吳王青 李棟偉 馬乾坤

（安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽省淮南市，232001）

白堊系地層凍結(jié)壁溫度和壓力實(shí)測(cè)分析

吳王青 李棟偉 馬乾坤

（安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽省淮南市，232001）

為解決內(nèi)蒙古海子礦井白堊系地層采用凍結(jié)法鑿井出現(xiàn)的技術(shù)難題，在施工過(guò)程中對(duì)凍結(jié)壁的溫度和受力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，獲得了凍結(jié)溫度和壓力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析得出白堊系地層凍結(jié)溫度和壓力的變化規(guī)律。

凍結(jié)鑿井法 白堊系地層 凍結(jié)壁 凍結(jié)溫度 凍結(jié)壓力

泊江海子礦井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市塔然高勒礦區(qū)南部，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力300萬(wàn)t/a，采用立井開(kāi)拓方式。第四系表土段總厚度6.9m，井筒大部分穿越的是白堊系和侏羅紀(jì)地層，其中白堊系地層占整個(gè)井筒深度的70%以上，在白堊系特殊地層中采用凍結(jié)法建井極少，設(shè)計(jì)的凍結(jié)方案、井壁結(jié)構(gòu)形式與井壁計(jì)算均存在較大的不確定性，目前亟需對(duì)這些地層凍結(jié)法鑿井技術(shù)進(jìn)行一系列理論與技術(shù)方面的研究。為了解井筒穿過(guò)白堊系地層的井壁凍結(jié)壓力及溫度變化，通過(guò)工程實(shí)測(cè)，取得凍結(jié)壓力及溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，以研究白堊系地層凍結(jié)溫度和壓力的變化規(guī)律，為井壁的設(shè)計(jì)及安全性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容及方案

圖1 測(cè)試元件布置方案

根據(jù)泊江海子礦井筒檢查孔地質(zhì)柱狀圖、設(shè)計(jì)院的井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖和凍土物理力學(xué)性能測(cè)試等資料，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際情況，對(duì)井筒監(jiān)測(cè)分為3個(gè)水平：第一個(gè)水平埋設(shè)垂深為134m，布置8個(gè)壓力盒；第二水平埋設(shè)垂深為252m，布置7個(gè)壓力盒；第三水平埋設(shè)垂深為309m，布置8個(gè)壓力盒，并且每個(gè)水平沿井幫向凍結(jié)壁內(nèi)部布置3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的間距為250mm，測(cè)試元件布置示意圖見(jiàn)圖1。

凍結(jié)壓力用土壓力盒來(lái)量測(cè)，溫度場(chǎng)用熱電偶量測(cè)，根據(jù)量測(cè)要求選用壓力盒及熱電偶規(guī)格數(shù)目見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)測(cè)元件、規(guī)格及數(shù)量

2 測(cè)試結(jié)果及分析

2.1 凍結(jié)壁內(nèi)部溫度實(shí)測(cè)分析

根據(jù)對(duì)3個(gè)水平不同位置溫度的監(jiān)測(cè)，可獲得澆筑混凝土后各測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線，見(jiàn)圖2。

由于第一水平在井壁與凍結(jié)壁之間沒(méi)有鋪設(shè)任何保溫材料，混凝土澆筑后散熱很快，混凝土澆筑初期井幫溫度為－7.75℃，該水平凍結(jié)壁對(duì)混凝土溫度影響占主導(dǎo)地位。而第二、三水平井壁與凍結(jié)壁之間鋪設(shè)了一層塑料薄膜作為保溫材料，澆筑初期混凝土內(nèi)部溫度較高，為混凝土早期強(qiáng)度的增長(zhǎng)贏得了寶貴的正溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間，免除了其低溫凍害影響，有利于混凝土初期養(yǎng)護(hù)。

從圖2可以看出，在混凝土澆筑后，凍結(jié)壁各水平上的各測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)基本一致，均經(jīng)歷了以下兩個(gè)階段：

（1）溫度快速上升階段。該階段受混凝土水化熱的影響，井壁內(nèi)部混凝土溫度迅速上升，引起靠近井壁位置凍結(jié)壁的溫度也上升迅速。如第二水平在混凝土澆筑后，水化熱開(kāi)始體現(xiàn)出來(lái)，受此熱源影響，凍結(jié)壁內(nèi)部不同位置溫度也出現(xiàn)不同程度的回升，距井幫500mm、250mm及井幫處測(cè)點(diǎn)溫度在第2.47d、1.03d和0.76d分別達(dá)到最大值，分別為1.95℃、12.8℃和23.4℃，回升速率分別為2.87℃/d、9.6℃/d和13.8℃/d，升溫明顯。

（2）溫度迅速下降階段。該階段為測(cè)點(diǎn)溫度從最大值至回凍到0℃階段。此時(shí)混凝土水化熱影響逐漸減小，而凍結(jié)管持續(xù)提供冷量，并對(duì)凍結(jié)壁溫度影響占主導(dǎo)地位，引起各測(cè)點(diǎn)溫度快速下降。如第二水平凍結(jié)壁內(nèi)部距井幫500mm、250mm及井幫處分別在5.8d、9.76d和10.78d溫度回凍至0℃，回凍速率分別達(dá)到0.54℃/d、1.46℃/d和2.32℃/d。

圖2 各測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線

2.2 凍結(jié)壓力實(shí)測(cè)分析

作用在井壁上的凍結(jié)壓力主要受凍結(jié)壁的變形、土層性質(zhì)、地層深度和壁后融土回凍時(shí)的凍脹特性、凍結(jié)壁溫度和施工工藝等因素的影響。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，獲得了各個(gè)壓力傳感元件反映的壓力盒壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖3所示。

在實(shí)測(cè)中，對(duì)于有些壓力盒其量測(cè)數(shù)據(jù)幾乎為零，且隨時(shí)間未發(fā)生變化，原因可能是壓力盒被澆筑到井壁內(nèi)部，無(wú)法監(jiān)測(cè)出凍脹壓力，因此在進(jìn)行凍結(jié)壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析時(shí)，均作為不正常情況給予剔除。

從圖3可以看出，作用在井壁上的凍結(jié)壓力發(fā)展趨勢(shì)可分為4個(gè)階段：壓力急增階段、壓力降低階段、壓力增長(zhǎng)階段及壓力穩(wěn)定階段。

圖3 井壁凍結(jié)壓力實(shí)測(cè)結(jié)果

（1）壓力急增階段。井筒監(jiān)測(cè)水平的下一段高爆破掘進(jìn)時(shí)，爆破產(chǎn)生的沖擊波對(duì)井壁產(chǎn)生了很大的作用力，監(jiān)測(cè)水平面上的壓力盒量測(cè)的壓力表現(xiàn)出壓應(yīng)力急劇增大，荷載作用時(shí)間較短，呈直線增加趨勢(shì)。

（2）壓力降低階段。由于急劇增加的荷載是工作面爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波引起的作用在井壁外邊緣的動(dòng)態(tài)瞬時(shí)荷載，故這一水平面掘進(jìn)結(jié)束時(shí)，下一段高的爆破施工離此水平面越來(lái)越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的爆破應(yīng)力影響也變小了，從而引起了壓力的降低。

（3）壓力增長(zhǎng)階段。此階段凍結(jié)壓力增長(zhǎng)主要有兩個(gè)方面原因，一是由于巖體開(kāi)挖后集聚的應(yīng)力得以釋放，由此引起凍結(jié)壁變形產(chǎn)生的凍結(jié)壓力直接作用在井壁上；二是受澆筑初期混凝土水化熱融化凍結(jié)壁的影響，凍結(jié)壁經(jīng)歷了融化－回凍過(guò)程，產(chǎn)生二次凍脹壓力及在水平地壓作用下的凍結(jié)壁蠕變變形。該階段現(xiàn)澆混凝土外層井壁的強(qiáng)度不斷增加，抵御凍結(jié)壁變形的能力越來(lái)越強(qiáng)，當(dāng)凍結(jié)壁的變形受到外壁阻礙時(shí)，即產(chǎn)生凍結(jié)壓力且增長(zhǎng)迅速；由于這一階段也是凍結(jié)壁受澆筑混凝土水化熱融化之后的回凍期，此后凍結(jié)壓力增長(zhǎng)速度較小。

（4）壓力穩(wěn)定階段。在此階段，凍結(jié)壁的變形速率和外層井壁的強(qiáng)度增長(zhǎng)均趨于穩(wěn)定，因此凍結(jié)壓力最終也逐漸趨于穩(wěn)定。隨著凍結(jié)壁的融化，凍結(jié)壓力逐漸轉(zhuǎn)化為水土壓力并有下降趨勢(shì)，但最終趨于穩(wěn)定。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析，可以得到3個(gè)水平不同方向的最大壓力值的平均值，作為該深度處的平均凍結(jié)壓力，其值分別為：第一水平壓力為1.19MPa、第二水平壓力為1.37MPa、第三水平壓力為1.43 MPa，可以得到平均凍結(jié)壓力隨深度的變化規(guī)律如圖4所示。曲線擬合結(jié)果顯示，白堊系地層平均凍結(jié)壓力隨深度的變化幾乎成線性關(guān)系：P＝1.00691＋0.00139 h（1）

式中：P——均凍結(jié)壓力，MPa；h——地層深度，m。

圖4 平均凍結(jié)壓力隨深度變化曲線

3 結(jié)論

（1）白堊系地層的井壁凍結(jié)壓力主要受巖體開(kāi)挖后應(yīng)力釋放、井幫溫度、凍結(jié)壁變形和混凝土水化熱等因素影響，導(dǎo)致作用在井壁上的凍結(jié)壓力發(fā)展趨勢(shì)為4個(gè)階段：快速增長(zhǎng)階段、降低階段、緩慢增長(zhǎng)階段、趨于穩(wěn)定階段，每個(gè)階段凍結(jié)壓力發(fā)展表現(xiàn)出不同速率，凍結(jié)壓力的早期急劇增長(zhǎng)是引起外層井壁破壞的主要原因，在工程中必須考慮。

（2）隨著混凝土的澆筑，產(chǎn)生了大量的水化熱，由于凍土強(qiáng)度及變形性質(zhì)與溫度密切相關(guān)，因此，壁后凍土的大范圍升溫及局部融化對(duì)外壁受力將造成不利影響。但基本上隨著深度的增加，水化熱的影響越大。由于混凝土產(chǎn)生的水化熱，使得凍結(jié)壁內(nèi)凍土出現(xiàn)了二次融化與回凍狀態(tài)，因此，不能忽略內(nèi)壁澆筑產(chǎn)生的水化熱對(duì)凍結(jié)壁的影響，同時(shí)也要重點(diǎn)研究白堊系地層凍結(jié)的二次融化與回凍規(guī)律。

（3）將3個(gè)水平不同方向的最大壓力值進(jìn)行平均，作為該深度處的平均凍結(jié)壓力，得到平均凍結(jié)壓力隨深度的變化的線性擬合關(guān)系式。

（4）3個(gè)水平不同方位上測(cè)得凍結(jié)壓力沿井壁四周的分布呈現(xiàn)出明顯的各向異性的特點(diǎn)，主要由于凍結(jié)管偏斜、鹽水流量分配的不均勻性等因素，造成凍結(jié)壁的溫度、厚度、強(qiáng)度等不均勻性，從而導(dǎo)致凍結(jié)壓力在同一測(cè)試水平、不同方向存在較大差異，容易造成外層井壁產(chǎn)生剪切力，對(duì)井壁安全不利。

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In－situ measurement and analysis on the temperature and stress of freezing wall in Cretaceous stratum

Wu Wangqing，Li Dongwei，Ma Qiankun
（School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science＆Technology，Huainan，Anhui 232001，China）

In order to solve the technical problems of freeze sinking in Cretaceous stratum in Haizi Mine in Inner Mongolia，in－situ measurement on the temperature and stress of freezing wall was conducted during the process of shaft sinking.Then the field data of freezing pressure and temperature was obtained，from which the changing law of freezing pressure and temperature was acquired.The result has an important guiding significance for the design and construction of freezing shaft and project optimization in special strata in Inner Mongolia.

freeze sinking，Cretaceous stratum，freezing wall，freezing temperature，freezing pressure

TD265.3

A

吳王青（1987－），男，安徽池州人，本科學(xué)歷，安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院在讀碩士研究生，主要從事凍土力學(xué)以及巖土與地下工程研究工作。

（責(zé)任編輯 張毅玲）