一、項目背景
目前斜井凍結一般均采用分段分期垂直孔局部凍結方式，每段一次性全部投入積極凍結，這種斜井凍結方式會導致每段段首凍結滿足設計要求，但在掘進至段中或段尾時，因凍結時間過長，凍結溫度過低，凍結太實，井幫及開挖斷面溫度過低，給斜井井筒掘進施工帶來困難。
本項目研究提供了一種全新斜井垂直孔凍結投入方式，使得掘進單位施工至迎頭時凍結恰到好處，實現(xiàn)不挖凍土或少挖凍土目標，改變以前分區(qū)分段凍結，各段投入凍結的時間沒有成熟的理論依據(jù)及計算方法的現(xiàn)狀，為斜井凍結設計和施工提供了新的經驗。
二、研究內容
1.步進式斜井凍結工藝概述
所謂步進式斜井凍結就是在每個凍結段中，前面的凍結孔根據(jù)掘進速度和凍結時間的要求，循序漸進地逐排滾動投入凍結，而不拘泥于凍結造孔施工時所分的段長，一次性全部投入凍結。這樣，既能保證該處凍結效果，又能有效控制井幫溫度，從而也就能實現(xiàn)凍結孔逐排滾動投入凍結，保證每排凍結孔在掘進到其所在位置時，凍結效果最佳。在凍結孔投入凍結過程中，可根據(jù)斜井井筒掘進速度及實測的井幫溫度及時調整投入時間，使步進式斜井凍結工法更加科學合理，實現(xiàn)凍結與掘進的密切配合，為快速掘砌施工創(chuàng)造有利條件。
2.步進式斜井凍結工藝
采用步進式斜井凍結施工法的基本做法如下：
假設斜井按圖1所示方式進行垂直孔分段凍結。在凍結范圍內布置5列凍結孔分別標示為A、B、C、D、E，每列沿井筒開挖方向成排布置凍結孔，第一凍結段第1個凍結孔定義為第一凍結段第1排，第2個凍結孔定義為第一凍結段第2排，以此類推。第二凍結段第一個凍結孔定義為第二凍結段第1排，第二個凍結孔定義為第二凍結段第2排，以此類推。其他凍結段采取相同定義方式。
圖1 斜井凍結孔設計圖
第一凍結段造孔施工后開始采用一次性全部投入法對第一凍結段進行凍結，同時要求對第二凍結段順序造孔施工，直到全部凍結孔施工完畢。
第一凍結段開始凍結后，相鄰的第二凍結段第1排凍結孔投入的時間，可根據(jù)預計的掘進速度、第一凍結段凍結時間、第一凍結段凍結斜長及凍土試驗提供的凍土發(fā)展速度、第二凍結段凍結時間等來加以確定，保證第二凍結段第1排凍結孔的凍結時間比掘進到此處所需要的時間稍長，這樣既保證第二凍結段第1排處的凍結效果，又保證掘進施工安全。第二凍結段第2排其余各排凍結孔投入凍結時間的確定方法和第二凍結段第1排凍結孔相同。
圖2 凍結造孔施工現(xiàn)場
第一凍結段開始掘進后，要根據(jù)揭露的井幫溫度及凍結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，及時調整未投入凍結的凍結孔處的凍結時間，再根據(jù)實際掘進速度、經驗算的凍土發(fā)展速度及調整后的凍結期，確定未投入積極凍結的凍結孔投入凍結的時間，始終保證每排凍結孔的凍結的時間比掘進到此處的時間稍長。這樣既能保證該處凍結效果，又能有效控制井幫溫度，從而實現(xiàn)凍結孔逐排滾動投入，保證每排凍結孔在掘進到其所在位置時凍結效果最佳。
在凍結孔投入凍結過程中，可根據(jù)實際掘進施工情況、掘進速度及實測井幫溫度，及時調整投入時間，使步進式凍結工法更加科學合理，實現(xiàn)凍結與掘進的密切配合，為快速掘砌施工創(chuàng)造有利條件。步進式凍結投入法可用如下方法進行簡單控制：假設掘進單位月掘進速度為L米/月，根據(jù)第一凍結段內測溫孔數(shù)據(jù)推測出斜井凍結控制層的凍土發(fā)展速度，設為d米/天，根據(jù)凍結孔測斜數(shù)據(jù)計算出各凍結段內相鄰兩排凍結孔最大終間距，設為l米，則該相鄰兩排凍結交圈時間即為l/2d天，掘進進尺為M米時應開始投入M+Ll/50d處的凍結孔，為了保證凍結安全，對M+Ll/50d進行向上取整的位置進行投入凍結，根據(jù)上述步驟就可實現(xiàn)步進式斜井凍結。
圖3 步進式斜井凍結管路連接
三、施工實例
某礦步進式斜井凍結法施工與一次性投入凍結施工在開挖區(qū)域實測溫度曲線如圖所示。
1.左側墻 2.右側墻 3.開挖區(qū)
圖4 一次性投入凍結開挖區(qū)域實測溫度曲線
1.開挖區(qū) 2.左側墻 3.右側墻
圖5 步進式凍結時的開挖區(qū)域實測溫度曲線
1.步進式凍結 2.一次性投入積極凍結
圖6 開挖區(qū)域實測溫度對比曲線
從測得的開挖區(qū)域溫度可以看出：
無論是一次性投入法，還是步進式凍結工法，在開始階段，中間保溫效果都很好。隨著凍結時間的延長，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；步進式斜井凍結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
步進式斜井凍結工藝既能保證凍結效果，又能有效控制井幫溫度，保證每排凍結孔在掘進到其所在位置時，凍結效果最佳，滿足凍結設計要求，實現(xiàn)了斜井凍結投入的靈活性和動態(tài)性。
在一次性全部投入凍結過程中，掘進施工單位掘進速度一般在20米/月，采用步進式斜井凍結后，因凍土進入掘進斷面小，實現(xiàn)了少挖凍土，掘進速度達到40米/月，提高了掘進速度 ，降低了掘進成本。
該工藝可以根據(jù)斜井井筒掘進施工速度動態(tài)投入，實現(xiàn)了斜井凍結的動態(tài)調整與控制，降低了凍結站內鹽水溫度波動范圍，有利于凍結站的維護運轉，減少凍結站的裝機容量，使凍結與掘進進度相配合，少挖凍土，降低了斜井凍結施工成本，取得了良好的經濟效益與社會效益。
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