目前斜井冻结一般均采用分段分期垂直孔局部冻结方式，每段一次性全部投入积极冻结，这种斜井冻结方式会导致每段段首冻结满足设计要求，但在掘进至段中或段尾时，因冻结时间过长，冻结温度过低，冻结太实，井帮及开挖断面温度过低，给斜井井筒掘进施工带来困难。

本项目研究提供了一种全新斜井垂直孔冻结投入方式，使得掘进单位施工至迎头时冻结恰到好处，实现不挖冻土或少挖冻土目标，改变以前分区分段冻结，各段投入冻结的时间没有成熟的理论依据及计算方法的现状，为斜井冻结设计和施工提供了新的经验。

1.步进式斜井冻结工艺概述

所谓步进式斜井冻结就是在每个冻结段中，前面的冻结孔根据掘进速度和冻结时间的要求，循序渐进地逐排滚动投入冻结，而不拘泥于冻结造孔施工时所分的段长，一次性全部投入冻结。这样，既能保证该处冻结效果，又能有效控制井帮温度，从而也就能实现冻结孔逐排滚动投入冻结，保证每排冻结孔在掘进到其所在位置时，冻结效果最佳。在冻结孔投入冻结过程中，可根据斜井井筒掘进速度及实测的井帮温度及时调整投入时间，使步进式斜井冻结工法更加科学合理，实现冻结与掘进的密切配合，为快速掘砌施工创造有利条件。

2.步进式斜井冻结工艺

采用步进式斜井冻结施工法的基本做法如下：

假设斜井按图1所示方式进行垂直孔分段冻结。在冻结范围内布置5列冻结孔分别标示为A、B、C、D、E，每列沿井筒开挖方向成排布置冻结孔，第一冻结段第1个冻结孔定义为第一冻结段第1排，第2个冻结孔定义为第一冻结段第2排，以此类推。第二冻结段第一个冻结孔定义为第二冻结段第1排，第二个冻结孔定义为第二冻结段第2排，以此类推。其他冻结段采取相同定义方式。

图1  斜井冻结孔设计图

第一冻结段造孔施工后开始采用一次性全部投入法对第一冻结段进行冻结，同时要求对第二冻结段顺序造孔施工，直到全部冻结孔施工完毕。

第一冻结段开始冻结后，相邻的第二冻结段第1排冻结孔投入的时间，可根据预计的掘进速度、第一冻结段冻结时间、第一冻结段冻结斜长及冻土试验提供的冻土发展速度、第二冻结段冻结时间等来加以确定，保证第二冻结段第1排冻结孔的冻结时间比掘进到此处所需要的时间稍长，这样既保证第二冻结段第1排处的冻结效果，又保证掘进施工安全。第二冻结段第2排其余各排冻结孔投入冻结时间的确定方法和第二冻结段第1排冻结孔相同。

图2 冻结造孔施工现场

第一冻结段开始掘进后，要根据揭露的井帮温度及冻结壁厚度来验算冻土发展速度；并根据验算后的冻土发展速度，及时调整未投入冻结的冻结孔处的冻结时间，再根据实际掘进速度、经验算的冻土发展速度及调整后的冻结期，确定未投入积极冻结的冻结孔投入冻结的时间，始终保证每排冻结孔的冻结的时间比掘进到此处的时间稍长。这样既能保证该处冻结效果，又能有效控制井帮温度，从而实现冻结孔逐排滚动投入，保证每排冻结孔在掘进到其所在位置时冻结效果最佳。

在冻结孔投入冻结过程中，可根据实际掘进施工情况、掘进速度及实测井帮温度，及时调整投入时间，使步进式冻结工法更加科学合理，实现冻结与掘进的密切配合，为快速掘砌施工创造有利条件。步进式冻结投入法可用如下方法进行简单控制：假设掘进单位月掘进速度为L米/月，根据第一冻结段内测温孔数据推测出斜井冻结控制层的冻土发展速度，设为d米/天，根据冻结孔测斜数据计算出各冻结段内相邻两排冻结孔最大终间距，设为l米，则该相邻两排冻结交圈时间即为l/2d天，掘进进尺为M米时应开始投入M Ll/50d处的冻结孔，为了保证冻结安全，对M Ll/50d进行向上取整的位置进行投入冻结，根据上述步骤就可实现步进式斜井冻结。

图3  步进式斜井冻结管路连接

某矿步进式斜井冻结法施工与一次性投入冻结施工在开挖区域实测温度曲线如图所示。

1.左侧墙  2.右侧墙  3.开挖区

图4 一次性投入冻结开挖区域实测温度曲线

1.开挖区 2.左侧墙 3.右侧墙

图5 步进式冻结时的开挖区域实测温度曲线

1.步进式冻结 2.一次性投入积极冻结

图6  开挖区域实测温度对比曲线

从测得的开挖区域温度可以看出：

无论是一次性投入法，还是步进式冻结工法，在开始阶段，中间保温效果都很好。随着冻结时间的延长，一次性投入法保温效果明显降低，不能实现少挖或不挖冻土的目的；步进式斜井冻结法自始至终保温效果明显，实现了少挖或不挖冻土的目的。

步进式斜井冻结工艺既能保证冻结效果，又能有效控制井帮温度，保证每排冻结孔在掘进到其所在位置时，冻结效果最佳，满足冻结设计要求，实现了斜井冻结投入的灵活性和动态性。

在一次性全部投入冻结过程中，掘进施工单位掘进速度一般在20米/月，采用步进式斜井冻结后，因冻土进入掘进断面小，实现了少挖冻土，掘进速度达到40米/月，提高了掘进速度 ，降低了掘进成本。

该工艺可以根据斜井井筒掘进施工速度动态投入，实现了斜井冻结的动态调整与控制，降低了冻结站内盐水温度波动范围，有利于冻结站的维护运转，减少冻结站的装机容量，使冻结与掘进进度相配合，少挖冻土，降低了斜井冻结施工成本，取得了良好的经济效益与社会效益。