井壁凍結壓力及外井壁鋼筋應力實測

李晉華

(山西汾西正佳煤業有限責任公司，山西　臨汾　041300)

1　工程概況

風立井的井口標高為1 121.6 m，設計深度為966.6 m，整個井筒凈直徑為7.5 m，凈斷面面積44.2 m2. 井壁采用雙層鋼筋混凝土復合井壁結構，外層井壁厚度最大為 550 mm，最小為500 mm，內層井壁厚度最大為1 350 mm，最小為600 mm，混凝土強度等級從C50到C80不等，采用II級鋼筋，d22～d28 mm. 回風立井井筒特征參數見表1.

表1　風立井井筒特征參數表

風立井井筒采用普通法鑿井到井口以下垂深90 m后，通過現場抽水試驗估算井筒涌水量，含水層厚度總計達411 m，其中白堊系洛河組涌水量比較大，涌水造成施工無法繼續進行，因而轉為凍結法施工，主要針對白堊系和侏羅系含水地層封水，凍結深度為910 m.

風立井依次穿過的沖積層厚度為210.61 m，為第四系黏土層或砂礫層，白堊系地層653.88 m，是井筒凍結的主要地層。其次是侏羅系巖層109.1 m. 風檢孔揭露的地層自下而上厚度見表2.

表2　井檢孔揭露地層厚度表

結合現場勘測結果可知，風井地層以白堊系地層為主，其占總厚度比例約為70%，因此重點研究白堊系巖層凍結壓力具有重要意義[1-2].

2　凍結壓力監測

1) 測點布置與傳感器埋設。

通過對風井凍結段施工特點以及現場井檢孔的勘察結果分析，分別選擇距離井口632 m和841 m的位置布置溫度監測裝置、豎向鋼筋計、環向鋼筋計和壓力計(布置圖見圖1).

圖1　測點布置總匯圖

在距離井口632 m和841 m兩個層位分別布置4個荷載壓力計，每個層位的4個荷載壓力計分別安置在東、南、西、北4個方向上。為了確保荷載壓力計能夠與井幫緊密接觸，將荷載壓力計制作成水泥塊埋設在井壁混凝土當中，埋設時將荷載壓力計的受力膜面軸線與井筒中心線保持在同一條直線上，保證測試結果的準確。

2) 監測方法。

當荷載壓力計埋設之后，凍結壓力的監測剛開始7天，加密監測頻率，保證每天監測一次，以后每周監測一次，到套筑內層井壁時期之前再測一次數據。監測數據通過電纜連接CUB-1 M數據存儲器實時對壓力進行記錄，然后將存儲的數據拷貝到計算機中，對數據進行歸類，實現對數據的采集記錄。每次監測完后，對荷載壓力計伸出的電纜做好保護，方便下次監測工作。

3) 凍結壓力監測結果分析。

監測的凍結壓力變化曲線分別見圖2，3.

圖2　第一層位(-632 m)凍結壓力隨時間變化曲線圖

圖3　第二層位(-841 m)凍結壓力隨時間變化曲線圖

比較分析圖2、3，大致可以把作用在外井壁上的凍結壓力分為以下3個階段[3-4]：

a) 壓力急劇增長階段。初期隨著井筒的掘進開挖，凍結土體由于開挖后應力得以重新分布，凍結壁向內變形，澆筑外層混凝土井壁時，由于外層井壁阻止凍結壁向內變形，早期凍結壁變形產生的凍結壓力直接作用在井壁壓力荷載計上而出現急劇增長現象；另一個原因是當澆筑外層井壁混凝土時，混凝土釋放出大量的水化熱，使得凍結壁融化，凍結壁由于外部水平地壓應力的作用擠壓融化段巖層，當凍結管繼續供冷時，融化巖體又重新發生凍脹而產生凍結壓力[5].

b) 壓力緩慢增長階段。隨著工作面的開挖，監測層位距離開挖面越來越遠，并且下部井壁的澆筑影響范圍對監測層位越來越小，同時監測層位的外層井壁混凝土水化基本完成，此時凍結壁溫度在逐步下降，凍結壁巖層慢慢的發生回凍，因此回凍過程中凍脹壓力會發生緩慢增長現象。

c) 壓力穩定階段。隨著凍結壁在第二階段的溫度繼續下降，當凍結壁溫度已經趨于穩定，鋼筋混凝土井壁強度也已基本不再增長，此時溫度沒有大幅度變化而影響凍結壁的變形，凍結壁只發生很小的蠕變現象，從而使凍結壓力最終在一個固定值上下浮動。

通過對比白堊系地層實測凍結壓力數值與西部地層目前廣泛采用的凍結壓力經驗計算公式計算的結果(P=0.005H+1)，對二者凍結壓力數值進行對比，結果見表3.

表3　凍結壓力對比表

通過表3可以看出，實測的凍結壓力遠小于經驗公式計算的凍結壓力值，也小于規范中按表土層計算的凍結壓力值。

通過對圖2和圖3數據進行回歸分析，分別得出中粒砂巖和粗粒砂巖凍結施工時凍結壓力隨時間的函數表達式：

中粒砂巖平均凍結壓力：

P凍=0.576 2lnt+0.117 7

(1)

中粒砂巖最大凍結壓力：

P凍max=0.678 2lnt+0.138 5

(2)

粗粒砂巖平均凍結壓力：

P凍=0.581 3lnt+0.819 0

(3)

粗粒砂巖最大凍結壓力：

P凍max=0.704 2lnt+0.992 2

(4)

通過對圖2，3分析可知：

對于中粒砂巖而言，前10天凍結壓力呈線性增長態勢，凍結壓力達到最大值的81.3%，20天達到最大凍結壓力的93.5%，20天后凍結壓力大致呈穩定狀態，最終凍結壓力在最大值左右浮動。也就是說中粒砂巖凍結施工期間，需要關注前20天的混凝土養護狀況，特別需要注重前10天的混凝土養護，施工期間可在井幫與凍結壁之間放一定厚度的塑料夾層，達到延緩凍結壓力增長對外井壁作用的時間，從而使混凝土達到一定的強度來抵抗前期快速增長的凍結壓力。

對于粗粒砂巖來說，前9天凍結壓力呈線性增長態勢，凍結壓力達到最大值的95%，再往后凍結壓力增幅不大，大致在凍結壓力最大值左右變動。凍結壓力變化說明：在粗粒砂巖凍結施工期間，特別需要關注前9天的混凝土養護狀況，這樣就可以減少外層井壁施工期間的混凝土壓壞現象。

從表3可以看到，白堊系地層凍結壓力實測值遠小于目前西部地區廣泛采用的經驗公式計算的值。其中，中、粗粒砂巖的凍結壓力回歸公式可為以后西部同種地質的巖層提供參考數據，并能為西部地區井壁的設計提供依據。

3　外層井壁鋼筋應力監測

1) 外井壁豎向鋼筋受力監測結果分析。

豎向鋼筋測試結果見圖4，5.

圖4　-632 m豎向鋼筋計受力隨時間變化曲線圖

圖5　-841 m豎向鋼筋計受力隨時間變化曲線圖

a) 快速上升段。

外層井壁澆筑初期，豎直方向上由于鋼筋混凝土水泥水化熱影響，凍結壁融化，進而凍結壁對外層井壁的圍抱摩擦力減小，鋼筋混凝土井壁由于自重作用，產生豎直方向的吊掛力，因此豎向鋼筋出現快速增長的拉應力；另一方面，由于外層井壁澆筑后的一周內，對外層井壁拆除模板，隨著鋼筋混凝土井壁結構開始脫模，豎向方向上由原來的上下兩端用模板固定轉變為下端為自由端，因此鋼筋應力由拆模前的受壓狀態轉為拆模后的受拉狀態，此階段拉應力急劇增長，增長速率很快，最大達到0.4 MPa/h.該時期要特別防范混凝土發生拉裂現象，因為外層井壁混凝土還沒有達到設計強度值，外層井壁豎直方向上由于應力過大很容易發生環向裂縫。

b) 緩慢上升段。

隨著第一階段的發生，當外井壁澆筑一周以后，在第一階段產生融化的凍結壁隨著凍結管冷量的供給，巖層溫度不斷下降，凍結壁產生回凍。此時外井壁由第一階段井壁接觸的是融化的凍結壁，逐漸發展為回凍的凍結壁，凍結壁回凍后增大了外層井壁與凍結壁的圍抱摩擦力，減小了外層井壁所受的吊掛力，因此，該階段拉應力較第一階段緩慢。

井筒內外層井壁鋼筋采用的是HRB335鋼筋，在整個豎向鋼筋應力監測當中，由圖4，5可知，外層井壁兩個層位豎向鋼筋最大應力都不超過70 MPa，遠遠小于HRB335鋼筋屈服強度。內層井壁豎向鋼筋應力比外層井壁豎向鋼筋應力小，究其原因主要是內層井壁接觸的是外層井壁內壁面，其摩擦力不會因為混凝土水化熱作用而減小，因此其實測結果小于外層井壁鋼筋實測值，總體來說井壁處于安全工作狀態。

同時通過監測結果可知，鋼筋的豎向應力遠遠小于鋼筋設計標準值，鋼筋的材料性能沒有很好的發揮。

2) 外壁環向鋼筋受力監測結果分析。

外井壁環向鋼筋監測結果見圖6和圖7.

圖6　-632 m外井壁環向鋼筋受力隨時間變化曲線圖

圖7　-841 m外井壁環向鋼筋受力隨時間變化曲線圖

由圖6和圖7可以看出，環向鋼筋應力隨時間變化與豎向鋼筋應力隨時間變化的趨勢和規律大致相同，分為以下3個階段：

a) 快速增長段。

外層井壁混凝土澆筑2～12天時，外層井壁的環向鋼筋的應力呈快速增長態勢，應力主要為壓應力，最高增長速度能達到-0.5 MPa/h，平均增長速率值為-0.4 MPa/h.由于外層井壁的澆筑，凍結壓力作用在外層井壁上，從而使外層井壁環向鋼筋產生環向壓應力，由前面凍結壓力在外井壁澆筑初期呈快速增長態勢，因此導致外井壁環向鋼筋應力也呈快速增長態勢；另一方面，由于混凝土水化熱作用導致鋼筋發生熱膨脹，而由于凍結壁的約束效果，進一步使得環向鋼筋的應力快速增長。

b) 緩慢增長段。

外層井壁混凝土澆筑12～24天時，環向鋼筋應力處于緩慢增長階段，最大達到-37 MPa.由圖6、7可知，外層井壁環向鋼筋應力在20天之后出現略微增長，主要是此時第一階段的外層井壁混凝土水化熱溫度達到一個峰值的現象結束，此時溫度應力對環向鋼筋的壓應力作用會減小，而由前面凍結壓力的變化規律可知20天之后凍結壓力也呈一個緩慢增長態勢，因此，此時環向鋼筋應力隨著凍結壓力的緩慢增長而慢慢增加。

c) 趨于穩定段。

外層井壁混凝土澆筑24天之后，-632 m外層井壁環向鋼筋最大應力達到-50 MPa，-841 m外層井壁環向鋼筋最大應力達到-52 MPa，兩個層位環向鋼筋達到最大值后趨于穩定。主要是前期的混凝土水泥水化熱現象結束，混凝土溫度也漸漸趨于穩定，而由前可知凍結壓力24天之后其值基本穩定，因此作用于外井壁凍結壓力波動很小，所以外層井壁環向鋼筋在此階段基本趨于穩定階段。

環向鋼筋的受力變化情況和監測的凍結壓力變化趨勢大致一樣，也是前10天左右呈快速增長態勢，后期逐步穩定，進一步說明了監測方案的正確性。同時通過監測結果可知，鋼筋的環向應力遠小于鋼筋設計標準值，鋼筋的材料性能沒有很好的發揮。

4　凍結壁位移監測

井壁與凍結壁具有相互作用的特性，凍結壁產生位移必須滿足凍結管作用要求，否則可能造成凍結管斷裂，影響井筒凍結施工。同時外井壁抵抗凍結壁位移，預防凍結壁過大位移，當凍結壁位移和外井壁位移之和小于凍結壁要求的最大位移，施工方可安全。因此，對凍結壁位移進行監測具有重要意義，現場對風立井白堊系巖層凍結壁最大位移進行實測的數據，見表4.

表4　凍結壁最大位移實測結果表

5　結　論

凍結壓力、外層井壁鋼筋應力監測數據表明，凍結壓力的變化過程可以大致分為3個階段：壓力急劇增長階段、壓力緩慢增長階段、壓力穩定階段。外層井壁鋼筋應力與凍結壓力有關，鋼筋應力隨時間的變化規律與凍結壓力隨時間的變化規律相似，其壓應力最大值均小于鋼筋的屈服強度。

通過監測-632 m、-841 m兩個水平層位的凍結壓力，分別得出中、粗粒砂巖富水巖層凍結施工時其最大凍結壓力隨時間變化的函數關系表達式，并且實測的凍結壓力遠小于經驗公式計算的凍結壓力值，也小于規范中按表土層計算的凍結壓力值，能夠為后續西部相同地層凍結壓力計算提供參考。

通過監測凍結壓力數據分析可知，對于中粒砂巖前10天凍結壓力呈線性增長態勢，凍結壓力達到最大值的81.3%，20天達到最大凍結壓力的93.5%，20天往后凍結壓力大致呈穩定狀態，最終凍結壓力在最大值左右浮動。對于粗粒砂巖來說，前9天凍結壓力呈線性增長態勢，凍結壓力達到最大值的95%，再往后凍結壓力增幅不大，大致在凍結壓力最大值左右變動。因此對西部富水中、粗粒砂巖地層凍結壓力增長情況進行監測，得出凍結壓力隨時間變化規律，可以指導凍結施工期間混凝土養護，對于預防混凝土提前受壓而破壞具有重要意義。

[1]楊俊杰.考慮地層抗力時外層井壁的內力計算[J].煤炭工程,2002,49(2):113-116.

[2]楊俊杰.深厚粘土層凍結井外壁設計的一種新方法[J].煤礦設計,1997,44(3):47-49.

[3]楊更社,奚家米,屈永龍.西部白堊系富水基巖立井凍結壓力實測研究[J].采礦與安全工程學報,2014,31(6):982-986.

[4]王衍森.特厚沖積層中凍結井外壁強度增長及受力與變形規律研究[D].徐州:中國礦業學報,2005.

[5]張弛,楊維好.深厚凍結基巖中新型單層井壁施工技術與混凝土應變實測[J].煤炭學報,2012,10(2):322-326.