1、1特殊凿井绪 论一、特殊凿井分类特殊施工是相对于普通施工技术而言，可定义为：在松散不稳定含水地层，或在涌水量很大的稳定裂隙岩层中，采用围岩加固、堵水、超前支护或采用大型钻井机械施工的技术，这种技术主要有：冻结法、注浆法、钻井法、沉井法、混凝土帷幕法等表土施工技术。深表土冻结法、沉井法、钻井法、注浆法。特殊凿井施工技术按其实质和特点可分为三类：1、超前支护类在地下工程挖掘之前，采用超前支护以隔绝或减少流砂和地下水的涌入，然后在超前支护的保护下掘进，属于此类者有：沉井法、混凝土帷幕法。2、围岩加固类在地下工程开凿之前，采用措施暂时，永久地加固围岩，改善围岩的稳定条件，而后进行掘砌作业，如冻结法、注
2、浆法等。3、机械破岩类应用大型机械直接破岩、出矸，使卸掘砌作业机械化图钻井法等。二、岩特殊凿井的历史53 年 新汶孙村矿注浆井首次采用深井法。55 年 新汶张庄矿首次在井筒进行工作面预注浆55 年 开滦矿物局林西矿采用冻结法（波兰设计与施工）56 年 开滦矿物局唐家矿采用冻结法（苏联指导，自己设计施工）58 年 峰峰矿物局薛村矿主井采用地面预注浆69 年 淮北矿物局朔利村南风井采用钻井法74 年 鹤岗矿物局兴安矿南风井采用混凝土帷幕法目前：沉井法（沉箱法）于 90 年代在煤矿使用，软表土地基中土建工程用的很多。沉深 192m曲阜单家村主副井，上海基础公司沉井。帷混凝土帷幕法 84 年施工新汶鄂
3、庄注浆井是使用，单深 57m，主要用于地下挡土墙，水电部的应用较多，钻井法主要在西淮地区，9m，单深 513m， 冻结法，目前龙崮主副风井三个井筒采用，副井冻结深度 650m，巨野煤田郭屯冻结达到 702m；国投新集口孜东主井冻深 737m，万福主井 894m，万福副风井 840mm。注浆法 遍及各矿区主井，平巷，硐室均在采用。主要内容：冻结法、注浆法、钻井法、沉井法、混凝土帷幕法 看录像。第一章：冻结法施工冻结法应用较多，尤其对深层表土的矿区，目前冻结法施工逐渐有城市的地铁发展，这里我们以矿区为例介绍。1、概述冻结法凿井既是在井筒开挖之前，用人工制冷的方法，将井筒周围的岩层冻结形成封闭的圆筒
4、冻结壁，以抵抗地压，隔绝地下水与井筒的联系，然后在其保护下，2进行掘砌工作的 一种特殊施工方法，其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。为了形成冻结壁，首先在井筒周围打一定数量的冻结孔，并安装冻结器，冷冻站制出的低温盐水（30）送给冻结器，以吸收地层热量，使土层冻结形成具有一定厚度和强度的冻结壁，最后在冻结壁保护下进行井筒掘砌。为此，冻结法凿井可分为：打钻冻结掘砌 三大工作内容。三大工作内容中，冻结为重点，也是难点，低盐水在地下如何把土层变成冰层的，实际上就使几个热平衡问题，常讲制冷三大循环。盐水循环系统箱内低温盐水 冻结管内 高温盐水压 送盐 水 泵 热 交 换与 岩 层盐水箱 低温
5、盐水 再进入冻结管返 回 蒸 发 皿降 温 多 次 循 环岩层降温，形成冻结壁 土层热量被盐水吸收。氨循环系统高温盐水靠氨的状态变化而降温的，即氨吸热，液氨吸热蒸发变成气态氨，那么气氨如何变为液氨呢？液态氨 饱和气氨 高压过热气氨 吸 收 盐 水 热 量蒸 发 后 作 功压 缩 后 降 温与 降 温 器高压液氨 液态氨 再次进入蒸发皿，形成氨循环系统 降 压减 压 阀盐水热量被氨吸收。冷却水系统气氨变液氨的实现，靠冷却水系统来实现。3低温水 高温水 低温水 冷凝器 水吸收气氨热升 温冷 凝 器 降 温冷 却 水 池 压 送水 泵量，并把这热分传到大气中去。三大循环中，重点使氨循环系统，即制冷系
6、统。除此之外，液有采用液氨冻结，液氨制冷，无需三大循环，主要靠液氨气化吸收地热制冷。2、制冷原理一、焓、熵及压焓图1、焓（h）为状态参数， KJ/kgpvuh其物理意义：在开口系统中，工质某状态的焓等于该状态的内能与流动功之和，它是温度的单值函数， kJ/kg， 定压平均比热。12TCpmpmC两点焓差只与两点温度有关。2、熵（s）状态参数， kJ/kg.k 微熵Tdqs其物理意义为：工质熵的变化，等于工质从热源吸收的热量除以热源温度所得之商。它也是温度的单值函数。1212vRlTlCsnnvm式中： 定容平均比热，vR气体常数，4比容nl3、压焓图（hlogp 图）各状态参数之间的函数关系
7、svtxfp,图形中一点三区四线组成。一点 K临界点，一个体系将压力达到某一状态时，其饱和液体线和饱和蒸汽线交于一点，此时，饱和液体和饱和蒸汽有着相同的压力、温度和比容。NH3：P k=17.5Mpa， =132.4， 0.00413m 3/kgktkv三区未饱和液体区（液态区） 、温蒸汽区（过渡区） 、过热蒸汽区（以 x=0,x=1为界）四线等干度线 x，等温线 t，等熵线 v， （等压线 p，等焓线 h）等干度线1kg 湿蒸汽中饱和蒸汽的含量，x=0.3 表示 1kg 湿蒸汽中有 0.3kg 饱和蒸汽。X=0 饱和液体线， x1 饱和蒸汽线，将全区分为三个区域。在该图中，任给两曲线点，即可
8、查出其它曲线值，见书后附图。二、一级压缩制冷原理1、一级压缩制冷理论循环制冷过程即为三大循环过程，其循环系统设备主要为压缩机、冷凝器、蒸发器及节流阀。如下图：制冷过程可表述为：1）压缩过程（12）饱和蒸汽氨被压缩或高温高压的过热蒸汽。 （115，1MPa）2）冷却过程（23）过热蒸汽被冷凝器中 20冷却水降温或低温高压液体氨，（25，1MPa）3）降压过程（34）液氨节流降压为低温低压的液氨（25，0.15MPa ）4）蒸发过程（41）液氨在蒸发器中气化，成低温低压饱和气体（25，0.15MPa）吸收盐水热量而制冷，即制冷过程。实际上，氨制冷过程是一个卡诺逆循环过程，可用热力学中的 hlogp
9、 图表示。512 绝热压缩过程（等熵过程）汽氨被压缩机压缩成过热蒸汽，压力由蒸发压力 0.05 冷凝压力0p（1MPa）蒸发温度 25， 115 kp0t2t压缩机做功： kJ/kg12hl23：等压冷却过程，过热蒸汽 2 饱和蒸汽 2 饱和液体 3所放热量被冷却水吸收。冷凝器热荷载 kJ/kg32qk34 绝热降压过程（等焓过程）（1 MPa） （0.15 MPa） （25） （25） kp0pkt0t温降是由液氨随汽化成湿蒸汽，吸收自身的热量的结果。41 等温等压蒸发过程：氨蒸发吸收盐水的热量而制冷，氨由湿态变为饱和态，蒸发器热荷载 kJ/kg 410hq制冷系数： 12l由图可知：若氨经
10、冷凝器冷却到 3点（ 0，且在冻结壁外侧，所以 为井外降温区。已知 16， t4， 50243600 0t s， a=0.55106 m2/s)(0xGt25.0160t查表得 x=0.23（G（ x）=0.2550 ）因 aX4m71.023.624501.046 axr=2-x=2-0.71=1.29 m r=(0.400.45)EEr/(0.400.45)=2.873.23 （m）四、冻结管吸热能力（吸热率） Dq单位时间内，单位面积上冻结管吸收土层的热量，与设计的盐水温度有关: w/m2250yt 502115 w/m23025yt 9025Dq以求井筒需冷量 dHNqFQD冻结站制冷
11、能力， ，k盐水系统冷量损失系数，k1.11.5D五、冻结时间从开始冻结到冻结壁达到设计厚度所需时间积极冻结时间， 积极冻结期井筒开挖前的冻结时间消极冻结期井筒开挖期（维护冻结时间）计算出发点不同，有多种计算公式，我国多采用经验公式，即按冻土扩展速度进行估算： d vlE22/6.05.v冻土平均扩展速度， mm/d砾石层v=3545砂层v=2025粘土层v=1015k冻土扩展半径， 冻结孔间距，l1.01.3l5、冻结设计一、冻结方案（5 种）1、一次冻结全深方案一次冻结全深，即从地面到需要冻结的深度一次冻结，并且上部冻结管均穿过不稳定含水层，一般插入不透水基岩 10m 以上。适用条件适用于
12、各种地层，是目前国内为广泛采用的施工方案，具有施工工序简单，适应性强，能穿过多次含水层的优点，不足之处冷冻站制冷量大，冻结壁厚度上下不均。提出双排管冻结方案（三排、四排） ，和异径冻结（上部 240、下部 120） 。为了加快上部冻结速度，提前开挖。2、分期冻结方案（分段）将井筒所需冻结深度分两段以上顺序冻结，先冻上 段，后冻下段，待上段转入消极冻结时间再冻下段，上段掘砌结束后，下段刚转入消极冻结。可节省冷量，分期冻结主要靠一个特殊结构的冻结器来实现。适用条件：冲积层较厚，中间又有较厚的隔水层（10m16以上）的地层，要求分段要均匀，使每段供冷量均衡。 、特点：需冷量小，下段冻结时间少，少挖冻
13、土，加快掘砌速度，缩短了工期，降低了成本。3、差异冻结（长短腿间隔冻结方案）冻结管分长短两种，间隔分布在一圈上，短管进入风化管 10m 以上，长管穿过不透水基岩 510m 。适用条件：上部为含水丰富的冲积层，下部为厚度较大，含水丰富的风化基岩。特点：上部较下部冻结管间距小 1 倍，冻结交圈速度快，上部提前掘进，待上部掘砌结束后，下部恰好冻结结束，可少挖冻土，有效利用冷量，加快施工速度，降低成本。4、局部冻结局部地段需要冻结时可采用，靠专用冻结器来实现。隔板式 压气式 盐水式 两段式适用上部含水少，稳定性好，而下部含水大，需冻结的地层或中间有较厚的粘土隔水层，上下需冻结的地层。特点用设备少，成本
14、低。5、浅表土冻结方案斜孔冻结方案、 ；直孔冻结方案。斜孔冻结在含水层施工工作中，在井内打水平斜孔冻结，以封堵含水层的方法， （南京地铁）直孔冻结在地面沿所需冻结空间打垂直孔，穿过含水层。二、冻结壁厚度计算冻结壁在掘砌施工中起临时支护作用，其厚度取决于地压大小及冻土强度，一般 210m。目前，对冻结壁厚度计算大致有 3 种方法， （1）轴对称平面应变力学模型（2）轴对称空间力学模型（3）数理统计经验模型1、轴对称平面应变力学模型（3 个）拉麦公式（G.Lame）1852 年法国工程师拉麦，把冻结壁视为理想弹性体，提出将厚壁圆筒按轴对称平面应变力学模型来处理，并应用第四强度理论（能量理论 ）推导
15、出计算公式：0m13paE式中： E冻结壁厚度，m；a今年图掘进半径，m17冻土允许抗压强度， /k极限抗压强度，用 c代入，k安全系数，k22.5p计算深度地压，p0.013H Mpa H最下含水量埋深，m适用于冻结深度 24h。4、管路保温20管路耐压密封试验合格后，应对低压管路及盐水干管进行保温处理，一般采用棉花作保温材料，保温后其管路冷量损失仍约占总制冷量的 25左右。二、钻孔施工钻孔施工通常与冻结站安装同时进行可缩短施工工期。1、钻机布置冻结孔布置在与井筒同心的圆圈上，DD j+2E+2eH ND/l水文观察孔布置在井筒净直径内，靠井心位置（距井心 1.0m 左右） ，一般布置 12
16、 个孔，要求穿过全部含水层。测温孔多布在两冻结孔偏斜大的界面上，在冻结区或降温区中 34 个孔。2、冻结孔钻进采用旋转钻机（地质钻机） ，孔径 120189mm，打钻过程中，钻孔容易发生偏斜，应做好测斜与纠偏工作，钻孔允许偏斜率0.5m 以上）短段分块法， 短段倒台阶法段高 11.2m 段高 1.2m 用铁锹挖土冻土未进入荒径，且距荒径较近（300mm 土比岩已松动爆破为主 冻土层600mm 大爆破作用指数 n1.2m 300mm冻土层1.5m以防崩坏冻结管。五、收尾工作当井筒施工完毕，要做好冻结收尾工作收尾工作回收氨，盐水、拆除冻结站设备、盐水管路，拉拔冻结管，回填冻结孔。氨与盐水回收 70左右，浅井冻结管可回收 7090，深井一般不回收冻结管。冻结管拔管后要做好充填冻结孔工作。
