CN103343531B - 局部难冻结地层强化冻结施工方法 - Google Patents

Abstract

一种局部难冻结地层强化冻结施工方法，包括以下步骤：首先对冻结敏感地层进行钻孔；然后对局部难冻结地层进行扩孔；接着对扩孔段填充导热材料；之后对扩孔段扫孔并继续钻进；最后成孔后下放冻结管，进行冻结施工。本方法通过对局部难冻结地层扩孔并填充导热材料，解决了难冻结地层使用常规冻结方法长时间无法冻结交圈的问题，实现了对局部难冻结地层快速强化冻结，也实现了地层冻结冷能的主动调控和优化，缩短了冻结时间，节约了能源。

Description

局部难冻结地层强化冻结施工方法

技术领域

本发明属于矿井建设工程及城市地下工程领域，涉及一种局部难冻结的地层强化冻结施工方法，具体是一种局部难冻结地层扩孔并填充导热材料的强化冻结施工方法，尤其适用于富水软岩、深部黏性土及泥岩等难冻结地层的强化冻结。

背景技术

天然地层复杂多样。一些深厚覆盖冲积层下部的黏性土、泥岩等地层，在同样的冻结条件下较其它土层冻结扩展速度慢、冻结壁平均温度偏高，具有强度偏小、易流变的特点。这和该地层所处的高应力环境相矛盾，影响到掘进过程中冻结壁的安全性能，甚至导致冻结管断裂。另外，一些地区的局部富水软岩地层所受应力虽然不大，但其由于地下水的影响，冻结时冻结壁交圈困难，影响施工进度。就实际冻结项目而言，场地内可能同时有冻结敏感地层和难冻结地层。冻结敏感地层和难冻结地层是相对的，敏感地层主要指砂、卵石及地下水几乎不流动的岩层，而难冻结地层主要指深部黏性土、泥岩和地下水流动较大的富水砂层和软岩层等。

现有的局部难冻结地层强化冻结方法存在以下问题：

一是，在处理冻结壁难以交圈的难题时，仍多采用液氮或加大冷能的方式对整个冻结段强化冻结，未能考虑地层的差异性而耗费大量电能，制约了冻结法在地下工程建设领域的更广泛应用，也与构建节约型社会不相适应，造成能源的浪费。

二是，针对上部冻结敏感地层可通过上端大直径冻结管加快冻结，实现井筒早日开挖，而针对局部难冻结地层尚无有效的针对性强的强化冻结方式以促进难冻结地层形成的冻结壁尽早交圈并降低冻结壁平均温度。

三是，现有的节能控制方案主要是采取局部冻结器，外部冻结设备保温和节能，控制整个冻结器内盐水温度、流量和时间以及冰蓄冷方法来实现，属于对整个冻结段的调控和外部设备保温的节能方式。但是未能考虑地层之间的热物理学特性和地下水分布差异，不是针对地层差异而进行差别冻结，所以还未能实现冷能的主动调控。

针对现有冻结法凿井时出现的冻结壁强度不够、大量涌水及冻结壁交圈时间明显推迟等问题，需要开发一种针对性更强的局部强化冻结方法，来调整差异显著地层冻结壁的厚度和温度，协调冻结壁厚度、强度和应力环境的矛盾，实现节能、高效和安全的冻结施工。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的问题，本发明提供一种局部难冻结地层强化冻结施工方法，以解决难冻结地层使用常规冻结方法长时间无法冻结交圈的问题，以针对地层之间的热物理学特性和地下水分布差异进行差别冻结，实现冷能的主动调控和优化。

本发明所要解决的具体技术问题是：针对地层的导热性能差异和地下水的影响，实现对局部地层针对性的强化冻结；基于冻土的强度与冻结壁的温度密切相关，通过对局部地层温度场优化，协调好冻结壁的冻土强度与侧向受力之间的关系，使冻结壁的受力更加合理；在采取局部地层扩孔填充导热材料时，可以具备更强的冷能调控能力并实现更好的节能效果。

本发明的局部难冻结地层强化冻结施工方法，包括以下步骤：

步骤a，首先对冻结敏感地层进行钻孔；步骤b，然后对局部难冻结地层进行扩孔，形成扩孔段；步骤c，接着对扩孔段填充导热材料；步骤d，之后对扩孔段扫孔并继续钻进；步骤e，最后成孔后下放冻结管，进行冻结施工。

进一步，步骤b中，难冻结地层的扩孔直径为步骤a中冻结敏感地层钻孔直径的1.5-3.0倍。

进一步，步骤b中，扩孔段的长度为难冻结地层的厚度。

进一步，步骤b中，扩孔时采用扩孔钻头或高压水射流钻头对局部难冻结地层进行切割扩孔。

进一步，步骤b中，对于深部黏性土或强度较低的泥岩，采用非扩孔钻头钻至接近难冻结地层的顶面0.1-0.5m后，再对局部难冻结地层进行扩孔钻进，形成扩孔段；对于强度较高的富水软岩，采用非扩孔钻头钻至难冻结地层的底面以下0.1-0.5m后，再对局部难冻结地层进行扩孔，形成扩孔段。

进一步，步骤c中，导热材料的导热系数大于10w/m·K。

进一步，步骤d中，待填充的导热材料初凝且抗压强度不低于1.0MPa后方再进行扫孔钻进。

本发明有益的技术效果是：

(1)促使局部难冻结地层尽早交圈：通过对难冻结地层进行扩孔并且对扩孔段填充导热材料，使难冻结地层更多热量被冻结管带走，保证了难冻结地层得到强化冻结，实现了尽早交圈；

(2)提高冻结壁安全性能：强化冻结后的冻结壁具有较低的平均温度，且冻土的强度随着温度的降低而增加，提高了冻结壁的安全性能。

(3)实现地层的差别冻结及冷能优化：现有的冻结方法中，冻结管在整个冻结段循环相同的低温盐水，不能实现差异地层的差别冻结。本发明的冻结方法与现有冻结方法区别在于，本发明在区分难冻结地层和冻结敏感地层的基础上，通过在局部难冻结地层对应的冻结管段外覆导热材料，实现了难冻结地层的强化冻结，扩孔段吸收难冻结地层更多热能，冻结管的冷能得到优化，从而针对地层之间的热物理学特性和地下水分布差异进行差别冻结，实现了冷能的主动调控和优化。

(4)施工简便：本发明的施工方法以常规人工冻结施工方法为基础，施工简便且易于掌握，提高了经济效益并达到了节能效果。

附图说明

图1a是完整基岩的结构及本发明的施工方法示意图；

图1b是图1a中A-A截面的截面图；

图2是本发明的施工工艺流程图；

图3a-3g是钻孔至接近难冻结地层顶面开始扩孔填充导热材料的施工工艺示意图；

图4a-4g是钻孔至难冻结地层底面以下开始扩孔填充导热材料的施工工艺示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

本发明提供一种局部难冻结地层强化冻结的施工方法，该方法适用于冻结壁难以交圈的富水软岩地层、深部黏性土和泥岩的冻结，特别适用于一个或多个局部难冻结地层的冻结工程。

图1a和1b示出了一般完整基岩的基本结构以及本发明施工方法的示意图。

如图1a和1b所示，一般的完整基岩包括多个冻结敏感地层h1和难冻结地层h2。当工程项目场地存在难冻结地层时，为了将局部难冻结地层进行强化冻结，本发明采用以下方法进行施工：a、首先对冻结敏感地层h1进行钻孔；b、然后对局部难冻结地层h2进行扩孔，形成扩孔段；c、接着对扩孔段填充导热材料2；d、之后对扩孔段扫孔并继续钻进；e、成孔后下放冻结管1，最后进行冻结施工。其中，由于不同场地的工程地质条件和水文地质条件存在差异，扩孔段的数量应当由场地需要强化冻结的难冻结地层的数量确定。图2所示是本发明的施工工艺流程图。

如图3a-3g所示，对冻结敏感地层进行钻孔时，根据场地地质条件选择合适的成孔机械和钻具，钻100-250mm的钻孔，到达第一难冻结地层(参见图3a)。

当钻头钻进到距难冻结地层的顶面0.1-0.5m时，开始对局部难冻结地层扩孔(参见图3b)。换上扩孔钻头，撑开钻头扩孔刀刃使之旋转切削土层形成钻孔，扩孔钻进。也可以采用高压水射流钻头对局部难冻结地层进行破岩扩孔钻进。其中，扩孔直径约为冻结敏感地层钻孔直径的1.5-3.0倍。这里，扩孔的具体直径依据场地局部难冻结地层的埋深及岩土体的热物理学和力学特性等因素确定，并应当保证难冻结地层形成一致的扩孔直径；而且，扩孔段的长度为难冻结地层的厚度。

难冻结地层扩孔段成孔后，采用超声波孔形检测仪器检测扩孔形状是否符合设计要求。

对扩孔段填充导热材料(参见图3c)。在扩孔段填充导热材料时，选用导热系数大于10w/m·K的导热材料，且该导热材料应具有强度高、难溶于水、凝结速度较快的特点，以使导热材料适应所处的应力环境、地下水状况和施工进度。将一定体积的导热材料通过管道自然流入或泵送方法填充至扩孔段。导热材料的厚度由难冻结地层的埋深、热物理学特性和地下水状况等因素评估确定。

考虑到机械钻孔时对地层产生的扰动，为保证填充的导热材料厚度，待导热材料初凝且抗压强度不低于1.0MPa后，开始对扩孔段扫孔并继续钻进(参见图3d)。重新采用非扩孔钻头对填充了导热材料的扩孔段进行扫孔，并继续钻进，直至下一难冻结地层的顶部预定位置。

重复上述步骤b、c和d(参见图3e-图3g)，钻至冻结管的设计下放深度终孔。通过难冻结地层扩孔并填充导热材料的方式，实现了在难冻结地层对应的冻结管段外覆导热材料。

在成孔后下放冻结管和冻结施工时(参见图3g)，将采用低碳无缝钢管内接箍或螺纹形成的冻结管下放。冻结管内连接盐水循环管路，开启冻结设备，低温盐水在冻结管内循环，通过热量交换冻结岩土体。图1中的上下箭头表示低温盐水的出进方向。

上面详细描述了本发明在针对两个局部难冻结地层时的扩孔并填充导热材料强化冻结施工方法。当仅对一个难冻结地层强化冻结时，则无需重复上述步骤b、c和d。当存在两个以上的难冻结地层时，则重复上述步骤b、c和d，直至钻孔达到设计冻结管管底深度终孔。上文述及的局部难冻结地层扩孔，属于在非扩孔钻头钻孔至接近难冻结地层顶面后即开始采用扩孔钻头或高压水射流钻头进行扩孔的方式，适用于深部黏性土或强度较低的泥岩等难冻结地层。

除此之外，对于强度较高的富水软岩难冻结地层，则可采用非扩孔钻头钻孔至难冻结地层的底面下0.1-0.5m后再开始采用扩孔钻头或高压水射流钻头进行径向扩孔的方式，如图4a-4g所示。

本发明在扩孔时，采用具有镶嵌金刚石或硬质合金等材料的刀刃并可撑开的扩孔钻头、或者射流压力值达到数十兆帕的高压水射流钻头，对局部难冻结地层进行切割扩孔，可保证冻结管外覆的导热材料厚度能实现预定的冻结温度场优化效果。

本发明的研究得到了国家自然科学基金项目、“十二五”国家科技支撑计划项目课题、及教育部重点科研项目资助。

本发明局部难冻结地层强化冻结施工方法，并不限于上述具体实施方式，本领域技术人员根据本发明技术方案的原理和构思进行修改和变型，得出其他等同的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (7)

1.一种局部难冻结地层强化冻结施工方法，包括以下步骤：

步骤a，首先对冻结敏感地层进行钻孔；

步骤b，然后对局部难冻结地层进行扩孔，形成扩孔段；

步骤c，接着对扩孔段填充导热材料，所述导热材料的导热系数大于10w/m·K；

步骤d，待填充的所述导热材料初凝且抗压强度不低于1.0MPa后，对扩孔段进行扫孔并继续钻进；

步骤e，最后成孔后下放冻结管，进行冻结施工。

2.如权利要求1所述的局部难冻结地层强化冻结施工方法，其特征在于：步骤b中，难冻结地层的扩孔直径为步骤a中冻结敏感地层钻孔直径的1.5-3.0倍。

3.如权利要求1所述的局部难冻结地层强化冻结施工方法，其特征在于：步骤b中，扩孔段的长度为难冻结地层的厚度。

4.如权利要求1-3任一项所述的局部难冻结地层强化冻结施工方法，其特征在于：步骤b中，扩孔时采用扩孔钻头或高压水射流钻头对局部难冻结地层进行切割扩孔。

5.如权利要求4所述的局部难冻结地层强化冻结施工方法，其特征在于：步骤b中，对于深部黏性土或强度较低的泥岩，采用非扩孔钻头钻至接近难冻结地层的顶面0.1-0.5m后，再对局部难冻结地层进行扩孔钻进，形成所述扩孔段；

6.如权利要求4所述的局部难冻结地层强化冻结施工方法，其特征在于：步骤b中，对于强度较高的富水软岩，采用非扩孔钻头钻至难冻结地层底面以下0.1-0.5m后，再对局部难冻结地层进行扩孔，形成所述扩孔段。

7.如权利要求5或6所述的局部难冻结地层强化冻结施工方法，其特征在于：当存在两个以上的难冻结地层时，则重复所述步骤b、c和d，直至钻孔达到设计冻结管管底深度时终孔。