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

0 引言

近幾十年來(lái)，我國(guó)礦井建設(shè)全面開(kāi)展，其中兩淮礦區(qū)為我國(guó)大型煤炭資源儲(chǔ)藏基地，是華東地區(qū)重要的能源基地，多為深厚沖積層所覆蓋，煤礦均采用立井開(kāi)拓[1]。目前，國(guó)內(nèi)已有多例服役期礦井出現(xiàn)井筒破損淹水等事故。針對(duì)普通法施工礦井發(fā)生井筒淹水事故后多采用凍結(jié)法完成事故井修繕；凍結(jié)法處理事故井過(guò)程中，為確保事故井破損段井壁的安全修復(fù)，同時(shí)不使非事故段井壁由于土體凍脹產(chǎn)生二次破壞，既要保證凍結(jié)壁有一定的強(qiáng)度和厚度，又要嚴(yán)格控制凍結(jié)壁的發(fā)展，從而在實(shí)際工程中面臨著許多技術(shù)難題。因此局部差異凍結(jié)條件下凍結(jié)壁的形成規(guī)律和研究方法至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于凍脹力與凍脹機(jī)理的研究頗多。EVERETT[2]根據(jù)毛細(xì)冰理論對(duì)水分遷移凍脹進(jìn)行了解釋，稱之為第一凍脹理論。MILLER[3]為解釋水分遷移過(guò)程中不連續(xù)冰透鏡體的形成過(guò)程，提出了第二凍脹理論，并基于該理論提出了剛性冰模型。O’NEILL等[4]對(duì)該模型進(jìn)行了完善，給出了由定量冰、土和水之間的分量總應(yīng)力得出凍結(jié)鋒面冰晶體產(chǎn)生的準(zhǔn)則，并建立了較為完善的計(jì)算體系。國(guó)內(nèi)榮傳新等[5]建立了考慮凍結(jié)壁、井壁及周圍土體共同作用的粘彈性計(jì)算模型，給出了外層井壁上的凍結(jié)壓力解析式，以及凍結(jié)壁和井壁的應(yīng)力分布規(guī)律。馬茂艷等[6]基于符合深井凍土蠕變特性的改進(jìn)西原體模型，利用ABAQUS軟件計(jì)算分析了深部?jī)鼋Y(jié)井的掘砌過(guò)程，獲得了作用于外層井壁的凍脹力發(fā)展變化規(guī)律，結(jié)果表明土體埋深、凍結(jié)壁溫度、土體凍脹率等因素均影響凍脹力的大小。業(yè)界學(xué)者均對(duì)人工凍結(jié)溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)做出了有力探索。

在局部差異凍結(jié)的研究方面，肖朝昀等[7]針對(duì)上海地鐵一區(qū)間采用四排孔局部?jī)鼋Y(jié)修復(fù)工程，分析了積極凍結(jié)期排內(nèi)凍土壁交圈時(shí)間、發(fā)展速度，并利用公式計(jì)算出整個(gè)凍結(jié)期排外凍土壁單側(cè)發(fā)展厚度和發(fā)展速度，得出多排局部?jī)鼋Y(jié)凍土壁溫度場(chǎng)特征。根據(jù)復(fù)雜地層的凍結(jié)難易程度，提出了一種凍結(jié)管差異溫度優(yōu)化凍結(jié)方案，進(jìn)行了差異凍結(jié)試驗(yàn)與數(shù)值分析[8-9]。石榮劍等[10]為解決地下有流水時(shí)鹽水帷幕凍結(jié)方法無(wú)法形成封閉凍結(jié)壁的問(wèn)題，采用低溫液氮對(duì)局部未封閉區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)凍結(jié)方式，可有效封堵地下流水，解決鹽水凍結(jié)不能形成封閉凍結(jié)帷幕的難題。榮傳新等[11]針對(duì)板集礦區(qū)副井井筒修復(fù)過(guò)程中的局部差異凍結(jié)條件技術(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析，探究了整個(gè)井壁修復(fù)過(guò)程中凍結(jié)溫度場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律，為類似工程提供了參考。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于局部差異凍結(jié)技術(shù)的研究成果較少，鮮有凍結(jié)修復(fù)期間既有井壁的凍脹力與安全性研究，并且關(guān)于該技術(shù)在破損井筒修復(fù)中的運(yùn)用尚無(wú)成功先例，為了給類似工程提供一定的參考依據(jù)，筆者采用ABAQUS/Standard數(shù)值計(jì)算軟件，對(duì)局部差異凍結(jié)條件下井壁修復(fù)過(guò)程中的凍脹力進(jìn)行了模擬與研究，為指導(dǎo)凍結(jié)法鑿井設(shè)計(jì)以及保障凍結(jié)施工安全提供幫助。

1 工程

1.1 工程背景

板集煤礦為新建的大型礦井，副井井筒主要特征參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 副井井筒技術(shù)特征Tab.1 Technical characteristics of auxiliary shaft

預(yù)制井壁支護(hù)深度640 m，井筒采用變斷面形式。預(yù)制鋼筋混凝土井壁支護(hù)深度375.0 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30～C60；預(yù)制雙層鋼板混凝土井壁支護(hù)深度為375.0～640.0 m，鋼板厚度10～30 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60～C70。地層由老到新依次有寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系和新生界。新生界松散層自上而下大致分為一含、一隔、二含、二隔、三含、三隔和四含共計(jì)4個(gè)含水層(組)和3個(gè)隔水層(組)。其中，四含厚度介于39.80～175.70 m，平均83.66 m左右，由上部的厚層中、細(xì)砂層和下部的砂礫層組成，其中砂層厚度大，富水性中等，全井田均有分布，且大部分與基巖直接接觸，是基巖含水層的重要補(bǔ)給水源[12-14]。

2009年4月18日，板集煤礦副井井筒發(fā)生突水涌砂事故，專家組對(duì)事故調(diào)查后認(rèn)為：突水事故的直接原因是上覆巖層受重復(fù)擾動(dòng)影響，使得井筒受拉破裂，誘發(fā)井筒壁后四含水涌入井筒。通過(guò)研究分析，板集煤礦副井井筒確定采用“拋—注—凍—修—防”綜合治理方案，即先向井筒內(nèi)部拋填石子恢復(fù)井壁的三向受力狀態(tài)，然后通過(guò)地面預(yù)注漿充填加固地層，再采用凍結(jié)法形成井筒排水修復(fù)保護(hù)帷幕，最后進(jìn)行井筒套壁修復(fù)加固。根據(jù)專家對(duì)出水點(diǎn)位置分析的結(jié)果，出水點(diǎn)應(yīng)位于表土段第三隔水層以下至基巖風(fēng)化帶，其具體位置不明確，且井壁破壞程度及其范圍亦不明確。為減小凍結(jié)施工對(duì)上部完好的既有井壁的影響，并確保下部破損井壁的安全修復(fù)，工程采用局部差異凍結(jié)技術(shù)進(jìn)行地層凍結(jié)[11]。

1.2 局部差異凍結(jié)井壁修復(fù)方案

板集煤礦立井修復(fù)工程井壁突水修復(fù)段高1.5 m，凍結(jié)孔布置參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 凍結(jié)孔布置參數(shù)Tab.2 Freezing hole arrangement parameters

設(shè)計(jì)鹽水溫度為-30～-34 ℃，凍結(jié)壁厚度為5.0 m，凍結(jié)壁平均溫度為-15 ℃。井壁全深采用雙排管凍結(jié)方式，實(shí)際鉆孔時(shí)存在一定偏斜，其中-300 m與-450 m層位凍結(jié)管布置如圖1所示。為減小上部完好的強(qiáng)度較低的鋼筋混凝土井壁遭受凍脹力影響，并確保下部破損井壁安全修復(fù)，結(jié)合對(duì)地質(zhì)資料的分析結(jié)果，最終確定采取局部差異凍結(jié)，凍結(jié)深度為673 m，累深380 m以上地層采用雙供液管工藝實(shí)現(xiàn)控制凍結(jié)。外排凍結(jié)管采用Ф159×5～7的無(wú)縫鋼管內(nèi)管箍連接，內(nèi)下Ф75×6的聚乙烯塑料軟管作供液管。內(nèi)排凍結(jié)管內(nèi)排凍結(jié)管立面結(jié)構(gòu)如圖2所示，其-380 m以淺采用Ф168×6低碳鋼無(wú)縫鋼管，外管箍焊接聯(lián)接，內(nèi)下雙Ф70×5聚乙烯塑料軟管；-380 m以深采用Ф159×7低碳鋼無(wú)縫鋼管，內(nèi)管箍焊接，內(nèi)下Ф70×5聚乙烯塑料軟管[11]；在約-380 m位置處設(shè)置擋水隔板，以保證低溫鹽水僅自-380 m以深與凍結(jié)管的外管壁接觸，控制有效凍結(jié)段僅覆蓋突水區(qū)域所在四含段與鄰近的三隔段與基巖段，以實(shí)現(xiàn)局部差異凍結(jié)控制效果。監(jiān)測(cè)的鹽水溫度變化曲線如圖3所示，共布置7個(gè)測(cè)溫孔以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)凍結(jié)壁發(fā)展，內(nèi)圈設(shè)置4個(gè)，內(nèi)外圈之間設(shè)置2個(gè)，外圈凍結(jié)孔外設(shè)置1個(gè)。另在凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)共布置4個(gè)水文孔，以釋放早期凍脹力。

(a) -300 m層位

(b) -450 m層位

圖2 內(nèi)排凍結(jié)管結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of inner row freezing pipes

圖3 鹽水溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Temperature variation of brine with time

2 數(shù)值計(jì)算方法

如不考慮凍結(jié)管偏斜的影響，并假定凍結(jié)管內(nèi)的鹽水溫度沿管壁軸向分布均勻，則立井軸向(z方向)上的土層溫度梯度近似為0，計(jì)算模型可簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題[15]。由于土的凍脹效應(yīng)影響因素眾多，在進(jìn)行凍脹力的數(shù)值分析時(shí)，作如下基本假設(shè)[16]：①不考慮水分遷移過(guò)程；②按平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算；③對(duì)土體顆粒和冰晶，不考慮其壓融效應(yīng)；④以鈣質(zhì)黏土層和粉質(zhì)黏土層為模擬對(duì)象，單一土層為均質(zhì)的各向同性彈性體，但其彈性模量的取值隨溫度變化而變化。

2.1 溫度與位移耦合方程

① 溫度場(chǎng)控制方程

凍結(jié)溫度場(chǎng)為帶相變的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題，基于Fourier熱傳導(dǎo)方程和能量守恒定律，將微元體看作剛體，其熱量平衡控制微分方程[17]如下所示：

(1)

式中,C為土的容積熱容,J/(m3·K)，C=Cdρ，Cd為土的比熱容,kJ/(kg·K)；λ為土的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)；L為水的相變潛熱,kJ/kg，一般取334.56 kJ/kg；ρi為冰的密度,kg/m3；θi為土體的體積含冰量,%。

② 本構(gòu)方程

在溫度變化的過(guò)程中，彈性體的應(yīng)變由兩部分組成:①自由膨脹引起的正應(yīng)變分量ε0=αΔT，其中α為膨脹系數(shù)，ΔT為溫度變化值,自由膨脹引起的剪應(yīng)變分量為0。②熱膨脹時(shí)，土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合廣義胡克定律：

(2)

聯(lián)立溫度場(chǎng)微分方程和熱力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，可以得到熱力耦合控制方程。并按照彈性力學(xué)方法，建立熱應(yīng)力方程。其中平衡方程只與物體受力有關(guān)，而與產(chǎn)生力的原因無(wú)關(guān)；幾何方程中應(yīng)變只與位移有關(guān)，而與引起位移的原因無(wú)關(guān)，所以平衡方程和幾何方程的形式不變。

2.2 凍脹力計(jì)算參數(shù)的選取及計(jì)算方法

土體假設(shè)為線彈性材料，但其彈性模量和泊松比的取值隨溫度變化而變化；土體的凍脹率通過(guò)原狀土的凍脹試驗(yàn)確定；根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)得出導(dǎo)熱系數(shù)、比熱以及其他指標(biāo)隨溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，通過(guò)建立比熱、導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度場(chǎng)變化的場(chǎng)變量賦予凍土的熱物理參數(shù)。模型考慮熱力的耦合，反之不可。進(jìn)而建立了隨溫度場(chǎng)變化的熱力耦合的數(shù)值計(jì)算方法。

筆者結(jié)合板集礦副井修復(fù)人工凍結(jié)工程，利用上述方法代入隨溫度場(chǎng)變化的參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，即首先建立溫度場(chǎng)模型、加載，求解溫度場(chǎng)模型并進(jìn)行瞬態(tài)分析，后處理得到節(jié)點(diǎn)上的溫度。然后采用和溫度場(chǎng)相同的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。結(jié)構(gòu)分析中首先通過(guò)地應(yīng)力平衡功能構(gòu)建井壁與周圍土體的初始穩(wěn)定場(chǎng)(即消除位移場(chǎng)保留初始應(yīng)力解)，后將求解溫度場(chǎng)得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為溫度荷載加載到應(yīng)力場(chǎng)以進(jìn)行耦合分析，進(jìn)而得到凍脹力的分布規(guī)律。

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 模型參數(shù)

副井-300 m與-450 m層位既有井壁為預(yù)制雙層鋼板混凝土支護(hù)，鋼板厚度為10～30 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，彈性模量為36 GPa，泊松比為0.167，忽略凍結(jié)過(guò)程中既有井壁的熱膨脹。數(shù)值計(jì)算中各巖土層的物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表3。

表3 各層位土體的物理力學(xué)參數(shù)Tab.3 Physical and mechanical parameters of soil layers at various horizons

3.2 幾何模型與邊界條件

① 幾何模型、網(wǎng)格

根據(jù)井壁修復(fù)工程凍結(jié)孔造孔情況，采用ABAQUS/Standard數(shù)值分析軟件，選用凍結(jié)孔終偏位置進(jìn)行建模計(jì)算。數(shù)值分析模型如圖4所示，考慮到凍結(jié)施工的影響范圍，取凍脹影響圈徑為80 m；同時(shí)為提高計(jì)算精度，對(duì)凍結(jié)管周圍及井幫處進(jìn)行網(wǎng)格加密，同時(shí)對(duì)于規(guī)則的井壁選用更為合理的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。共劃分190 392個(gè)四邊形單元，以及198 942個(gè)結(jié)點(diǎn)。

(a) 工程計(jì)算模型

(b) 井壁網(wǎng)格劃分

② 荷載及初邊值條件

溫度場(chǎng)設(shè)置：凍結(jié)管溫度按工程實(shí)測(cè)中的凍結(jié)器溫度選??；初始溫度場(chǎng)按井壁修復(fù)工程開(kāi)始凍結(jié)時(shí)的實(shí)際溫度場(chǎng)設(shè)定(約28 ℃)。同時(shí)出于簡(jiǎn)化模型計(jì)算的考慮，設(shè)置既有井壁內(nèi)表面與水接觸處的散熱系數(shù)為0.54 W/(m2· ℃)[18]，根據(jù)工程實(shí)際抽水測(cè)溫得知，水源溫度為10 ℃左右。

應(yīng)力場(chǎng)設(shè)置：根據(jù)重液公式計(jì)算永久水平地壓P=0.013H，則-300 m層位的初始水平應(yīng)力為3.9 MPa，-450 m層位的初始水平應(yīng)力為5.85 MPa；取側(cè)壓力系數(shù)γ=μ/(1-μ)=0.538 5，故-300 m層位初始豎向應(yīng)力為7.24 MPa，-450 m層位初始豎向應(yīng)力為10.86 MPa。土體外邊界約束法向位移。

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

① 瞬態(tài)溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的合理性，提取模型測(cè)溫孔位置處的節(jié)點(diǎn)溫度，并選取-450 m層位處測(cè)溫孔的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(圖5)，其中C1測(cè)溫孔位于外圈管外側(cè)，C2測(cè)溫孔位于兩圈管之間，C6測(cè)溫孔位于內(nèi)圈管內(nèi)側(cè)。

如圖5所示，3個(gè)測(cè)溫孔的溫降曲線數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，其誤差絕對(duì)值均小于5%，而在凍結(jié)初期受實(shí)際工程中施工熱擾動(dòng)等的影響，溫度偏差較大，但均不超過(guò)2.5 ℃，這說(shuō)明數(shù)值計(jì)算得到的瞬態(tài)凍結(jié)溫度場(chǎng)可較為真實(shí)地反映工程實(shí)際情況，這也將作為應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)。

(a) C1測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)與模擬對(duì)比

(b) C2測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)與模擬對(duì)比

(c) C6測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)與模擬對(duì)比

井壁凍結(jié)修復(fù)期間-300 m和-450 m層位凍結(jié)壁發(fā)展?fàn)顩r如圖6所示。①-450 m層位于94 d交圈，交圈時(shí)井幫(井壁與土體交界面處)平均溫度為-1.28 ℃；-300 m層位滯后22 d于116 d交圈，交圈時(shí)井幫平均溫度為3.15 ℃。凍結(jié)60、172 d時(shí)，-450 m層位井幫平均溫度為4.43 ℃、-17.75 ℃，同時(shí)期-300 m層位井幫平均溫度為11.62 ℃、-2.74 ℃。②凍結(jié)94 d時(shí)，-450 m層位凍結(jié)壁平均溫度為-13.97 ℃，凍結(jié)116 d時(shí)，-300 m層位凍結(jié)壁平均溫度為-11.64 ℃；凍結(jié)172 d時(shí)，-450 m層位凍結(jié)壁平均溫度為-21.53 ℃，同時(shí)期-300 m層位凍結(jié)壁平均溫度為-16.33 ℃，較-450 m層位高5.2 ℃。③凍結(jié)94 d時(shí)，-450 m層位凍結(jié)壁平均厚度為5.11 m；凍結(jié)116 d時(shí)，-300 m層位凍結(jié)壁平均厚度4.13 m。凍結(jié)172 d時(shí)，-450 m層位凍結(jié)壁平均厚度為6.02 m，同時(shí)期-300 m層位凍結(jié)壁平均厚度為5.07 m，較-450 m層位薄0.95 m。同時(shí)期，-300 m層位的井幫溫度、凍結(jié)壁平均厚度及平均溫度均明顯低于-450 m層位，這表明差異凍結(jié)技術(shù)可以顯著減小凍結(jié)壁向內(nèi)發(fā)展的速度，達(dá)到了預(yù)期的凍結(jié)控制目的。

圖6 凍結(jié)溫度場(chǎng)云圖Fig.6 Freezing temperature field nephogram

② 應(yīng)力場(chǎng)發(fā)展規(guī)律

將節(jié)點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果減去初始地應(yīng)力即為凍脹力，后文所述凍脹力均為既有井壁與土體交界面處節(jié)點(diǎn)的徑向應(yīng)力。分別提取-300 m鈣質(zhì)黏土層以及-450 m粉質(zhì)黏土層距離該立井井筒中心r=4.65 m(井幫)界面處節(jié)點(diǎn)的凍脹力，繪制不同方位上的凍脹力分布狀況如圖7所示，及平均凍脹力時(shí)間歷程曲線如圖8所示；同時(shí)將兩層位在東、北偏東30°、北偏西6°、北偏西45°、南偏西45°、南偏東15°六個(gè)特征方位上的凍脹力數(shù)據(jù)整理見(jiàn)表5。

圖7及表5結(jié)果表明：①粉質(zhì)、鈣質(zhì)黏土層凍脹力呈現(xiàn)出類同心圓的發(fā)展趨勢(shì)，且由于凍結(jié)孔在實(shí)際成孔的過(guò)程中存在偏斜，兩層凍脹力存在顯著的不均勻性，最大凍脹力主要出現(xiàn)在東北側(cè)、西北側(cè)、南側(cè)、西南側(cè)。②在整個(gè)積極凍結(jié)期內(nèi)，-300 m層位井幫處的凍脹力較小，最大不超過(guò)0.70 MPa，占初始地應(yīng)力的17.94%，而-450 m層位的凍脹力較大，最大值為2.43 MPa，占初始地應(yīng)力的41.54%，可見(jiàn)局部差異凍結(jié)技術(shù)可以有效避免凍土凍脹力對(duì)既有井壁的不利影響。③凍結(jié)94 d時(shí)，差異凍結(jié)層位與全深凍結(jié)層位在北偏東30°、北偏西6°、北偏西45°、南偏西45°、南偏東15°方位上的井幫凍脹力差值分別為 0.167、 0.138、 0.133、 0.215、 0.322 MPa。凍結(jié)172 d時(shí)，30°、北偏西6°、北偏西45°、南偏西45°、南偏東15°方位上的井幫凍脹力差值分別為1.757、1.771、1.672、1.803、1.779 MPa。可見(jiàn)在整個(gè)積極凍結(jié)期內(nèi)，-300 m層位的凍脹力始終小于-450 m層位，凍結(jié)控制效果顯著，采取局部差異凍結(jié)技術(shù)能有效減弱土體凍脹對(duì)既有井壁的影響，避免完好的井壁由于凍結(jié)施工產(chǎn)生二次破壞。

差異凍結(jié)層位與全深凍結(jié)層位在北偏東

(a) -300 m層位

(b) -450 m層位

圖8 既有井壁與土體交界面處凍脹力的時(shí)間歷程曲線Fig.8 Time-history curve of frost heaving force at the interface between the existing shaft wall and soil

表5 特征方向上的凍脹力Tab.5 Frost heaving force in characteristic positions

由圖8可以看出,① 0～30 d時(shí)，-300 m層位與-450 m層位的凍脹力幾乎為0，這主要是因?yàn)閮鼋Y(jié)管內(nèi)的鹽水溫度還未降至指定溫度，凍結(jié)壁正在緩慢形成。② 30 d至各層位凍結(jié)壁交圈前(-300 m層位為30～116 d, -450 m層位為30～94 d)，兩層位的凍脹力呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。在各層位交圈后的14 d內(nèi)有一段近似階躍性的增長(zhǎng)，其后凍脹力增長(zhǎng)速度放緩，最終基本趨于穩(wěn)定。③凍結(jié)172 d時(shí)，-450 m層位凍脹力達(dá)2.35 MPa，-300 m層位凍脹力為0.58 MPa，約為-450 m層位的1/4。

3.4 井壁安全性評(píng)價(jià)

凍結(jié)法施工會(huì)直接影響混凝土的強(qiáng)度發(fā)展、變形與裂縫，因此既有井壁的安全性綜合凍脹力和混凝土應(yīng)變測(cè)值進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中混凝土應(yīng)變是井壁安全性評(píng)價(jià)的最直接指標(biāo)。

對(duì)數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行后處理，井壁等效應(yīng)力結(jié)果如圖9所示。-300 m層位和-450 m層位的最值結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表6。將既有井壁混凝土等效應(yīng)力與其混凝土強(qiáng)度進(jìn)行比較，對(duì)既有井壁的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖9 井壁等效應(yīng)力結(jié)果Fig.9 Von Mises stress of the shaft wall

表6 兩層位井壁安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果Tab.6 Results of safety evaluation indicators at two layers

由圖9及表6可知：①井壁等效應(yīng)力隨凍結(jié)時(shí)間的發(fā)展規(guī)律與凍脹力發(fā)展規(guī)律完全吻合。在凍結(jié)初期，井壁的應(yīng)力未受到凍結(jié)施工的影響，兩層位井壁應(yīng)力均由初始地應(yīng)力引起；隨著凍結(jié)施工的進(jìn)行，-300 m層位井壁混凝土等效應(yīng)力增長(zhǎng)緩慢，而-450 m層位增長(zhǎng)較快。②對(duì)比兩個(gè)層位井壁混凝土的等效應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，至凍結(jié)172 d，-300 m層位的最大等效應(yīng)力為9.31 MPa，約為同時(shí)期-450 m層位的49.97%。且-300 m層位的井壁應(yīng)力增長(zhǎng)明顯小于-450 m層位，約為3.28 MPa。然兩層位混凝土等效應(yīng)力均未超過(guò)C60混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值38.5 MPa，既有井壁是安全的。這表明本工程局部差異凍結(jié)達(dá)到了預(yù)期目的，局部差異凍結(jié)可以有效的減弱土體凍脹對(duì)完好井壁的影響。③在板集副井內(nèi)層鋼板高強(qiáng)鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)中，混凝土環(huán)向應(yīng)變較大。-300 m層位混凝土的環(huán)向應(yīng)變?yōu)?125.54 με，-450 m層位為-355.83 με，均遠(yuǎn)小于C60的極限應(yīng)變值，說(shuō)明在凍結(jié)修復(fù)過(guò)程中，既有井壁始終處于彈性受力狀態(tài)，符合設(shè)計(jì)要求，凍結(jié)修復(fù)期間井壁結(jié)構(gòu)并未開(kāi)裂，安全可靠。

4 結(jié)論

① 板集煤礦副井井壁破損和突水修復(fù)工程采用了沿著深度方向進(jìn)行局部差異凍結(jié)的修復(fù)方案。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫孔的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及土體的物理力學(xué)參數(shù)，采用凍結(jié)孔的終偏位置進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)凍結(jié)過(guò)程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析。溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果表明，-300 m層位交圈時(shí)間較-450 m層位晚22 d；凍結(jié)172 d時(shí)，兩層位凍結(jié)壁平均厚度均達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，且-300 m層位凍結(jié)壁平均溫度較-450 m層位高5.2 ℃，井幫溫度較-450 m層位高15.01 ℃，這表明差異凍結(jié)技術(shù)可以顯著減小凍結(jié)壁向內(nèi)發(fā)展速度。

② 在整個(gè)凍結(jié)期內(nèi)，凍脹力隨著凍結(jié)施工的進(jìn)行而增大，土體的凍脹對(duì)既有井壁會(huì)產(chǎn)生一定的影響。兩層位凍脹力呈現(xiàn)出類同心圓發(fā)展形式，且凍脹力的發(fā)展有明顯的不均勻性。其中，-300 m層位的凍脹力增長(zhǎng)緩慢，且增長(zhǎng)較小，172 d時(shí)凍脹力占初始地應(yīng)力的17.94%。-450 m層位井幫處的凍脹力增長(zhǎng)迅猛，172 d時(shí)凍脹力占初始地應(yīng)力的41.54%。井幫處凍脹力自凍結(jié)30 d時(shí)呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，在交圈后的14 d內(nèi)有階躍性增長(zhǎng)，其后凍脹力增長(zhǎng)速度放緩，最終基本趨于穩(wěn)定。

③ 數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，在板集煤礦副井井壁結(jié)構(gòu)凍結(jié)修復(fù)過(guò)程中，既有井壁混凝土的環(huán)向應(yīng)變較大。-300 m層位混凝土的環(huán)向應(yīng)變?yōu)?125.54 με，-450 m層位為-355.83 με，遠(yuǎn)小于C60混凝土極限應(yīng)變值；井壁混凝土最大等效應(yīng)力為18.63 MPa，低于C60混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，凍結(jié)修復(fù)過(guò)程中井壁結(jié)構(gòu)安全可靠。