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摘要： 在立井井筒超深冻结钻孔施工过程中，冻结技术与制冷设备是两个关键因素。本文就施工过程中出现的施工工艺、冻结深度、钻孔偏斜、设备选择维护、影响因素等方面加以逐一论述。
关键词：立井；井筒超深冻结钻孔；施工工艺
Abstract: in the shaft ultra deep freezing hole construction process, freezing and refrigeration equipment are the two key factors. In this paper, the construction technology, construction process of freezing depth, borehole deviation, selection of equipment maintenance, influence factors are discussed one by one
Keywords: shaft; the shaft ultra deep freezing hole construction technology;
中图分类号：U215.14文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012
工程实践证明，冻结法是一种技术成熟可靠的施工方法，广泛应用于地下工程施工中。它具有不污染环境、不破坏地层、保护地下水资源等优势。
1 超深冻结法凿井钻孔原理
冻结法经历了天然冻结和人工冻结两个阶段。由于开凿的井筒直径大小和深度受到的限制较少，故在立井的开凿中多采用此类方法。冻结法施工的适用条件要求较低，一般只要有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，均可使用冻结法施工。冻结法凿井钻孔就是在不稳定的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。冻结法凿井钻孔施工在立井井筒的建设时具有明显的优势，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。
2超深冻结钻孔施工工艺及注意事项
2.1施工设备选取
2.1.1钻机设备
钻孔作业的施工点在隧道内，施工面较小。因此选取的钻机要求体积小、功率大、运输方便、便于分解。
2.1.2钻杆设备
一般采用无缝钢管，丝扣连接，单根长度在1—1.5米。
2.2施工方法
2.2.1开孔
先以金刚石钻机开孔取芯，取出岩心后，打入加工的孔口管并固定，然后安装密封装置。
2.2.2钻孔施工工艺
钻杆钻进后即兼做冻结管，进入设计深度后即留置孔内。
2.2.3孔口密封
在施工过程中，要密切注意土层的变化，掌握好钻机的工作力度。钻机进入一定深度成孔后必须立即用月牙板封闭，减少暴漏时间，减少危险。
2.3影响施工的因素
2.3.1钻孔偏斜
钻孔偏斜可以分为平面偏斜和剖面垂直方向偏斜两种。不同性质的地質土层对钻孔偏斜的影响最大。解决钻孔偏斜的办法要视具体情况而定，一般有钻机找平、钻进泥浆循环、加设孔口管等方法。
2.3.2地面沉降的影响
除了上述问题之外，还应注意在钻孔钻进过程中对土层原始平衡造成破坏后，表现为地面沉陷，而带给钻孔施工的影响和破坏。
3 工程实例
如某煤矿主井井筒深度805m，井筒净直径7.5m, 最大掘进直径12.4m，最大掘进工作面积121m2；井筒采用双层钢筋混凝土井壁支护, 双层井壁自上而下分5次变厚, 其总厚度为1.10～2.30m，井壁混凝土强度等级为C40～ C75；内外壁之间夹2层1.5mm厚的聚乙烯塑料板, 外壁外侧增加1层厚25～75mm的聚苯乙烯泡沫板。该矿矿区表土层厚568.45m，主要成分为砂(砾)、砂质黏土、黏土。砂砾层富含水, 最厚的砂(砾) 层为18.00～19.51m，砂砾层累计总厚度为309.5m，黏土层累计厚度为253.7m。根据井筒地质检查孔冻土试验报告, 该井筒表土层厚, 黏土层含水量小，试验土层的冻结温度较低， 其土层冰点温度平均为-1.7℃，最低达-2.8℃；冻土强度偏低，冻胀特性明显, 试验各个土层最大冻胀力平均为0.58MPa, 土层最大冻胀率平均为3.06%。
3.1 冻结技术与制冷设备
3.1.1 冻结技术设计参数
1）冻结井深度。为确定合理的冻结深度，节省冻结工程费用，保证质量，加快建井速度，同时做到安全可靠。这就要求冻结深度必须穿过分化基岩，深入到不透水的稳定基岩10m 以上。距离分化带30m 以内的含水基岩岩层，应与松散层一起冻结，并宜采用差异冻结施工。本工程依据实际情况确定冻结深度为610m。
2)冻结井壁厚度。根据冻土物理力学性能数据分析, 黏土层冻结在-5.0℃时, 抗压强度1.40～1.56MPa。设计选取积极冻结期盐水温度为-34℃～- 36℃；控制层位冻土平均温度为-16℃～- 18℃；冻土抗压强度按冻土试验参数-15℃选取, 抗压强度为3.95MPa；冻结井帮温度在井深400m以浅时为- 8 ℃以上, 井深400m以深时为-8℃～- 12℃。根据我国以往实际经验并结合国外先进技术理念综合分析, 确定本项目井筒冻结壁厚度为1.5m。
3) 冻结钻孔圈径、数量。井筒冻结采用外、中、内圈孔和防片帮孔的多圈冻结孔设计布置。外圈孔直径30.8m, 58 个冻结孔, 孔深578m, 采用局部冻结。为有效防止冻结孔偏斜的情况发生，对冻结孔偏斜率提出了以下要求：位于冲积层的钻孔不宜大于0.3%，相邻两个钻孔终孔的间距不得大于3m；位于分化带及含水基岩的钻孔，不宜大于0.5%，但相邻两个钻孔的终孔不得大于5m；对于径向偏斜，均控制在500～800mm 范围内。当相邻两个钻孔的偏斜值超过上述规定时，应补孔，以有效防止冻结壁开窗，涌砂冒泥，而造成淹井事故。
3.1.2 制冷设备
冷冻站内制冷设备均采用高低压机组、双级压缩制冷形式 ,总配置24 组螺杆式氨制冷机组。其中，高压机和低压机各24台, 型号分别为LG20IIITA 和JHLG25LIIITA。冷冻站装机标准制冷量为48 567kW, 高低压理论容积比为1:3.35。
3.2 施工技术方案
为加快施工进度，采用大型机械化设备进行施工，井筒内采取优化设计合理布局。井筒冻结表土段及基岩段的外壁施工均采用从上往下短段钻孔。冻结段内壁采用1.0m 高小块金属组装模板, 自下而上一次套壁的施工技术方案。
3.2.1 掘进施工
1) 表土段施工。井筒冻结深610m, 其中表土层厚368.45 m。表土冻结段双层井壁底部支撑圈在风化带底部基岩内。表土段冻土未进入荒径或井筒中部土层未冻结时，均用挖掘机分层分片挖掘，层厚约1m，由井中向外依次挖掘。
2）基岩段施工。为了加快井筒掘进速度, 考虑到最近冻结管距井帮2.825 m, 确定采用FJD-6A 型伞钻凿眼, 中孔全断面一次控制爆破方法施工。炮眼深度2.0～3.0m, 设计炮眼布置圈6～7圈, 采用抗冻水胶炸药、毫秒电磁雷管起爆。
3.2.2 井筒壁施工
1）外壁施工。外壁为砌壁施工,。采用3.6m段高单缝液压伸缩式整体下滑金属模板, 由18块宽1.315m的模板组装而成。为便于观察井壁混凝土的浇灌质量, 模板上留出3个观察窗。为了保证混凝土井壁质量, 采用地面搅拌站预制的抗冻高强度高性能的商品混凝土, 混凝土内添加了特制型高效减水剂。
2）内壁施工。内壁砌筑采用高1.0 m、宽0.97m 的金属小块模板。考虑大直径模板变形大, 浇灌的混凝土井壁厚(最厚达2.5 m )、压力大, 模板框架采用10.0mm厚钢板焊接, 中间增设2～3块筋板加强，接头板宽为80mm，模板外采用6mm厚的钢板，以提高模板的整体稳定和强度，减少模板砌壁变形。为加快套壁速度, 在双层吊盘下方12m处，增加第3层钢结构盘，由4根钢丝绳悬吊在双层吊盘的下层盘主梁上。套内壁期间，双层吊盘的上层盘作为绑扎钢筋和敷设夹层塑料板的工作盘。套壁前，先在井底第1模下方稳刃脚、扎双层钢筋后, 自下而上逐模安装和砌壁, 12m高一个循环, 模板周转循环使用。
结语
立井井筒超深冻结施工中，情况复杂，危险性高，施工难度大。在施工中要事先对地质和土层进行分析，要注意机械设备的保养维护和观察，控制地面沉降和钻孔偏斜对施工带来的影响，为下一步的施工做好准备。
【参考文献】
[1]孙玉超. 立井超深冻结钻孔施工技术[J]. 煤炭工程,2008,11:30-32.
[2]孙玉超. 立井井筒超深冻结钻孔施工工艺[J]. 建井技术,2011,01:27-29+9.
[3]成中海,杜长琦,梅家敏. 超深冻结钻孔施工技术[J]. 建井技术,2012,05:8-11.
关键词：立井；井筒超深冻结钻孔；施工工艺
Abstract: in the shaft ultra deep freezing hole construction process, freezing and refrigeration equipment are the two key factors. In this paper, the construction technology, construction process of freezing depth, borehole deviation, selection of equipment maintenance, influence factors are discussed one by one
Keywords: shaft; the shaft ultra deep freezing hole construction technology;
中图分类号：U215.14文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012
工程实践证明，冻结法是一种技术成熟可靠的施工方法，广泛应用于地下工程施工中。它具有不污染环境、不破坏地层、保护地下水资源等优势。
1 超深冻结法凿井钻孔原理
冻结法经历了天然冻结和人工冻结两个阶段。由于开凿的井筒直径大小和深度受到的限制较少，故在立井的开凿中多采用此类方法。冻结法施工的适用条件要求较低，一般只要有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，均可使用冻结法施工。冻结法凿井钻孔就是在不稳定的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。冻结法凿井钻孔施工在立井井筒的建设时具有明显的优势，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。
2超深冻结钻孔施工工艺及注意事项
2.1施工设备选取
2.1.1钻机设备
钻孔作业的施工点在隧道内，施工面较小。因此选取的钻机要求体积小、功率大、运输方便、便于分解。
2.1.2钻杆设备
一般采用无缝钢管，丝扣连接，单根长度在1—1.5米。
2.2施工方法
2.2.1开孔
先以金刚石钻机开孔取芯，取出岩心后，打入加工的孔口管并固定，然后安装密封装置。
2.2.2钻孔施工工艺
钻杆钻进后即兼做冻结管，进入设计深度后即留置孔内。
2.2.3孔口密封
在施工过程中，要密切注意土层的变化，掌握好钻机的工作力度。钻机进入一定深度成孔后必须立即用月牙板封闭，减少暴漏时间，减少危险。
2.3影响施工的因素
2.3.1钻孔偏斜
钻孔偏斜可以分为平面偏斜和剖面垂直方向偏斜两种。不同性质的地質土层对钻孔偏斜的影响最大。解决钻孔偏斜的办法要视具体情况而定，一般有钻机找平、钻进泥浆循环、加设孔口管等方法。
2.3.2地面沉降的影响
除了上述问题之外，还应注意在钻孔钻进过程中对土层原始平衡造成破坏后，表现为地面沉陷，而带给钻孔施工的影响和破坏。
3 工程实例
如某煤矿主井井筒深度805m，井筒净直径7.5m, 最大掘进直径12.4m，最大掘进工作面积121m2；井筒采用双层钢筋混凝土井壁支护, 双层井壁自上而下分5次变厚, 其总厚度为1.10～2.30m，井壁混凝土强度等级为C40～ C75；内外壁之间夹2层1.5mm厚的聚乙烯塑料板, 外壁外侧增加1层厚25～75mm的聚苯乙烯泡沫板。该矿矿区表土层厚568.45m，主要成分为砂(砾)、砂质黏土、黏土。砂砾层富含水, 最厚的砂(砾) 层为18.00～19.51m，砂砾层累计总厚度为309.5m，黏土层累计厚度为253.7m。根据井筒地质检查孔冻土试验报告, 该井筒表土层厚, 黏土层含水量小，试验土层的冻结温度较低， 其土层冰点温度平均为-1.7℃，最低达-2.8℃；冻土强度偏低，冻胀特性明显, 试验各个土层最大冻胀力平均为0.58MPa, 土层最大冻胀率平均为3.06%。
3.1 冻结技术与制冷设备
3.1.1 冻结技术设计参数
1）冻结井深度。为确定合理的冻结深度，节省冻结工程费用，保证质量，加快建井速度，同时做到安全可靠。这就要求冻结深度必须穿过分化基岩，深入到不透水的稳定基岩10m 以上。距离分化带30m 以内的含水基岩岩层，应与松散层一起冻结，并宜采用差异冻结施工。本工程依据实际情况确定冻结深度为610m。
2)冻结井壁厚度。根据冻土物理力学性能数据分析, 黏土层冻结在-5.0℃时, 抗压强度1.40～1.56MPa。设计选取积极冻结期盐水温度为-34℃～- 36℃；控制层位冻土平均温度为-16℃～- 18℃；冻土抗压强度按冻土试验参数-15℃选取, 抗压强度为3.95MPa；冻结井帮温度在井深400m以浅时为- 8 ℃以上, 井深400m以深时为-8℃～- 12℃。根据我国以往实际经验并结合国外先进技术理念综合分析, 确定本项目井筒冻结壁厚度为1.5m。
3) 冻结钻孔圈径、数量。井筒冻结采用外、中、内圈孔和防片帮孔的多圈冻结孔设计布置。外圈孔直径30.8m, 58 个冻结孔, 孔深578m, 采用局部冻结。为有效防止冻结孔偏斜的情况发生，对冻结孔偏斜率提出了以下要求：位于冲积层的钻孔不宜大于0.3%，相邻两个钻孔终孔的间距不得大于3m；位于分化带及含水基岩的钻孔，不宜大于0.5%，但相邻两个钻孔的终孔不得大于5m；对于径向偏斜，均控制在500～800mm 范围内。当相邻两个钻孔的偏斜值超过上述规定时，应补孔，以有效防止冻结壁开窗，涌砂冒泥，而造成淹井事故。
3.1.2 制冷设备
冷冻站内制冷设备均采用高低压机组、双级压缩制冷形式 ,总配置24 组螺杆式氨制冷机组。其中，高压机和低压机各24台, 型号分别为LG20IIITA 和JHLG25LIIITA。冷冻站装机标准制冷量为48 567kW, 高低压理论容积比为1:3.35。
3.2 施工技术方案
为加快施工进度，采用大型机械化设备进行施工，井筒内采取优化设计合理布局。井筒冻结表土段及基岩段的外壁施工均采用从上往下短段钻孔。冻结段内壁采用1.0m 高小块金属组装模板, 自下而上一次套壁的施工技术方案。
3.2.1 掘进施工
1) 表土段施工。井筒冻结深610m, 其中表土层厚368.45 m。表土冻结段双层井壁底部支撑圈在风化带底部基岩内。表土段冻土未进入荒径或井筒中部土层未冻结时，均用挖掘机分层分片挖掘，层厚约1m，由井中向外依次挖掘。
2）基岩段施工。为了加快井筒掘进速度, 考虑到最近冻结管距井帮2.825 m, 确定采用FJD-6A 型伞钻凿眼, 中孔全断面一次控制爆破方法施工。炮眼深度2.0～3.0m, 设计炮眼布置圈6～7圈, 采用抗冻水胶炸药、毫秒电磁雷管起爆。
3.2.2 井筒壁施工
1）外壁施工。外壁为砌壁施工,。采用3.6m段高单缝液压伸缩式整体下滑金属模板, 由18块宽1.315m的模板组装而成。为便于观察井壁混凝土的浇灌质量, 模板上留出3个观察窗。为了保证混凝土井壁质量, 采用地面搅拌站预制的抗冻高强度高性能的商品混凝土, 混凝土内添加了特制型高效减水剂。
2）内壁施工。内壁砌筑采用高1.0 m、宽0.97m 的金属小块模板。考虑大直径模板变形大, 浇灌的混凝土井壁厚(最厚达2.5 m )、压力大, 模板框架采用10.0mm厚钢板焊接, 中间增设2～3块筋板加强，接头板宽为80mm，模板外采用6mm厚的钢板，以提高模板的整体稳定和强度，减少模板砌壁变形。为加快套壁速度, 在双层吊盘下方12m处，增加第3层钢结构盘，由4根钢丝绳悬吊在双层吊盘的下层盘主梁上。套内壁期间，双层吊盘的上层盘作为绑扎钢筋和敷设夹层塑料板的工作盘。套壁前，先在井底第1模下方稳刃脚、扎双层钢筋后, 自下而上逐模安装和砌壁, 12m高一个循环, 模板周转循环使用。
结语
立井井筒超深冻结施工中，情况复杂，危险性高，施工难度大。在施工中要事先对地质和土层进行分析，要注意机械设备的保养维护和观察，控制地面沉降和钻孔偏斜对施工带来的影响，为下一步的施工做好准备。
【参考文献】
[1]孙玉超. 立井超深冻结钻孔施工技术[J]. 煤炭工程,2008,11:30-32.
[2]孙玉超. 立井井筒超深冻结钻孔施工工艺[J]. 建井技术,2011,01:27-29+9.
[3]成中海,杜长琦,梅家敏. 超深冻结钻孔施工技术[J]. 建井技术,2012,05:8-11.