孫佳SUN Jia；徐興保XU Xing-bao

（①北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；②萊州市瑞海礦業(yè)有限公司，萊州 261442）

1 工程概況

萊州市瑞海礦業(yè)有限公司礦區(qū)位于萊州市北部，西南毗鄰三山島金礦，行政區(qū)隸屬萊州市管轄，與新建的萊州港為鄰，從萊州港可直達(dá)龍口、煙臺(tái)、天津、大連港水陸交通極為方便。斜坡道（-7～-820m）建設(shè)工程凈斷面為4.5m×3.8m，總長(zhǎng)度約6.5km，表土段總長(zhǎng)約265m。斜坡道頂部為第四系土層，淺部為基巖風(fēng)化帶，上、中部為變輝長(zhǎng)巖，針對(duì)地層頂部的第四系松散堆積物巖段，宜采用冷凍法加固地層。表土段凍結(jié)段主要為U 型鋼支架支護(hù)和鋼筋混凝土支護(hù)，正常段主要為噴砼支護(hù)和錨網(wǎng)噴砼支護(hù)兩種。

2 地質(zhì)特征

2.1 地層條件

礦區(qū)巖性比較單一，除上部均分布有第四系松散巖層外，礦床及周圍主要分布有二長(zhǎng)花崗巖和構(gòu)造蝕變巖，綜合考慮各巖層的儲(chǔ)水方式，水力特征、富水性、所處位置以及對(duì)礦床開(kāi)采的影響等因素，將礦區(qū)的各巖層（體）劃分為第四系松散巖類孔隙含水層、基巖風(fēng)化裂隙含水層、構(gòu)造裂隙含水層三類。

①第四系松散巖類孔隙含水層：在礦區(qū)廣泛分布，主要由中細(xì)砂組成，局部地段出現(xiàn)粗砂及礫石，厚度20～45m不等，水位與海平面一致。滲透系數(shù)1.91～117.46m/d，富水性差異大，該含水層主要接受海水補(bǔ)給。

②基巖風(fēng)化裂隙含水層：主要分布在三山島斷裂的上盤，巖性為變輝長(zhǎng)巖和二長(zhǎng)花崗巖，含弱承壓水。風(fēng)化層厚度一般為3～15m，最厚52.18m。根據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)資料，單位涌水量0.001～0.0021L/s·m，礦化度22.9～23.19g/L，該含水層頂板為第四系粉質(zhì)粘土層，底板主要為二長(zhǎng)花崗巖和變輝長(zhǎng)巖，頂板與底板皆具良好的隔水作用。

③構(gòu)造裂隙含水層：主要沿三山島斷裂帶及影響帶分布，主要由構(gòu)造蝕變巖組成，垂直厚度100～200m，斜深大于1700m。巖石中裂隙較發(fā)育，裂隙頻率3～7 條/m，多為閉合裂隙，富水性、透水性差，滲透系數(shù)0.0007～0.0049m/d，屬弱富水含水層。具明顯的承壓水特征，水位埋深一般小于10m，淺部隔水頂板為第四系底部粉質(zhì)粘土層，深部主斷面附近隔水頂板為完整二長(zhǎng)花崗巖，含水層與非含水層間沒(méi)有明顯的界線，呈過(guò)渡關(guān)系。

2.2 工程特點(diǎn)

根據(jù)井檢孔柱狀圖及相關(guān)資料，該項(xiàng)目實(shí)施具有以下特點(diǎn)：

①根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，斜坡道土體結(jié)冰溫度在-5℃左右，結(jié)冰溫度較常規(guī)地層低，因此凍結(jié)設(shè)計(jì)時(shí)需采取針對(duì)性措施；

②第四系孔隙水與海水有直接的水力聯(lián)系，受到潮汐、海浪和海流的影響，且頂部的松散堆積物含水層組，以砂土為主，部分粘性土，滲透性較強(qiáng)，該含水層組處于地下水位浮動(dòng)帶，水位及水量變化大，對(duì)凍結(jié)壁交圈影響較大；

③斜坡道位于岸邊水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)，地下水抽吸量大，造成沿岸地下水位比海平面低，受養(yǎng)殖抽吸影響明顯，地下水位變化較大。由于周邊抽水井不間斷的進(jìn)行抽水，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反映，第四系兩個(gè)主要含水砂層的地下水流速較大，遠(yuǎn)超過(guò)5m/d，對(duì)凍結(jié)壁交圈影響較大；

④傳統(tǒng)凍結(jié)法施工的斜坡道工程由于保溫措施不到位，容易將開(kāi)挖范圍凍實(shí)，同時(shí)為防止凍結(jié)壁融化，割除的凍結(jié)管需要恢復(fù)凍結(jié)，對(duì)掘進(jìn)速度影響較大。

3 凍結(jié)加固設(shè)計(jì)

3.1 凍結(jié)加固設(shè)計(jì)原則

為實(shí)現(xiàn)凍結(jié)壁快速交圈，斜坡道盡早開(kāi)挖，凍結(jié)加固設(shè)計(jì)遵循以下原則：

①凍結(jié)深度、凍結(jié)壁厚度、安全掘進(jìn)段高、凍結(jié)制冷工藝設(shè)計(jì)以及工期分析都必須將“凍結(jié)與掘砌”有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，統(tǒng)籌兼顧；

②在合理工期內(nèi)必須形成有效的凍結(jié)壁，掘砌至任意水平時(shí)凍結(jié)壁厚度及強(qiáng)度均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求；

③凍結(jié)壁厚度與強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，以砂層滿足強(qiáng)度極限狀態(tài)為條件，控制凍結(jié)壁變形；

④凍結(jié)孔布置在滿足凍結(jié)壁厚度及強(qiáng)度要求下，還要實(shí)現(xiàn)凍土不進(jìn)開(kāi)挖范圍內(nèi)，同時(shí)凍結(jié)管割除后不需要再進(jìn)行恢復(fù)凍結(jié)的要求；

⑤采用降低鹽水溫度、加大鹽水流量、降低井幫溫度等措施，以加快凍結(jié)壁交圈速度，降低凍結(jié)壁平均溫度；

⑥采用新工藝、新設(shè)備及自動(dòng)化、信息化施工技術(shù)，為施工提供可靠的技術(shù)保障；

⑦通過(guò)合理安排不同排凍結(jié)孔開(kāi)停時(shí)間等措施，降低工程成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。

3.2 凍結(jié)壁設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)斜坡道傾向穿入地層特點(diǎn)，控制層底板深度取為42.92m。垂直于井筒頂板最大壓力按“淺埋峒室松動(dòng)壓力的巖柱理論公式”計(jì)算得出頂板壓力為0.977MPa；兩幫側(cè)壓力按重液公式進(jìn)行計(jì)算得出為0.60MPa，底板壓力按承受水壓進(jìn)行計(jì)算得出為0.49MPa。凍結(jié)壁平均溫度取值為-15℃，凍土允許抗壓強(qiáng)度為2.5MPa。

基于以上參數(shù)，各凍結(jié)段均采用無(wú)限長(zhǎng)厚壁筒彈性理論拉麥公式進(jìn)行凍結(jié)壁厚度計(jì)算：

式中：E 為凍結(jié)壁厚度，m；P 為地壓，MPa；R 為井筒掘進(jìn)半徑，m；K 為凍土允許抗壓強(qiáng)度，MPa。

計(jì)算得出頂板厚度為1m，側(cè)幫厚度為1.3m，底板厚度為0.9m。通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果，結(jié)合數(shù)值仿真計(jì)算分析，并綜合斜井井筒凍結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，考慮頂板及底板凍結(jié)孔割除后，凍結(jié)壁能保證支護(hù)安全，最終確定凍結(jié)壁頂板厚度為6.0m，側(cè)幫厚度為2.4m，底板厚度為6.0m。

3.3 凍結(jié)孔施工

①根據(jù)相關(guān)地層資料及凍結(jié)壁厚度計(jì)算情況，采用在地面打豎直孔方案，鉆孔深度由淺入深，最淺孔為13.30m，最深孔為48.92m（所有鉆孔深度均以地表+0.00m計(jì)算），凍結(jié)孔的深度應(yīng)比所在斜坡道下部開(kāi)挖范圍向下延伸6m。

②孔位標(biāo)定孔間距允許誤差±2mm；開(kāi)孔孔位允許偏差不大于±20mm，每個(gè)鉆孔施工前，必須實(shí)測(cè)孔口標(biāo)高，而后與井口標(biāo)高進(jìn)行校核計(jì)算，最終確定鉆孔深度。

③凍結(jié)孔最大孔間距：外排孔≤1.6m，中排孔≤2.2m，測(cè)溫孔、水文孔偏斜率≤3‰。

3.4 凍結(jié)需冷量計(jì)算和設(shè)備選型

3.4.1 需冷量計(jì)算

設(shè)計(jì)凍結(jié)管鹽水單孔流量為6～8m3/h，由于采用加大凍結(jié)管鹽水流量等技術(shù)措施，使凍結(jié)期內(nèi)凍結(jié)管散熱能力大大提高，所以本設(shè)計(jì)凍結(jié)管散熱系數(shù)取為250kcal/m2·h，同時(shí)考慮20%的冷量損失。根據(jù)公式Q=1.2πdHn，計(jì)算得出第一段最大需冷量為64.3×104kcal/h，第二段最大需冷量為78.4×104kcal/h，第三段最大需冷量為87.6×104kcal/h，不考慮錯(cuò)峰施工的最大需冷量為230.3×104kcal/h。

3.4.2 凍結(jié)制冷設(shè)備選型

基于設(shè)備制冷能力及最大需冷量計(jì)算結(jié)果，可選取5臺(tái)型號(hào)LG25L20M 的冷凍機(jī)，在低溫工況下，凍結(jié)站總裝機(jī)容量為340×104kcal/h，配套選用QEF240/800 型蒸發(fā)器5 臺(tái)，相應(yīng)配備SWL-1620 型冷凝器6 臺(tái)。冷凍站選用12SH-9B 型鹽水泵2 臺(tái)，10SH-6A 型鹽水泵2 臺(tái)。

3.4.3 其他管路及設(shè)備選擇

斜坡道凍結(jié)孔管材：上部非凍結(jié)段選用φ108×4.5mm低碳鋼無(wú)縫鋼管，下部?jī)鼋Y(jié)段選用φ127×5mm 低碳鋼無(wú)縫鋼管，保溫段外管選用φ159 鋼管。凍結(jié)管每3 根串聯(lián)為一組，具體串聯(lián)按照間隔插花布置形式。

測(cè)溫孔、水文孔、保溫管管材均選φ108×4.5mm 低碳鋼無(wú)縫鋼管；供液管均選用φ62×6mm 聚乙烯塑料軟管；鹽水干管選用Ф426×10mm 無(wú)縫鋼管。

4 數(shù)值模擬

4.1 數(shù)值模型

第四系砂土層內(nèi)環(huán)境較為復(fù)雜，影響凍結(jié)溫度場(chǎng)因素較多，為簡(jiǎn)化模擬過(guò)程，在溫度場(chǎng)模擬中做如下假設(shè)：

①凍土及未凍土為均質(zhì)、各向同性材料；②凍結(jié)管與測(cè)溫管在保溫層段無(wú)偏斜；③凍結(jié)孔開(kāi)孔位置按設(shè)計(jì)布置，未發(fā)生偏移；④凍結(jié)管壁溫度等于鹽水溫度。

利用有限元軟件ANSYS 建立計(jì)算模型。為提高計(jì)算精度，靠近凍結(jié)管區(qū)域以及凍土發(fā)展范圍內(nèi)的土體進(jìn)行網(wǎng)格加密，提高計(jì)算精度，遠(yuǎn)離凍結(jié)管的區(qū)域，減小網(wǎng)格密度，有限元模型如圖1、圖2 所示。

圖1 整體有限元模型

圖2 凍結(jié)管與隧道空間位置圖

鹽水降溫計(jì)劃：7d 內(nèi)溫度降至-18℃，15d 內(nèi)溫度降到-24℃，開(kāi)挖構(gòu)筑前溫度降至-28℃，凍土和原狀土的熱物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 原狀土/凍土熱物理參數(shù)表

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果

為直觀了解出斜井凍結(jié)溫度場(chǎng)的發(fā)展情況，選取20d、30d、40d、55d 時(shí)的凍結(jié)溫度場(chǎng)云圖，如圖3。圖3 可以看出凍結(jié)前期，凍結(jié)管與周圍土體熱交換明顯，在凍結(jié)管周圍形成凍土圓柱；隨時(shí)間增長(zhǎng)，凍土圓柱逐漸擴(kuò)大并交圈，直到形成連續(xù)的凍結(jié)壁；凍結(jié)后期，熱交換區(qū)域平衡，凍結(jié)壁發(fā)展緩慢。凍結(jié)55d 時(shí)，凍結(jié)壁厚度達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。

圖3 數(shù)值仿真計(jì)算模擬凍結(jié)凍結(jié)壁形成情況

5 結(jié)語(yǔ)

斜坡道凍結(jié)工程，地質(zhì)條件復(fù)雜、工程量大，地層沉降控制要求較高。本工程針對(duì)項(xiàng)目特點(diǎn)，提出凍結(jié)壁設(shè)計(jì)原則，確保在凍結(jié)壁保護(hù)下，掘進(jìn)施工過(guò)程中地層變形符合設(shè)計(jì)要求。

該凍結(jié)壁設(shè)計(jì)方法具有通用性，對(duì)相鄰地區(qū)及相似地層工程凍結(jié)設(shè)計(jì)有一定的借鑒和參考意義。