李晉華

(山西汾西正佳煤業(yè)責(zé)任有限公司，山西 臨汾 041300)

在富水地層起臨時(shí)支撐作用的凍結(jié)壁，對(duì)凍結(jié)鑿井工程的經(jīng)濟(jì)效益和安全施工有著重要意義[1-2]。然而，采用理論進(jìn)行其與井壁相互作用研究時(shí)，通常作一定的假設(shè)和簡化，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確地進(jìn)行相關(guān)力學(xué)特性分析，造成凍結(jié)壁及井壁設(shè)計(jì)的不確定性和盲目性[3]。通過FLAC 3D數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行卸載狀態(tài)下凍結(jié)壁變形特性研究，對(duì)研究富水砂層凍結(jié)斜井凍結(jié)壁與井壁相互作用規(guī)律具有極大的指導(dǎo)意義[4]。

1 模型建立

1.1 工程概況

主斜井井筒長度1 303.3 m，穿過的表土厚度97.325 m，傾角14°，凈斷面16.3 m2，凈寬5 000 mm，墻高1 250 mm，拱高2 500 mm。凍結(jié)段從斜長87.5 m(水平長度84.9 m)起開始凍結(jié)，設(shè)計(jì)凍結(jié)段垂深-5.5 m～-150 m，斜長420 m。凍結(jié)段支護(hù)方式為工字鋼棚+鋼筋砼砌碹雙層井壁加反拱，工字鋼棚間距600 mm，外壁厚度為300 mm，內(nèi)壁厚度為350 mm。

在主斜井迎頭位置，距井口254 m處選取試驗(yàn)試樣。由地質(zhì)勘察報(bào)告可得，該礦主斜井區(qū)內(nèi)地表為第四系松散沉積物，為全新統(tǒng)風(fēng)積沙、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組，井筒涌水量為1 250.00 m3/h，水源主要來自于第四系松散層及基巖風(fēng)化裂隙帶。主斜井處于富水砂層段，可視為飽水狀態(tài)。

1.2 模型尺寸

本文主要選斜井穿越的細(xì)砂層和中砂層為控制層位進(jìn)行計(jì)算模擬。由設(shè)計(jì)資料可得，井筒掘進(jìn)跨度為6.40 m，掘高為5.95 m。根據(jù)圣維南定理，結(jié)合實(shí)際工程，確定計(jì)算模型尺寸為：長×寬×高=69.0 m×60.0 m×45.7 m，凍結(jié)壁尺寸為：頂板6 m，底板5 m，左右?guī)透? m。在模型底部、前后、左右施加法向約束，模型頂部施加0.095 MPa的面力。

1.3 計(jì)算參數(shù)選取

根據(jù)地質(zhì)勘查資料及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，選取計(jì)算范圍內(nèi)的土層參數(shù)和襯砌參數(shù)，具體取值見表1。

表1 模擬土層及材料物理

1.4 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

以鑿井工程實(shí)際施工情況作基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)模擬材料溫度為-5、-10、-15 ℃，空頂距離為15、20、25、30 m。分析凍結(jié)溫度對(duì)凍結(jié)壁變形的影響，選取空頂距離為20 m，凍結(jié)溫度為-5、-10、-15 ℃；分析空頂距離對(duì)凍結(jié)壁變形的影響，選取模擬溫度-10 ℃，空頂距離分別為 15、20、25、30 m。

1.5 計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)布置

為了分析不同計(jì)算工況下凍結(jié)壁隨開挖卸載過程進(jìn)行的圍巖變形規(guī)律，在凍結(jié)壁開挖洞室左右?guī)筒科鸸疤帯㈨數(shù)装逯胁坎贾?個(gè)圍巖變形監(jiān)測點(diǎn)，計(jì)算得到凍結(jié)壁頂板下沉量、底板隆起量、幫部水平位移量，從而分析凍結(jié)壁隨開挖卸載的變形特性。監(jiān)測斷面布置在(0，0，0)處，監(jiān)測點(diǎn)布置見圖1。

圖1 凍結(jié)壁表面位移監(jiān)測點(diǎn)布置圖

2 模擬結(jié)果分析

2.1 空頂距離對(duì)凍結(jié)壁變形影響分析

分別取15、20、25、30 m不同空頂距離進(jìn)行數(shù)值模擬。在設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度下，取(0，30，0)位置處的切片而得到的豎向位移、水平位移、豎向應(yīng)力云圖，進(jìn)行凍結(jié)壁平均溫度為-10 ℃時(shí)不同空頂距離條件下的凍結(jié)壁受力變形分析。

2.1.1 豎向位移分析(見圖2)

從圖2可以看出，凍結(jié)壁豎向位移呈左右對(duì)稱狀態(tài)，凍結(jié)壁頂板發(fā)生下沉，底板出現(xiàn)底臌現(xiàn)象；空頂距離對(duì)凍結(jié)壁豎向位移及開挖影響范圍較顯著，凍結(jié)壁頂板沉降量隨著空頂距離的增大逐漸增大，開挖影響范圍也逐漸增大；空頂距離從15 m增大到30 m過程中，凍結(jié)壁最大豎向位移量由27.633 mm增大到39.718 mm，增幅為43.7%；豎向位移區(qū)也由凍結(jié)壁逐漸向未凍土區(qū)擴(kuò)展，在凍結(jié)壁內(nèi)形成塑性區(qū)。

2.1.2 水平位移分析(見第79頁圖3和圖4)

從圖3可以看出，凍結(jié)壁水平位移呈對(duì)稱狀態(tài)，空頂距離對(duì)凍結(jié)壁水平位移及開挖影響范圍較顯著，凍結(jié)壁水平位移量隨空頂距離的增大而逐漸變大，位移影響范圍也逐漸加大；空頂距離從15 m到30 m變大的過程中，凍結(jié)壁最大水平位移量由10.591 mm增加到25.088 mm，增幅達(dá)136.88%；水平位移區(qū)逐漸由圓弧形向橢圓形發(fā)展，凍結(jié)壁塑性區(qū)逐漸增大，影響范圍擴(kuò)大到未凍土區(qū)，隨著未凍土與井幫的距離越來越大，其位移逐漸減小。

圖2 不同空頂距離下凍結(jié)壁豎向位移云圖(單位：m)

綜上所述，凍結(jié)壁在開挖卸載過程中，在凍結(jié)壁及未凍土內(nèi)形成塑性位移區(qū)，隨著空頂距離的增大，塑性位移區(qū)逐漸由凍結(jié)壁向周圍未凍土區(qū)擴(kuò)展。根據(jù)模型上監(jiān)測點(diǎn)所記錄的位移值，可得凍結(jié)壁最大位移與空頂距離呈非線性特征，其非線性程度與空頂距離密切相關(guān)。凍結(jié)壁最大位移與空頂距離關(guān)系如第79頁圖3所示。不同空頂距離下，凍結(jié)壁相同位置的位移隨空頂距離的增大而增大。由圖3看出，“凍結(jié)壁變形-空頂距離”呈現(xiàn)明顯的非線性特征。當(dāng)空頂距離由15 m變?yōu)?0 m時(shí)，凍結(jié)壁變形小幅增大，變形速率較?。划?dāng)空頂距離由20 m向25、30 m增大的過程中，凍結(jié)壁變形增幅較大，最大增幅達(dá)75.77%，凍結(jié)壁變形速率也逐漸增大，不利于對(duì)凍結(jié)壁變形的控制[5]。

2.1.3 豎向應(yīng)力分析(見第79頁圖5)

從圖5可以看出，凍結(jié)壁豎向應(yīng)力呈對(duì)稱狀態(tài)，在凍結(jié)壁幫部與未凍砂土交界處形成應(yīng)力集中區(qū)，在凍結(jié)壁拱腳處至起拱段、凍結(jié)壁頂板與底板中部形成應(yīng)力集中區(qū)；空頂距離對(duì)凍結(jié)壁豎向應(yīng)力影響顯著，隨著空頂距離的增大，凍結(jié)壁與未凍砂土應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力值逐漸增大，凍結(jié)壁拱腳處至起拱段應(yīng)力集中區(qū)影響范圍也逐漸擴(kuò)大，集中區(qū)呈半月狀分布，應(yīng)力值在拱腳處達(dá)到最大值，頂板和底板中部應(yīng)力值對(duì)空頂距離的變大變化較小。

圖3 不同空頂距離下凍結(jié)壁水平位移云圖(單位：m)

圖4 凍結(jié)壁最大位移量與空頂距離關(guān)系曲線圖

結(jié)合圖2～圖5，分析了在凍結(jié)壁開挖卸載狀態(tài)下不同空頂距離(15、20、25、30 m)對(duì)凍結(jié)壁變形及受力的影響規(guī)律，凍結(jié)壁受力變形特征受空頂距離影響明顯。當(dāng)空頂距離為25 m和30 m時(shí)，凍結(jié)壁變形位移區(qū)及應(yīng)力集中區(qū)均較大，不利于凍結(jié)壁及井壁的穩(wěn)定；空頂距離為15 m和20 m時(shí)，凍結(jié)壁變形位移區(qū)及應(yīng)力集中區(qū)均較小，有利于凍結(jié)壁及井壁的穩(wěn)定；當(dāng)空頂距離由20 m變?yōu)?5 m時(shí)，凍結(jié)壁變形速率快速增大。因此，可得富水砂層凍結(jié)斜井的最佳空頂距離應(yīng)控制在15 m～20 m。

圖5 不同空頂距離下凍結(jié)壁豎向應(yīng)力云圖(單位：Pa)

2.2 凍結(jié)溫度對(duì)凍結(jié)壁變形影響分析

凍結(jié)溫度對(duì)凍結(jié)壁變形的影響主要是通過圍巖與水在不同凍結(jié)溫度下的物理力學(xué)性質(zhì)不同來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)不同凍結(jié)溫度下的凍結(jié)砂土進(jìn)行室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)可得，凍土在凍脹條件下，其力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)有不同程度的強(qiáng)化。第80頁圖6～圖8及第81頁圖9所示為凍結(jié)壁在不同溫度下變形數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果。

分別取-5、-10、-15 ℃平均凍結(jié)溫度來模擬計(jì)算。在設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度下，取(0，30，0)位置處的切片而得到的豎向位移、水平位移、豎向應(yīng)力云圖，進(jìn)行空頂距離為20 m時(shí)不同平均凍結(jié)溫度條件下的凍結(jié)壁受力變形分析。

2.2.1 凍結(jié)壁變形分析

由圖6和圖7可知，凍結(jié)壁最大位移發(fā)生在直墻圓拱起拱處周圍及頂?shù)装宓闹胁?。凍結(jié)壁變形特征與平均凍結(jié)溫度密切相關(guān)，溫度越低，其最大位移值及變形區(qū)域越小，凍結(jié)溫度從-5 ℃降為-15 ℃，凍結(jié)壁頂板最大位移值從65.576 mm降為24.594 mm，底板最大位移值由67.504 mm減為25.000 mm，幫部最大位移值由45.761 mm變?yōu)?4.273 mm，塑性變形區(qū)也逐漸由未凍土區(qū)域內(nèi)減小到凍結(jié)壁2 m～3 m。其中，-15 ℃時(shí)的凍結(jié)壁最大位移值大于-10 ℃時(shí)的位移對(duì)應(yīng)值。這是因?yàn)?，凍結(jié)溫度由-10 ℃降為-15 ℃過程中，凍結(jié)砂土力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，溫度越低，其凍脹系數(shù)越大。凍結(jié)砂土凍結(jié)溫度由-10 ℃降為-15 ℃過程中，凍結(jié)壁變形主要受凍脹效應(yīng)影響，凍土蠕變對(duì)其影響較小。

圖6 不同凍結(jié)溫度下凍結(jié)壁豎向位移云圖(單位：m)

圖7 不同凍結(jié)溫度下凍結(jié)壁水平位移云圖(單位：m)

圖8 凍結(jié)壁最大位移與凍結(jié)溫度的關(guān)系曲線圖

分析圖8可得，凍結(jié)壁最大位移量與凍結(jié)溫度呈非線性特征，非線性程度與凍結(jié)溫度密切相關(guān)。當(dāng)凍結(jié)溫度從-5 ℃降為-10 ℃時(shí)，變形位移量明顯減小，降幅為37.13%～62.60%，說明凍結(jié)溫度的降低改善了凍土力學(xué)特性，使凍結(jié)壁強(qiáng)度增大，從而提高凍結(jié)壁的穩(wěn)定性；而從-10 ℃減小到-15 ℃，凍結(jié)砂土力學(xué)性質(zhì)的增強(qiáng)對(duì)凍結(jié)壁的變形約束減小，變形降幅為7.71%～32.9%，說明隨著凍結(jié)溫度降低；土體中未凍水逐漸向凍結(jié)區(qū)遷移而轉(zhuǎn)化為冰晶體，土體含水率降低；當(dāng)凍結(jié)溫度達(dá)到一定值后，土樣完成大部分凍結(jié)，土的凍結(jié)速率減緩?？傮w上，凍結(jié)溫度越低，凍結(jié)壁強(qiáng)度越大，其穩(wěn)定性越好。因此，綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析，凍結(jié)壁平均溫度為-10 ℃是合理可行的。

2.2.2 豎向應(yīng)力分析

由圖9可得，凍結(jié)溫度變化對(duì)凍結(jié)壁豎向應(yīng)力影響較小。凍結(jié)溫度從-5 ℃降低到-10 ℃，凍結(jié)壁幫部應(yīng)力集中區(qū)減小，頂板與底板應(yīng)力集中區(qū)不變，凍結(jié)壁因凍土凍脹而出現(xiàn)應(yīng)力增大現(xiàn)象，說明富水砂層土體凍脹對(duì)凍結(jié)壁影響較大；凍結(jié)溫度從-10 ℃降低到-15 ℃，凍結(jié)壁豎向應(yīng)力集中區(qū)幾乎不變，雖然溫度越低凍土凍脹力越大，但其應(yīng)力值卻略微減小，說明凍結(jié)砂土因?yàn)閺?qiáng)凍結(jié)效果其力學(xué)性質(zhì)增強(qiáng)，凍結(jié)砂土強(qiáng)度增加值大于凍土凍脹力。由豎向應(yīng)力隨凍結(jié)溫度變化而變化的規(guī)律可得，凍結(jié)溫度控制在-10 ℃較經(jīng)濟(jì)合理。

綜上所述，在凍結(jié)溫度由-5 ℃到-10 ℃過程中，凍結(jié)壁豎向、水平位移及豎向應(yīng)力因凍結(jié)砂土力學(xué)性質(zhì)的增強(qiáng)均出現(xiàn)減小現(xiàn)象，但當(dāng)凍結(jié)溫度由-10 ℃到-15 ℃過程，凍結(jié)砂土凍脹現(xiàn)象顯著，其凍脹影響大于凍結(jié)砂土力學(xué)性質(zhì)增強(qiáng)的影響，凍結(jié)壁幫部最大位移略微增大，位移影響區(qū)基本不變，豎向應(yīng)力減小效果也不明顯。綜合考慮施工安全和工程經(jīng)濟(jì)效益，凍結(jié)壁溫度控制在-10 ℃較合理。

圖9 不同凍結(jié)溫度下凍結(jié)壁豎向應(yīng)力云圖(單位：Pa)

2.3 頂板沉降規(guī)律監(jiān)測分析(見圖10和圖11)

分析圖10可以得出，凍結(jié)土體開挖的初期，拱頂位移迅速增大，在剛開挖的0 m～9 m，拱頂快速下沉，隨后進(jìn)入平緩增長時(shí)期，趨于收斂狀態(tài)；而當(dāng)空頂距離為30 m時(shí)，拱頂下沉，未表現(xiàn)出收斂趨勢，不利于頂板的穩(wěn)定。拱頂下沉量隨著空頂距離的增大而增大，空頂距離為15 m時(shí)，其沉降量最小，最大值為25.7 mm，20 m時(shí)為27.16 mm，25 m時(shí)為32.97 mm，30 m時(shí)為36.86 mm，各空頂距離下的沉降量分別為20 m時(shí)的94.62%、121.39%、135.71%，說明當(dāng)空頂距離大于20 m后，拱頂沉降呈加速增長狀態(tài)，不利于頂板穩(wěn)定。所以，應(yīng)選擇合理的支護(hù)時(shí)機(jī)，以保證凍結(jié)壁的穩(wěn)定安全。

圖10 不同空頂距離下凍結(jié)壁拱頂收斂曲線

分析圖11可以得出，凍結(jié)土體開挖的初期，拱頂位移迅速增大，當(dāng)凍結(jié)溫度為-10、-15 ℃時(shí)，頂板沉降在開挖5 m左右即進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)，趨于收斂；而在-5 ℃的凍結(jié)溫度時(shí)，頂板沉降發(fā)展規(guī)律為：0 m～5 m段快速增大，5 m～60 m段緩慢增大未進(jìn)入收斂狀態(tài)，說明凍土力學(xué)性質(zhì)較差，其強(qiáng)度不利于凍結(jié)壁穩(wěn)定。隨著凍結(jié)溫度的降低，凍結(jié)土體強(qiáng)度越大，頂板沉降量越小，在-15 ℃凍結(jié)狀態(tài)下開挖，其頂板最終沉降量為28.13 mm，在-10、-5 ℃狀態(tài)下，它們的沉降峰值分別是前者的1.15倍、1.60倍。因此，選擇合理的凍結(jié)溫度，既能保證施工安全又能節(jié)約成本。

圖11 不同凍結(jié)溫度下凍結(jié)壁拱頂收斂曲線

3 結(jié)論

通過數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)凍結(jié)壁開挖卸載過程中凍結(jié)壁受力變形特征進(jìn)行了研究，分析凍結(jié)壁在不同空頂距離、凍結(jié)溫度下的凍結(jié)壁變形規(guī)律，主要得出如下結(jié)論：

1) 在溫度恒定狀態(tài)下，凍結(jié)壁變形與空頂距離成正相關(guān)關(guān)系，空頂距離由15 m增大為30 m時(shí)，頂板最大位移量由27.633 mm增為39.718 mm，幫部由10.591 mm增為25.088 mm，位移影響區(qū)逐漸增大；凍結(jié)壁應(yīng)力集中區(qū)及應(yīng)力值隨空頂距離增大而增大，應(yīng)力集中區(qū)呈半月狀分布；當(dāng)空頂距離由20 m變?yōu)?5 m時(shí)，凍結(jié)壁受力變形速率快速增大，不利于凍結(jié)壁穩(wěn)定。

2) 在空頂距離不變的情況下，隨著凍結(jié)溫度的降低，凍結(jié)砂土的力學(xué)性質(zhì)和凍脹效應(yīng)都得到提高，凍結(jié)溫度由-5 ℃降為-10 ℃，凍結(jié)富水砂土力學(xué)性質(zhì)的增強(qiáng)對(duì)凍結(jié)壁變形特征起主導(dǎo)作用；凍結(jié)溫度由-10 ℃降到-15 ℃，凍結(jié)砂土凍脹效應(yīng)對(duì)凍結(jié)壁受力變形起主導(dǎo)作用。

3) 不同空頂距離和凍結(jié)溫度下，凍結(jié)壁拱頂沉降量隨著開挖距離的增大表現(xiàn)為先快速增大后趨于收斂穩(wěn)定的發(fā)展趨勢，但空頂距離越大，拱頂沉降量越大，合理的支護(hù)時(shí)機(jī)對(duì)控制凍結(jié)土體變形具有重要意義。凍結(jié)溫度越低，凍結(jié)壁越能保持良好的穩(wěn)定性。

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