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)壁溫度和壓力實測分析

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，在施工過程中對凍結(jié)壁的溫度和受力進行現(xiàn)場監(jiān)測，獲得了凍結(jié)溫度和壓力的實測數(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)計生產(chǎn)能力300萬t/a，采用立井開拓方式。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)計的凍結(jié)方案、井壁結(jié)構(gòu)形式與井壁計算均存在較大的不確定性，目前亟需對這些地層凍結(jié)法鑿井技術(shù)進行一系列理論與技術(shù)方面的研究。為了解井筒穿過白堊系地層的井壁凍結(jié)壓力及溫度變化，通過工程實測，取得凍結(jié)壓力及溫度實測數(shù)據(jù)進行匯總分析，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)計及安全性評價提供依據(jù)。

1 現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容及方案

圖1 測試元件布置方案

根據(jù)泊江海子礦井筒檢查孔地質(zhì)柱狀圖、設(shè)計院的井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計圖和凍土物理力學(xué)性能測試等資料，結(jié)合現(xiàn)場施工的實際情況，對井筒監(jiān)測分為3個水平：第一個水平埋設(shè)垂深為134m，布置8個壓力盒；第二水平埋設(shè)垂深為252m，布置7個壓力盒；第三水平埋設(shè)垂深為309m，布置8個壓力盒，并且每個水平沿井幫向凍結(jié)壁內(nèi)部布置3個測溫點，測點的間距為250mm，測試元件布置示意圖見圖1。

凍結(jié)壓力用土壓力盒來量測，溫度場用熱電偶量測，根據(jù)量測要求選用壓力盒及熱電偶規(guī)格數(shù)目見表1。

表1 監(jiān)測元件、規(guī)格及數(shù)量

2 測試結(jié)果及分析

2.1 凍結(jié)壁內(nèi)部溫度實測分析

根據(jù)對3個水平不同位置溫度的監(jiān)測，可獲得澆筑混凝土后各測點溫度變化曲線，見圖2。

由于第一水平在井壁與凍結(jié)壁之間沒有鋪設(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，為混凝土早期強度的增長贏得了寶貴的正溫養(yǎng)護時間，免除了其低溫凍害影響，有利于混凝土初期養(yǎng)護。

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

（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，水化熱開始體現(xiàn)出來，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及井幫處測點溫度在第2.47d、1.03d和0.76d分別達到最大值，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。該階段為測點溫度從最大值至回凍到0℃階段。此時混凝土水化熱影響逐漸減小，而凍結(jié)管持續(xù)提供冷量，并對凍結(jié)壁溫度影響占主導(dǎo)地位，引起各測點溫度快速下降。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℃，回凍速率分別達到0.54℃/d、1.46℃/d和2.32℃/d。

圖2 各測點溫度變化曲線

2.2 凍結(jié)壓力實測分析

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的凍脹特性、凍結(jié)壁溫度和施工工藝等因素的影響。通過現(xiàn)場監(jiān)測，獲得了各個壓力傳感元件反映的壓力盒壓力隨時間的變化關(guān)系如圖3所示。

在實測中，對于有些壓力盒其量測數(shù)據(jù)幾乎為零，且隨時間未發(fā)生變化，原因可能是壓力盒被澆筑到井壁內(nèi)部，無法監(jiān)測出凍脹壓力，因此在進行凍結(jié)壓力實測數(shù)據(jù)分析時，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)展趨勢可分為4個階段：壓力急增階段、壓力降低階段、壓力增長階段及壓力穩(wěn)定階段。

圖3 井壁凍結(jié)壓力實測結(jié)果

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

（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態(tài)瞬時荷載，故這一水平面掘進結(jié)束時，下一段高的爆破施工離此水平面越來越遠，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）壓力增長階段。此階段凍結(jié)壓力增長主要有兩個方面原因，一是由于巖體開挖后集聚的應(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度不斷增加，抵御凍結(jié)壁變形的能力越來越強，當(dāng)凍結(jié)壁的變形受到外壁阻礙時，即產(chǎn)生凍結(jié)壓力且增長迅速；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度增長均趨于穩(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，但最終趨于穩(wěn)定。

通過數(shù)據(jù)分析，可以得到3個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)展趨勢為4個階段：快速增長階段、降低階段、緩慢增長階段、趨于穩(wěn)定階段，每個階段凍結(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)生的水化熱對凍結(jié)壁的影響，同時也要重點研究白堊系地層凍結(jié)的二次融化與回凍規(guī)律。

（3）將3個水平不同方向的最大壓力值進行平均，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個水平不同方位上測得凍結(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，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、強度等不均勻性，從而導(dǎo)致凍結(jié)壓力在同一測試水平、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）