任志剛 楊 焱 陳旭志

(1.中煤邯鄲特殊鑿井有限公司，河北 邯鄲 056003； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

應(yīng)用人工制冷技術(shù)凍結(jié)加固土體，使之發(fā)展為封閉的凍土結(jié)構(gòu)，為正常施工創(chuàng)造一個(gè)較強(qiáng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)[1]。在整個(gè)施工過程，從凍結(jié)開始到開挖直至永久支護(hù)結(jié)構(gòu)形成的整個(gè)時(shí)期，凍結(jié)土體的熱力學(xué)性質(zhì)經(jīng)歷了劇烈的變化，并由此對(duì)施工環(huán)境產(chǎn)生影響[2]。對(duì)若干重要參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，是工程順利施工的重要保證條件之一，為優(yōu)化施工方案提供依據(jù)[3]。

1 工程概況

袁大灘主斜井修復(fù)工程里程340 m～385 m底板仍有不均勻隆起，最大隆起高度0.4 m，裂縫寬度10 cm，見圖1。

2 底板破壞修復(fù)凍結(jié)設(shè)計(jì)

2.1 總體修復(fù)原則

由于里程360～372(第三段)之間沒有布置封幫封頂孔，且側(cè)幫孔距離井壁較遠(yuǎn)(6.5 m)，底板修復(fù)施工時(shí)底板周圍沒有凍結(jié)壁的保護(hù)，而采用注漿等其他手段進(jìn)行加固時(shí)，無法保證加固的均勻性和防水性能。

根據(jù)底板實(shí)際情況，現(xiàn)對(duì)底板進(jìn)行底板修復(fù)。凍結(jié)孔布孔里程在359 m～373 m。在凍結(jié)帷幕的保護(hù)下進(jìn)行現(xiàn)有底板井壁鑿除、恢復(fù)和新井壁的澆筑工作。

2.2 凍結(jié)壁厚度設(shè)計(jì)

采用井筒內(nèi)垂直板塊凍結(jié)，根據(jù)主斜井沖積層埋深，計(jì)算側(cè)幫承受地壓力。井口標(biāo)高+1 212.90 m作為凍結(jié)深度起始標(biāo)高±0.000 m，第三段最大開挖深度90 m，地層為沖積層，連續(xù)粉砂、細(xì)砂層，側(cè)壓力按似重液公式Pb=0.013H計(jì)算，Pb=1.17 MPa[4]。凍結(jié)壁平均溫度取-10 ℃，考慮到井筒斷面形狀壓力的不均勻性及應(yīng)力集中情況，井筒底板底部?jī)鼋Y(jié)壁厚度確定為4.5 m，井筒底板側(cè)幫處凍結(jié)壁厚度確定為2.5 m。在360 m～372 m里程兩頭各有2 m厚凍結(jié)壁厚度，保證端頭開挖安全[5]。

2.3 鉆孔布置設(shè)計(jì)

凍結(jié)孔布置：在里程359 m～373 m間隔1.42 m共布置凍結(jié)孔總數(shù)90個(gè)，凍結(jié)孔總長(zhǎng)度478.566 m。

測(cè)溫孔布置：布置測(cè)溫孔5個(gè)，測(cè)溫孔深度4.5 m(深入凍土3.3 m)，總長(zhǎng)度22.5 m。凍結(jié)孔及測(cè)溫孔布置見圖2,圖3。

2.4 凍結(jié)循環(huán)設(shè)計(jì)

凍結(jié)管采用φ89×8 mm無縫鋼管，內(nèi)置φ50×5 mm塑料管，測(cè)溫管采用φ89×8 mm無縫鋼管，凍結(jié)管、測(cè)溫管均采用外管箍焊接連接。

可以直接利用地面垂直孔的第三段封尾孔內(nèi)部的鹽水用于隧道底板的凍結(jié)修復(fù)。首先在里程390 m處井筒兩側(cè)各暴露出一根封尾凍結(jié)管，將管內(nèi)鹽水吹干并拔出供液軟管，在井筒內(nèi)將凍結(jié)管割開，并焊接彎頭和集、配液管，配液管上安裝管道泵，凍結(jié)管每排8個(gè)孔為一組首尾依次串聯(lián)后接入集、配液管(φ325×8 mm無縫鋼管)，凍結(jié)管與集、配液管之間通過高壓膠皮軟管連接。集、配液管應(yīng)牢固固定在井壁上，在供水凍結(jié)管和配液管之間安裝減壓閥，同時(shí)在集、配液管上安裝放空閥。

3 底板破壞修復(fù)施工

3.1 凍結(jié)孔施工

采用金剛石取芯鉆開孔提前開孔以減少打鉆施工時(shí)間，確定孔位時(shí)注意井筒內(nèi)墊層為隨坡澆筑。凍結(jié)孔開孔前安裝好孔口密封、防噴裝置。按設(shè)備的安裝要求進(jìn)行，并配套好泥漿設(shè)施。接通水、電、安裝夜間照明，檢查鉆具，做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。鉆機(jī)采用跟管鉆進(jìn)方法，鉆進(jìn)用鉆桿應(yīng)采用絲扣連接，分班連續(xù)作業(yè)方式。凍結(jié)管施工過程需要在隧道內(nèi)焊接，為了給工作面提供新鮮空氣并及時(shí)將廢氣排出，井筒內(nèi)部應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)。

3.2 凍結(jié)施工

由于井筒埋深位于地面以下90 m，因此凍結(jié)施工期間需要注意以下問題：

1)鹽水循環(huán)系統(tǒng)壓力。對(duì)于集配液管與凍結(jié)管的連接用高壓管，連接高壓管的鋼管上焊接螺絲帽將綁扎管路的鐵絲固定牢靠。一旦有鹽水漏失能采取緊急措施關(guān)閉地面及井下鹽水管路減少鹽水漏失。每組凍結(jié)管的進(jìn)出口各裝閥門一個(gè)，以便控制流量。

2)由于冬季地面已凍住因此凍結(jié)帷幕內(nèi)的凍脹壓力無法泄壓，使井壁承受超過設(shè)計(jì)值的壓力，因此在地面應(yīng)設(shè)置不凍的水文孔，將帷幕內(nèi)井筒上部的凍脹壓力釋放掉。

3)凍結(jié)施工范圍內(nèi)禁止水流入。凍結(jié)段上方水要截止并通過管路引至凍結(jié)段下方，凍結(jié)段下方水要即時(shí)排出。

積極凍結(jié)期鹽水溫度為-22 ℃～-24 ℃，設(shè)計(jì)凍結(jié)時(shí)間35 d，要求凍結(jié)孔單孔流量不小于4 m3/h；如鹽水溫度和鹽水流量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，應(yīng)延長(zhǎng)積極凍結(jié)時(shí)間。

3.3 開挖前凍結(jié)效果判定

通過以下判定手段判斷凍結(jié)帷幕是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求：

1)凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)行情況判定。

集、配液管鹽水溫度及各組循環(huán)凍結(jié)孔端頭溫度監(jiān)測(cè)。

2)凍結(jié)壁厚度估算。

根據(jù)測(cè)溫孔判斷凍結(jié)壁達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，在底板孔間距較大處布置探孔，根據(jù)測(cè)溫孔和探孔對(duì)凍結(jié)壁厚度進(jìn)行估算。

3.4 原有底板及內(nèi)壁的鑿除、澆筑

根據(jù)井壁破壞情況和設(shè)計(jì)的要求，從里程360 m～372 m順井筒掘進(jìn)破除需要修復(fù)的混凝土底板(內(nèi)壁)，恢復(fù)至原有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在破除原有井壁的位置，按設(shè)計(jì)院圖紙澆筑混凝土井壁。修復(fù)期間保留A,P排凍結(jié)孔及Z1,Z2,Z23,Z24四個(gè)凍結(jié)孔。井壁修復(fù)完成后停止凍結(jié)，割除凍結(jié)管并對(duì)凍結(jié)孔防水處理及里程底板接槎處理。

4 施工監(jiān)測(cè)

4.1 端頭溫度

端頭溫度見圖4，鹽水循環(huán)整體情況良好。

4.2 井壁收斂情況

井壁收斂情況見表1。

從收斂監(jiān)測(cè)可以看出目前359 m～373 m里程段總體井壁結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3 測(cè)溫孔溫度監(jiān)測(cè)

表1 收斂情況監(jiān)測(cè)表

典型測(cè)溫孔溫度變化曲線如圖5,圖6所示。

4.4 凍結(jié)狀況分析

水平凍土發(fā)展情況見表2，表3。

表2 1.5 m水平凍土發(fā)展情況

表3 4.4 m水平凍土發(fā)展情況

結(jié)合凍結(jié)孔孔間距情況及測(cè)溫孔降溫情況分析，360 m～372 m修復(fù)段底板兩端凍土已超過2 m保護(hù)段，凍結(jié)段中部?jī)鐾涟l(fā)展速度較快，也已經(jīng)交圈，經(jīng)過推算，凍土平均溫度達(dá)到-11 ℃左右。同時(shí)底板兩側(cè)在鉆孔施工前探測(cè)凍土已至井壁外側(cè)2 m左右，經(jīng)過凍結(jié)計(jì)算，底板左右兩側(cè)已形成凍結(jié)壁，實(shí)現(xiàn)了封閉封水達(dá)到開挖要求。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)袁大灘主斜井360 m～372 m底板破壞段的實(shí)際情況分析，提出了具體的對(duì)破壞段進(jìn)行凍結(jié)加固開挖及砌筑凍結(jié)設(shè)計(jì)方案：

1)根據(jù)底板實(shí)際情況，現(xiàn)對(duì)360 m～372 m底板進(jìn)行底板修復(fù)。采用井筒內(nèi)垂直板塊凍結(jié)，根據(jù)主斜井沖積層埋深，計(jì)算側(cè)幫承受地壓力，確定凍結(jié)壁厚度并對(duì)凍結(jié)孔、測(cè)溫孔以及凍結(jié)循環(huán)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

2)根據(jù)井壁破壞情況和設(shè)計(jì)的要求，對(duì)凍結(jié)孔施工、凍結(jié)施工、開挖及澆筑進(jìn)行詳細(xì)的分析，確保底板破壞修復(fù)施工的安全進(jìn)行。

3)與工程同步進(jìn)行了凍結(jié)系統(tǒng)鹽水溫度、凍結(jié)帷幕土體溫度、井壁收斂的監(jiān)測(cè)，得到了土體凍結(jié)的一些規(guī)律，指導(dǎo)了工程施工，證明工程設(shè)計(jì)及所采取的各種技術(shù)措施是可行有效的，保證了工程安全順利施工。為凍結(jié)施工的成功應(yīng)用，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。