陳 駿,張 祥,王千星,趙康普
(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;2.中建港務(wù)建設(shè)有限公司,上海 200433)
人工凍結(jié)法是煤礦井筒建設(shè)中常用的一種特殊鑿井技術(shù),目前已成功應(yīng)用于國內(nèi)各大礦區(qū),積累了豐富的施工經(jīng)驗(yàn)[1-4]。在煤礦井筒穿越深厚表土層、富水基巖層和各類破碎巖層時(shí),通常采用豎直孔凍結(jié)方式將井筒周圍地層冷凍至低溫狀態(tài),待工程結(jié)束后再解凍恢復(fù)。但是,當(dāng)豎直孔凍結(jié)方式應(yīng)用于斜井施工時(shí)需要占用大量地表土地,施工方案不夠經(jīng)濟(jì)。尤其是在施工過程中,必須關(guān)閉井筒開挖范圍內(nèi)的鹽水循環(huán),不利于凍結(jié)壁頂、底板的安全;而且,斜井施工作業(yè)方式與立井顯著不同,掘砌過程中長期存在空幫現(xiàn)象,井內(nèi)空氣流動(dòng)和溫差削弱了凍結(jié)壁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。由于現(xiàn)階段傾斜孔鉆孔技術(shù)尚不能滿足凍結(jié)孔與斜井掘進(jìn)方向保持一致的技術(shù)要求,導(dǎo)致長距離的傾斜孔斜井凍結(jié)方案無法實(shí)施而不得不使用豎直孔凍結(jié)方案,造成能源和材料的極大浪費(fèi),也限制了人工凍結(jié)法在斜井中的應(yīng)用和發(fā)展[5,6]。
模型實(shí)驗(yàn)通過模擬實(shí)際工程技術(shù)難題,采用適當(dāng)?shù)南嗨票?,用?shí)驗(yàn)的方法獲得一些不易在現(xiàn)場得到的關(guān)鍵數(shù)據(jù),是解決工程經(jīng)驗(yàn)不足、設(shè)計(jì)方案缺乏等問題的最佳方法之一。崔廣心等[7,8]采用模型試驗(yàn)的方法研究了凍結(jié)壁形成階段、井壁掘砌階段的溫度和厚度變化規(guī)律,通過多次試驗(yàn)得到影響凍結(jié)壁變形的關(guān)鍵因素,獲得回歸方程。吳紫汪等[9]同樣采用模型試驗(yàn)的方法分析了凍結(jié)壁變形與凍結(jié)壁高度、偏應(yīng)力和平均溫度的關(guān)系。張緒忠[10]建立了滲流水作用下雙孔凍結(jié)的模型試驗(yàn)系統(tǒng),測試了凍結(jié)溫度場受凍結(jié)管間距、水流速度、鹽水流量和鹽水溫度4個(gè)因素的影響關(guān)系。李巖[11]基于現(xiàn)場實(shí)際工程設(shè)計(jì)了豎向直排凍結(jié)下的斜井施工模型試驗(yàn),采用理論分析獲得了模型中溫度場分布和凍脹力變化的計(jì)算方法,并對(duì)計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。石榮劍[12]針對(duì)盾構(gòu)地中對(duì)接凍結(jié)加固工程設(shè)計(jì)了模型實(shí)驗(yàn),分析了凍結(jié)過程中地層溫度場的分布規(guī)律。由于地下工程施工的特殊性,凍結(jié)壁在未知的地下環(huán)境中面臨復(fù)雜的地下水滲流影響和地應(yīng)力影響[13-15],硐室開挖導(dǎo)致強(qiáng)烈的應(yīng)力擾動(dòng)和大體積混凝土澆筑造成的水化熱也考驗(yàn)著凍結(jié)壁的穩(wěn)定性。對(duì)這些工程難點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的模型實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)了現(xiàn)場測試的不足、改善了小型試樣力學(xué)實(shí)驗(yàn)的缺陷,可以更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐。
本文基于直墻半圓拱形凍結(jié)壁彈塑性設(shè)計(jì)理論[16],在實(shí)驗(yàn)室建立了豎直孔和傾斜孔兩種凍結(jié)形式的三維實(shí)驗(yàn)?zāi)P停M了兩種凍結(jié)形式下凍結(jié)壁處于積極凍結(jié)期、維護(hù)凍結(jié)期及解凍狀態(tài)下的溫度場分布規(guī)律。對(duì)比分析斜井凍結(jié)壁的擴(kuò)展和解凍規(guī)律,分別評(píng)價(jià)兩種形式下凍結(jié)壁的溫度性,為開展斜井傾斜孔凍結(jié)工業(yè)性試驗(yàn)提供指導(dǎo)。
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自行研發(fā)的三維礦山建設(shè)地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[17,18](圖1),模型邊界載荷最大為5MPa,最大尺寸2m×2m×1.2m(高×寬×深)。斜井凍結(jié)模型實(shí)驗(yàn)采用直墻半圓拱形斷面,井筒實(shí)際尺寸為上半圓外半徑3.2m,直墻高2.4m,開挖斷面反底拱半徑7m,井筒埋深100m,斜井傾角20°。凍結(jié)管為?159mm×5mm低碳無縫鋼管。實(shí)驗(yàn)中豎直孔和傾斜孔凍結(jié)方案采用相同的實(shí)驗(yàn)材料和環(huán)境,只是凍結(jié)管布置形式不同,基于相似準(zhǔn)則推導(dǎo)得到模型實(shí)驗(yàn)各參數(shù)相似比見表1。
圖1 三維礦建模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
表1 模型實(shí)驗(yàn)各參數(shù)相似比
實(shí)驗(yàn)采用CaCl2溶液作為制冷介質(zhì),設(shè)計(jì)鹽水溫度為-20℃。土體選用細(xì)砂模擬實(shí)際工程中砂質(zhì)地層,實(shí)驗(yàn)前過4mm篩網(wǎng),設(shè)計(jì)含水率為w=18%。兩組實(shí)驗(yàn)原型參數(shù)和凍結(jié)參數(shù)見表2。
表2 斜井凍結(jié)模型實(shí)驗(yàn)中材料原型和模型參數(shù)
凍結(jié)壁的溫度和厚度是凍結(jié)法施工的核心指標(biāo)。斜井凍結(jié)中傾斜孔施工方案與立井豎直孔凍結(jié)施工方案類似,其目的是建設(shè)圍繞井筒的穩(wěn)定凍結(jié)壁以保障掘進(jìn)作業(yè)安全,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)傾斜孔凍結(jié)采用單圈凍結(jié)管布置方案,如圖2所示。溫度測點(diǎn)布置在2個(gè)斷面,頂、底及兩幫4個(gè)方向,主要監(jiān)測凍結(jié)壁的發(fā)展速度和厚度,如圖3所示。
圖2 傾斜孔凍結(jié)方案(mm)
圖3 傾斜孔凍結(jié)中溫度測點(diǎn)布置(mm)
目前廣泛應(yīng)用的豎直孔凍結(jié)方案,由于其部分凍結(jié)管直接穿越井筒開挖部分的土層(圖4),在施工過程中需要將這部分凍結(jié)管截?cái)?。缺少低溫鹽水的持續(xù)循環(huán),井筒開挖后頂、底板將面臨很大的解凍風(fēng)險(xiǎn),對(duì)井筒安全快速施工造成威脅。因此在實(shí)驗(yàn)中布置3組溫度測點(diǎn):①監(jiān)測豎直孔方案中凍結(jié)全程頂、底板溫度沿水平方向變化的測點(diǎn)H-2和H-4;②從兩個(gè)斷面監(jiān)測開挖前后井幫溫度沿水平方向變化的H-1/H-3和H-5/H-6;③監(jiān)測一側(cè)井幫凍結(jié)壁溫度沿豎直方向變化的V-1—V-3,如圖5所示。其中各組溫度測點(diǎn)為自制銅-康銅熱電偶串內(nèi)含多個(gè)溫度測點(diǎn),采用TDS-530數(shù)據(jù)采集儀連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行溫度采集。
圖4 豎直孔凍結(jié)方案
圖5 豎向凍結(jié)熱電偶測點(diǎn)布置圖
人工凍結(jié)法施工一般包含:積極凍結(jié)期、維護(hù)凍結(jié)期和解凍期。在積極凍結(jié)期凍結(jié)站低溫運(yùn)行,土層溫度逐漸降低。實(shí)驗(yàn)中,積極凍結(jié)期持續(xù)120h(圖6),直至溫度測點(diǎn)滿足設(shè)計(jì)要求,凍結(jié)壁最終實(shí)現(xiàn)交圈。隨后凍結(jié)過程轉(zhuǎn)入維護(hù)凍結(jié)期,此階段凍結(jié)溫度保持恒定,井筒開始掘進(jìn)作業(yè)。隨掘進(jìn)作業(yè)持續(xù)進(jìn)行,井壁凍土解凍范圍應(yīng)保持在可控范圍內(nèi)。特別對(duì)于豎直孔凍結(jié)掘進(jìn),巷道掘進(jìn)范圍內(nèi)布置有3根凍結(jié)管。當(dāng)掘進(jìn)至凍結(jié)管附近時(shí),預(yù)先停止鹽水循環(huán),通過循環(huán)系統(tǒng)排空管內(nèi)殘余鹽水。凍結(jié)管完全露出后采用機(jī)械切斷,對(duì)上下兩端露出部分進(jìn)行保護(hù),然后繼續(xù)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)。實(shí)驗(yàn)中,維護(hù)凍結(jié)期持續(xù)48h,在此階段分別對(duì)兩種凍結(jié)方式下的凍結(jié)壁逐級(jí)施加荷載并開挖井筒,加載方式如圖7所示。
圖6 傾斜孔凍結(jié)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)出液凍結(jié)管管道溫度變化規(guī)律
圖7 凍結(jié)斜井開挖模型加載過程
采用兩種凍結(jié)方式進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),在積極凍結(jié)期即表現(xiàn)出顯著的溫度場差異如圖8所示。傾斜孔凍結(jié)方案直接對(duì)井筒周邊土層進(jìn)行凍結(jié),凍結(jié)管布設(shè)在擬凍結(jié)土層中間,當(dāng)每根凍結(jié)管的制冷范圍互相重疊,凍結(jié)壁達(dá)到設(shè)定溫度和厚度后,即可開展掘進(jìn)作業(yè)。合理的施工組織和凍結(jié)溫度甚至允許在井筒開挖范圍內(nèi)的土層完全凍實(shí)前,就可以開始掘進(jìn)以加快施工進(jìn)度。實(shí)驗(yàn)中,降溫范圍沿凍結(jié)管中心逐步擴(kuò)大,井筒內(nèi)降溫速度明顯大于凍結(jié)壁外側(cè)降溫速度。而豎直孔凍結(jié)方案對(duì)凍結(jié)壁部分和井筒部分的全部土層進(jìn)行凍結(jié),在實(shí)際的施工中,斜井井筒埋深逐漸增加,凍結(jié)范圍甚至包括地表至井筒的上覆土層,而且凍結(jié)作業(yè)必須保證井筒底板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度和溫度后才可以進(jìn)行掘進(jìn)。實(shí)驗(yàn)中,凍結(jié)溫度場沿井筒開挖軸線對(duì)稱分布,隨凍結(jié)時(shí)間增加溫度逐漸降低、凍結(jié)范圍逐漸擴(kuò)大,溫度場分布符合凍結(jié)壁設(shè)計(jì)和成形理論。
圖8 積極凍結(jié)期井筒水平方向測點(diǎn)溫度(斷面1)
最終,根據(jù)各溫度測點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù),繪制得到不同凍結(jié)方式斜井凍結(jié)壁溫度場分布如圖9所示。由圖9可見,凍結(jié)壁形態(tài)穩(wěn)定均滿足開挖要求,但豎直孔凍結(jié)形成更大規(guī)模的凍結(jié)壁,易造成更多能源浪費(fèi)。此外,凍結(jié)管布設(shè)方式導(dǎo)致起始凍結(jié)位置不同將造成不同的凍脹應(yīng)力,由凍脹應(yīng)力形成的凍結(jié)應(yīng)力場對(duì)井筒開挖和井壁受力有深遠(yuǎn)的影響,是該領(lǐng)域的研究難點(diǎn)。兩種凍結(jié)方式形成的凍結(jié)壁形式在應(yīng)力作用下的受力狀態(tài)和穩(wěn)定性仍需更多研究驗(yàn)證。
圖9 積極凍結(jié)期結(jié)束時(shí)凍結(jié)壁溫度場分布
為盡可能的模擬實(shí)際施工過程,在維護(hù)凍結(jié)期內(nèi)采用風(fēng)鎬等工具分段完成了井筒的開挖過程。整個(gè)掘進(jìn)過程分6段進(jìn)行,每段掘進(jìn)100mm,期間兩種凍結(jié)壁溫度場變化規(guī)律分別如圖10、圖11所示。
圖10 傾斜孔凍結(jié)中掘進(jìn)深度250mm時(shí)溫度分布
圖11 豎直孔凍結(jié)方案開挖過程中凍結(jié)壁解凍溫度場分布規(guī)律
在傾斜孔凍結(jié)方案中,隨著開挖過程的推進(jìn),凍結(jié)壁內(nèi)溫度逐漸升高,當(dāng)開挖至300mm時(shí),暴露出的井內(nèi)測點(diǎn)溫度迅速升高,當(dāng)井筒繼續(xù)開挖至400mm時(shí),井幫溫度有了明顯的提高,升幅在3~4℃,后續(xù)開挖作業(yè)對(duì)已開挖部分的凍結(jié)壁溫度影響較小,凍結(jié)壁內(nèi)各點(diǎn)溫度相對(duì)穩(wěn)定。
在豎直孔凍結(jié)方案中,隨著井筒不斷開挖,凍結(jié)壁井幫部分一定范圍內(nèi)出現(xiàn)解凍現(xiàn)象。經(jīng)測量,受井筒兩側(cè)凍結(jié)管持續(xù)凍結(jié)作用,井幫處凍結(jié)壁最大解凍厚度約為60mm,開挖活動(dòng)持續(xù)影響著凍結(jié)壁的溫度,說明此處凍結(jié)壁穩(wěn)定性較差。井筒頂、底板處測點(diǎn)所在位置凍土尚未解凍,說明頂、底板處凍結(jié)壁解凍范圍未超過50mm,但對(duì)底板處測點(diǎn)溫度的持續(xù)觀測表明,凍結(jié)壁厚度隨開挖活動(dòng)持續(xù)減小。直至開挖結(jié)束,底板解凍仍未停止,而其他部分測點(diǎn)溫度保持平穩(wěn)。由于頂、底板處沒有凍結(jié)管進(jìn)行維護(hù)凍結(jié),凍結(jié)壁內(nèi)溫度分布不均勻:頂、底板平均溫度為-4~-2℃,側(cè)幫平均溫度為-5~-4℃。
傾斜孔凍結(jié)方案中頂板及左側(cè)凍結(jié)壁中測點(diǎn)從開挖至解凍階段的溫度變化如圖12所示。圖12中,頂板測點(diǎn)V-1(3)距離井筒較近,開挖后暴露在空氣中,因此有較大幅度的波動(dòng)。其余頂板溫度測點(diǎn)均顯示出良好的溫度穩(wěn)定性,表明在整個(gè)開挖過程中,頂板解凍深度未超過80mm(V-1(4)測點(diǎn)距開挖后井幫80mm)。同樣地,左側(cè)壁測點(diǎn)中H-1(3)距離井幫較近,開挖活動(dòng)對(duì)測點(diǎn)處溫度有一定影響,后期逐漸平穩(wěn)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至168h時(shí),維護(hù)凍結(jié)期結(jié)束進(jìn)入自然解凍階段,各測點(diǎn)溫度緩慢回升。
圖12 傾斜孔凍結(jié)中凍結(jié)壁內(nèi)測點(diǎn)溫度變化規(guī)律
通過兩組試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),豎直孔凍結(jié)側(cè)幫解凍厚度在60mm左右,軸向凍結(jié)凍結(jié)壁解凍厚度在60~70mm之間。然而,豎直孔凍結(jié)中維護(hù)凍結(jié)管距離側(cè)幫只有130mm,維護(hù)凍結(jié)管可有效限制凍結(jié)壁側(cè)幫的解凍。而軸向凍結(jié)管距離側(cè)幫有200mm,遠(yuǎn)大于豎直孔凍結(jié)方式中維護(hù)凍結(jié)管距離。
在開挖階段,豎向凍結(jié)方案下凍結(jié)壁頂板和底板的凍結(jié)管停止鹽水循環(huán),無法維持凍結(jié)壁的溫度,凍結(jié)壁頂板和底板的解凍厚度在100mm左右。因此,軸向凍結(jié)方案下凍結(jié)壁的厚度要大于豎直孔凍結(jié)方案,尤其是頂板和底板凍結(jié)壁厚度值。
在整個(gè)維護(hù)凍結(jié)期,軸向凍結(jié)凍結(jié)壁頂板平均溫度均能維持在-6~-5℃,而且在連續(xù)開挖5段(500mm)后,依然能夠保持長期穩(wěn)定。而豎直孔凍結(jié)時(shí),頂、底板平均溫度為-4~-2℃,側(cè)幫平均溫度為-5~-4℃。可見,軸向凍結(jié)方案下凍結(jié)壁平均溫度要低于豎直孔凍結(jié)方案,且在長距離開挖過程中能保持穩(wěn)定。
通過對(duì)比模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果,兩種凍結(jié)方案下的斜井凍結(jié)壁全場溫度場有顯著的區(qū)別。
1)軸向凍結(jié)方案下凍結(jié)壁形態(tài)好,凍結(jié)管與開挖面距離超過豎直孔凍結(jié)方案時(shí)仍能保持較好的凍結(jié)深度。
2)軸向凍結(jié)方案下凍結(jié)壁的厚度要大于豎直孔凍結(jié)方案,尤其是頂板和底板凍結(jié)壁厚度值。
3)軸向凍結(jié)方案下凍結(jié)壁平均溫度要低于豎直孔凍結(jié)方案,且在長距離開挖過程中,能保持穩(wěn)定。