特殊地層凍結壁的設計與控制

劉亞軍

(1.安徽理工大學土木建筑學院，安徽淮南 232001;2.中煤第三建設集團凍結工程處，安徽淮北 235044)

隨著煤炭建設速度加快，凍結法施工也逐步被引進到甘肅中東部地區，該地區上部主要以第四、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，地質條件復雜，無成功的經驗可以借鑒，如何在該地區實施凍結法施工是一個難題。

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～南東向狹長帶狀，東西長約 9.8 km，南北寬約 1.3 km，面積12.89 km2。工廠內布設有主、副兩個井筒，該井井筒凈徑6.5 m，最大掘進荒直徑9.4 m，凍結深度460 m，井筒深度549 m。凍結段以第四系、第三系地層為主。

2 凍結壁的設計

依據相關實驗資料，將凍結壁控制層平均溫度設計為－10℃，積極凍結期鹽水溫度ty=－28℃～－30℃，通過解析計算以及工程類比，最終確定凍結壁平均厚度為E=4.3 m。針對該井主要覆蓋層為第四系、第三系地層的實際情況，我們針對性的采用了“小梅花”形凍結孔布置，該布置方法的優點在于:內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，實現快速開挖的需求，又可確保下部凍結壁的強度和厚度，確保井筒掘砌安全(凍結孔布置參數見表1)。

表1 凍結孔布置參數表

3 凍結壁的控制

凍結壁厚度設計合理與否，對整個凍結工程來說影響深遠，凍結壁過厚經濟上不合理，凍結壁過薄安全性難以保障。在確定合理的凍結壁厚度后，如何依據實際施工情況，合理的控制凍結壁厚度，則直接關系到整個凍結工程的經濟性。下面就是我們依據實際施工情況，合理控制凍結壁發展厚度的實例。

1)在含水率極低的地層中準確結壁是否交圈。

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

項目部依據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，報導層設置在85 m～99 m之間(見圖1)，經實測水文孔的原始位為95 m，最低水位為99.23 m(水文孔水位變化情況見圖2及表2某井筒水文孔水位變化表)。為了準確判定水文孔是否交圈，施工中項目部將水文孔兼作內側測溫孔使用，經測定水文孔報導層90 m處原始地溫12.8℃，最大孔間距為1.699 m，50 d后該點溫度降至8.5℃，該井筒設計凍結壁厚4.3 m，凍結孔布置圈徑為14.7 m。為了確定凍結壁是否交圈，我們利用零階貝塞爾函數計算分析。

圖1 1號水文孔結構圖

依據零階貝塞爾函數知:

井內降溫區溫度場公式為:

其中，t為對應于r點的溫度;t0為原始溫度;α為導溫系數;τ為時間;R為凍結壁內側壁面距井筒中心的距離;r為圓柱坐標。

圖2 某井筒水文孔水位變化曲線

將上式轉化為:

凍結壁厚度E為:

由凍結壁的厚度可知，凍結孔凍土發展的最小半徑為1.815 m，大于凍結孔最大孔間距(1.699 m)，由此可判定凍結壁已經交圈，此例中我們利用零階貝塞爾函數計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壁的發展情況，而實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)結合掘砌速度實時控制凍結壁厚度。

進入6月份以來，掘砌單位掘進速度明顯放緩，經過多次與礦方、監理以及掘砌單位施工人員探討得知，掘進速度放緩的主要原因是掘砌單位管理混亂，人員流失嚴重以及設備陳舊、維修保養不到位，傘鉆6只鉆臂只有3只可以工作，而且時常出故障，還有就是放炮作業不規范，矸石塊度過大，裝卸難度大等原因導致掘砌速度提不上去，而且短時間內這種狀況無法改善。為此，項目部審時度勢，依據掘砌的單位的掘進速度，不斷的調整開機數量和類型，由2∶2雙級壓縮，調整為2∶1(高2臺高壓，1臺低壓)，雙級壓縮與單級壓縮相結合，通過動態的調整開機參數，將凍結壁厚度始終保持不增不減，動態平衡的狀態，以1號測溫孔261 m測點(砂質泥巖)為例，該測點從6月16日到8月7日，測點溫度一直維持在 －4.0℃ ～ －4.1℃，整整52 d時間，通過圖3，圖4的1號、3號測溫孔溫度變化曲線圖可更直觀的看出。

圖3 某井筒1號測溫孔6.16～8.7溫度變化曲線圖

圖4 某井筒3號測溫孔6.16～8.7溫度變化曲線圖

3)套內壁前加強開機。由于凍結厚度相對較薄、凍結時間較短、凍結管距荒徑較近，加之套內壁所用混凝土均為C70高強混凝土，套內壁期間混凝土會釋放大量熱量。這些熱量會沿著外壁向上傳遞，此時，若不加強凍結，緊貼外壁部分凍結壁就會融化。軟巖地層中，由于圍巖的微抱力較小，這部分凍結壁融化后，在融化的凍結和外壁之間就會形成一定通道，水會隨著通道往下流，當遇到外壁接槎施工質量薄弱的地方，水就會涌出形成比較集中的出水點，從而影響內壁的施工質量和進度。為了防止套內壁時，出現外壁附近凍結壁融化，我們在套內壁前15 d加強開機，將開機配比逐漸的由2∶1調整到2∶2，3∶2，鹽水溫度由 －20℃調整到－25℃，當內壁套至300 m，通過資料分析，剩余凍結壁可以維持到套內壁結算，所以內壁套至300 m時停機，停機后井壁未出現滲水現象。

雖然甘肅中東部是第一次施工凍結法施工，沒有成功的經驗可以借鑒，但是，我們通過合理設計凍結壁厚度和鉆孔布置方式，動態的調節開機參數，不但成功的解決了含水率極低地層水文孔報導層是否交圈的問題，而且優質高效的保證了井筒的施工安全，為該地區使用凍結法施工積累了成功的經驗。