兩種斜井凍結(jié)方式的溫度場(chǎng)模型實(shí)驗(yàn)研究

陳 駿，張 祥，王千星，趙康普

(1.中國(guó)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(guó)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?chē)貙永鋬鲋恋蜏貭顟B(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(guò)程中，必須關(guān)閉井筒開(kāi)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(guò)程中長(zhǎng)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(zhǎng)距離的傾斜孔斜井凍結(jié)方案無(wú)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(guò)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(chǎng)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(wèn)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(guò)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(cè)試了凍結(jié)溫度場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)程中地層溫度場(chǎng)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(kāi)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(chǎng)測(cè)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(chǎng)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(kāi)展斜井傾斜孔凍結(jié)工業(yè)性試驗(yàn)提供指導(dǎo)。

1 斜井凍結(jié)模型實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和模型參數(shù)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)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(kāi)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(wú)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(jiàn)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(guò)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(jiàn)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)

1.2 凍結(jié)方案和測(cè)點(diǎn)布置

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(cè)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(cè)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(cè)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(kāi)挖部分的土層(圖4)，在施工過(guò)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(kāi)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(cè)點(diǎn)：①監(jiān)測(cè)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(cè)點(diǎn)H-2和H-4；②從兩個(gè)斷面監(jiān)測(cè)開(kāi)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(cè)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(cè)點(diǎn)為自制銅-康銅熱電偶串內(nèi)含多個(gè)溫度測(cè)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(cè)點(diǎn)布置圖

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

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(cè)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(guò)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)挖模型加載過(guò)程

2 溫度場(chǎng)差異與解凍規(guī)律

2.1 積極凍結(jié)期溫度場(chǎng)差異

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(chǎng)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(kāi)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(kāi)挖范圍內(nèi)的土層完全凍實(shí)前，就可以開(kāi)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(chǎng)沿井筒開(kāi)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(chǎng)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(cè)點(diǎn)溫度(斷面1)

最終，根據(jù)各溫度測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制得到不同凍結(jié)方式斜井凍結(jié)壁溫度場(chǎng)分布如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，凍結(jié)壁形態(tài)穩(wěn)定均滿足開(kāi)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(chǎng)對(duì)井筒開(kāi)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(chǎng)分布

2.2 維護(hù)凍結(jié)期溫度場(chǎng)差異

為盡可能的模擬實(shí)際施工過(guò)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(kāi)挖過(guò)程。整個(gè)掘進(jìn)過(guò)程分6段進(jìn)行，每段掘進(jìn)100mm，期間兩種凍結(jié)壁溫度場(chǎng)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(kāi)挖過(guò)程中凍結(jié)壁解凍溫度場(chǎng)分布規(guī)律

在傾斜孔凍結(jié)方案中，隨著開(kāi)挖過(guò)程的推進(jìn)，凍結(jié)壁內(nèi)溫度逐漸升高，當(dāng)開(kāi)挖至300mm時(shí)，暴露出的井內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度迅速升高，當(dāng)井筒繼續(xù)開(kāi)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(kāi)挖作業(yè)對(duì)已開(kāi)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(kāi)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(cè)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(kāi)挖活動(dòng)持續(xù)影響著凍結(jié)壁的溫度，說(shuō)明此處凍結(jié)壁穩(wěn)定性較差。井筒頂、底板處測(cè)點(diǎn)所在位置凍土尚未解凍，說(shuō)明頂、底板處凍結(jié)壁解凍范圍未超過(guò)50mm，但對(duì)底板處測(cè)點(diǎn)溫度的持續(xù)觀測(cè)表明，凍結(jié)壁厚度隨開(kāi)挖活動(dòng)持續(xù)減小。直至開(kāi)挖結(jié)束，底板解凍仍未停止，而其他部分測(cè)點(diǎn)溫度保持平穩(wěn)。由于頂、底板處沒(méi)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℃。

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(cè)點(diǎn)從開(kāi)挖至解凍階段的溫度變化如圖12所示。圖12中，頂板測(cè)點(diǎn)V-1(3)距離井筒較近，開(kāi)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(cè)點(diǎn)均顯示出良好的溫度穩(wěn)定性，表明在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中，頂板解凍深度未超過(guò)80mm(V-1(4)測(cè)點(diǎn)距開(kāi)挖后井幫80mm)。同樣地，左側(cè)壁測(cè)點(diǎn)中H-1(3)距離井幫較近，開(kāi)挖活動(dòng)對(duì)測(cè)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(cè)點(diǎn)溫度緩慢回升。

圖12 傾斜孔凍結(jié)中凍結(jié)壁內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度變化規(guī)律

通過(guò)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(kāi)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(wú)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(kāi)挖5段(500mm)后，依然能夠保持長(zhǎng)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℃?？梢?jiàn)，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(zhǎng)距離開(kāi)挖過(guò)程中能保持穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

通過(guò)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(chǎng)溫度場(chǎng)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(kāi)挖面距離超過(guò)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(zhǎng)距離開(kāi)挖過(guò)程中，能保持穩(wěn)定。