6.1.2 立井井筒冻结法施工
1.基本原理
冻结法凿井，是在井筒掘进之前采用人工制冷技术，将井筒周围的不稳定地层和含水层冻结成一个封闭的冻土帷幕—冻结壁。用以抵抗周围水土压力，隔绝冻结壁内、外地下水的联系，然后在冻结壁的保护下进行井筒围棋施工的一种特殊施工方法。为了形成冻结壁，首先在井筒周围施工一定数量的冻结孔，孔内安装冻结管，管内循环盐水等冷媒介质，吸收地层热量，使之降温。随着冻结工作的持续，各冻结孔周围形成冻土体并不断扩展、相互连接、闭合形成不透水且具有一定强度的冻结壁。因冻结壁在外荷载作用下会呈现弹性区和塑性区，如塑性区或塑性变形超过允许值，冻结壁和冻结管可能遭受破坏。因此冻结壁设计既要满足强度条件要求又要满足变形条件要求。
2.施工工艺
立井井筒冻结施工法的主要工艺过程有冻结孔钻进、地层冻结、井筒掘进与支护，冻结管（孔）处理等。立井井筒冻结参数有冻结深度、盐水温度、井帮温度、主冻结孔相邻孔间距、冻结壁厚度和平均温度等。
1）冻结孔钻进
为了形成封闭的冻结壁，先要在井筒周围钻一定数量的冻结孔，以便在孔内安设带底锥的冻结管和底部开口的供液管。冻结孔一般等距离的布置在井筒同心的圆周上，冻结孔钻场布置要与井筒冻结、掘砌综合考虑，不要妨碍冻结和掘砌施工用地，施工时应对钻孔周围的松散砂土用粘土或三七灰土置换，并分层压实，钻场宜选用混凝土盘冻结孔间距一般为1.2到1.5米，孔径为200到250毫米孔深不应小于冻结深度，并符合施工规范要求。冻结孔钻进宜采取钻测纠相结合的钻进工艺，一般每隔30米测斜一次，钻进小于100米，可采用灯管测斜，钻进大于100米，宜采用陀螺仪测斜。偏斜超过设计值时进行纠偏，钻进小于200米时可采用扫孔、扩孔、铲孔纠偏法纠偏，大于200米，宜采用井下动力钻具纠偏，成孔后进行成孔测斜。冻结孔的圈数一般根据要求的冻结壁厚度来确定，表土较浅时一般采用单圈冻结，对于深厚表土可采用双圈或三圈冻结。
2）地层冻结
立井井筒地层冻结有一次全深冻结、差异冻结、局部冻结、分期冻结和双圈或多圈孔冻结等方案，具体应根据井筒检查孔提供的冲击层深度、土性、含水层、隔水层、冻结实验报告和基岩含水层、岩性等资料，以及井筒安全施工需要，选择合理的地层冻结方案。
（1）一次全深冻结
一次全深冻结方案适应性强，应用比较广泛，一般冲积层以下基岩风化带涌水量大，围岩稳定性差，宜采用一次全身冻结方案。实际应用中除采用同径冻结管，还有采用异径管、双供液管等。异径管冻结，是通过加大上部或局部冻结管直径，增大冻结管与地层热交换面积，来加快上部或局部冻土扩展速度，以达到上部或局部冻结壁早日交圈或防止浅部片帮的目的
（2）差异冻结
差异冻结也称为长短管冻结，是根据地层热学性能差异，采用差异性的冻结方案来协调不同地层的冻结效率，控制冻结壁发展，从而提高冻结工程的安全性和经济性。冲积层以下的基岩风化带厚度较大，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，宜采用长短管冻结方案。短冻结管应穿过冲积层和强风化带，长冻结管应穿过含水层，进入不透水稳定基岩，穿过马头门、硐室的冻结管应在打钻下冻结管时和在冻结壁解冻前与掘砌过程中给予封堵处理。
差异冻结具体包括单圈孔差异冻结，多圈孔差异冻结。单圈孔差异冻结的冻结管采用长短管间隔布置，下部长管的孔间距增大一倍，为使上下冻结壁的交圈时间和厚度相适应，可适当加大长管的供液管直径，并采用正循环，短管则采用反循环。多圈孔差异冻结其主动冻结孔差异冻结与单圈孔差异冻结类似，防片帮孔的差异冻结和不同圈径的组合需根据土层性质和井壁结构进行调整
（3）局部冻结
冲积层厚度较浅且井筒中上部赋存较稳定的、用其他施工方法可通过的底层或发生淹井需要恢复施工的井筒，宜采用局部冻结方案。新建井筒某段施工困难时采用局部冻结，非冻结段地层必须为稳定土层，否则非冻阶段容易发生冻结管断裂事故。局部冻结的应用效果还取决于冻结器的结构及控制，常用的冻结器结构有充填气压式、充填盐水式、隔板式和套管式四种
（4）分期冻结
分期冻结也称分段冻结。当冻结深度较大时，为避免使用过多的制冷设备将一个井筒所需要的冻结深度分为两段或两段以上进行顺序冻结。当冻结一定时间并转入井筒掘砌后，再开始下段冻结，达到减少冻结总需冷量的目的。在深厚冲积层中，为防止冻结管断裂，应谨慎选择分期冻结方案。当中部有较好的粘土隔水层，可作为分期冻结的止水底垫时方能使用，且上、下段冻结分界线应深入隔水层不少于十米，下段井筒掘砌段高不宜过大，以防止冻结壁变形过大引起冻结管断裂
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