斜井井壁底板破損凍結修復施工

任志剛 楊 焱 陳旭志

(1.中煤邯鄲特殊鑿井有限公司，河北 邯鄲 056003； 2.中國礦業大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

應用人工制冷技術凍結加固土體，使之發展為封閉的凍土結構，為正常施工創造一個較強的圍護結構[1]。在整個施工過程，從凍結開始到開挖直至永久支護結構形成的整個時期，凍結土體的熱力學性質經歷了劇烈的變化，并由此對施工環境產生影響[2]。對若干重要參數的現場監測，是工程順利施工的重要保證條件之一，為優化施工方案提供依據[3]。

1 工程概況

袁大灘主斜井修復工程里程340 m～385 m底板仍有不均勻隆起，最大隆起高度0.4 m，裂縫寬度10 cm，見圖1。

2 底板破壞修復凍結設計

2.1 總體修復原則

由于里程360～372(第三段)之間沒有布置封幫封頂孔，且側幫孔距離井壁較遠(6.5 m)，底板修復施工時底板周圍沒有凍結壁的保護，而采用注漿等其他手段進行加固時，無法保證加固的均勻性和防水性能。

根據底板實際情況，現對底板進行底板修復。凍結孔布孔里程在359 m～373 m。在凍結帷幕的保護下進行現有底板井壁鑿除、恢復和新井壁的澆筑工作。

2.2 凍結壁厚度設計

采用井筒內垂直板塊凍結，根據主斜井沖積層埋深，計算側幫承受地壓力。井口標高+1 212.90 m作為凍結深度起始標高±0.000 m，第三段最大開挖深度90 m，地層為沖積層，連續粉砂、細砂層，側壓力按似重液公式Pb=0.013H計算，Pb=1.17 MPa[4]。凍結壁平均溫度取-10 ℃，考慮到井筒斷面形狀壓力的不均勻性及應力集中情況，井筒底板底部凍結壁厚度確定為4.5 m，井筒底板側幫處凍結壁厚度確定為2.5 m。在360 m～372 m里程兩頭各有2 m厚凍結壁厚度，保證端頭開挖安全[5]。

2.3 鉆孔布置設計

凍結孔布置：在里程359 m～373 m間隔1.42 m共布置凍結孔總數90個，凍結孔總長度478.566 m。

測溫孔布置：布置測溫孔5個，測溫孔深度4.5 m(深入凍土3.3 m)，總長度22.5 m。凍結孔及測溫孔布置見圖2,圖3。

2.4 凍結循環設計

凍結管采用φ89×8 mm無縫鋼管，內置φ50×5 mm塑料管，測溫管采用φ89×8 mm無縫鋼管，凍結管、測溫管均采用外管箍焊接連接。

可以直接利用地面垂直孔的第三段封尾孔內部的鹽水用于隧道底板的凍結修復。首先在里程390 m處井筒兩側各暴露出一根封尾凍結管，將管內鹽水吹干并拔出供液軟管，在井筒內將凍結管割開，并焊接彎頭和集、配液管，配液管上安裝管道泵，凍結管每排8個孔為一組首尾依次串聯后接入集、配液管(φ325×8 mm無縫鋼管)，凍結管與集、配液管之間通過高壓膠皮軟管連接。集、配液管應牢固固定在井壁上，在供水凍結管和配液管之間安裝減壓閥，同時在集、配液管上安裝放空閥。

3 底板破壞修復施工

3.1 凍結孔施工

采用金剛石取芯鉆開孔提前開孔以減少打鉆施工時間，確定孔位時注意井筒內墊層為隨坡澆筑。凍結孔開孔前安裝好孔口密封、防噴裝置。按設備的安裝要求進行，并配套好泥漿設施。接通水、電、安裝夜間照明，檢查鉆具，做好各項準備工作。鉆機采用跟管鉆進方法，鉆進用鉆桿應采用絲扣連接，分班連續作業方式。凍結管施工過程需要在隧道內焊接，為了給工作面提供新鮮空氣并及時將廢氣排出，井筒內部應加強通風。

3.2 凍結施工

由于井筒埋深位于地面以下90 m，因此凍結施工期間需要注意以下問題：

1)鹽水循環系統壓力。對于集配液管與凍結管的連接用高壓管，連接高壓管的鋼管上焊接螺絲帽將綁扎管路的鐵絲固定牢靠。一旦有鹽水漏失能采取緊急措施關閉地面及井下鹽水管路減少鹽水漏失。每組凍結管的進出口各裝閥門一個，以便控制流量。

2)由于冬季地面已凍住因此凍結帷幕內的凍脹壓力無法泄壓，使井壁承受超過設計值的壓力，因此在地面應設置不凍的水文孔，將帷幕內井筒上部的凍脹壓力釋放掉。

3)凍結施工范圍內禁止水流入。凍結段上方水要截止并通過管路引至凍結段下方，凍結段下方水要即時排出。

積極凍結期鹽水溫度為-22 ℃～-24 ℃，設計凍結時間35 d，要求凍結孔單孔流量不小于4 m3/h；如鹽水溫度和鹽水流量達不到設計要求，應延長積極凍結時間。

3.3 開挖前凍結效果判定

通過以下判定手段判斷凍結帷幕是否達到設計要求：

1)凍結系統運行情況判定。

集、配液管鹽水溫度及各組循環凍結孔端頭溫度監測。

2)凍結壁厚度估算。

根據測溫孔判斷凍結壁達到設計要求后，在底板孔間距較大處布置探孔，根據測溫孔和探孔對凍結壁厚度進行估算。

3.4 原有底板及內壁的鑿除、澆筑

根據井壁破壞情況和設計的要求，從里程360 m～372 m順井筒掘進破除需要修復的混凝土底板(內壁)，恢復至原有設計標準。在破除原有井壁的位置，按設計院圖紙澆筑混凝土井壁。修復期間保留A,P排凍結孔及Z1,Z2,Z23,Z24四個凍結孔。井壁修復完成后停止凍結，割除凍結管并對凍結孔防水處理及里程底板接槎處理。

4 施工監測

4.1 端頭溫度

端頭溫度見圖4，鹽水循環整體情況良好。

4.2 井壁收斂情況

井壁收斂情況見表1。

從收斂監測可以看出目前359 m～373 m里程段總體井壁結構處于穩定狀態。

4.3 測溫孔溫度監測

表1 收斂情況監測表

典型測溫孔溫度變化曲線如圖5,圖6所示。

4.4 凍結狀況分析

水平凍土發展情況見表2，表3。

表2 1.5 m水平凍土發展情況

表3 4.4 m水平凍土發展情況

結合凍結孔孔間距情況及測溫孔降溫情況分析，360 m～372 m修復段底板兩端凍土已超過2 m保護段，凍結段中部凍土發展速度較快，也已經交圈，經過推算，凍土平均溫度達到-11 ℃左右。同時底板兩側在鉆孔施工前探測凍土已至井壁外側2 m左右，經過凍結計算，底板左右兩側已形成凍結壁，實現了封閉封水達到開挖要求。

5 結語

本文通過對袁大灘主斜井360 m～372 m底板破壞段的實際情況分析，提出了具體的對破壞段進行凍結加固開挖及砌筑凍結設計方案：

1)根據底板實際情況，現對360 m～372 m底板進行底板修復。采用井筒內垂直板塊凍結，根據主斜井沖積層埋深，計算側幫承受地壓力，確定凍結壁厚度并對凍結孔、測溫孔以及凍結循環進行合理的設計。

2)根據井壁破壞情況和設計的要求，對凍結孔施工、凍結施工、開挖及澆筑進行詳細的分析，確保底板破壞修復施工的安全進行。

3)與工程同步進行了凍結系統鹽水溫度、凍結帷幕土體溫度、井壁收斂的監測，得到了土體凍結的一些規律，指導了工程施工，證明工程設計及所采取的各種技術措施是可行有效的，保證了工程安全順利施工。為凍結施工的成功應用，積累了寶貴的經驗。