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复杂地质构造竖井井筒冻结法施工

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复杂地质构造竖井井筒冻结法施工

近年来，人们越来越重视对地下空间的开发和利用，但由于地下空间各种复杂的工程地质和水文地质条件，如软土、含水不稳定层、流砂、高水压及高地压地层等，在这种复杂环境下施工，常规施工方法不能维持周围土体稳定，而要采用一些特殊的施工方法，冻结法就是其中之一。另外，我国经济发达地区且地质条件好的煤田，绝大部分已得到充分开发，其中不少煤田已经枯竭，需要开发深厚表土所覆盖下的煤田。但这些矿井大多都要穿过400~800m的深厚表土层，在这种复杂的地质条件下，用常规的建井技术已经不可能，必须考虑采用特殊的凿井技术，即竖井井筒冻结法凿井技术。由于冻结法（特别是竖井井筒冻结法）在复杂地质施工中的普遍应用，它的施工技术要点及难点也成为研究的主要课题。

一、冻结法的施工工艺

冻结法施工技术在国际上已有一百多年的应用历史，在城市土木工程的应用始于1886年瑞典斯德哥尔摩24m的人行隧道的建设。在西欧、前苏联、日本等科技发达国家，该技术已是城市建设中一项成熟的施工技术和施工方法。如比利时的布鲁塞尔某深基坑外围尺寸为37×81m，采用冻结法施工效果较好，又如东京地下快速公路十号及十一号隧道，瑞士阿尔堡勃恩隧道，杜塞尔多夫隧道均采用先冻结后开挖的施工方法，原西德的海尔纳东部泵站建筑基坑，苏联莫斯科地铁车站的开挖，也均采用冻结法施工技术施工。

我国采用冻结法技术施工煤矿井筒自1955年开始，至今有40多年的历史，共用冻结法施工煤矿井筒430余个。其中冻结最大深度435m，冻结表土层最大厚度375m，冻结法技术已是我国煤矿井筒施工中成熟、可靠的特殊施工方法之一。进入70年代，冻结法技术开始在城市建设基坑开挖及路桥施工中推广应用。如北京地铁车站的护坡工程、沈阳地铁试验井开挖、内蒙海拉尔水泥厂地下皮带走廊施工、南通钢厂沉淀池施工，凤台大桥主桥墩开挖上海过江隧道出口、地铁车站、泵站施工等均是采用冻结法技术施工，效果很好。

冻结法的施工工艺:第一阶段是冻结管的排列，根据工程特征要求，可布置各种形状；第二阶段，开始土壤冻结，冻土首先从每个冻结管周围向外扩展，当各分离的圆柱冻结体联成一体时，该冻结阶段就告完成；第三阶段是继续降低冻结体的平均湿度和扩大冻土墙厚度使之达到设计要求；第四阶段是维持低温，保证开挖和做永久结构施工期间，冻土墙强度保持不变。完成使命后即开始强行解冻，拔除冻结管。

冻结法的基本原理

冻结法起源于天然冻结，随着人工制冷技术的发展和应用，出现了人工冻结。冻结法在矿井建设中多用于立井的开凿，井筒直径大小和深度基本不受限制。通常，当存在不稳定地层或含水极丰富的裂隙岩层，地下水含盐量不大，且地下水流速较小时(流速V＜17～10m/s)，均可使用冻结法。冻结法凿井就是在不稳定含水地层中进行施工时，利用人工设置的冻结管，在冻结管内循环冷媒剂，将井筒周围岩层的热量带走，冻结形成封闭的圆筒——冻结壁，抵抗地压、承受水压力和隔断地下水，在冻结壁的保护下进行开挖地层和砌筑井壁的一种特殊施工方法。冻结法凿井在煤矿特法建井中具有明显的优势，既能用于不稳定的含水层,又可用于基岩含水层，既可应用于立井，又可应用于斜井及风道口工程，适应性强，安全可靠。

冻结法的应用及特点

冻结法是利用人工制冷技术，将低温冷媒送入具有一定含水量和地下水流速的软弱地层中，使地层中的水与周围土颗粒发生冻结，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程地联系，从而形成强度高、弹性大和抗渗性好的冻结壁，以便在冻结壁的保护下，进行井筒或地下工程掘砌施工的特殊结构施工技术。竖井井筒冻结技术是目前复杂地质构造中常用的施工技术。主要应用在：煤矿井筒施工的冻结封水及临时支护；市政工程地下结构施工封水及临时支护；地铁车站及街区明挖施工的冻结临时支护和封水；地下水泵站施工的冻结临时支护和封水；

水平隧道的冻结支护和封水；其他各类地下建筑基坑的冻结加固；交通建筑中水下基坑及桥梁基础施工的冻结支护等。经过多年来国内外施工的实践经验证明冻结法施工有以下特点：1。可有效隔绝地下水，其抗渗透性能是其它任何方法不能相比的，对于含水量大于10%的任何含水、松散，不稳定地层均可采用冻结法施工技术；2.冻土帷幕的形状和强度可视施工现场条件，地质条件灵活布置和调整，冻土强度可达5-10Mpa，能有效提高工效；3，冻结法是一种环保型工法，对周围环境无污染，无异物进入土壤，噪音小，冻结结束后，冻土墙融化，不影响建筑物周围地下结构；4，冻结施工用于桩基施工或其它工艺平行作业，能有效缩短施工工期。

四、冻结法施工技术

（一）.复杂地质构造竖井井筒冻结法施工

竖井井筒冻结法施工主要工艺过程包括冻结孔施工、井筒冻结和井筒掘