地层冻结技术40年.pdf

第卷第期煤炭科学技术 年月 地层冻 结 技术年 煤炭科学研究总院北京建井研究所陈湘生 摘要论述人工地层冻结技术在我国煤矿凿井和其它部 门地下工程应用 年 来 的成就 、 技术现状和急待开发的问题 。 关键词冻结 法凿井 人工冻结冻结壁冷冻站地下 工程冻结工 程 我国年冻结技术成就 人工地层冻结技术起源于天然冻结现 象 。 年英国首先使用人工地层冻结技术 加固基坑 。 年德国普特奇首先提 出冻结法原理 , 并应用于煤矿开凿立井 , 于 年获人工地层冻结法凿井专利 。 从此 , 此 项技术广泛应用于许多国家的地下 , 包括岩 土工程建设中 。 我国于年开始应 用冻结法凿井技 术 , 在波兰专家的帮助下建造开滦林西矿风 井 , 至今已有 年 。 在年中 , 我国应用冻结 法共建造立井近个 , 累计冻结 长度 穿过最厚表土层 , 最大冻结深度 河南永夏矿区陈四楼矿副井最大 成井净直径冻结深度超过的立井 有个 。此外, 还用冻结法建设 个风道口 、 个斜井 , 并将冻结法技术成功地应用于上海 地铁号线旁通道加固工程 、 沈阳地铁和北京 地铁的局部工程 。无疑, 我国已成为冻结法应 用大国 。 我国冻结法技术在冻结孔钻进 、 测斜纠 偏 、 冻结方案 、 冻结壁和冻结井壁 、 市政冻 结工程的设计与施工等方面取得长足进步 , 有些技术达到世界先进水平 。 目前 , 我国已基 本具备深的冻结法凿井关键技术和设 备 , 能解决市政冻结工程的众多难题 。 冻结孔的钻进 、 测斜与纠偏技术 冻结孔施工 , 从使用冲击钻 、 地质勘探 用的立轴式旋转钻发展到冻结孔 一注 浆孔两 用钻机 。 一 型和型是常用 的立轴旋转式钻机 ,一一 型是冻结 注浆两用钻机 。 冻结孔测斜从初期的灯光测斜发展到今 天的 一 型陀螺测斜仪 , 其探头可在内直 径怀的钻杆内边下放边连续测量 , 并 通过微机处理后 , 显示并打印出测斜结果来 , 其精度由提高到 。 高新技术的出现 , 将钻进与测斜纠偏结 合于一个系统中 , 产生了现代的定向纠偏与 定向钻进成孔技术 , 使深冻结井大于 中的冻结孔偏斜率可控制 以内 , 基 本满足我国对冻结孔终孔间距在表土冲积层 笋德国笋 , 基岩中笋的要求 。 随着国外戴纳钻具等先进技术的引进 , 以及 我国对此技术的开发 , 定向钻进技术将有新 的飞跃 。 随着冻结技术向市政建设等岩土工程领 域发展 , 水平孔的钻进技术 , 尤其是一 的水平冻结孔的钻进技术 , 显得更为关 键 。 除把目前岩层中的水平钻进技术引入水 平冻结孔施工中来外 , 国外的水平冻结孔施 工技术也可借鉴 。 在有流沙和淤泥土层中 , 水 第卷第期煤炭科学技术 年月 平冻结孔钻进时有孔口钻进封口问题及冻结 管安装间题 , 有待于研制和开发来解决 , 否 则 , 冻结法市场难以扩大 。 冻结壁的设计 、 监测和冻结系统 年来 , 应用冻结法凿井主要是一次冻 全深方案 , 也有些立井或市政工程采用长短 腿冻结方案潘一东风井 、 局部冻结方案 上海地铁号线宁海西路旁通道泵站和集水 井 、 分段冻结方案芦岭西风井和双圈冻 结管方案 。 而水平冻结管或适合斜井的倾斜 冻结管冻结施工尚属空白 。 冻结壁厚度设计在浅井冻结中 , 采用弹 性理论的拉梅公式计算对中深度立井 , 冻 结壁采用弹塑性理论的多姆克公式计算 。 立 井冻结施工长期实践表明 , 冻结壁并非是完 全无内支撑的无限长厚壁圆筒 , 多数情况下 不是上述两个公式所假设的结构条件 。 这是 第一 。 第二 , 冻土 , 尤其是冻结粘土 , 最显著 的特点是其蠕变特性 , 即其变形随时间增加 而增加 , 强度随时间延长而降低 。 第三 , 冻结 壁内的冻结管在冻结壁某一局部产生大的蠕 变变形而破坏 , 这是导致若干深井冻结出事 故的主要原因 。 这是应用多姆克公式计算存 在的严重问题 , 或者说 , 在冻结壁设计时仅 考虑 “ 简单强度 ”, 不考虑蠕变造成的冻结管 变形破裂和冻土强度随时间延长而降低两个 问题 , 为深冻结井施工带来潜在灾害 。 我所和充州矿务局第六工程处于年 在设计济宁二号矿主井 、 副井 、 风井个立井 冻结壁时 , 首次提出以冻土蠕变理论为基础 的冻结管冻结壁变形极限准则的冻结壁 综合设计方法 。 此法的基本点是以冻土瞬时 抗压强度 。 与该层地压值之比 , 即司尸的 最小值地层作为设计标志层 , 并将该层冻土 本构关系式代入维亚洛夫有限长厚壁圆筒内 侧最大径向位移公式考虑段高 、 冻结壁蠕 变 、 工作面状态及掘砌速度 。 由此计算冻结 壁最大径向位移必须小于冻结管允许变形所 要求的冻结壁变形值 , 来设计冻结壁厚度 、平 均温度 、 掘砌速度及未支护段高 。 近年室内研究取得成绩 , 通过对人工 冻土尤其是冻结粘土物理力学性质的研 究 、 冻结壁现场实测及室内物理模拟 , 配合 计算机数值运算 , 进一步完善冻结壁的设计 方法 , 达到安全可靠 , 经济高效 。 在冻结壁形成过程及温度场的测量方面 也做了大量工作 , 获得了目前多数冻结方案 的冻结壁形成的基本规律和温度场分布规 律 。对不同冻结管径、 不同盐水流速流量 和高流速地下水情况下冻结壁形成和温度场 分布规律还缺乏研究 , 在一定程度上妨碍了 冻结系统的优化设计 。 冻结对井筒周围地层的弱化几乎还没引 起足够重视 。 由于冻结 一融化过程, 伴随着水 分迁移析出或脱水和改变土壤结构而削 弱土层的稳定性 , 如土层液化 、 增大导水率 等 , 从而使井筒在土层内水位发生变化时改 变其受力状态如负摩擦力等而造成井筒 破坏等 。 在冻结系统中 , 尤其是冻结站方面 , 主 要还是以活塞式氨压缩机为主的单 、 双级制 冷系统 。 冷却水系统逐步转向玻璃钢冷却塔 循环用水 。这种冷冻站系统非常费电, 安装时 间长 , 占地面积大 , 要求较多大临工程 , 不 经济 。 目前国产固定式和移动式螺杆式氟利 昂冷冻机组配合高效节水的玻璃钢冷却塔 , 省电 , 安装时间短 , 占地面积小 , 减小力腐 工程 , 运转维护简单 , 搬运方便 , 自动化程 度高 。 利用干冰作制冷剂来冻结地层 , 我国还 处于半工业性试验阶段 , 国外已有报道 。 利用 液氮制冷冻结地层在国外已有多年的历 史 , 我国年代初利用液氮加固地层进行初 步试验研究 , 年中国矿业大学与上海某 单位合作 , 在上海地铁利用液氮冻结局部地 第卷第期煤炭科学技术年月 层 , 拆除旧盾构机 , 获得实用数据 。 年我 所在上海地铁 号线思南路泵站和号线宁海 西路下行线侧大泵站 , 利用液氮通过冻结管 几根串联来冻结淤泥 , 用液氮直接喷在局 部地层速冻获得成功 。 井壁 、高强度筋体混凝土将是可选用 的 。 随着 高新技术的发展 , 工程材料将有新的进展 。 冻结井壁问题的讨论 我国年冻结井壁结构经历了从单层混 凝土有筋或无筋井壁 、 双层钢筋混凝土 井壁到双层钢筋混凝土井壁之间加塑料板隔 水层 , 外壁与井帮之间加泡沫塑料板 , 外壁 用预制块夹砌可缩板 、 钢板混凝土和沥青滑 动井壁的演变历 史 。 首先 , 井壁尤其是深冻结井井壁受 力状态还不十分清楚 , 如施工时冻结压力取 值 , 是否考虑冻结壁与外壁相互作用共同承 载 、 或冻结壁与外壁 、 内壁三者相互作用共 同承载问题 , 和投产后井壁是处干三维受压 还是二维受载状态 。 第二 , 深冻结井壁设计时 , 应该把地层 变化情况结合进去 , 对不同的厚地层段采用 相应的外壁形式及与内壁的协调关系 。 第三 , 井壁结构形式和材料方面还有待 于进一步开发 。 若把外壁既作冻结壁辅助补 充作用部分 , 又是内壁辅助补充作用部分 , 按 上述把冻结壁设计好 。 将内壁作为主要承受 永久地压 , 那么高标号混凝土 、 复合材料混 凝土将是内壁的好材料 。 目前 , 室内混凝土构 修标号可达 , 如何在井下条件下实现 , 仍 有较长的路要走 。 而复合材料昆凝土外加 剂 、 树脂 、 聚合物等很有可能实现 。 从结构 上说 , 大型高强度预制混凝土块 , 钢板复合 市政岩土工程的冻结技术 在北京地铁初期局部建设 、 沈阳地铁号 井施工 、 东海拉尔水泥厂上料仓基坑施工 、 上 海地铁个旁通道的 个泵站和集水井施工 中 , 成功地应用了冻结法 。 冻结法正在被其它岩土工程界认识和接 受 。 随之而来的是许多新问题需要解决 , 其中 有水平冻结问题 , 速冻间题 , 冻胀 一 融沉对周 围建筑设施影响问题 , 冻土墙设计和受力计 算等问题 , 安全经济问题等 , 急需我们去解 决 。 深信冻结法在进一步走向岩土工程的发 展过程中 , 建筑物下 、 河床下 、 铁路和公路 下的冻结施工问题 , 需我们去解决 。 移动式高 效冷冻站和多向冻结孔钻机等冻结手段有待 于开发 。 结束语 回顾我国人工地层冻结技术 年 , 它为 我国煤矿建井事业作出巨大贡献 , 在其它岩 土工程领域的应用也显示出优越性 , 显示人 工地层冻结技术的广阔的发展前景 。 作者简介 陈湘 生 , 年生 , 研究员 , 年淮南矿 业学院毕业 , 于和年在德国柏林大 、 兽尔 大学和英国剑桥大学进修 。 现任北京建井研究所所长 、 中国 煤炭学会理事 、 中国力学学会岩土力学专业委员会委员 、 上 海地铁技术委员会委员发表篇论文 。 地址 北京和平里 , 由 已码 收稿日期 一一 责任编辑赖应得 堪炭科母杖术决志打阅启事 煤炭科学技术杂志由邮局办理订阅手续 , 凡要订阅的读者 , 请到当地邮局办理 。本刊由全 国各地邮 局常年办理仃阅业务 。 国内邮发代号为一 。 年每册定价为元 , 全年元 。 漏订的单位和个人亦可向编拜部索取仃单 , 办理补订 。 编料部地址 北京和平里煤炭科学研究总院内 。 邮编联系人 孙惠兰 。