沿海高滲流砂層斜井凍結(jié)參數(shù)選擇及應(yīng)用

張富興，張成濤，王 恒

(1.招金礦業(yè)股份有限公司； 2.礦山深井建設(shè)技術(shù)國家工程研究中心； 3.天地科技股份有限公司)

引 言

凍結(jié)法是針對井筒穿過含水砂層時，通過人為向地下輸送冷量，在井筒周邊形成凍土帷幕，有效隔絕地下水并提供承載力，以便井筒掘砌安全順利通過不穩(wěn)定地層的工法[1-2]。凍土帷幕的形成受凍土物理力學(xué)參數(shù)、地下水流速等客觀因素和凍結(jié)造孔、鹽水溫度、鹽水流量及凍結(jié)時間等主觀因素的影響[3-4]。因此，在凍結(jié)方案設(shè)計時要綜合考慮主、客觀因素的影響[5]，在施工中嚴格控制鉆孔偏斜及凍結(jié)參數(shù)，保證如期交圈，并形成具有一定厚度和平均溫度的凍結(jié)壁[6-8]。井筒積極凍結(jié)期間，地下水流動會帶走凍結(jié)管傳導(dǎo)的部分冷量，超過一定限度時，地層蓄存的冷量不滿足交圈需求，凍結(jié)壁會出現(xiàn)“開窗”現(xiàn)象[9-11]。數(shù)值模擬和解析手段一般可預(yù)測凍結(jié)壁交圈情況[12-13]，測溫孔溫度監(jiān)測和凍結(jié)壁超聲波檢測手段可在凍結(jié)期間進行初步判斷[14-15]，縱向測溫手段一般可在確定凍結(jié)壁未交圈時進行“開窗”位置精確定位[16-17]。

國內(nèi)沿海地區(qū)應(yīng)用人工地層凍結(jié)法施工井筒的礦山企業(yè)包括萊州市倉上金礦和萊州市瑞海礦業(yè)有限公司(下稱“瑞海金礦”)[18-19]等，萊州市倉上金礦4條立井設(shè)計采用凍結(jié)法施工，瑞海金礦前期設(shè)計3條立井采用凍結(jié)法施工，凍結(jié)壁均出現(xiàn)不同程度的漏水情況。本文以瑞海金礦斜井為例，研究凍結(jié)設(shè)計參數(shù)對凍結(jié)影響程度，以期為斜井施工提供技術(shù)支撐。

1 工程背景

1.1 工程地質(zhì)簡介

瑞海金礦地處渤海灣，位于三山島北部海域，西南部毗鄰三山島金礦，與新建的萊州港為鄰，該礦區(qū)前期設(shè)計主立井、副立井、進風(fēng)井共3條立井，后期設(shè)計2條立井和1條斜井，6條井井筒均采用凍結(jié)法施工穿過第四系和風(fēng)化帶地層。井檢孔地層分布情況見表1。

表1 井檢孔地層分布情況

從表1可以看出：第四系主要為砂性地層，中間分布有相對隔水層(粉質(zhì)黏土)。礦區(qū)邊緣存在超過30口養(yǎng)殖戶抽水井，每晝夜抽取地下水約1萬m3，達到416.67 m3/h，使近岸處地下水位均低于海平面。該層位地下水與海水有明顯的水力聯(lián)系，接受海水補給。根據(jù)進風(fēng)井井檢孔測算結(jié)果，地下水流速達13.38 m/d(另地勘資料顯示流速30 m/d，某科研單位測試流速超過9 m/d)。同時，由于地層與海水存在水力聯(lián)系，地下水含鹽量高，試驗顯示結(jié)冰溫度低于-3.5 ℃。

1.2 凍結(jié)設(shè)計

斜井采用“步進式”分區(qū)分段凍結(jié)方式，由于斜井掘進斷面近似圓形，考慮掘進斷面形狀壓力的不均勻性，各凍結(jié)段均采用無限長厚壁筒彈性理論拉麥公式(見式(1))進行凍結(jié)壁厚度計算，選用成冰公式(見式(2))進行凍結(jié)壁平均溫度計算，斜井凍結(jié)參數(shù)見表2。

(1)

tc=t0c+0.275tn

(2)

(3)

式中：δ為凍結(jié)壁厚度(m)；R為井筒掘進半徑(m)；σc為凍土允許抗壓強度(MPa)；p為地壓(MPa)；tc為按凍結(jié)壁有效厚度計算的平均溫度(℃)；t0c為按凍結(jié)壁0 ℃邊界計算的平均溫度(℃)；tn為計算水平的井幫凍土溫度(℃)，未凍結(jié)時取0 ℃；tb為凍結(jié)鹽水溫度(℃)；l為計算水平的凍結(jié)孔最大間距(m)。

表2 斜井凍結(jié)設(shè)計基本參數(shù)

2 ANSYS數(shù)值模擬

2.1 基本假定

第四系砂土層內(nèi)環(huán)境較為復(fù)雜，影響凍結(jié)溫度變化的因素較多，包括砂土成分及含量、凍結(jié)時長、凍結(jié)管直徑與凍結(jié)孔間距等。為簡化模擬過程，在溫度場模擬中進行如下假設(shè)：

1)土體在凍融過程中均質(zhì)且連續(xù)。

2)土體凍結(jié)時，潛熱集中在凍結(jié)界面連續(xù)釋放。

3)假設(shè)土中水分全部凍結(jié)，未凍水含量為零。

4)模型中在凍結(jié)孔上施加隨溫度變化的荷載，模擬凍結(jié)過程中凍結(jié)管外表面溫度，不考慮凍結(jié)管內(nèi)外復(fù)雜的熱交換過程。

5)不考慮地面溫度波動對凍結(jié)溫度場的影響。

2.2 模型建立

以斜井井筒凍結(jié)工程為背景建立有限元模型，劃分網(wǎng)格時，為了提高計算的精度和減少計算的時間，在靠近凍結(jié)管區(qū)域及凍土發(fā)展方向區(qū)域加大網(wǎng)格密度，在遠離凍結(jié)管區(qū)域，由于溫度梯度小，減小網(wǎng)格的密度。模型計算采用Solid 70六面體單元。認為凍結(jié)范圍20 m外即為原始地層，保持原始地溫。有限元模型見圖1。

圖1 斜井凍結(jié)數(shù)值模擬有限元模型

2.3 典型參數(shù)分析

根據(jù)室內(nèi)試驗得到該土層在凍融狀態(tài)下的熱物理參數(shù)，見表3；綜合工程中采取的凍結(jié)設(shè)計方案，典型凍結(jié)參數(shù)見表4。

表3 原狀土、凍土熱物理參數(shù)

表4 典型凍結(jié)參數(shù)

為直觀了解凍結(jié)壁的發(fā)展情況，選取5 d、15 d、25 d、35 d、45 d、55 d凍結(jié)溫度場云圖(見圖2)，凍結(jié)壁平均溫度變化曲線見圖3。按照擬定的典型參數(shù)進行計算，對計算結(jié)果分析如下：

圖2 典型參數(shù)凍結(jié)溫度場云圖

圖3 凍結(jié)壁平均溫度變化曲線

1)凍結(jié)管壁上加載鹽水溫度荷載后，冷量由管壁傳遞到土層中，與外界土體發(fā)生復(fù)雜的熱交換，距離凍結(jié)管越近，土體溫度下降越快，管壁周圍形成環(huán)狀凍土體，隨著積極凍結(jié)時間增加，環(huán)狀凍土不斷向外擴展。凍結(jié)25 d后，凍結(jié)壁厚度向外發(fā)展速度變緩，主要原因是此時凍結(jié)管周邊未凍土溫度已降至-3.5 ℃左右，未凍土轉(zhuǎn)變?yōu)閮鐾習(xí)r將釋放熱量，因此土體降溫速度減緩。直至凍結(jié)55 d，凍結(jié)壁側(cè)壁厚度已達到2.6 m，底板厚度已大于6.3 m。

2)若55 d后繼續(xù)凍結(jié)將導(dǎo)致凍結(jié)孔內(nèi)側(cè)的凍結(jié)壁不斷擴大，且凍結(jié)壁的強度也會隨之提高，對后續(xù)的通道開挖造成一定的困難，影響工程施工效率。凍結(jié)55 d時，從溫度場云圖中可以明顯看到，凍結(jié)管下側(cè)凍土帷幕明顯厚于上方，這是地表周期性溫度荷載和對流換熱同時作用的結(jié)果。

3)整個凍結(jié)期的溫度場發(fā)展均是距離凍結(jié)管近的位置溫度較低，距離凍結(jié)管較遠的位置溫度較高。凍結(jié)管傳遞的冷量使井筒凍結(jié)管內(nèi)側(cè)土體開始降溫，當(dāng)凍結(jié)至55 d時，凍結(jié)管內(nèi)側(cè)的低溫區(qū)域面積明顯大于凍結(jié)管外側(cè)的低溫區(qū)域面積。

從圖3可以看出：凍結(jié)55 d時，凍結(jié)壁平均溫度由20.00 ℃下降到-8.56 ℃。凍結(jié)初期凍結(jié)壁平均溫度下降較快，凍結(jié)前20 d，幾乎呈直線下降；凍結(jié)10 d時，凍結(jié)壁平均溫度由20.00 ℃下降到0.79 ℃；凍結(jié)20 d時，凍結(jié)壁平均溫度由0.79 ℃下降到-5.03 ℃；凍結(jié)前20 d平均降溫速率為1.25 ℃/d;這是因為土體與鹽水溫差大，土體熱狀況變化劇烈；凍結(jié)30 d時，凍結(jié)壁平均溫度下降到-6.85 ℃；凍結(jié)20～30 d時，平均降溫速率為0.18 ℃/d；凍結(jié)55 d時，凍結(jié)壁平均溫度下降到-8.56 ℃；凍結(jié)30～55 d時，平均降溫速率為0.068 ℃/d。

從圖2和圖3可以看出，斜井凍結(jié)壁的厚度已滿足設(shè)計要求，但凍結(jié)壁平均溫度偏高，因此在實際施工時，可以采取增加凍結(jié)段凍結(jié)管直徑(由108 mm增加為127 mm)、降低鹽水溫度(由-27 ℃降低至不高于-28 ℃)和縮小凍結(jié)孔間距(外排孔孔間距1.4 m,中排孔孔間距2.0 m)的措施，以保證凍結(jié)壁滿足施工要求。

3 斜井凍結(jié)情況

根據(jù)斜井凍結(jié)初步設(shè)計和數(shù)值計算進行優(yōu)化，采取優(yōu)化后的參數(shù)進行施工，以第2段為例，凍結(jié)鹽水溫度不高于-28 ℃，測溫孔的變化曲線見圖4(以外排孔外側(cè)T11測溫孔為例)。從圖4可以看出，凍結(jié)壁縱深方向溫度分布均勻，在55 d積極凍結(jié)期結(jié)束時，5個測點溫度均不高于-8 ℃。凍結(jié)壁厚度計算結(jié)果見表5。

圖4 斜井第2段T11測溫孔溫度變化曲線

表5 凍結(jié)壁厚度計算結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場實測，選擇凍結(jié)壁厚度2.4 m、鹽水溫度-28.56 ℃、A/E排凍結(jié)孔最大孔間距1.95 m的參數(shù)，采用式(2)計算，得到側(cè)幫凍結(jié)壁的平均溫度為-11.6 ℃，滿足設(shè)計要求；因頂、底板凍結(jié)壁為群孔凍結(jié)，按照溫度差值計算，凍結(jié)壁平均溫度低于-12.6 ℃，亦滿足凍結(jié)設(shè)計參數(shù)要求，證明設(shè)計合理，施工的精度和控制滿足設(shè)計要求。

4 結(jié) 論

根據(jù)瑞海金礦內(nèi)的3條凍結(jié)井筒情況，結(jié)合斜井凍結(jié)設(shè)計參數(shù)校核，可得出以下幾點結(jié)論：

1)高滲流砂層條件下凍結(jié)設(shè)計應(yīng)充分研究地質(zhì)報告及水文報告，設(shè)計中可考慮增大安全系數(shù)。

2)斜井外排凍結(jié)孔與開挖荒徑距離要滿足側(cè)幫凍結(jié)壁厚度要求，土層結(jié)冰溫度低時，凍結(jié)壁平均溫度應(yīng)相應(yīng)降低；斜井設(shè)計參數(shù)總體合理，保證了斜井的凍結(jié)和掘砌安全。

3)本文未涉及地下水流速影響，實際在高滲流砂層條件下的凍結(jié)施工，在鉆孔初期、中期、尾期3個階段均可考慮進行沖積層段地層帶壓灌漿措施，盡量降低地下水流速，提高凍結(jié)施工的可靠性。