[发明专利]局部难冻结地层强化冻结施工方法

说明书

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。