CN110439567A - 深厚冲积层冻结方案设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种深厚冲积层冻结方案设计方法，包括如下步骤：(a)根据冻结施工地层地质条件拟定冻结施工初步方案；(b)深厚冲积层冻结壁设计厚度计算；(c)深厚冲积层冻结孔布置设计；(d)根据步骤(b)中计算得到的深厚冲积层冻结壁设计厚度和步骤(c)中得到深厚冲积层冻结孔布置方案对步骤(a)中拟定的冻结施工初步方案进行优化，得到冻结施工最终方案。本发明为设计埋深超过600m的冲积层进行冻结施工所需的冻结方案提供了技术指导，进而为深厚冲积层的冻结工程安全、提高冻结效率、创造良好掘砌条件奠定了基础。
Description
技术领域
本发明涉及冻结法凿井技术领域。具体地说是一种深厚冲积层冻结方案 设计方法。
背景技术
冻结法凿井的难度随冲积层厚度增大而急剧增大，冻结壁厚度设计计算 是深厚冲积层冻结法凿井必须要攻克的难题之一。冻结壁厚度计算研究除采 用模拟试验、数值计算外，德国学者多姆克把冻结壁看成弹塑性体，提出无 限长厚壁筒弹塑性冻结壁厚度计算公式(简称“多姆克计算公式”)；前苏联 学者维亚洛夫—扎列茨基提出了按照变形条件计算的有限段高的冻结壁厚 度计算公式，并提出有限段高塑性厚壁筒冻结壁厚度计算公式(简称“维亚 洛夫—扎列茨基有限段高塑性计算公式”)；陈湘生提出了以冻结壁(冻结管)变形极限为准则的各变量分离的深冻结壁时空设计理论及公式；荣传新等提 出冻结壁稳定性分析的粘弹塑性模型；杨维好等分别假设冻结壁为均质理想 弹塑性材料和塑性材料且遵从摩尔-库仑屈服准则，考虑其与周围土间的相 互作用和初始地应力场，基于平面应变轴对称卸载模型，推导出解析解，并 据此建立深厚冲积层冻结壁厚度计算公式，当冻土和未冻土的物理力学参数 准确时，从理论上分析可以提高超深冲积层冻结壁厚度计算准确性10％以上； 王彬等提出基于抛物线形温度场的冻结壁粘弹性分析，论述了卸载条件下冻 结壁外载荷、应力场、位移随空帮时间变化规律。
上述研究均为深厚冲积层冻结壁设计提供了非常有益的帮助，但目前研 究仍然以无限长厚壁筒模型为主，而实践表明，深厚冲积层粘性土层冻结壁 的安全稳定受掘进段高影响很大，即有限段高模型揭示的冻结壁厚度计算对 深厚冲积层冻结壁设计更为重要。目前冻土抗压强度试验研究和应用较系统， 但缺少对上述计算方法中涉及的冻结壁内摩擦系数φj、内聚力cj、弹性模 量Ef、泊松比μf，未冻土的弹性模量Eu和泊松比μu，蠕变特性参数的系统 研究和应用技术。陈文豹、李功洲等基于冻土抗压强度试验研究与应用技术 体系、多圈孔冻结壁温度场理论，提出400m～600m深厚冲积层冻结壁厚度 设计计算体系，已在数十个近600m深厚冲积层冻结井筒中成功设计应用。 近年来，又有一批冻结井筒穿过600m、700m冲积层，将来冻结井筒还要穿 过800m～1000m冲积层，为此进一步研究冻土影响参数少的多姆克计算公式 及维亚洛夫—扎列茨基有限段高塑性计算公式等在大于600m冲积层冻结工 程的实际应用技术具有重要的理论和现实意义。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种深厚冲积层冻结方案设 计方法，为设计埋深超过600m的冲积层进行冻结施工所需的冻结方案提供 了技术指导，进而为深厚冲积层的冻结工程安全、提高冻结效率、创造良好 掘砌条件奠定了基础。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
深厚冲积层冻结方案设计方法，包括如下步骤：
(a)根据冻结施工地层地质条件拟定冻结施工初步方案；
(b)深厚冲积层冻结壁设计厚度计算；
(c)深厚冲积层冻结孔布置设计；
(d)根据步骤(b)中计算得到的深厚冲积层冻结壁设计厚度和步骤(c) 中得到深厚冲积层冻结孔布置方案对步骤(a)中拟定的冻结施工初步方案进 行优化，得到冻结施工最终方案。
上述深厚冲积层冻结方案设计方法，在步骤(b)中，当控制层位位于砂 性土层时，利用多姆克计算公式计算控制层位冻结壁厚度；当控制层位位于 粘性土层时，利用维亚洛夫-扎列茨基有限段高塑性计算公式计算控制层位冻 结壁厚度。
上述深厚冲积层冻结方案设计方法，控制层位冻结壁厚度计算步骤包括：
(b1-1)控制层位选取：当冲积层中深部土层为粘性土层时，结合冲积 层中深部粘性土层性质、单层厚度、未冻土抗压强度、冻土抗压强度和蠕变 参数试验结果，选取3～5层粘性土层作为拟定控制层位进行设计；当冲积层 中深部土层为砂性土层时，结合冲积层中深部砂性土层性质、冻土抗压强度 试验结果，选取3～5层砂性土层作为拟定控制层位进行设计；
(b1-2)确定冻土计算强度：在确定冻土计算强度时，冻土计算强度选 取应区分均值与低值，冻土计算强度的均值用于计算各控制层位的冻结壁厚 度，冻土计算强度低值用于核算低值对应层位的冻结壁厚度；其中，冻土计 算强度均值获取方法为：根据控制层位选择相似土性、相近深度的冻土抗压 强度试验数据，剔除离散较大的数据，通过曲线回归选取得出各层位对应不 同冻结平均温度下的冻土计算强度均值；冻土计算强度低值获取方法为：选 取某控制层位附近深度、相似土性的冻土抗压强度最小的试验数据，然后根 据均值回归曲线斜率修正得出该层位某冻结平均温度下的冻土计算强度低值；
(b1-3)预选取支护模板高度，计算控制层位冻结壁厚度预选值，并确 定相应的爆破掘进段高：根据控制层位深度及井帮温度控制目标值和冻土计 算强度均值预选取支护模板高度，冻结壁厚度预选值通过如下方法获得：根 据选用的冻结壁厚度计算公式和段高上下端固定程度系数，计算得出控制层 位冻土计算强度均值对应的冻结壁厚度预选值；
(b1-4)设计模板调控高度，确定粘性土层冻结壁设计厚度：根据步骤 (b1-2)确定的冻土计算强度均值和冻土计算强度低值统一调整支护模板高 度，调整支护模板高度后，以冻土计算强度均值对应的冻结壁厚度作为底线， 并以冻土计算强度低值对应的冻结壁厚度作为参考值，合理确定冻结壁设计 厚度；当依据冻土计算强度均值计算得出的冻结壁厚度小于砂性土层冻结壁 厚度计算值，则依据冻土计算强度低值计算得出的冻结壁厚度不超过砂性土 层冻结壁厚度计算值10％；当层位未冻土抗压强度偏低或者冻土实验强度较低 时，应在该层位进行冻结壁稳定性实测，并结合实测结果调整座底炮的深度， 缩小爆破掘进段高。
上述深厚冲积层冻结方案设计方法，在步骤(b1-3)中，利用维亚洛夫- 扎列茨基有限段高塑性计算公式计算深厚冲积层粘性土层冻结段掘进段高， 然后利用爆破掘进段高与模板高度相互关系确定深厚冲积层冻结段支护模板 的高度。
上述深厚冲积层冻结方案设计方法，在步骤(b)中，控制层位冻结壁设 计厚度计算所用基本参数计算及优选方法为：
(b2-1)根据冲积层厚度对冻结用盐水的温度进行优选；
(b2-2)规划冲积层冻结段井帮温度分布争取目标；
(b2-3)根据多圈孔成冰公式初步计算控制层位冻结壁平均温度。
上述深厚冲积层冻结方案设计方法，在步骤(d)中，在冻结施工初步方 案进行优化时，分析井帮温度变化特点，优化冻结孔布置并制定冻结调控计 划，同时确定井帮温度调控的目标。
上述深厚冲积层冻结方案设计方法，在步骤(c)中，在对深厚冲积层冻 结孔布置进行设计时，根据冻结设计指导原则对主冻结孔圈位置进行设计， 同时为充分体现和发挥各圈冻结孔的功能和效果，在不限制冻结孔圈数的情 况下对冻结管进行按功能布置。
上述深厚冲积层冻结方案设计方法，在步骤(c)中，主冻结孔布置在外 圈，形成和加强冻结壁主体结构并确保冻结壁厚度及隔绝地下水，实现冻结 壁承载环外移，减小冻结壁内缘环向应力和冻胀力，确保冻结壁整体稳定性； 辅助冻结孔按照工程进度以及冷量的需求均匀布置，扩展冻结壁有效厚度并 增强冻结壁强度，也为冻结冷量调控提供便利；按照井帮温度分布设计目标 和井壁变径位置布置防片帮冻结孔，增强冻结壁内测稳定性并为掘砌创造良 好条件，为冻掘配合控制井帮温度和调控冻结冷量提供便利。
上述深厚冲积层冻结方案设计方法，在步骤(d)中，在冻结施工初步方 案进行优化时，对冻结施工初步方案的实施效果进行预测分析对比，同时验 证冻结壁厚度计算条件。
上述深厚冲积层冻结方案设计方法，在步骤(c)中，根据不同的侧重 点得出多个深厚冲积层冻结孔布置初步方案；在步骤(d)中，根据步骤(b) 中计算得到的深厚冲积层冻结壁设计厚度和步骤(c)中得到侧重点不同的 深厚冲积层冻结孔布置初步方案对步骤(a)中拟定的冻结施工初步方案进 行优化，得到冻结施工最终方案。
其中，深厚冲积层为埋深超过600m的冲积层。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
1.利用通过本发明设计得到的深厚冲积层冻结方案进行施工，能控制 冲积层深部粘性土层井帮温度在-11℃以上，砂性土层井帮温度在-13℃以上， 为深厚冲积层实现安全快速施工提供有利条件，工程应用取得安全优质、经 济合理、快速施工的优异成绩，科学指导了施工。
2.本发明除确保冻结壁厚度、强度满足冻结设计和工程需要外，积极 采取措施以实现冻结方案设计的井帮温度调控目标，对于深厚冲积层掘砌工 程安全、施工条件和速度影响很大，合理控制深厚冲积层中深部井帮温度， 能够实现深厚或特厚冲积层少挖冻土、高效爆破掘进。
3.以外圈为主冻结孔的冻结设计方案及密切的冻掘配合施工能够实现 超过700m冲积层段粘性土层冻结壁井帮温度控制在-12℃之上，冻结壁安全、 稳定，这有利于提高深厚冲积层冻结和掘砌工程效率，降低冻结矿井建设成 本。
4.冻结壁形成特性实测、工程预报与冻结调控的机制对于深厚冲积层 冻结与掘砌配合发挥了重要作用，为冻结工程安全、提高冻结效率、创造良 好掘砌条件奠定了基础。
附图说明
图1为冻土计算强度(K)试验均值回归曲线和控制层位修正曲线；
图2为赵固二矿西风井粘性土层井帮温度预测及设计调控目标；
图3为赵固二矿西风井以中内圈或外圈为主冻结孔的布置方式未经调 控的粘性土层井帮温度预测；
图4为赵固二矿西风井防片孔与辅助孔调整深度、数量的粘性土层井 帮温度预测对比；
图5为赵固二矿西风井冲积层段井帮温度实测值与粘性土层调控目标。
具体实施方式
本发明深厚冲积层冻结方案设计方法，包括如下步骤：
(a)根据冻结施工地层地质条件拟定冻结施工初步方案。
(b)深厚冲积层冻结壁设计厚度计算，当控制层位位于砂性土层时，利 用多姆克计算公式计算控制层位冻结壁厚度；当控制层位位于粘性土层时， 利用维亚洛夫-扎列茨基有限段高塑性计算公式计算控制层位冻结壁厚度；其 中，控制层位冻结壁厚度计算步骤包括：
(b1-1)控制层位选取：当冲积层中深部土层为粘性土层时，结合冲积 层中深部粘性土层性质、单层厚度、未冻土抗压强度、冻土抗压强度和蠕变 参数试验结果，选取3～5层粘性土层作为拟定控制层位进行设计；当冲积层 中深部土层为砂性土层时，结合冲积层中深部砂性土层性质、冻土抗压强度 试验结果，选取3～5层砂性土层作为拟定控制层位进行设计。
(b1-2)确定冻土计算强度：在确定冻土计算强度时，冻土计算强度选 取应区分均值与低值，冻土计算强度的均值用于计算各控制层位的冻结壁厚 度，冻土计算强度低值用于核算低值对应层位的冻结壁厚度；其中，冻土计 算强度均值获取方法为：根据控制层位选择相似土性、相近深度的冻土抗压 强度试验数据，剔除离散较大的数据，通过曲线回归选取得出各层位对应不 同冻结平均温度下的冻土计算强度均值；冻土计算强度低值获取方法为：选 取某控制层位附近深度、相似土性的冻土抗压强度最小的试验数据，然后根 据均值回归曲线斜率修正得出该层位某冻结平均温度下的冻土计算强度低值；
(b1-3)选取支护模板高度，计算控制层位冻结壁厚度预选值：根据控 制层位深度及井帮温度控制目标值和冻土计算强度均值选取支护模板高度， 冻结壁厚度预选值通过如下方法获得：根据选用的有限段高塑性冻结壁厚度 公式和段高上下端固定程度系数，计算得出控制层位冻土计算强度均值对应 的冻结壁厚度预选值；其中，深厚冲积层冻结段支护模板的高度确定方法为： 利用维亚洛夫-扎列茨基有限段高塑性计算公式计算深厚冲积层粘性土层冻 结段掘进段高，然后利用爆破掘进段高与模板高度相互关系确定深厚冲积层 冻结段支护模板的高度；
(b1-4)设计模板调控高度，确定粘性土层冻结壁设计厚度：根据步骤 (b1-2)确定的冻土计算强度均值和冻土计算强度低值统一调整支护模板高 度，调整支护模板高度后，以冻土计算强度均值对应的冻结壁厚度作为底线， 并以冻土计算强度低值对应的冻结壁厚度作为参考值，合理确定冻结壁设计 厚度；当依据冻土计算强度均值计算得出的冻结壁厚度小于砂性土层冻结壁 厚度计算值，则依据冻土计算强度低值计算得出的冻结壁厚度不超过砂性土 层冻结壁厚度计算值10％；当层位未冻土抗压强度偏低或者冻土实验强度较低 时，应在该层位进行冻结壁稳定性实测，并结合实测结果调整座底炮的深度， 缩小爆破掘进段高。
而在计算控制层位冻结壁厚度时，需要对控制层位冻结壁设计厚度计算 所用基本参数计算及优选，方法为：
(b2-1)根据冲积层厚度对冻结用盐水的温度进行优选；
(b2-2)规划冲积层冻结段井帮温度分布争取目标；
(b2-3)根据多圈孔成冰公式初步计算控制层位冻结壁平均温度。
(c)深厚冲积层冻结孔布置设计。在对深厚冲积层冻结孔布置进行设计 时，根据冻结设计指导原则对主冻结孔圈位置进行设计，同时为充分体现和 发挥各圈冻结孔的功能和效果，在不限制冻结孔圈数的情况下对冻结管进行 按功能布置。主冻结孔布置在外圈，形成和加强冻结壁主体结构并确保冻结 壁厚度及隔绝地下水，实现冻结壁承载环外移，减小冻结壁内缘环向应力和 冻胀力，确保冻结壁整体稳定性；辅助冻结孔按照工程进度以及冷量的需求 均匀布置，扩展冻结壁有效厚度并增强冻结壁强度，也为冻结冷量调控提供 便利；按照井帮温度分布设计目标和井壁变径位置布置防片帮冻结孔，增强 冻结壁内测稳定性并为掘砌创造良好条件，为冻掘配合控制井帮温度和调控 冻结冷量提供便利。为了能够在对深厚冲积层冻结方案进行优化提供更多的 参考分析，因而在考虑多种影响因素的情况下，根据不同的侧重点得出多个 深厚冲积层冻结孔布置初步方案。
(d)根据步骤(b)中计算得到的深厚冲积层冻结壁设计厚度和步骤(c) 中得到侧重点不同的深厚冲积层冻结孔布置初步方案对步骤(a)中拟定的冻 结施工初步方案进行优化，得到冻结施工最终方案。在冻结施工初步方案进 行优化时，分析井帮温度变化特点，优化冻结孔布置并制定冻结调控计划， 同时确定井帮温度调控的目标，并对冻结施工初步方案的实施效果进行预测 分析对比，同时验证冻结壁厚度计算条件。
实施例
赵固二矿西风井井筒净直径6.0m，井筒设计深度914m，穿过冲积层厚度 704.6m，冻结深度783m，冻结段井筒掘砌深度767m，冻结段井壁厚度900～ 1950mm，混凝土最高强度等级采用C100高性能混凝土，赵固二矿是我国第二 个冲积层厚度超过700m的矿区，赵固二矿西风井是我国第四个穿过700m冲 积层的井筒。
1.根据冻结施工地层地质条件拟定冻结施工初步方案
根据待挖掘井筒所处地理位置的地质条件拟定冻结施工初步方案，其中 包括冻结壁厚度、冻结孔布置等。
2.深厚冲积层冻结壁设计厚度计算
2.1关键参数取值和计算方法
2.1.1爆破掘进段高对冻结壁厚度设计的影响
在人工或机械挖掘冻结井筒时，有限段高塑性冻结壁公式计算冻结壁厚 度中，一般将支护模板高度作为掘砌段高，但大于600m深厚冲积层冻结凿井 需要形成更低井帮温度的冻结壁，冻结段深部掘砌过程中，冻土扩入井筒工 作面较多，需要爆破掘进。受到爆破施工工艺的影响，正常的爆破掘进需要 在浇筑外壁之前先放座底炮，座底炮爆破深度一般为2.3m～2.7m，特别控制 的座底炮深度可为2.0m左右，造成爆破掘进段高比支护模板高度大很多，如 果用支护模板高度作为掘砌段高带入有限段高塑性冻结壁公式，得出的冻结壁厚度明显偏薄。
根据深厚冲积层掘砌的爆破工艺，支护模板高度hm，爆破掘进段高hb， 较多的施工情况下hb＝(1.6～1.9)hm，应该将爆破掘进段高hb作为计算段高代 入维亚洛夫—扎列茨基有限段高塑性计算公式，从而计算得到正确的粘性土 层冻结壁厚度。
例如，赵固二矿西风井粘性土层控制层位冻结壁厚度计算表1，列举了用 爆破掘进段高hb分析的冻结壁厚度结果，同时也列出了用模板高度hm分析的 冻结壁厚度错误结果，爆破掘进段高和模板高度分析的结果相差38％～47％， 可见冻结壁设计中爆破掘进段高问题必须加以重视和改正。
表1赵固二矿西风井粘性土层控制层位冻结壁厚度计算结果
2.1.2粘性土层控制层位冻土计算强度取值和确定冻结壁设计厚度的方 法
在对冲积层中深部地层冻结壁设计厚度计算时，需要考虑井筒所处地层 性质、单层厚度、未冻土抗压强度、冻土抗压强度和蠕变参数，而这些参数 多通过冻土试验获得。目前冻土试验主要依靠井检孔粘性土层取样后的重塑 土试样，粘性土层冻土计算强度采用Ф61.8×150mm圆柱体试件按每分钟1％ 恒应变速率轴向加载获得的冻土无侧限瞬时抗压强度(σc)除以安全系数(m0) 求得，根据《煤矿井巷工程施工规范》(GB50511-2010)规定一般粘性土层m0取1.4。在深厚冲积层粘性土层冻土试验中面临几个问题：
(1)当土层结构变化较大时，重塑土冻土试验会掩盖原状土的土层结构 特性，使重塑土冻土试验结果产生较大偏差。
(2)冻土试验与非冻土粘性土层物理力学性能试验的取样层位并不相同， 仅从冻土试验结果有时很难判断非冻土试验层位粘性土层的冻结效果。
(3)深厚冲积层普遍存在粘性土层冻土抗压强度试验值较为离散问题。
例如，赵固二矿西风井井筒检查孔试验资料表2、表3反映出：冻土单轴 抗压强度试验值较离散，而非冻土的单轴抗压强度试验值更为离散，深度变 化不大的同土性的非冻土单轴抗压强度值甚至相差数倍，这就为选取冻土计 算强度带来难度。
表2赵固二矿西风井粘性土层冻土单轴抗压强度试验结果
表3赵固二矿西风井常温条件下粘性土层单轴抗压强度试验结果
| 取样深度/m | 土性 | 无侧限抗压强度/kPa | 取样深度/m | 土性 | 无侧限抗压强度/kPa |
| 407.01-408.41 | 粉质粘土 | 254 | 592.18-592.35 | 粘土 | 97 |
| 442.50-443.40 | 粉质粘土 | 152 | 605.74-606.13 | 粘土 | 135 |
| 477.03-479.33 | 粘土 | 239 | 620.19-620.50 | 粘土 | 228 |
| 488.98-494.45 | 粉质粘土 | 57 | 629.47-629.73 | 粉质粘土 | 113 |
| 501.78-502.40 | 粉质粘土 | 138 | 633.95-634.55 | 粉质粘土 | 129 |
| 505.02-505.68 | 粉质粘土 | 143 | 638.38-639.50 | 粘土 | 176 |
| 518.00-519.36 | 粉质粘土 | 26 | 655.46-656.32 | 粘土 | 152 |
| 533.43-534.09 | 粉质粘土 | 35 | 665.07-665.80 | 粘土 | 86 |
| 552.57-553.03 | 粉质粘土 | 206 | 680.01-681.58 | 粉质粘土 | 87 |
| 562.43-564.82 | 粘土 | 116 | 696.80-701.18 | 粉质粘土 | 67 |
鉴于冻土及非冻土抗压强度试验值具有很大的离散性，简单使用冻土试 验回归曲线会引发安全性问题，但如果全部按冻结壁控制层位附近的冻土抗 压强度最低值选取冻土计算强度，一方面可能使冻结壁设计厚度偏大，造成 较大的浪费；同时会将冻结段某些层位的掘进段高或支护模板高度限制成过 小，影响掘砌速度；另外，即使选取冻土强度试验最低值，仍可能无法满足 未被冻土试验取样层位的冻结壁稳定性要求。冻结壁设计要从安全性、先进 性、经济合理性的角度综合考量，分析冻土、非冻土抗压强度试验特点和深厚冲积层冻结段爆破掘进工艺特点，合理发挥掘砌段高调控对冻结壁稳定性 的影响作用，因此，提出深厚冲积层粘性土层控制层位冻土计算强度取值和 确定冻结壁设计厚度的方法：
(1)控制层位选取：结合冲积层中深部粘性土层性质、单层厚度、未冻 土抗压强度、冻土抗压强度和蠕变参数试验结果，选取3～5层控制层位。
(2)确定冻土计算强度：冻土计算强度选取应区分均值与低值，均值用 来计算各层位的冻结壁厚度，低值用来核算某层位的冻结壁厚度。均值应根 据控制层位选择相似土性、相近深度的冻土抗压强度试验数据，并剔除离散 较大的数据，通过曲线回归选取得出各层位不同平均温度下的冻土计算强度 均值；低值应选取某控制层位附近深度、相似土性的冻土抗压强度最小的试 验数据，并根据均值回归曲线斜率修正得出该层位某平均温度下的冻土计算 强度低值。
(3)选取模板高度，计算控制层位冻结壁厚度预选值：根据控制层位深 度及井帮温度控制目标值、冻土计算强度的均值，选取支护模板高度，并确 定相应的爆破掘进段高。根据选用的有限段高塑性冻结壁厚度公式和段高上 下端固定程度系数，计算控制层位冻土计算强度均值对应的冻结壁厚度预选 值。
(4)设计模板调控高度，确定粘性土层冻结壁设计厚度：以冻土强度均 值和低值计算结果统一调整模板高度的变化，一般情况下，均值计算的冻结 壁厚度小于砂性土层冻结壁厚度计算值，低值核算的冻结壁厚度不超过砂性 土层冻结壁厚度计算值10％。在施工中为保障冻结壁稳定性，可在未冻土抗压 强度偏低值层位、冻土试验强度值较低层位开展冻结壁稳定性实测，结合实 测结果调整座底炮的深度，缩小爆破掘进段高，以达到降低冻结壁厚度需求、 提高冻结壁稳定性的目的，保障施工安全。调整模板高度后，冻土强度均值对应的冻结壁厚度作为底线，冻土强度低值对应的冻结壁厚度作为参考值， 合理确定冻结壁设计厚度。
例如，赵固二矿西风井冻结设计的分析结果：冻土抗压强度试验值选取 范围见表2，冻土计算强度均值回归曲线和控制层位附近低值按平均温度修正 曲线见图1，控制层位冻土计算强度均值、低值和冻结壁厚度计算值(预选值) 见表1；支护模板高度调控计划：-510m以上为3.8m，-510m～-650m为3.0m， -650m～-704.6m为2.5m；粘性土层控制层位冻结壁设计厚度取值9.9m；严格 控制座底炮的主要层位：-490m～-500m，-525m～-545m，-650m～-680m。
2.1.3综合分析砂性土层和粘性土层的冻结壁厚度计算值，合理确定冻结 壁设计厚度
而在冻结壁设计厚度进行分析时，冻结壁分析模型分弹性、粘弹性、弹 塑性、塑性和粘弹塑性等，分加载模型和卸载模型，分均质和非均质模型， 分无限长掘砌段高和有限长掘砌段高模型，分平面应变模型和三维模型；实 践表明，如此之多的分析模型都无法全面描述深厚冲积层复杂的地质条件、 冻结工艺、掘砌工艺，所有的分析、计算公式都存在片面性和实用性问题， 许多无限长模型的公式和诸多的不确定性影响参数对提高粘性土层冻结壁稳 定性分析只能起到定性的帮助，无法提高实际工程分析的精度和准确性。我 们只能根据冻结壁所表现的主要问题，有针对性地选择分析模型，利用主要 的、可控的影响参数改进冻结法凿井施工工艺和冻结壁分析的合理性；因此， 冻结壁分析还是要根据不同土性区别对待较为合理。
虽然深厚冲积层冻结壁安全问题较突出地表现在蠕变特性显著的粘性土 层中，但冻结法应用于凿井工程的初衷和本质是为井筒掘砌工程构筑隔水的 冻结帷幕，因此深厚冲积层中的含水层还需要进行冻结壁设计计算。由于多 圈孔冻结时砂性土层冻结壁基本处于弹塑性状态，蠕变特性明显小于粘性土 层，目前最适宜于砂性土层冻结壁工程分析的公式还是多姆克计算公式(1)， 所需的砂性土层冻土计算强度主要参考我国砂性冻土计算强度与冻结壁平均 温度的拟合曲线进行选取。
式中：E为冻结壁厚度，m；Ra为井筒掘进半径，m；P为计算层位水平地 压，MPa；K为冻土计算强度，MPa。
深厚冲积层冻结法凿井工程中，深厚粘性土层稳定性和断管问题比较突 出，冻结壁的稳定受掘进段高影响很大，在众多冻结壁分析方法和公式中， 应选影响参数稳定可控的有限段高冻结壁公式计算粘性土层控制层位的冻结 壁厚度，因此可优先选用维亚洛夫—扎列茨基有限段高塑性计算公式(2)。
式中：E为冻结壁厚度，m；P为计算层位水平地压，MPa；h为掘砌段高， m；K为冻土计算强度，MPa；σc为冻土极限抗压强度，MPa；m0为安全系数， 圆柱形试件实验结果m0取1.4；η为掘进段井帮上下两端的固定程度系数， 当上端固定好(井壁发挥作用)而下端(掘进工作面)基本不冻结时取若上下两端均固定好时取
应用维亚洛夫—扎列茨基有限段高塑性计算公式时，冻土单轴抗压强度 σc的选取要结合非冻土抗压强度等土层特点，合理利用冻土抗压强度试验的 均值和低值，设计合理的支护模板调控高度，结合爆破掘进段高与支护模板 高之间的关系，确定安全合理的粘性土层冻结壁厚度。
根据泉店、城郊、顺和、安里、赵固一矿、赵固二矿等二十多个深厚冲 积层冻结井筒的冻结设计经验，分别用多姆克计算公式(1)计算砂性土层控 制层位的冻结壁厚度，用维亚洛夫—扎列茨基有限段高塑性公式(2)计算粘 性土层控制层位的冻结壁厚度，制定合理的模板高度控制计划，相互借鉴， 综合平衡，最终确定的冻结壁设计厚度相对安全、经济合理。
在对相关的设计、计算参数进行合理确定的前提下，利用上述计算公式 对赵固二矿西风井深厚冲积层冻结壁设计厚度进行计算。据此进行赵固二矿 西风井冻结壁厚度设计计算结果见表4，其中：
①井帮温度参考了《冻结法凿井施工手册》中表4-12“按冲积层厚度与 设计控制层位土性选取井帮温度”的建议值，并经过冻结壁形成特性预测分 析确定。
②冻结壁平均温度经过冻结壁形成特性预测分析及成冰多圈孔冻结壁 平均温度公式计算确定。
③砂性土层冻土计算强度由《冻结法凿井施工手册》中图4-2“2000年 以来我国砂性冻土计算强度与冻结壁平均温度的拟合曲线”选取。
④粘性土层的冻土计算强度由赵固二矿西风井井检孔冻土试验值除以 安全系数获得，冻土计算强度选取区分均值与低值，均值用来计算各控制层 位的冻结壁厚度，作为设计底线，低值用来核算某些层位的冻结壁厚度，低 值对应的冻结壁厚度作为参考值，从而合理确定冻结壁设计厚度。
⑤最初设计计算时，按惯例将模板高度视为掘进段高；经过与施工单位 共同分析其在万福风井掘砌的实际情况，将冲积层深部爆破掘进段高确定为 模板高度的1.6～1.9倍。
表4赵固二矿西风井砂性土层及粘性土层控制层位冻结壁厚度计算结果
根据表4所列砂性土层与粘性土层控制层位冻结壁厚度计算结果分析， 砂性土层冻结壁厚度计算结果为10.3m，设计冲积层中深部采用3.8m模板高 度(爆破掘进段高6.5m)、底部粘性土层采用3.0～2.5m模板高度(爆破掘进 段高5.1～4.7m)，粘性土层冻结壁厚度设计为9.9m，两类土层分析结果基本 统一，最终冻结壁设计厚度确定为10.3m。此例反映出分别计算砂性土层和粘 性土层冻结壁厚度，综合确定冻结壁厚度对矿井冻结设计的重要性。
2.2冻结壁设计参数实施情况
赵固二矿西风井井筒净直径6.0m，穿过冲积层厚度704.6m，冻结深度783m， 冻结段井壁厚度900mm～1950mm，井壁混凝土设计最高强度等级为C100。根 据上述研究结论进行砂性土层和粘性土层的冻结壁厚度、冻结壁平均温度、 井帮温度目标控制值设计，工程实施过程中，通过对冻结壁形成特性综合分 析和制冷过程调控，精准地实施和验证了相关设计参数(见表5)。工程实际 控制冲积层深部粘性土层井帮温度基本在-11℃以上，砂性土层井帮温度在 -13℃以上。结合井帮稳定性实测分析，控制爆破掘进的座底炮深度一般为2.5～2.8m，在深部松散土层中限制座底炮深度在2m以内，-540m以下模板改 为3m高度，-660m以下模板改为2.5m高度。经过冻结壁厚度、平均温度及井 帮温度的精准设计与实施，为安全快速施工创造了良好的条件。取得冲积层 深部外壁掘砌速度维持在75～80m/月，冲积层段外壁掘砌平均速度为87.1m/ 月，冻结段外壁掘砌平均速度为82.1m/月。
表5赵固二矿西风井主要控制层位冻结壁厚度、平均温度及井帮温度设计值及实施 情况对比
3.深厚冲积层冻结孔布置方式设计
21世纪以来，我国深厚冲积层冻结法凿井井筒数量大幅增加，为适应冲 积层厚度大幅增长的需要，我国大力开展了多圈孔冻结工艺的研究与应用， 至2018年已建成35个超过500m冲积层的冻结井筒，其中以中内圈为主冻结 孔圈的设计方案占了绝大部分，以外圈为主冻结孔圈占6个井筒，不同的冻 结方案设计指导原则和多圈冻结孔布置方式，导致井筒的冻结孔数、钻孔工 程量、冻结需冷量和冻掘配合难度等均产生较大差异，直接影响到冻结和掘 砌的工程成本和建井速度，冻结方案设计涉及到矿井建设安全和冻结凿井经 济效益或成败等关键问题。
本实施例中，以赵固二矿西风井为例，若以强化深厚冲积层冻结壁内缘 冻结强度为冻结方案设计指导原则时，采取以中内圈为主冻结孔的布孔方式， 则会面临中深部冲积层井帮温度低、井心冻实等问题，造成爆破效率低，影 响掘进速度。虽然强化深厚冲积层冻结壁内缘冻结强度的冻结方案设计指导 原则，有利于冻结壁井帮的稳定性，但并不一定能确保冻结壁整体稳定性； 例如我国超过500m冲积层的冻结井筒中，有7个井筒发生了5根以上冻结管 断裂现象，共计断管122根，井均断管17.43根，均发生在以中内圈为主冻 结孔圈的冻结井筒中，其中以内圈为主冻结孔圈的井筒断管问题最为严重。 因此，强化深厚冲积层冻结壁内缘冻结强度的冻结方案设计指导原则和以中 内圈为主冻结孔圈的布孔方式并不是唯一的选择，也不一定是最好的选择。 有鉴于此，在对赵固二矿西风井冻结方案中的冻结孔分布进行设计时，采用 外圈布置主冻结孔、中圈布置辅助冻结孔和内圈布置防片冻结孔的冻结孔分 布形式，同时不将井心冻实，以实现浅部不片帮与深部少挖冻土相配合为目 标，为安全快速施工和降低工程造价创造条件，以充分体现安全性、先进性 和经济合理性为冻结方案设计指导原则对赵固二矿西风井冻结方案进行优化。 而在对冻结方案进行优化时，应做如下考虑：
(1)冻结工程实质是为掘砌创造条件的措施工程，冻结方案设计既要考 虑安全问题，还要考虑冻结与掘砌的配合。
(2)以外圈为主冻结孔的布孔方式，可通过强化冻结壁外侧和适当控制 冻结壁内侧平均温度的冻结方式改善冻结壁的承载方式，使冻结壁承载环外 移，减小冻结壁内缘环向应力和冻胀力，提高冻结壁整体的稳定性。
(3)根据已掌握的冻结壁形成特性综合分析方法，通过对冻结方案效果 的预测、对比分析，可优化确定冻结方案设计参数，提高冻结工程的安全性 和经济合理性，增强冻结壁内侧的可调控性，促进冻结与掘砌的有机结合。
4.深厚冲积层冻结壁设计厚度和深厚冲积层冻结孔布置方式设计的优化 在对深厚冲积层冻结壁设计厚度和深厚冲积层冻结孔布置方式设计进行 优化，需要对井帮温度、主冻结孔位置进行分析确定，并以此对深厚冲积层 冻结壁设计厚度和深厚冲积层冻结孔布置方式设计进行优化，进而对冻结施 工初步方案进行优化。
4.1井帮温度分布
(1)井帮温度分布的争取目标
井帮温度变化与冻结壁内侧及井帮的稳定有密切的关系，直接反应了冻 土扩入荒径的量和冻土挖掘的难度，在爆破施工时直接影响炸药的起爆率和 冻土爆破效果，也影响到外层井壁混凝土早期强度增长速度和壁后冻土融化 回冻情况，井帮温度分布是涉及安全和施工效率的非常重要的设计参数之一。 因此冻结方案设计要根据冲积层厚度等地质条件首先规划一个合理的井帮温 度分布的争取目标，如表6所示的赵固二矿西风井冲积层段的控制层位井帮 温度即为冻掘有机配合而确定的争取目标。
表6赵固二矿西风井冲积层段的控制层位井帮温度目标
(2)优化设计及井帮温度设计的调控目标
为适应井壁承受地压需要，冲积层厚度越大，井壁变截面层位越多，实 现井帮温度分布达到争取目标的难度也就越大。冻结方案设计过程中，应结 合掘砌施工计划，对冻结孔布置的初步方案进行冻结壁形成特性预测分析， 优化冻结孔布置等设计参数，努力实现井帮温度变化预测曲线(图2中未调 控曲线)的峰值接近既定的争取目标值，冻结孔布置要使井帮温度变化曲线 的低谷部位便于冻结调控，通过已经掌握的布孔和调控技术，使井帮温度变 化预测曲线的低谷值上升并接近既定的争取目标值，使调控后的井帮温度分 布(图2中调控后曲线)，即井帮温度设计的调控目标接近已经确定的争取目 标。
4.2主冻结孔位置的分析确定
根据施工单位在万福风井冻结凿井工程实践经验和赵固一矿西风井的冻 结工程实测规律，采用冻结壁形成特性综合分析方法，对比分析赵固二矿西 风井采用以中内圈为主冻结孔和以外圈为主冻结孔的两种冻结布孔方式的井 帮温度变化特点(见图3)。
在井壁变截面或(某圈)防片孔结束位置，井帮温度一般均发生波动， 以中内圈为主冻结孔布孔方式的井帮温度基本上随深度均保持下降趋势，在 防片孔结束前的250～300m部位粘性土层井帮温度可达到-14～-17℃，以中 内圈为主冻结孔的布孔方式影响了冻结调控的效果，无法改变井帮温度快速 下降的总趋势；420m以下粘性土层井帮温度基本降至-15℃以下，掘砌难度增 大，冻掘矛盾明显加剧；当井帮温度低于-18℃后，炸药起爆率明显降低，掘 进爆破效率较差，开帮极其困难；掘至530m以下，井帮温度降至-20℃～-26℃，即使提前加大调控力度，也难以改变井心冻实的结果。因此，以中内圈 为主冻结孔的布孔方式，不仅增加了冻结孔数量、钻孔工程量、冻结需冷量， 增大了冻结壁内侧的冻胀力，还使冻土大幅度扩入挖掘荒径，致使中深部冲 积层段井心基本冻实，造成冻结段井筒掘砌施工困难。
以外圈为主冻结孔布置方式的外圈冻结孔相对密集，但辅助孔、防片孔 布置相对稀疏、均匀，总的冻结孔数、冻结钻孔工程量、冻结需冷量较小； 主冻结孔圈处于低应力和低变形区域，冻结壁整体稳定性好；防片孔布置与 井壁变截面相结合，井帮温度经过几次适度回升，减缓了井帮温度快速降低 的趋势，考虑到以外圈为主冻结孔布置提高了防片孔、辅助孔调控的便利性， 中深部粘性土层井帮温度可基本控制在-7～-12℃(见图2)。因此确定赵固二 矿西风井的冻结方案设计采用以外圈为主冻结孔圈，主冻结孔内侧增设辅助、 防片冻结孔的布置方式，既能保证冻结壁安全，又便于冻结调控，可为掘砌 创造较好的施工条件，有利于实现安全快速施工。
4.3冻结孔圈数、圏径、深度及管径的优化分析
辅助孔和防片孔的圈数没有一定之规，圈数和孔数主要取决于冻结壁设 计厚度、井壁变径次数、浅部砂性土层分布、计划掘砌速度、地下水流速等 因素，防片孔距井帮距离及深度直接影响到井帮温度回升位置和幅度。可以 通过对冻结孔布置方案的预测分析，测算各种土性控制层位冻结壁厚度、强 度、井帮温度，验证冻结方案设计的初选参数，调整、优化各冻结孔圈的冻 结孔数量、圏径、深度、管径等冻结方案设计参数。图4为赵固二矿西风井 防片孔与辅助孔之间深度、数量调整过程的一个对比分析，方案I与优化后 设计方案的不同之处是三圈防片孔每圈增加一个冻结孔，减少四个辅助冻结 孔，微调布置圈径；方案II与优化后设计方案的不同之处是大、中、小圈防 片冻结孔各增加4个、1个、1个，并将中圈防片孔深度减小至300m。通过图 3的对比分析，方案I在420m以下的井帮温度回升过多，方案II的浅部井帮 温度下降过快，在300m处井帮温度回升过高，说明优化后设计方案的冻结孔 数量、深度等设计参数调整较为合理。赵固二矿西风井优化设计后的冻结钻 孔布置主要参数见表7。
表7赵固二矿西风井冻结钻孔布置主要参数
4.4冻结方案设计参数的预测分析、复核及段高设计要求
冻结孔布置及优化分析后，需要根掘砌施工进度计划、调控目标和方法， 采用冻结壁形成特性综合分析方法，复核冻结方案实施过程中，控制层位的 井帮温度、平均温度及冻土计算强度是否能够实现表4的参数选取条件，砂 性土层冻结壁有效厚度能否达到所需冻结壁厚度的要求，深厚粘性土层模板 高度对应的爆破掘进段高能否满足预测分析的安全掘进段高要求(表8)。根 据冻结壁形成特性预测分析，赵固二矿西风井冻结方案设计最终提出爆破掘 进的模板段高建议值为：-510m以上选取3.8m模板段高，-510m以下选取3.0～2.5m模板段高。
表8赵固二矿西风井控制层位冻结方案设计参数复核及粘性土层掘砌段高计算
5.赵固二矿西风井冻结法凿井工程实施效果
赵固二矿西风井主冻结孔圈、辅助冻结孔圈与防片冻结孔圈采用三组去 回路干管，分别于2018年3月5日、8日、11日开机运转，平均单孔流量约 为18～19m3/h。浅部冻结壁于冻结38d交圈，深部冻结壁于冻结54d交圈， 冻结66d采用1.4m小段高开始进行试挖，后改为2.5m模板，冻结81d正式 开挖，模板为4m段高。
赵固二矿西风井浅部冻土扩展慢，测温点及井帮温度降低较缓慢，掘砌 至-180m后井帮温度快速下降，防片孔开始进行减流量的调控；由于砂性土层 与粘性土层的井帮温度差异较大，而且固结土层对挖掘影响较大，因此掘至 -230m后加大了防片孔冻结温度和流量的调控力度；鉴于粘性土层井帮稳定性 较好，-400m以下井帮温度控制调整了计划，略高于原设计调控目标，-600m 以下井帮温度接近设计调控目标。冻结壁厚度始终满足设计要求，中深部冲 积层的冻结壁平均温度低于设计值，冻结壁强度超过设计要求，冲积层深部 粘性土层井帮温度基本控制在-11℃以上，砂性土层井帮温度在-13℃以上， 冲积层段实测井帮温度值见图4；爆破掘进的座底炮深度一般为2.5～2.8m， 在深部松散土层中限制座底炮深度在2m以内，-540m以下模板改为3m高度， -660m以下模板改为2.5m高度，冻结壁整体稳定性很好，冻掘配合顺畅，爆 破掘进的炸药起爆率和爆破效果均超过以往深冻结井筒，冲积层深部外壁掘 砌速度基本维持在75～80m/月，冲积层段外壁掘砌平均速度为87.1m/月，冻 结段外壁掘砌平均速度为82.1m/月。
6.深厚冲积层冻结方案设计经验体会
(1)坚持充分体现安全性、先进性和经济合理性的冻结方案设计指导 原则，抛弃国外冻结井筒基本冻实井心的技术路线，实际上是坚持了冻结服 务于掘砌、掘砌服从于冻结，两者应相互协调配合的思想，这对于冻结设计 方案及冻结工程实施的影响非常大。
(2)以外圈为主动冻结孔具有明显的特点：减少冻结孔总数；改善冻结 壁的应力分布，促使冻结壁承载环外移，减小冻结壁内侧环向应力和冻胀力， 提高冻结壁整体稳定性，减缓冻结压力的早期增长，确保外壁混凝土早期强 度及结构承载力的稳定增长；主冻结孔圈外移，避开高应力区，减少主冻结 孔径向位移，防止主冻结管断裂；确保冻结壁向外扩展范围，满足冻结壁厚 度设计要求。
(3)冻结孔按功能分类，没有严格的圈数，有利于冻结孔间冷量协调 供给，提高制冷效率。主冻结孔形成冻结壁主体结构并发挥隔水功能，辅助 孔、防片孔按需求均衡供应冷量，辅助孔扩展冻结壁厚度并提高冻结壁内侧 强度及稳定性，防片孔结合井壁变径和掘砌施工速度情况采取不同深度、多 圈、异径等方式布置，提高井帮的稳定性，防片孔部位冻结壁并非冻结壁的 主结构，对冻结壁承载没有实质帮助，在井筒掘砌过程中还可通过调整防片 孔(及辅助孔)的盐水温度、流量，以及采取间歇式循环、停止制冷、停冻 循环等措施控制冻土向荒径内扩展。
(4)利用冻结壁形成特性分析方法，对冻结方案进行预测分析，优化 冻结孔布置及设计参数，确定合理的井帮温度分布，可以提高冻结方案的安 全性、先进性和经济合理性。
(5)设计阶段就根据掘砌计划预测井帮温度变化，并初步制定冻结调 控计划和井帮温度分布调控目标(曲线)，可以为冻掘配合打好基础，有利于 实现冻结井筒安全快速施工。
(6)600m～1000m深厚冲积层冻结壁设计可分别用多姆克计算公式计算砂 性土层控制层位的冻结壁厚度，用维亚洛夫—扎列茨基有限段高塑性计算公 式计算粘性土层控制层位的冻结壁厚度，并综合分析确定深厚冲积层冻结壁 设计厚度。这在冻结工程非常重要的，也是现实可行的。
(7)应合理地确定掘进段高，深厚冲积层粘性土层采用维亚洛夫—扎列 茨基有限段高塑性公式时，掘进段高参数应是模板高度与模板底部留设的座 底炮高度之和(即爆破掘进段高)。粘性土层冻土计算强度宜以控制层位附近 相似土性土层冻土计算强度均值用来计算各控制层位的冻结壁厚度；低值用 来核算相应层位的冻结壁厚度，工程中开展冻结壁稳定性实测，结合实测结 果调整座底炮的深度，缩小爆破掘进段高，达到冻结壁厚度符合要求、提高 冻结壁稳定性的目的，保障施工安全。
(8)工程实践精准地验证了提出的冻结壁厚度计算方法设计的冻结壁厚 度、平均温度及井帮温度等参数，能控制冲积层深部粘性土层井帮温度在-11 ℃以上，砂性土层井帮温度在-13℃以上，为深厚冲积层实现安全快速施工提 供有利条件，工程应用取得安全优质、经济合理、快速施工的优异成绩，科 学指导了施工。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式 的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做 出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。 而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保 护范围之中。
Claims (10)
1.深厚冲积层冻结方案设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)根据冻结施工地层地质条件拟定冻结施工初步方案；
(b)深厚冲积层冻结壁设计厚度计算；
(c)深厚冲积层冻结孔布置设计；
(d)根据步骤(b)中计算得到的深厚冲积层冻结壁设计厚度和步骤(c)中得到深厚冲积层冻结孔布置方案对步骤(a)中拟定的冻结施工初步方案进行优化，得到冻结施工最终方案。
2.根据权利要求1所述的深厚冲积层冻结方案设计方法，其特征在于，在步骤(b)中，当控制层位位于砂性土层时，利用多姆克计算公式计算控制层位冻结壁厚度；当控制层位位于粘性土层时，利用维亚洛夫-扎列茨基有限段高塑性计算公式计算控制层位冻结壁厚度。
3.根据权利要求2所述的深厚冲积层冻结方案设计方法，其特征在于，控制层位冻结壁厚度计算步骤包括：
(b1-1)控制层位选取：当冲积层中深部土层为粘性土层时，结合冲积层中深部粘性土层性质、单层厚度、未冻土抗压强度、冻土抗压强度和蠕变参数试验结果，选取3～5层粘性土层作为拟定控制层位进行设计；当冲积层中深部土层为砂性土层时，结合冲积层中深部砂性土层性质、冻土抗压强度试验结果，选取3～5层砂性土层作为拟定控制层位进行设计；
(b1-2)确定冻土计算强度：在确定冻土计算强度时，冻土计算强度选取应区分均值与低值，冻土计算强度的均值用于计算各控制层位的冻结壁厚度，冻土计算强度低值用于核算低值对应层位的冻结壁厚度；其中，冻土计算强度均值获取方法为：根据控制层位选择相似土性、相近深度的冻土抗压强度试验数据，剔除离散较大的数据，通过曲线回归选取得出各层位对应不同冻结平均温度下的冻土计算强度均值；冻土计算强度低值获取方法为：选取某控制层位附近深度、相似土性的冻土抗压强度最小的试验数据，然后根据均值回归曲线斜率修正得出该层位某冻结平均温度下的冻土计算强度低值；
(b1-3)预选取支护模板高度，计算控制层位冻结壁厚度预选值，并确定相应的爆破掘进段高：根据控制层位深度及井帮温度控制目标值和冻土计算强度均值预选取支护模板高度，冻结壁厚度预选值通过如下方法获得：根据选用的冻结壁厚度计算公式和段高上下端固定程度系数，计算得出控制层位冻土计算强度均值对应的冻结壁厚度预选值；
(b1-4)设计模板调控高度，确定粘性土层冻结壁设计厚度：根据步骤(b1-2)确定的冻土计算强度均值和冻土计算强度低值统一调整支护模板高度，调整支护模板高度后，以冻土计算强度均值对应的冻结壁厚度作为底线，并以冻土计算强度低值对应的冻结壁厚度作为参考值，合理确定冻结壁设计厚度；当依据冻土计算强度均值计算得出的冻结壁厚度小于砂性土层冻结壁厚度计算值，则依据冻土计算强度低值计算得出的冻结壁厚度不超过砂性土层冻结壁厚度计算值的10％；当层位未冻土抗压强度偏低或者冻土实验强度较低时，应在该层位进行冻结壁稳定性实测，并结合实测结果调整座底炮的深度，缩小爆破掘进段高。
4.根据权利要求3所述的深厚冲积层冻结方案设计方法，其特征在于，在步骤(b1-3)中，利用维亚洛夫-扎列茨基有限段高塑性计算公式计算深厚冲积层粘性土层冻结段掘进段高，然后利用爆破掘进段高与模板高度相互关系确定深厚冲积层冻结段支护模板的高度。
5.根据权利要求2所述的深厚冲积层冻结方案设计方法，其特征在于，在步骤(b)中，控制层位冻结壁设计厚度计算所用基本参数计算及优选方法为：
(b2-1)根据冲积层厚度对冻结用盐水的温度进行优选；
(b2-2)规划冲积层冻结段井帮温度分布争取目标；
(b2-3)根据多圈孔成冰公式初步计算控制层位冻结壁平均温度。
6.根据权利要求5所述的深厚冲积层冻结方案设计方法，其特征在于，在步骤(d)中，在冻结施工初步方案进行优化时，分析井帮温度变化特点，优化冻结孔布置并制定冻结调控计划，同时确定井帮温度调控的目标。
7.根据权利要求1所述的深厚冲积层冻结方案设计方法，其特征在于，在步骤(c)中，在对深厚冲积层冻结孔布置进行设计时，根据冻结设计指导原则对主冻结孔圈位置进行设计，同时在不限制冻结孔圈数的情况下对冻结管进行按功能布置。
8.根据权利要求7所述的深厚冲积层冻结方案设计方法，其特征在于，在步骤(c)中，主冻结孔布置在外圈，辅助冻结孔按照工程进度以及冷量的需求均匀布置，按照井帮温度分布设计目标和井壁变径位置布置防片帮冻结孔。
9.根据权利要求1～8任一所述的深厚冲积层冻结方案设计方法，其特征在于，在步骤(d)中，在冻结施工初步方案进行优化时，对冻结施工初步方案的实施效果进行预测分析对比，同时验证冻结壁厚度计算条件。
10.根据权利要求1～8任一所述的深厚冲积层冻结方案设计方法，其特征在于，在步骤(c)中，根据不同的侧重点得出多个深厚冲积层冻结孔布置初步方案；在步骤(d)中，根据步骤(b)中计算得到的深厚冲积层冻结壁设计厚度和步骤(c)中得到侧重点不同的深厚冲积层冻结孔布置初步方案对步骤(a)中拟定的冻结施工初步方案进行优化，得到冻结施工最终方案。
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| CN111103027A (zh) * | 2019-12-24 | 2020-05-05 | 北京中煤矿山工程有限公司 | 一种可实现分层报道冻结壁交圈情况的水位观测管 |
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| WO2018019434A1 (de) * | 2016-07-26 | 2018-02-01 | Linde Aktiengesellschaft | Verfahren und vorrichtung zum gefrieren von an einen schacht angrenzendem erdreich mittels eines verflüssigten gases |
| CN208718670U (zh) * | 2018-08-08 | 2019-04-09 | 北京建工土木工程有限公司 | 洞门环梁施工中的冻结壁围护结构 |
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2019
- 2019-09-05 CN CN201910839344.4A patent/CN110439567B/zh active Active
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