1引言

冻结技术作为一种重要的地基处理方法，广泛应用于各种复杂地质条件下的井筒施工。某矿副井由于穿越了厚度达60.15米的强膨胀性特厚黏土层，施工难度极大。为确保施工顺利进行，本文介绍了冻结技术方案及制冷设备的设计与应用，并通过现场施工实例，详细描述了冻结技术的实施过程及其面临的主要技术难题。通过对施工过程中问题的分析和处理措施的总结，为类似工程的设计和施工提供技术参考。

2 冻结技术方案及制冷设备

2.1 冻结深度和冻结孔布置方式

在张双楼矿副井的施工过程中，冻结深度和冻结孔的布置是确保施工顺利进行的关键因素。根据地质分析，表土层下方存在一层厚度为60.15米的强膨胀性特厚黏土层，该层的膨胀性能高，冻结温度较低，且具有较大的蠕变特性。因此，为了提高冻结壁的强度，减少井帮位移，设计了主排冻结孔和内排孔相结合的冻结方式。

主排冻结孔深度设计为285-300米，内排孔深度为230米。冻结孔的布置采用差异冻结法，即将井筒延伸冻结至不透水的稳定岩层以上10米，以保证冻结壁的完整性和强度。在冻结孔的设计中，充分考虑了表土段下方的地质特点和水文特性，通过优化冻结孔的布置方式，确保冻结效果达到预期，避免施工过程中出现井帮位移、冻结管断裂等问题。

2.2 冻结壁设计

在冻结壁厚度的设计中，采用了多姆克公式和维亚洛夫扎列茨基公式两种方法进行计算。多姆克公式主要针对砂性土层，计算结果表明冻结壁厚度应为4.8米；维亚洛夫扎列茨基公式则针对黏土层，得出的冻结壁厚度为4.1米。最终，综合两种计算方法的结果，确定冻结壁厚度为4.8米，以确保井筒在掘进过程中能够承受外部压力，避免井帮位移和壁体破坏。

2.3 冻结技术参数

冻结技术参数是确保施工质量的重要指标。对于张双楼矿副井中的特厚黏土层，冻结盐水的温度设定为-32℃至-34℃，采用氯化钙作为制冷剂。低温盐水能够快速降低土层温度，提高冻结效率，确保冻结壁的形成和稳定。

冻结孔的布置设计考虑了孔径和数量，主排孔和内排孔分别设计为16米和12.5米的圈径，冻结管采用直径140毫米、壁厚7毫米的无缝钢管。通过精确的参数设计，确保了冻结孔的有效性和稳定性，防止在施工过程中出现冻结管断裂或盐水泄漏等问题。

2.4 制冷系统设计及制冷设备

制冷系统是冻结施工的核心环节。根据井筒冻结的经验，计算出冻结所需的冷量为9.54 GJ/h，主排孔和内排孔分别需要7.74 GJ/h和1.8 GJ/h。制冷系统采用氨作为制冷剂，蒸发温度为-37℃至-39℃，冷凝温度为35℃，通过双级压缩的螺杆式氨制冷机组实现高效制冷。

制冷设备包括11台螺杆式氨制冷机组，以及相关的蒸发式冷凝器、螺旋管蒸发器和中冷器等附属设备。为了确保制冷效果，系统设计了盐水正反循环供液系统，根据现场需求及时调整盐水流量，确保冻结壁的温度和强度满足施工要求。通过合理的制冷系统设计和设备配置，保证了冻结施工的高效和安全。

3 现场冻结技术工艺及井筒冻结施工情况

在井筒冻结初期，采用盐水“反循环”冻结工艺，以加快上部冻土的发展速度，有效防止掘进时出现片帮现象。为了实现这一目标，冷冻机采用了三至四台型号为HLG20DIA250的单机制冷设备。在冻结16天后，盐水去路温度降低至10°C，此时，为了进一步加快井筒内的热交换，改用双级压缩制冷技术，以满足冻结壁形成期内盐水降温的需要。

当井筒冻结至60天时，盐水温度降至设计温度-32°C。在井筒冻结至56天后，报层位为101至120米（厚19米）的砂层的水文孔外管冒水；井筒冻结至74天后，报层位为225至237米（厚12米）的中砂层的水文孔内管冒水。冻结84天后，井筒开始试挖。试挖30米后，在井内安装高3.6米的金属下移式下滑模，挂三盘（吊盘、保护盘、封口盘），并安装中心回转抓岩机，完成抓土和砌壁准备工作，为以下表土的正常掘砌创造了条件。

为了加快对井筒垂深164.80至224.95米（厚60.15米）的强膨胀性黏土层的冻结，通过分析井筒的施工进度和井筒揭露不同深度和层位的砂、黏土层井帮的变化温度，以及测温管内不同深度测点的温度下降梯度、冻结壁的冻土发展速度，确定在井筒深度90米位置，对盐水循环进行调整，由“反循环”改为“正循环”冻结工艺，保证强膨胀性黏土层的井帮温度在井筒掘砌到位时满足10°C的要求。

4 现场冻结施工存在问题及处理措施

4.1 冻结管漏压问题及处理措施

冻结孔钻进及冻结管安装结束后，对42个主排孔和13个内排孔冻结管进行孔内压水实验，发现有3个主排孔（主5号孔、主26号孔和主32号孔）和1个内排孔（内9号孔）漏压。在试压过程中，这些孔的压力下降值均超过设计规定的0.05MPa，属于打压试漏不合格的冻结管。如果漏压问题不能解决，低温盐水会外漏到表土层内，导致冻结管漏点范围内的表土层难以冻结，形成“天窗”。

经过分析，漏压问题可能是在焊接主冻结管的内、外管箍接头时焊缝出现砂眼，或新购置的冻结管本身存在砂眼问题。为了解决这一问题，对主26号孔、主32号孔和内9号孔三个冻结管采用硅胶堵漏法，通过水玻璃溶液与氯化钙溶液的化学反应产生硅胶，以封堵孔隙。对于漏压较严重的主5号孔，则采用循环堵漏法注入密度为1.2t/m³的水泥浆进行堵漏。经过6至7天的处理后，再次试压，这些漏压管的压力均符合设计规定。

4.2 强膨胀性厚黏土层存在的问题及处理措施

当井筒掘砲到垂深164.8米的强膨胀性厚黏土层顶部时，冻结时间为210天，井帮温度实测为9.1至9.8°C。厚黏土层冻土抗压强度低，膨胀蠕变特性显著，冻结黏土经开挖后，井帮位移量大，对外层井壁产生膨胀压力，导致井壁受剪切呈45°开裂破坏。

为了解决这一问题，在随后掘砌中采取了以下技术措施：第一，提高井壁混凝土强度，由设计的C45提高到C55，以增加混凝土的3d强度；第二，控制掘进段高，将原3.6米下滑模缩短到2.2米，循环时间控制在22小时以内，以减少井壁暴露时间；第三，在井帮与外层井壁之间增加厚50mm的泡沫板，起到隔温和缓冲作用。实施上述措施后，一直到膨胀性特厚黏土层全部掘砌结束，外层井壁未出现开裂破坏现象。

5 冻结制冷体会和建议

5.1 提高冻结钻孔精度，加强检测纠偏技术

冻结孔施工中，控制表土层钻孔偏斜率至关重要。钻孔偏斜率大，造成孔间距增大，增加了冻结交圈时间，还需补孔处理；若冻结孔向井内偏斜，会导致冻结壁变薄、强度降低；若冻结管偏入井内，还需对下部的无效冻结管进行割除处理，但其下的冻结壁就产生了薄弱点。为了严格控制钻孔偏斜率，在钻进过程中，采用陀螺仪进行测斜，及时进行纠偏，并按每40米水平绘制冻结孔的实际位置平面图，检验冻结壁实测交圈的最小厚度，便于后续对冻结壁冻结效果进行分析。

5.2 优化盐水循环系统，合理分配盐水流量

根据水力学原理和冻结工程应用，对于设计选用的140毫米冻结管，采取增加盐水循环量的技术措施，实现冻结器内的盐水运动呈层流向紊流过渡的状态，提高冻结管的单位热流量，增强井筒表土段的冻结效果。为优化盐水循环系统，在制冷设计中，对内外冻结管、集配液圈和盐水干管内的盐水流量、流动阻力以及盐水泵在盐水自重下的流量、扬程等技术参数进行综合研究分析，并采取以下技术措施：现场采用两趟245毫米×7毫米和一趟351毫米×7毫米无缝钢管作为盐水干管，实现“两进一回”的盐水循环系统，合理均衡分配盐水流量到各冻结管内，使冻结管盐水流量达到13立方米/小时以上。

6 结论

施工实践表明，合理设计和优化冻结技术方案及制冷系统，是确保复杂地质条件下冻结施工成功的关键。在冻结深度和冻结孔布置方式、冻结壁设计、冻结技术参数及制冷系统设计等方面的经验和建议，为未来类似工程的实施提供了宝贵的参考。通过总结和反思，进一步优化施工工艺和技术措施，将有助于提高冻结施工的效率和安全性。

参考文献

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