白堊系地層凍結壁溫度和壓力實測分析

吳王青 李棟偉 馬乾坤

（安徽理工大學土木建筑學院，安徽省淮南市，232001）

白堊系地層凍結壁溫度和壓力實測分析

吳王青 李棟偉 馬乾坤

（安徽理工大學土木建筑學院，安徽省淮南市，232001）

為解決內蒙古海子礦井白堊系地層采用凍結法鑿井出現的技術難題，在施工過程中對凍結壁的溫度和受力進行現場監測，獲得了凍結溫度和壓力的實測數據，分析得出白堊系地層凍結溫度和壓力的變化規律。

凍結鑿井法 白堊系地層 凍結壁 凍結溫度 凍結壓力

泊江海子礦井位于內蒙古自治區鄂爾多斯市塔然高勒礦區南部，礦井設計生產能力300萬t/a，采用立井開拓方式。第四系表土段總厚度6.9m，井筒大部分穿越的是白堊系和侏羅紀地層，其中白堊系地層占整個井筒深度的70%以上，在白堊系特殊地層中采用凍結法建井極少，設計的凍結方案、井壁結構形式與井壁計算均存在較大的不確定性，目前亟需對這些地層凍結法鑿井技術進行一系列理論與技術方面的研究。為了解井筒穿過白堊系地層的井壁凍結壓力及溫度變化，通過工程實測，取得凍結壓力及溫度實測數據進行匯總分析，以研究白堊系地層凍結溫度和壓力的變化規律，為井壁的設計及安全性評價提供依據。

1 現場監測內容及方案

圖1 測試元件布置方案

根據泊江海子礦井筒檢查孔地質柱狀圖、設計院的井壁結構設計圖和凍土物理力學性能測試等資料，結合現場施工的實際情況，對井筒監測分為3個水平：第一個水平埋設垂深為134m，布置8個壓力盒；第二水平埋設垂深為252m，布置7個壓力盒；第三水平埋設垂深為309m，布置8個壓力盒，并且每個水平沿井幫向凍結壁內部布置3個測溫點，測點的間距為250mm，測試元件布置示意圖見圖1。

凍結壓力用土壓力盒來量測，溫度場用熱電偶量測，根據量測要求選用壓力盒及熱電偶規格數目見表1。

表1 監測元件、規格及數量

2 測試結果及分析

2.1 凍結壁內部溫度實測分析

根據對3個水平不同位置溫度的監測，可獲得澆筑混凝土后各測點溫度變化曲線，見圖2。

由于第一水平在井壁與凍結壁之間沒有鋪設任何保溫材料，混凝土澆筑后散熱很快，混凝土澆筑初期井幫溫度為－7.75℃，該水平凍結壁對混凝土溫度影響占主導地位。而第二、三水平井壁與凍結壁之間鋪設了一層塑料薄膜作為保溫材料，澆筑初期混凝土內部溫度較高，為混凝土早期強度的增長贏得了寶貴的正溫養護時間，免除了其低溫凍害影響，有利于混凝土初期養護。

從圖2可以看出，在混凝土澆筑后，凍結壁各水平上的各測點溫度變化趨勢基本一致，均經歷了以下兩個階段：

（1）溫度快速上升階段。該階段受混凝土水化熱的影響，井壁內部混凝土溫度迅速上升，引起靠近井壁位置凍結壁的溫度也上升迅速。如第二水平在混凝土澆筑后，水化熱開始體現出來，受此熱源影響，凍結壁內部不同位置溫度也出現不同程度的回升，距井幫500mm、250mm及井幫處測點溫度在第2.47d、1.03d和0.76d分別達到最大值，分別為1.95℃、12.8℃和23.4℃，回升速率分別為2.87℃/d、9.6℃/d和13.8℃/d，升溫明顯。

（2）溫度迅速下降階段。該階段為測點溫度從最大值至回凍到0℃階段。此時混凝土水化熱影響逐漸減小，而凍結管持續提供冷量，并對凍結壁溫度影響占主導地位，引起各測點溫度快速下降。如第二水平凍結壁內部距井幫500mm、250mm及井幫處分別在5.8d、9.76d和10.78d溫度回凍至0℃，回凍速率分別達到0.54℃/d、1.46℃/d和2.32℃/d。

圖2 各測點溫度變化曲線

2.2 凍結壓力實測分析

作用在井壁上的凍結壓力主要受凍結壁的變形、土層性質、地層深度和壁后融土回凍時的凍脹特性、凍結壁溫度和施工工藝等因素的影響。通過現場監測，獲得了各個壓力傳感元件反映的壓力盒壓力隨時間的變化關系如圖3所示。

在實測中，對于有些壓力盒其量測數據幾乎為零，且隨時間未發生變化，原因可能是壓力盒被澆筑到井壁內部，無法監測出凍脹壓力，因此在進行凍結壓力實測數據分析時，均作為不正常情況給予剔除。

從圖3可以看出，作用在井壁上的凍結壓力發展趨勢可分為4個階段：壓力急增階段、壓力降低階段、壓力增長階段及壓力穩定階段。

圖3 井壁凍結壓力實測結果

（1）壓力急增階段。井筒監測水平的下一段高爆破掘進時，爆破產生的沖擊波對井壁產生了很大的作用力，監測水平面上的壓力盒量測的壓力表現出壓應力急劇增大，荷載作用時間較短，呈直線增加趨勢。

（2）壓力降低階段。由于急劇增加的荷載是工作面爆破產生的應力波引起的作用在井壁外邊緣的動態瞬時荷載，故這一水平面掘進結束時，下一段高的爆破施工離此水平面越來越遠，產生的爆破應力影響也變小了，從而引起了壓力的降低。

（3）壓力增長階段。此階段凍結壓力增長主要有兩個方面原因，一是由于巖體開挖后集聚的應力得以釋放，由此引起凍結壁變形產生的凍結壓力直接作用在井壁上；二是受澆筑初期混凝土水化熱融化凍結壁的影響，凍結壁經歷了融化－回凍過程，產生二次凍脹壓力及在水平地壓作用下的凍結壁蠕變變形。該階段現澆混凝土外層井壁的強度不斷增加，抵御凍結壁變形的能力越來越強，當凍結壁的變形受到外壁阻礙時，即產生凍結壓力且增長迅速；由于這一階段也是凍結壁受澆筑混凝土水化熱融化之后的回凍期，此后凍結壓力增長速度較小。

（4）壓力穩定階段。在此階段，凍結壁的變形速率和外層井壁的強度增長均趨于穩定，因此凍結壓力最終也逐漸趨于穩定。隨著凍結壁的融化，凍結壓力逐漸轉化為水土壓力并有下降趨勢，但最終趨于穩定。

通過數據分析，可以得到3個水平不同方向的最大壓力值的平均值，作為該深度處的平均凍結壓力，其值分別為：第一水平壓力為1.19MPa、第二水平壓力為1.37MPa、第三水平壓力為1.43 MPa，可以得到平均凍結壓力隨深度的變化規律如圖4所示。曲線擬合結果顯示，白堊系地層平均凍結壓力隨深度的變化幾乎成線性關系：P＝1.00691＋0.00139 h（1）

式中：P——均凍結壓力，MPa；h——地層深度，m。

圖4 平均凍結壓力隨深度變化曲線

3 結論

（1）白堊系地層的井壁凍結壓力主要受巖體開挖后應力釋放、井幫溫度、凍結壁變形和混凝土水化熱等因素影響，導致作用在井壁上的凍結壓力發展趨勢為4個階段：快速增長階段、降低階段、緩慢增長階段、趨于穩定階段，每個階段凍結壓力發展表現出不同速率，凍結壓力的早期急劇增長是引起外層井壁破壞的主要原因，在工程中必須考慮。

（2）隨著混凝土的澆筑，產生了大量的水化熱，由于凍土強度及變形性質與溫度密切相關，因此，壁后凍土的大范圍升溫及局部融化對外壁受力將造成不利影響。但基本上隨著深度的增加，水化熱的影響越大。由于混凝土產生的水化熱，使得凍結壁內凍土出現了二次融化與回凍狀態，因此，不能忽略內壁澆筑產生的水化熱對凍結壁的影響，同時也要重點研究白堊系地層凍結的二次融化與回凍規律。

（3）將3個水平不同方向的最大壓力值進行平均，作為該深度處的平均凍結壓力，得到平均凍結壓力隨深度的變化的線性擬合關系式。

（4）3個水平不同方位上測得凍結壓力沿井壁四周的分布呈現出明顯的各向異性的特點，主要由于凍結管偏斜、鹽水流量分配的不均勻性等因素，造成凍結壁的溫度、厚度、強度等不均勻性，從而導致凍結壓力在同一測試水平、不同方向存在較大差異，容易造成外層井壁產生剪切力，對井壁安全不利。

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In－situ measurement and analysis on the temperature and stress of freezing wall in Cretaceous stratum

Wu Wangqing，Li Dongwei，Ma Qiankun
（School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science＆Technology，Huainan，Anhui 232001，China）

In order to solve the technical problems of freeze sinking in Cretaceous stratum in Haizi Mine in Inner Mongolia，in－situ measurement on the temperature and stress of freezing wall was conducted during the process of shaft sinking.Then the field data of freezing pressure and temperature was obtained，from which the changing law of freezing pressure and temperature was acquired.The result has an important guiding significance for the design and construction of freezing shaft and project optimization in special strata in Inner Mongolia.

freeze sinking，Cretaceous stratum，freezing wall，freezing temperature，freezing pressure

TD265.3

A

吳王青（1987－），男，安徽池州人，本科學歷，安徽理工大學土木建筑學院在讀碩士研究生，主要從事凍土力學以及巖土與地下工程研究工作。

（責任編輯 張毅玲）