陳 駿，張 祥，王千星，趙康普

(1.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，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[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，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，當豎直孔凍結(jié)方式應(yīng)用于斜井施工時需要占用大量地表土地，施工方案不夠經(jīng)濟。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)空氣流動和溫差削弱了凍結(jié)壁的強度和穩(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，也限制了人工凍結(jié)法在斜井中的應(yīng)用和發(fā)展[5，6]。

模型實驗通過模擬實際工程技術(shù)難題，采用適當?shù)南嗨票龋脤嶒灥姆椒ǐ@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)驗不足、設(shè)計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個因素的影響關(guān)系。李巖[11]基于現(xiàn)場實際工程設(shè)計了豎向直排凍結(jié)下的斜井施工模型試驗，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算方法，并對計算結(jié)果和現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行了對比。石榮劍[12]針對盾構(gòu)地中對接凍結(jié)加固工程設(shè)計了模型實驗，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)致強烈的應(yīng)力擾動和大體積混凝土澆筑造成的水化熱也考驗著凍結(jié)壁的穩(wěn)定性。對這些工程難點進行實驗室的模型實驗彌補了現(xiàn)場測試的不足、改善了小型試樣力學實驗的缺陷，可以更好地指導(dǎo)工程實踐。

本文基于直墻半圓拱形凍結(jié)壁彈塑性設(shè)計理論[16]，在實驗室建立了豎直孔和傾斜孔兩種凍結(jié)形式的三維實驗?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、維護凍結(jié)期及解凍狀態(tài)下的溫度場分布規(guī)律。對比分析斜井凍結(jié)壁的擴展和解凍規(guī)律，分別評價兩種形式下凍結(jié)壁的溫度性，為開展斜井傾斜孔凍結(jié)工業(yè)性試驗提供指導(dǎo)。

1 斜井凍結(jié)模型實驗

1.1 實驗材料和模型參數(shù)

實驗平臺采用深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室自行研發(fā)的三維礦山建設(shè)地質(zhì)力學模型實驗系統(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)模型實驗采用直墻半圓拱形斷面，井筒實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。實驗中豎直孔和傾斜孔凍結(jié)方案采用相同的實驗材料和環(huán)境，只是凍結(jié)管布置形式不同，基于相似準則推導(dǎo)得到模型實驗各參數(shù)相似比見表1。

圖1 三維礦建模型實驗系統(tǒng)

表1 模型實驗各參數(shù)相似比

實驗采用CaCl2溶液作為制冷介質(zhì)，設(shè)計鹽水溫度為-20℃。土體選用細砂模擬實際工程中砂質(zhì)地層，實驗前過4mm篩網(wǎng)，設(shè)計含水率為w=18%。兩組實驗原型參數(shù)和凍結(jié)參數(shù)見表2。

表2 斜井凍結(jié)模型實驗中材料原型和模型參數(shù)

1.2 凍結(jié)方案和測點布置

凍結(jié)壁的溫度和厚度是凍結(jié)法施工的核心指標。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)壁以保障掘進作業(yè)安全，實驗設(shè)計傾斜孔凍結(jié)采用單圈凍結(jié)管布置方案，如圖2所示。溫度測點布置在2個斷面，頂、底及兩幫4個方向，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)管截斷。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險，對井筒安全快速施工造成威脅。因此在實驗中布置3組溫度測點：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H-2和H-4；②從兩個斷面監(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。其中各組溫度測點為自制銅-康銅熱電偶串內(nèi)含多個溫度測點，采用TDS-530數(shù)據(jù)采集儀連接計算機進行溫度采集。

圖4 豎直孔凍結(jié)方案

圖5 豎向凍結(jié)熱電偶測點布置圖

1.3 實驗過程

人工凍結(jié)法施工一般包含：積極凍結(jié)期、維護凍結(jié)期和解凍期。在積極凍結(jié)期凍結(jié)站低溫運行，土層溫度逐漸降低。實驗中，積極凍結(jié)期持續(xù)120h(圖6)，直至溫度測點滿足設(shè)計要求，凍結(jié)壁最終實現(xiàn)交圈。隨后凍結(jié)過程轉(zhuǎn)入維護凍結(jié)期，此階段凍結(jié)溫度保持恒定，井筒開始掘進作業(yè)。隨掘進作業(yè)持續(xù)進行，井壁凍土解凍范圍應(yīng)保持在可控范圍內(nèi)。特別對于豎直孔凍結(jié)掘進，巷道掘進范圍內(nèi)布置有3根凍結(jié)管。當掘進至凍結(jié)管附近時，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械切斷，對上下兩端露出部分進行保護，然后繼續(xù)進行掘進作業(yè)。實驗中，維護凍結(jié)期持續(xù)48h，在此階段分別對兩種凍結(jié)方式下的凍結(jié)壁逐級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)實驗中進出液凍結(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

2 溫度場差異與解凍規(guī)律

2.1 積極凍結(jié)期溫度場差異

采用兩種凍結(jié)方式進行對比實驗，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)方案直接對井筒周邊土層進行凍結(jié)，凍結(jié)管布設(shè)在擬凍結(jié)土層中間，當每根凍結(jié)管的制冷范圍互相重疊，凍結(jié)壁達到設(shè)定溫度和厚度后，即可開展掘進作業(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)的土層完全凍實前，就可以開始掘進以加快施工進度。實驗中，降溫范圍沿凍結(jié)管中心逐步擴大，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)方案對凍結(jié)壁部分和井筒部分的全部土層進行凍結(jié)，在實際的施工中，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到設(shè)計強度和溫度后才可以進行掘進。實驗中，凍結(jié)溫度場沿井筒開挖軸線對稱分布，隨凍結(jié)時間增加溫度逐漸降低、凍結(jié)范圍逐漸擴大，溫度場分布符合凍結(jié)壁設(shè)計和成形理論。

圖8 積極凍結(jié)期井筒水平方向測點溫度(斷面1)

最終，根據(jù)各溫度測點實測數(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。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)力場對井筒開挖和井壁受力有深遠的影響，是該領(lǐng)域的研究難點。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證。

圖9 積極凍結(jié)期結(jié)束時凍結(jié)壁溫度場分布

2.2 維護凍結(jié)期溫度場差異

為盡可能的模擬實際施工過程，在維護凍結(jié)期內(nèi)采用風鎬等工具分段完成了井筒的開挖過程。整個掘進過程分6段進行，每段掘進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)中掘進深度250mm時溫度分布

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，凍結(jié)壁內(nèi)溫度逐漸升高，當開挖至300mm時，暴露出的井內(nèi)測點溫度迅速升高，當井筒繼續(xù)開挖至400mm時，井幫溫度有了明顯的提高，升幅在3～4℃，后續(xù)開挖作業(yè)對已開挖部分的凍結(jié)壁溫度影響較小，凍結(jié)壁內(nèi)各點溫度相對穩(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，但對底板處測點溫度的持續(xù)觀測表明，凍結(jié)壁厚度隨開挖活動持續(xù)減小。直至開挖結(jié)束，底板解凍仍未停止，而其他部分測點溫度保持平穩(wěn)。由于頂、底板處沒有凍結(jié)管進行維護凍結(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℃。

2.3 凍結(jié)壁解凍規(guī)律

傾斜孔凍結(jié)方案中頂板及左側(cè)凍結(jié)壁中測點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。其余頂板溫度測點均顯示出良好的溫度穩(wěn)定性，表明在整個開挖過程中，頂板解凍深度未超過80mm(V-1(4)測點距開挖后井幫80mm)。同樣地，左側(cè)壁測點中H-1(3)距離井幫較近，開挖活動對測點處溫度有一定影響，后期逐漸平穩(wěn)。實驗進行至168h時，維護凍結(jié)期結(jié)束進入自然解凍階段，各測點溫度緩慢回升。

圖12 傾斜孔凍結(jié)中凍結(jié)壁內(nèi)測點溫度變化規(guī)律

通過兩組試驗可以發(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)中維護凍結(jié)管距離側(cè)幫只有130mm，維護凍結(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，遠大于豎直孔凍結(jié)方式中維護凍結(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。

在整個維護凍結(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，頂、底板平均溫度為-4～-2℃，側(cè)幫平均溫度為-5～-4℃?？梢姡S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。

3 結(jié) 論

通過對比模型實驗結(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。