深厚高膨脹粘土凍結方案草

1、一 立項依據(jù)和研究背景二 凍結方案（一）前言（二）在梁寶寺二號井的應用1、概況2、基本地質水文情況（1）副井為例1沖積層總厚度大，主、副、風井沖積層總厚度分別為448.94m、464.4m和453.85m。3.2粘土層連續(xù)性厚度大，上第三系中段厚146.3m，由兩層巨厚層粘土夾一層厚0.80m的粘土質砂組成，其中上層厚108.80m，下層厚36.70m。3.3粘土層膨脹性強，上第三系中段厚108.80m和36.70m的兩層粘土，膨脹力分別達到771 KPa和853 KPa，其膨脹性之強可見一般。（2）第四系地下水的流速流向（3）土工試驗3、人工凍土物理力學性質試驗與分析（1）（2）人工凍土強度

2、的影響因素分析4、凍結井壁安全空幫時間預測5、凍結方案的研究與確定（1）基本設計原則（2）凍結壁壓力計算研究（3）凍結壁厚度設計（4）凍結壁（強度）平均溫度校核6、凍結孔深度的確定（1）外圈孔深度（2）中圈孔深度（3）內圈孔深度（4）防片孔深度7、凍結孔偏斜要求8、凍結孔布置設計（1）凍結圈徑（2）凍結孔數(shù)（3）開孔間距9、凍結管、供液管（1）凍結管（2）供液管10、測溫孔布置11、水文孔布置12、凍與掘諧調、相互配合三 測試與檢測（一）（二）人工檢測系統(tǒng)的設置與要求1、測溫孔設置2、水文孔設置四 井筒開挖與井壁結構研究（一）掘進段高確定（二）井壁結構形式研究1、凍結法鑿井井壁結構的原則性要求

3、2、井壁結構形式研究（1）基本設計方案（2）井壁結構設計3、由測試壓力的最值確定井壁厚度的研究 （1）井壁的安全條件（2）井壁厚度的驗算五 實施過程1、 凍結過程主井于2009年1月25日開機，2009年3月18日淺水文孔開始冒水（凍結時間為52d），3月25日經專家論證，認為144米以上凍結壁已交圈，具備試挖條件，定于4月1日開始試挖（凍結時間為66d），2009年4月3日三個水文孔全部冒水（凍結時間為66d），4月10日正式開挖。2009年12月25日安全掘砌至502m后進行套壁，2010年1月12日套壁至360m時，凍結停機。副井于2009年2月1日開機，2009年3月14日460m水文

4、孔開始冒水（凍結時間為42d天），3月27日149m水文孔冒水（凍結時間為59d），4月1日265m水文孔冒水（凍結時間為64d）。2009年4月5日開始試挖，4月10日正式開挖。2009年7月8日在掘進至320m變徑處時，在變徑的上一模出現(xiàn)環(huán)向裂縫（深度317.6319.8m），巖性為鈣質粘土。后經專家分析在井壁變徑處由于應力集中，使井壁處于不利的受力狀態(tài)，懸吊力產生的拉應力超過了混凝土的抗拉強度，導致混凝土破壞。隨后對該段破壞井壁進行徹底修復后繼續(xù)掘進，2009年8月3日掘進至375.8m時發(fā)現(xiàn)上部多處外壁出現(xiàn)大小不一的環(huán)形裂縫，為確保井壁安全立即停止掘砌，進行第一次套壁。2009年9月7

5、日套壁完成恢復掘進，12月4日安全掘進至528m，進行二次套壁，12月10日套壁正常進行后，副井停機。風井于2009年1月23日開機，2009年3月13日深水文孔冒水，（凍結時間為61d）3月15日淺水文孔冒水。經專家論證，風井于2009年3月25日試挖，4月10日正式開挖。2009年6月28日在掘進至328.3m時，在320m變徑處出現(xiàn)環(huán)向裂縫（寬度1.52cm）,從裂縫的縫隙中可清晰的看到部分鋼筋連接頭脫開。后經專家分析認為，在變徑處井壁處于不利的受力狀態(tài)，加之部分鋼筋連接頭強度未能滿足設計要求，造成外壁開裂。2009年7月1日掘進至331.8m，經專家分析，為確保井壁安全停止掘砌，進行第

6、一次套壁。2009年8月4日套壁完成恢復掘進，10月22日安全掘進至516m，進行二次套壁，10月25日套壁正常進行后，風井停機。2、凍結工期指標：主井于2009年1月25日開機凍結2010年4月1日決定試挖，積極凍結工期為66天；比較全國綜合水平積極凍結期（75天），縮短9天。副井于2009年2月1日開機凍結2010年4月5日決定試挖，積極凍結工期為64天；比較全國綜合水平積極凍結期（75天），縮短11天。風井于2009年1月23日開機凍結2010年3月25日決定試挖，積極凍結工期為61天；比較全國綜合水平積極凍結期（75天），縮短14天。主副風三井筒凍結停機時間分別是2010年1月12日、

7、2009年12月10日和2009年10月25日。合同約定三井筒凍結工期主井為295天，副井315天，風井305天。實際凍結工期主井為352天，副井為311天，風井為273天。主井比合同約定工期拖延57天，副井比合同約定工期提前4天，風井比合同約定工期提前30天。3、 凍結效果分析主井2009年4月1日開始試挖，4月10日正式開挖，試挖深度為10米。整個凍結過程鹽水系統(tǒng)運行參數(shù)不變，單孔流量約15m/h，鹽水溫度為-30左右，直至整個表土段掘進結束，鹽水溫度一直維持在-30以下。在整個掘進期間，凍結壁的溫度、厚度和平均溫度都達到了設計要求。在260米以下的危險膨脹粘土層中，井幫溫度在-10.1-

8、18.6之間，凍結壁有效厚度為8.29.3m。見（表2）凍結壁有效厚度、井幫溫度、平均溫度、井筒中心溫度與掘進深度對照表。表2 掘進深度（m）凍結壁有效厚度（m）井幫溫度（）平均溫度（）中心溫度（）505.1-1.6-2-18197.81507.2-5.1-6.5-19204.32508.2-10.1-11-19216.23508.5-15.3-16.7-2122.51.24509.3-15.4-18.6-21-23-3.1副井2009年4月5日具備試挖條件， 4月18日正式開挖，此時試挖深度為14米。整個凍結過程鹽水系統(tǒng)運行參數(shù)穩(wěn)定，單孔流量約15m/h，鹽水溫度一直維持在-30以下，最低達

9、-34。在整個掘進期間，凍結壁的溫度、厚度和平均溫度都達到了設計要求。在260米以下的危險膨脹粘土層中，井幫溫度在-8-16之間，凍結壁有效厚度為8.610.1m。見（表3）凍結壁有效厚度、井幫溫度、平均溫度、井筒中心溫度與掘進深度對照表。表3 掘進深度（m）凍結壁有效厚度（m）井幫溫度（）平均溫度（）中心溫度（）507.91.63.9-161812.91508.5-1.8-3-18198.32508.6-8.2-10.1-19207.23508.8-13.1-15.4-20234.945010.1-16.8-18.2-21-23-2.0風井2009年3月25日試挖，4月10日正式開挖，試挖深

10、度為11米。整個鹽水系統(tǒng)運行參數(shù)不變，單孔流量約15m/h，鹽水溫度為-32左右，直至整個表土段掘進結束，鹽水溫度一直維持在-30以下。在整個掘進期間，凍結壁的溫度、厚度和平均溫度都達到了設計要求。在260米以下的危險膨脹粘土層中，井幫溫度在-8-15之間，凍結壁有效厚度為89.7m。見（表4）凍結壁有效厚度、井幫溫度、平均溫度、井筒中心溫度與掘進深度對照表。表4 掘進深度（m）凍結壁有效厚度（m）井幫溫度（）平均溫度（）中心溫度（）505.40.32-171810.71509-3.4-4.8-18197.52507.6-7-8.6-19205.23508.3-9.2-14.2-20223.5

11、4509.7-12.7-14.1-21-230.54、凍結、掘砌施工配合在梁寶寺二號井這種以巨厚粘土層為主的凍結井筒的施工中，為保證井筒快速、高效進行，凍、掘平衡顯得尤為重要，特別是對梁寶寺二號井這種埋藏深、連續(xù)性厚度大、膨脹性強的粘土層，嚴格控制井幫溫度和凍土入荒徑量至關重要。針對該狀況，我們在施工中對每個段高的井幫溫度和凍土進荒徑量進行了跟蹤實測。同時結合測溫孔的監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用計算機軟件來模擬凍結壁的發(fā)展較為準確地預測了下部凍結壁發(fā)展狀況。以風井為例，在260m以下的巨厚粘土層中，井幫溫度控制在-7-14，凍土進荒徑量控制在8001200mm，段高循環(huán)時間不超過18h，沒有出現(xiàn)片幫、抽幫現(xiàn)

12、象，實現(xiàn)了凍結、掘砌的黃金配合。梁寶寺二號井井筒施工難度最大的是穿過厚度在36108m之間的巨厚粘土層，該地層以灰綠色、棕紅色為主，大部分質純、細膩，含水量少，粘性、膨脹性強，刀切面光滑，內生滑面發(fā)育，局部含鈣質結核。它對井筒掘砌安全造成很大威脅。以副井為例，通過320m變徑處以上收集的各粘土段的井幫溫度、凍土入荒徑量、井幫位移和底鼓量等數(shù)據(jù)，以及段高施工各工序完成的時間，進行分析和對比，利用計算機軟件模擬下部深厚粘土層的凍結情況，確定副井過巨厚粘土層合理的段高為2.2m，段高循環(huán)時間控制在20h以內，并且掘砌單位狠抓勞動組織管理與工序銜接，從而確保成功順利地通過了厚粘土層。5、經驗與體會（1

13、）梁寶寺二號井主、副、風井巨厚粘土段凍結壁平均溫度為-20-23，最低鹽水溫度達到-34，能否進一步改進目前的施工工藝，且采取更新型的管材把鹽水溫度降得更低，值得研究。（2）由于當?shù)剞r事關系的影響，三井均未按規(guī)范按時開挖，使得掘砌工期比預期有所延長，且施工隊伍素質及管理水平的差異，致使三井凍結段掘砌工期差別極大。（3）靶域施工技術的逐步成熟，使鉆孔偏斜率在深井鉆孔中得到有效控制，從而保證了鉆孔施工質量，并且繼而保證了凍結壁交圈時間和整體穩(wěn)定性。（4）高膨脹性粘土層中，盡可能降低凍結壁平均溫度，使凍脹量提前達到最大，能有效控制井幫位移，保證施工安全。（5）深厚粘土層凍結井中，外壁變徑處是應力集中點，可采取緩慢變徑和增加鋼筋連接