一、項目背景
目前斜井凍結(jié)一般均采用分段分期垂直孔局部凍結(jié)方式，每段一次性全部投入積極凍結(jié)，這種斜井凍結(jié)方式會導(dǎo)致每段段首凍結(jié)滿足設(shè)計要求，但在掘進(jìn)至段中或段尾時，因凍結(jié)時間過長，凍結(jié)溫度過低，凍結(jié)太實，井幫及開挖斷面溫度過低，給斜井井筒掘進(jìn)施工帶來困難。
本項目研究提供了一種全新斜井垂直孔凍結(jié)投入方式，使得掘進(jìn)單位施工至迎頭時凍結(jié)恰到好處，實現(xiàn)不挖凍土或少挖凍土目標(biāo)，改變以前分區(qū)分段凍結(jié)，各段投入凍結(jié)的時間沒有成熟的理論依據(jù)及計算方法的現(xiàn)狀，為斜井凍結(jié)設(shè)計和施工提供了新的經(jīng)驗。
二、研究內(nèi)容
1.步進(jìn)式斜井凍結(jié)工藝概述
所謂步進(jìn)式斜井凍結(jié)就是在每個凍結(jié)段中，前面的凍結(jié)孔根據(jù)掘進(jìn)速度和凍結(jié)時間的要求，循序漸進(jìn)地逐排滾動投入凍結(jié)，而不拘泥于凍結(jié)造孔施工時所分的段長，一次性全部投入凍結(jié)。這樣，既能保證該處凍結(jié)效果，又能有效控制井幫溫度，從而也就能實現(xiàn)凍結(jié)孔逐排滾動投入凍結(jié)，保證每排凍結(jié)孔在掘進(jìn)到其所在位置時，凍結(jié)效果最佳。在凍結(jié)孔投入凍結(jié)過程中，可根據(jù)斜井井筒掘進(jìn)速度及實測的井幫溫度及時調(diào)整投入時間，使步進(jìn)式斜井凍結(jié)工法更加科學(xué)合理，實現(xiàn)凍結(jié)與掘進(jìn)的密切配合，為快速掘砌施工創(chuàng)造有利條件。
2.步進(jìn)式斜井凍結(jié)工藝
采用步進(jìn)式斜井凍結(jié)施工法的基本做法如下：
假設(shè)斜井按圖1所示方式進(jìn)行垂直孔分段凍結(jié)。在凍結(jié)范圍內(nèi)布置5列凍結(jié)孔分別標(biāo)示為A、B、C、D、E，每列沿井筒開挖方向成排布置凍結(jié)孔，第一凍結(jié)段第1個凍結(jié)孔定義為第一凍結(jié)段第1排，第2個凍結(jié)孔定義為第一凍結(jié)段第2排，以此類推。第二凍結(jié)段第一個凍結(jié)孔定義為第二凍結(jié)段第1排，第二個凍結(jié)孔定義為第二凍結(jié)段第2排，以此類推。其他凍結(jié)段采取相同定義方式。
圖1 斜井凍結(jié)孔設(shè)計圖
第一凍結(jié)段造孔施工后開始采用一次性全部投入法對第一凍結(jié)段進(jìn)行凍結(jié)，同時要求對第二凍結(jié)段順序造孔施工，直到全部凍結(jié)孔施工完畢。
第一凍結(jié)段開始凍結(jié)后，相鄰的第二凍結(jié)段第1排凍結(jié)孔投入的時間，可根據(jù)預(yù)計的掘進(jìn)速度、第一凍結(jié)段凍結(jié)時間、第一凍結(jié)段凍結(jié)斜長及凍土試驗提供的凍土發(fā)展速度、第二凍結(jié)段凍結(jié)時間等來加以確定，保證第二凍結(jié)段第1排凍結(jié)孔的凍結(jié)時間比掘進(jìn)到此處所需要的時間稍長，這樣既保證第二凍結(jié)段第1排處的凍結(jié)效果，又保證掘進(jìn)施工安全。第二凍結(jié)段第2排其余各排凍結(jié)孔投入凍結(jié)時間的確定方法和第二凍結(jié)段第1排凍結(jié)孔相同。
圖2 凍結(jié)造孔施工現(xiàn)場
第一凍結(jié)段開始掘進(jìn)后，要根據(jù)揭露的井幫溫度及凍結(jié)壁厚度來驗算凍土發(fā)展速度；并根據(jù)驗算后的凍土發(fā)展速度，及時調(diào)整未投入凍結(jié)的凍結(jié)孔處的凍結(jié)時間，再根據(jù)實際掘進(jìn)速度、經(jīng)驗算的凍土發(fā)展速度及調(diào)整后的凍結(jié)期，確定未投入積極凍結(jié)的凍結(jié)孔投入凍結(jié)的時間，始終保證每排凍結(jié)孔的凍結(jié)的時間比掘進(jìn)到此處的時間稍長。這樣既能保證該處凍結(jié)效果，又能有效控制井幫溫度，從而實現(xiàn)凍結(jié)孔逐排滾動投入，保證每排凍結(jié)孔在掘進(jìn)到其所在位置時凍結(jié)效果最佳。
在凍結(jié)孔投入凍結(jié)過程中，可根據(jù)實際掘進(jìn)施工情況、掘進(jìn)速度及實測井幫溫度，及時調(diào)整投入時間，使步進(jìn)式凍結(jié)工法更加科學(xué)合理，實現(xiàn)凍結(jié)與掘進(jìn)的密切配合，為快速掘砌施工創(chuàng)造有利條件。步進(jìn)式凍結(jié)投入法可用如下方法進(jìn)行簡單控制：假設(shè)掘進(jìn)單位月掘進(jìn)速度為L米/月，根據(jù)第一凍結(jié)段內(nèi)測溫孔數(shù)據(jù)推測出斜井凍結(jié)控制層的凍土發(fā)展速度，設(shè)為d米/天，根據(jù)凍結(jié)孔測斜數(shù)據(jù)計算出各凍結(jié)段內(nèi)相鄰兩排凍結(jié)孔最大終間距，設(shè)為l米，則該相鄰兩排凍結(jié)交圈時間即為l/2d天，掘進(jìn)進(jìn)尺為M米時應(yīng)開始投入M+Ll/50d處的凍結(jié)孔，為了保證凍結(jié)安全，對M+Ll/50d進(jìn)行向上取整的位置進(jìn)行投入凍結(jié)，根據(jù)上述步驟就可實現(xiàn)步進(jìn)式斜井凍結(jié)。
圖3 步進(jìn)式斜井凍結(jié)管路連接
三、施工實例
某礦步進(jìn)式斜井凍結(jié)法施工與一次性投入凍結(jié)施工在開挖區(qū)域?qū)崪y溫度曲線如圖所示。
1.左側(cè)墻 2.右側(cè)墻 3.開挖區(qū)
圖4 一次性投入凍結(jié)開挖區(qū)域?qū)崪y溫度曲線
1.開挖區(qū) 2.左側(cè)墻 3.右側(cè)墻
圖5 步進(jìn)式凍結(jié)時的開挖區(qū)域?qū)崪y溫度曲線
1.步進(jìn)式凍結(jié) 2.一次性投入積極凍結(jié)
圖6 開挖區(qū)域?qū)崪y溫度對比曲線
從測得的開挖區(qū)域溫度可以看出：
無論是一次性投入法，還是步進(jìn)式凍結(jié)工法，在開始階段，中間保溫效果都很好。隨著凍結(jié)時間的延長，一次性投入法保溫效果明顯降低，不能實現(xiàn)少挖或不挖凍土的目的；步進(jìn)式斜井凍結(jié)法自始至終保溫效果明顯，實現(xiàn)了少挖或不挖凍土的目的。
四、項目效果
步進(jìn)式斜井凍結(jié)工藝既能保證凍結(jié)效果，又能有效控制井幫溫度，保證每排凍結(jié)孔在掘進(jìn)到其所在位置時，凍結(jié)效果最佳，滿足凍結(jié)設(shè)計要求，實現(xiàn)了斜井凍結(jié)投入的靈活性和動態(tài)性。
在一次性全部投入凍結(jié)過程中，掘進(jìn)施工單位掘進(jìn)速度一般在20米/月，采用步進(jìn)式斜井凍結(jié)后，因凍土進(jìn)入掘進(jìn)斷面小，實現(xiàn)了少挖凍土，掘進(jìn)速度達(dá)到40米/月，提高了掘進(jìn)速度 ，降低了掘進(jìn)成本。
該工藝可以根據(jù)斜井井筒掘進(jìn)施工速度動態(tài)投入，實現(xiàn)了斜井凍結(jié)的動態(tài)調(diào)整與控制，降低了凍結(jié)站內(nèi)鹽水溫度波動范圍，有利于凍結(jié)站的維護(hù)運(yùn)轉(zhuǎn)，減少凍結(jié)站的裝機(jī)容量，使凍結(jié)與掘進(jìn)進(jìn)度相配合，少挖凍土，降低了斜井凍結(jié)施工成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。
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