特殊地層凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)與控制

劉亞軍

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南 232001;2.中煤第三建設(shè)集團(tuán)凍結(jié)工程處，安徽淮北 235044)

隨著煤炭建設(shè)速度加快，凍結(jié)法施工也逐步被引進(jìn)到甘肅中東部地區(qū)，該地區(qū)上部主要以第四、第三系覆蓋層為主。甘肅的第三系自成體系，而且研究程度不高，地質(zhì)條件復(fù)雜，無(wú)成功的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，如何在該地區(qū)實(shí)施凍結(jié)法施工是一個(gè)難題。

1 工程概況

某井筒位于甘肅省山丹縣縣城135°，直距42 km處，呈北西～南東向狹長(zhǎng)帶狀，東西長(zhǎng)約 9.8 km，南北寬約 1.3 km，面積12.89 km2。工廠內(nèi)布設(shè)有主、副兩個(gè)井筒，該井井筒凈徑6.5 m，最大掘進(jìn)荒直徑9.4 m，凍結(jié)深度460 m，井筒深度549 m。凍結(jié)段以第四系、第三系地層為主。

2 凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)

依據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)資料，將凍結(jié)壁控制層平均溫度設(shè)計(jì)為－10℃，積極凍結(jié)期鹽水溫度ty=－28℃～－30℃，通過(guò)解析計(jì)算以及工程類比，最終確定凍結(jié)壁平均厚度為E=4.3 m。針對(duì)該井主要覆蓋層為第四系、第三系地層的實(shí)際情況，我們針對(duì)性的采用了“小梅花”形凍結(jié)孔布置，該布置方法的優(yōu)點(diǎn)在于:內(nèi)圈孔之間的空間間距為2.56 m，外圈孔之間的間距為2.66 m，而內(nèi)圈孔和外圈孔之間的孔間距只有1.341 m，如此布置既可滿足上部含水層迅速交圈冒水，實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)挖的需求，又可確保下部?jī)鼋Y(jié)壁的強(qiáng)度和厚度，確保井筒掘砌安全(凍結(jié)孔布置參數(shù)見(jiàn)表1)。

表1 凍結(jié)孔布置參數(shù)表

3 凍結(jié)壁的控制

凍結(jié)壁厚度設(shè)計(jì)合理與否，對(duì)整個(gè)凍結(jié)工程來(lái)說(shuō)影響深遠(yuǎn)，凍結(jié)壁過(guò)厚經(jīng)濟(jì)上不合理，凍結(jié)壁過(guò)薄安全性難以保障。在確定合理的凍結(jié)壁厚度后，如何依據(jù)實(shí)際施工情況，合理的控制凍結(jié)壁厚度，則直接關(guān)系到整個(gè)凍結(jié)工程的經(jīng)濟(jì)性。下面就是我們依據(jù)實(shí)際施工情況，合理控制凍結(jié)壁發(fā)展厚度的實(shí)例。

1)在含水率極低的地層中準(zhǔn)確結(jié)壁是否交圈。

依據(jù)井筒檢查孔資料顯示，第四系厚110 m，地質(zhì)資料表明，該系含水層主要集中在75 m～109 m，地層為砂礫層、含水率低。

項(xiàng)目部依據(jù)地層將水文孔布置在距井筒中心1.2 m圈徑上，深度定為101 m，報(bào)導(dǎo)層設(shè)置在85 m～99 m之間(見(jiàn)圖1)，經(jīng)實(shí)測(cè)水文孔的原始位為95 m，最低水位為99.23 m(水文孔水位變化情況見(jiàn)圖2及表2某井筒水文孔水位變化表)。為了準(zhǔn)確判定水文孔是否交圈，施工中項(xiàng)目部將水文孔兼作內(nèi)側(cè)測(cè)溫孔使用，經(jīng)測(cè)定水文孔報(bào)導(dǎo)層90 m處原始地溫12.8℃，最大孔間距為1.699 m，50 d后該點(diǎn)溫度降至8.5℃，該井筒設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚4.3 m，凍結(jié)孔布置圈徑為14.7 m。為了確定凍結(jié)壁是否交圈，我們利用零階貝塞爾函數(shù)計(jì)算分析。

圖1 1號(hào)水文孔結(jié)構(gòu)圖

依據(jù)零階貝塞爾函數(shù)知:

井內(nèi)降溫區(qū)溫度場(chǎng)公式為:

其中，t為對(duì)應(yīng)于r點(diǎn)的溫度;t0為原始溫度;α為導(dǎo)溫系數(shù);τ為時(shí)間;R為凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)壁面距井筒中心的距離;r為圓柱坐標(biāo)。

圖2 某井筒水文孔水位變化曲線

將上式轉(zhuǎn)化為:

凍結(jié)壁厚度E為:

由凍結(jié)壁的厚度可知，凍結(jié)孔凍土發(fā)展的最小半徑為1.815 m，大于凍結(jié)孔最大孔間距(1.699 m)，由此可判定凍結(jié)壁已經(jīng)交圈，此例中我們利用零階貝塞爾函數(shù)計(jì)算分析成功的判定在含水率極低地層中水文孔不冒水的情況凍結(jié)壁的發(fā)展情況，而實(shí)際掘砌情況也佐證了我們的分析判斷。

表2 某井筒水文孔水位變化表

2)結(jié)合掘砌速度實(shí)時(shí)控制凍結(jié)壁厚度。

進(jìn)入6月份以來(lái)，掘砌單位掘進(jìn)速度明顯放緩，經(jīng)過(guò)多次與礦方、監(jiān)理以及掘砌單位施工人員探討得知，掘進(jìn)速度放緩的主要原因是掘砌單位管理混亂，人員流失嚴(yán)重以及設(shè)備陳舊、維修保養(yǎng)不到位，傘鉆6只鉆臂只有3只可以工作，而且時(shí)常出故障，還有就是放炮作業(yè)不規(guī)范，矸石塊度過(guò)大，裝卸難度大等原因?qū)е戮蚱鏊俣忍岵簧先?，而且短時(shí)間內(nèi)這種狀況無(wú)法改善。為此，項(xiàng)目部審時(shí)度勢(shì)，依據(jù)掘砌的單位的掘進(jìn)速度，不斷的調(diào)整開(kāi)機(jī)數(shù)量和類型，由2∶2雙級(jí)壓縮，調(diào)整為2∶1(高2臺(tái)高壓，1臺(tái)低壓)，雙級(jí)壓縮與單級(jí)壓縮相結(jié)合，通過(guò)動(dòng)態(tài)的調(diào)整開(kāi)機(jī)參數(shù)，將凍結(jié)壁厚度始終保持不增不減，動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，以1號(hào)測(cè)溫孔261 m測(cè)點(diǎn)(砂質(zhì)泥巖)為例，該測(cè)點(diǎn)從6月16日到8月7日，測(cè)點(diǎn)溫度一直維持在 －4.0℃ ～ －4.1℃，整整52 d時(shí)間，通過(guò)圖3，圖4的1號(hào)、3號(hào)測(cè)溫孔溫度變化曲線圖可更直觀的看出。

圖3 某井筒1號(hào)測(cè)溫孔6.16～8.7溫度變化曲線圖

圖4 某井筒3號(hào)測(cè)溫孔6.16～8.7溫度變化曲線圖

3)套內(nèi)壁前加強(qiáng)開(kāi)機(jī)。由于凍結(jié)厚度相對(duì)較薄、凍結(jié)時(shí)間較短、凍結(jié)管距荒徑較近，加之套內(nèi)壁所用混凝土均為C70高強(qiáng)混凝土，套內(nèi)壁期間混凝土?xí)尫糯罅繜崃?。這些熱量會(huì)沿著外壁向上傳遞，此時(shí)，若不加強(qiáng)凍結(jié)，緊貼外壁部分凍結(jié)壁就會(huì)融化。軟巖地層中，由于圍巖的微抱力較小，這部分凍結(jié)壁融化后，在融化的凍結(jié)和外壁之間就會(huì)形成一定通道，水會(huì)隨著通道往下流，當(dāng)遇到外壁接槎施工質(zhì)量薄弱的地方，水就會(huì)涌出形成比較集中的出水點(diǎn)，從而影響內(nèi)壁的施工質(zhì)量和進(jìn)度。為了防止套內(nèi)壁時(shí)，出現(xiàn)外壁附近凍結(jié)壁融化，我們?cè)谔變?nèi)壁前15 d加強(qiáng)開(kāi)機(jī)，將開(kāi)機(jī)配比逐漸的由2∶1調(diào)整到2∶2，3∶2，鹽水溫度由 －20℃調(diào)整到－25℃，當(dāng)內(nèi)壁套至300 m，通過(guò)資料分析，剩余凍結(jié)壁可以維持到套內(nèi)壁結(jié)算，所以內(nèi)壁套至300 m時(shí)停機(jī)，停機(jī)后井壁未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

雖然甘肅中東部是第一次施工凍結(jié)法施工，沒(méi)有成功的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，但是，我們通過(guò)合理設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度和鉆孔布置方式，動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)開(kāi)機(jī)參數(shù)，不但成功的解決了含水率極低地層水文孔報(bào)導(dǎo)層是否交圈的問(wèn)題，而且優(yōu)質(zhì)高效的保證了井筒的施工安全，為該地區(qū)使用凍結(jié)法施工積累了成功的經(jīng)驗(yàn)。