒外部应充填混凝土，充填厚度不宜小于400mm，混凝土强度等级不低于C25。3.10.4壁座(1)混凝土井壁和双层混凝土塑料夹层复合井壁一般不设壁座，可由内外壁整体浇筑一段井壁作为壁基。(2)砌块沥青钢板混凝土复合井壁和装配式铸件复合井壁应设置壁座。砌块沥青钢板混凝土复合井壁壁座上的沥青层下端应有密封措施。(3)壁座内应配置环筋、竖筋、斜拉筋和联系筋。壁座底面可设计成斜面，角度一般不大于25。 (4)壁基或壁座下应设有支撑圈，高度按计算确定，但不应小于2m。支撑

26、圈内一般宜配置构造钢筋。第四章 地层冻结设计4.1地层冻结方式511 常规冻结方式:冲积层以下基岩风化带涌水量大，围岩稳定性差，全部冻结孔穿过冲积层、风化带进入不透水完整基岩，应采用常规冻结方式。512 差异冻结(又称长短腿冻结)方式:冲积层以下基岩风化带厚度巨大且围岩稳定性较好，或靠近风化带下部赋存含水层，或井筒全深内有数层含水层，采用其他施工方法难以通过含水层时，宜采用差异冻结方式，短腿冻结管必须穿过冲积层和强风化带。长腿冻结管应穿过含水层进入不透水完整基岩。穿过马头门、硐室的冻结管必须在打钻下冻结管时和在冻结壁解冻前于掘砌过程中给以封堵处理，防止压坏马头门及将地下水导入巷道。513 分期

27、分段冻结方式:冲积层厚度大，冻结度大，且冲积层中部附近赋存厚10m以上的隔水层，可采用自上而下分段分期冻结方式。514 双排孔冻结方式:在厚冲积层且深部有厚粘土层，冻结壁厚度大于6.5m时，可采用双排孔冻结方式。双排冻结孔布置应以外排孔为主，孔数多于内排孔；地下水流速大及盐量高的地层，也可采用双排孔冻结方式。515 主辅冻结孔方式:为防止井筒掘进时片帮，可在主冻结孔与井筒荒径之间布置辅助冻结孔，其布置圈直径和深度应根据地质条件、冻结状况及井筒掘砌速度等因素确定。5.2人工冻土强度与蠕变521 人工冻土抗压强度值应由井筒检查孔地质报告中人工冻土物理力学性能试验资料提供，或采用相邻冻结井筒的冻土强

28、度资料。522人工冻土单轴瞬时抗压强度值可用下式计算：略523 人工冻土蠕变计算：略524 人工冻土单轴抗压长时强度值:在没有蠕变试验结果时，宜采用加载率控制式试验得到的瞬时单轴抗压强度值的1/21/3。有蠕变试验参数后，可采用下式计算：略525 在确定冻土强度时，应考虑到人工冻土抗压强度与冻土湿度、土的类型、含水量、土的密度以及试验方法等有密切关系，影响冻土强度的因素较多。冻结壁是在受外力作用下形成的，这与冻土室内试验条件有所不同。因此，在选用冻土强度值时，应进行综合分析，慎重选择。53冻结壁设计参数531 冻结深度：根据井筒检查孔提供的冲积层厚度，风化带厚度，完整基岩深度及隔水性能，基岩含

29、水层埋深、层厚，预计井筒掘进时涌水量以及井壁结构等资料确定，应进入不透水完整岩层不小于8m。532 确定设计控制层:冲积层较浅，以砂土层为主的井筒，应选择冲积层底部的含水层作为冻结壁厚度计算的控制层；冲积层较深，且中下部赋存多层厚粘土层，除了选择底部含水层作为控制层外，还应选择深部粘土层作为冻结壁计算的控制层。533 冻结壁荷载应采用下式计算:P 0.013HMPa H 控制层底板垂深m534 盐水温度:按表5.3.4选取。地温高于25，盐水温度应适当降低。地下水含盐过多，经试验确定盐水温度。盐水温度选取值() 表5.3.4冲积层厚(m)100100250250400井筒净直径(m)6.0 2222 2525 306.022 2424 2727 32维护冻结期盐水温度，根据冻结壁状况、井帮温度和测温孔温度资料确定。532 冻结孔允许相邻两孔间距，不应超过表5.3.5规定冻结孔允许相邻两孔间距值 表5.3.5冲积层厚(m)100100250250400允许相邻两孔间距(m)1.82.02.02.52.52.8允许向井心偏斜值(m)200300m0.6300400m0.8注:基岩段冻结孔允许相邻两孔间距不大于5.0m。536 在粘土层中，井筒掘进段高内的井帮温度，按表5.3.6选取，砂层中井帮温度不高于-2。井筒掘进段高内的井帮温度 表