深厚沖積層凍結(jié)法鑿井凍脹應力模型試驗研究

彭 飛，王植陽

(1.煤炭科學研究總院建井研究分院，北京 100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；3.河南國龍礦業(yè)建設有限公司，河南 鄭州 450000)

井筒穿過深厚沖積層多采用多圈孔凍結(jié)法施工，該施工法對凍結(jié)壓力和凍結(jié)管安全的影響是深厚沖積層凍結(jié)法鑿井研究的熱點[1-3]。工程實踐表明，深厚沖積層凍結(jié)法鑿井經(jīng)常發(fā)生凍結(jié)管斷裂與外層井壁破裂事故[4，5]。這些事故不僅延誤工期，影響工程質(zhì)量，危害施工安全，造成透水淹井等重大隱患。其主要原因是深厚沖積層凍結(jié)壁隨時間推移會發(fā)生較大的蠕變變形[6]，凍結(jié)管在地壓和凍脹應力作用下發(fā)生大變形彎曲，變形過大會導致凍結(jié)管斷裂；多圈孔凍結(jié)凍脹引起的壓力成為凍結(jié)壓力的重要組成部分，外層井壁在較大凍結(jié)壓力的作用下容易產(chǎn)生裂縫，發(fā)生破壞[7，8]。

針對凍結(jié)法鑿井凍結(jié)過程中凍脹效應對工程的危害，國內(nèi)外學者圍繞工程實測與模型試驗研究做了大量研究，汪仁和[9]認為凍結(jié)壓力最大值可達到初始地壓的2.4倍，開挖時凍脹力的釋放會導致凍結(jié)管斷裂。王衍森[10]認為凍結(jié)壁內(nèi)部凍脹力的積聚和釋放是威脅凍結(jié)壁和凍結(jié)管安全的關(guān)鍵因素。王建平[11]通過理論分析和試驗，發(fā)現(xiàn)距離冷源相對遠的點也會因為水分遷移產(chǎn)生較大的凍脹力，因此毛細現(xiàn)象明顯的土體易產(chǎn)生更大的凍脹應力，同時冷源溫度越低，土體溫度下降越快，產(chǎn)生的凍脹力越小。王瀚[12]、崔廣心[13]分別進行了多圈管凍結(jié)壁內(nèi)部凍脹應力的形成特性研究，分析了凍結(jié)壁不同位置的溫度和凍脹應力的發(fā)展過程。

但是上述學者的研究，側(cè)重在分析不同位置凍脹應力的分布特征，本文以趙固二礦西回風立井多圈孔凍結(jié)為原型進行凍結(jié)壁內(nèi)部凍脹應力模型試驗研究，分析凍脹力的形成特性和分布特征，對凍結(jié)壁內(nèi)部凍脹應力的形成特性和分布特征進行研究，了解其產(chǎn)生、發(fā)展和持續(xù)的全過程及原因，提出降低凍結(jié)壁內(nèi)部凍脹應力措施，防止凍結(jié)管斷裂及外層井壁破裂等工程風險。

1 模型試驗方案

趙固二礦西回風立井井筒穿過沖積層704.6m，擬凍結(jié)深度783m，屬國內(nèi)外凍結(jié)井筒穿過沖積層最厚的井筒之一[14]。沖積層土體含水量大，凍脹效應明顯。試驗對不同布孔方式，即主凍結(jié)孔(也稱主孔)、輔助凍結(jié)孔(也稱輔助孔)不同布孔圈徑、不同孔間距情況下和不同巖性(砂土、砂質(zhì)黏土)的凍脹應力場、溫度場進行對比分析。

1.1 模型縮比

綜合考慮工程實際凍結(jié)壁尺寸與凍結(jié)壁模型試驗臺尺寸，確定幾何縮比為Cl=1/20Cl=1/20。根據(jù)幾何縮比采用?300mm的無縫鋼管作為模擬井壁，安裝在試驗桶中央。

1.2 試驗土體的選擇和取用

應用工程現(xiàn)場土樣(趙固二礦西回風立井井下取土)，取用現(xiàn)場的砂土和砂質(zhì)黏土。

試驗室進行常規(guī)土工試驗，測定其含水率、密度等參數(shù)。實測砂土密度2.15g/cm3、含水率16.3%，砂質(zhì)黏土密度2.08g/cm3、含水率23.2%。

1.3 填土和布孔方式

本次模型試驗考慮選擇兩種土層：砂土、砂質(zhì)黏土，按下部砂土、上部砂質(zhì)黏土順序填埋、夯實。

采用三種不同布孔方案進行模型試驗，對比不同布孔方案下凍結(jié)壁溫度分布及凍脹力分布。布孔方案參數(shù)見表1，模型試驗布孔方案如圖1所示。

圖1 模型試驗布孔方案示意圖

1.4 傳感器的布置與測量

試驗凍脹力測量采用微型土壓力盒，配合靜態(tài)應變分析系統(tǒng)進行監(jiān)測凍脹力實時變化情況。將試驗桶按巖性和布孔方式分為6個測區(qū)，每個測區(qū)布置12個壓力盒，總計72個。壓力盒分別布置于模擬井壁外側(cè)(兩個)、內(nèi)排輔助孔內(nèi)側(cè)界面、內(nèi)排輔助孔內(nèi)側(cè)主面、內(nèi)外輔助孔之間界面、內(nèi)外輔助孔之間主面、外輔助孔和主孔之間主面(兩個)、外輔助孔和主孔之間界面(兩個)、主孔外側(cè)主面壓力、主孔外側(cè)界面，傳感器布置如圖2所示，各測點的空間位置關(guān)系見表2。砂土層的三種布孔方式分別采用S101—S112，S201—S212，S301—S312編號，砂質(zhì)黏土層的三種布孔方式分別采用N101—N112，N201—N212，N301—N312編號。

圖2 傳感器布置示意圖

表2 各測點的空間位置關(guān)系

溫度測量采用數(shù)字溫度傳感器，配合測溫模塊進行溫度監(jiān)測。每組試驗布置78個測溫點。鹽水進水、回水三個扇區(qū)各一個測點，計6個。其余72個測點與壓力盒配合布置。

壓力和溫度數(shù)據(jù)均間隔2h采集一次，試驗共采集58h。

1.5 鹽水溫度和流量的控制

模型試驗中控制模擬凍結(jié)管內(nèi)鹽水流速維持在35～40L/h，試驗期間鹽水溫度控制在-23～-24℃。

2 試驗結(jié)果與分析

模擬的第一種布孔方式即趙固二礦西風井實際采用的布孔方式，本文選取第一種布孔方式砂土層作為研究對象，分析隨凍結(jié)時間的變化不同位置凍脹應力和溫度變化特征。按照距離試驗桶中心的遠近選取6個不同位置的測點數(shù)據(jù)，其溫度、凍脹應力隨凍結(jié)時間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 第一種布孔方式砂土層溫度和凍脹應力隨時間變化關(guān)系

2.1 井壁側(cè)溫度和凍脹應力變化情況

根據(jù)S102測點實測結(jié)果分析，隨著凍結(jié)時間的延長井壁側(cè)溫度呈初期緩慢降溫、快速降溫、緩慢降溫、快速降溫四個階段，前兩個降溫階段凍脹應力一直呈較緩慢增長、降溫第三階段凍脹應力小幅快速增長后趨于較緩慢增長。

在凍結(jié)開始后的前6h內(nèi)，由于井壁距凍結(jié)管較遠，井壁受到的降溫影響小于凍結(jié)孔附近的土體，因此冷凍初期井壁附近的溫度梯度相對較小。井壁位置處的土體受到的凍脹應力呈緩速增長狀態(tài)，但增長幅度很小。

凍結(jié)8h后，井壁溫度快速下降。該階段主凍結(jié)孔圈附近凍土初步開始形成，但是凍結(jié)壁尚未交圈，井壁位置處土體受到土體凍脹擠壓作用也不明顯。因此該階段凍脹應力增幅仍然較小。

凍結(jié)22h后，此時溫度先是下降速度趨緩，到凍結(jié)后24h溫度又快速下降。該階段為凍結(jié)壁發(fā)展至交圈的關(guān)鍵階段，凍結(jié)管釋放的冷量大多被用于土體中水分形成冰晶。因此土體溫度和井壁溫度下降速度先趨于平緩，凍結(jié)壁交圈后井壁溫度又持續(xù)下降。該階段凍脹應力增速顯著提高，原因是凍結(jié)壁交圈后土體的凍脹對井壁位置處的土體有一定的擠壓作用。

凍結(jié)26h后，井壁溫度以0.3～0.4℃/h的速度勻速下降，凍結(jié)58h下降至-8.2℃。該階段井壁受到的凍脹應力持續(xù)增長，凍結(jié)壁在該階段不斷發(fā)展，土體凍脹對井壁位置處的土體的擠壓作用持續(xù)增加，但井壁位置處的土體受到的凍脹應力總體不大。

2.2 內(nèi)排輔助孔內(nèi)側(cè)

根據(jù)S104測點實測結(jié)果分析，隨著凍結(jié)時間的延長內(nèi)排輔助孔內(nèi)側(cè)溫度呈快速降溫、緩慢持續(xù)降溫兩大階段，在降溫過程中凍脹應力呈緩慢增長、快速增長至峰值、至峰值后平穩(wěn)回落三個階段，最終呈現(xiàn)較大的凍脹應力。

在溫度快速下降階段，即凍結(jié)開始后前6h，土體溫度以1.1～1.3℃/h的速度快速下降，此時土體溫度尚未下降至冰點，除緊貼凍結(jié)管壁的位置外，其余地方無冰晶產(chǎn)生，凍結(jié)管釋放的冷量使得土體溫度快速下降。該階段凍脹應力略有增長，持續(xù)至溫度下降至4℃附近，主要是孔隙水體積膨脹造成的。

凍結(jié)8h后，溫度下降開始趨緩，原因是近凍結(jié)管土體的溫度下降到冰點附近，土體中的水開始形成冰晶，該過程需要消耗較大的冷量，影響土體的整體溫度下降速度。此階段土體中冰晶正在形成，凍結(jié)壁尚未交圈，凍脹應力也表現(xiàn)為緩慢增加。

冷凍后24h，溫度下降，下降速率達0.3～0.4℃/h。該階段凍脹應力增速很快，2h增幅達到22kPa。此時測點溫度并未下降至冰點以下，但受主凍結(jié)孔圈凍結(jié)壁交圈影響，該點在封閉的凍結(jié)壁內(nèi)，壓力突增明顯。凍結(jié)壁交圈后，凍結(jié)壁圈內(nèi)側(cè)的點可測量到明顯的凍脹應力，如果該點距離凍結(jié)管較遠，則會在該點溫度尚未下降至冰點線、孔隙水尚未形成冰晶時，也能測出較明顯凍脹應力。

凍結(jié)44h后，測點溫度持續(xù)下降。凍脹應力在達到峰值89.6kPa后小幅回落，此時凍結(jié)壁的擴展基本完成，因凍結(jié)壁擴展產(chǎn)生的凍脹應力增量顯著降低。土體長時間受到凍脹應力作用，發(fā)生蠕變，使得實測凍脹應力出現(xiàn)小幅下降。

2.3 內(nèi)外排輔助孔之間

根據(jù)S106測點實測結(jié)果分析，隨著凍結(jié)時間的延長內(nèi)外排輔助孔之間溫度呈快速降溫、緩慢持續(xù)降溫、較快速降溫三個階段，在降溫過程中凍脹應力呈緩慢增長、快速增長至峰值后、至峰值后平穩(wěn)回落三個階段，最終呈現(xiàn)較大的凍脹應力。

凍結(jié)開始后前8h，土體溫度以1.1～1.3℃/h的速度快速下降，此時土體溫度尚未下降至冰點附近，除緊貼凍結(jié)管壁的位置外，其余地方無冰晶產(chǎn)生，凍結(jié)管釋放的冷量使得土體溫度快速下降。該階段凍脹應力持續(xù)緩慢增長。

凍結(jié)10h后，土體的溫度下降到冰點附近，土體中的水開始形成冰晶，凍結(jié)壁初步形成的過程中，土體消耗巨大的冷量，土體溫度保持-0.3℃不變。該階段凍結(jié)壁正在形成，凍脹應力以1kPa/h左右的速度緩慢增長。

凍結(jié)22h后，測點溫度再度開始下降，24h下降速率達0.2℃/h。凍結(jié)后22h該處溫度已突破冰點，但凍脹應力并未在22h突增，24h后凍脹應力開始突增，兩小時增幅達24.4kPa。分析該點溫度在凍結(jié)后22h已下降至冰點以下，但主凍結(jié)孔圈附近的凍結(jié)壁尚未交圈，凍脹應力仍按原速率增長，至24h后主凍結(jié)孔圈凍結(jié)壁交圈后該點凍脹應力增速才有突破性增加。凍結(jié)壁交圈前，主凍結(jié)孔圈內(nèi)側(cè)的點可測量到緩慢的凍脹應力，如果該點距離輔助凍結(jié)管較近，則該點溫度可能早于主凍結(jié)孔圈下降至冰點線以下，土體中水分形成冰晶，但凍脹應力無突破性增長。

凍結(jié)44h后，測點溫度持續(xù)下降。凍脹應力在達到峰值102.9kPa后小幅回落，此時凍結(jié)壁的擴展基本完成，但凍結(jié)壁擴展產(chǎn)生的凍脹應力增量有所降低。土體長時間受到凍脹應力作用，發(fā)生蠕變，使得實測凍脹應力出現(xiàn)小幅下降。

2.4 外排輔助孔與主孔之間

根據(jù)S107、S108測點實測結(jié)果分析，隨著凍結(jié)時間的延長外排輔助孔與主孔之間主面、界面溫度均呈快速降溫、較緩慢降溫、較快速降溫三個階段，在降溫過程中凍脹應力呈緩慢微量增長、快速增長、持續(xù)低速增長三個階段，主面測點呈現(xiàn)最大的凍脹應力。

2.4.1 主面S107測點

凍結(jié)開始后前6h，土體溫度以1.2～1.3℃/h的速度快速下降，此時土體溫度尚未下降至冰點附近，除緊貼凍結(jié)管壁的位置外，其余地方無冰晶產(chǎn)生，凍結(jié)管釋放的冷量使得土體溫度快速下降。該階段凍脹應力略有增長，主要是溫度下降至近4℃附近，孔隙水體積膨脹造成的，但凍脹應力增長不大。

凍結(jié)8h后，土體的溫度就下降到冰點附近，土體中的水開始形成冰晶，凍結(jié)壁初步形成的過程中，土體消耗巨大的冷量，土體溫度保持-0.1℃不變。該階段凍結(jié)壁正在形成，凍脹應力以0.15kPa/h左右的速度緩慢增長。

凍結(jié)24h后，溫度再度開始明顯下降，28h后下降速率達0.3℃/h。凍結(jié)后24h測點溫度突破冰點，因主凍結(jié)孔圈界面位置(界面位置受底部管路影響，溫度下降快于主面)早已突破冰點，因此該點突破冰點后，主凍結(jié)孔圈凍結(jié)壁交圈。主凍結(jié)孔圈凍結(jié)壁交圈后，凍脹應力突增，兩小時增幅達到21.7kPa。該點凍脹應力在凍結(jié)壁交圈后，增長時間長，增長速率長時間保持10kPa/h以上，累計增長幅度達到145.7kPa，為累計增長幅度各監(jiān)測點中最大值。在凍脹應力檢測控制中，主凍結(jié)孔圈與輔助孔之間的主面位置應當作為檢測控制的重點。

2.4.2 界面S108測點

凍結(jié)開始后前4h，土體溫度以0.8～0.9℃/h的速度快速下降，此時土體溫度尚未下降至冰點附近，除緊貼凍結(jié)管壁的位置外，其余地方無冰晶產(chǎn)生，凍結(jié)管釋放的冷量使得土體溫度快速下降。該階段近凍結(jié)管土體有小冰晶形成，凍脹應力略有增長。布置鹽水管路時，在試驗桶底部焊接了管路，該處管路中鹽水對界面位置土體有明顯影響，因此界面溫度下降較主面位置快。

凍結(jié)8h后，溫度下降開始趨緩，原因是主凍結(jié)孔圈附近土體的溫度下降到冰點附近，土體中的水開始形成冰晶，該過程需要消耗巨大的冷量，因此土體的整體溫度下降速度很慢。該階段凍脹應力呈緩速增長狀態(tài)，土體中冰晶正在形成，凍結(jié)壁尚未交圈，因此凍脹應力增速緩慢。

凍結(jié)22h后，測點溫度再度開始明顯下降，至24h下降速率達1.0℃/h。凍結(jié)至6h該測點溫度已突破冰點，但凍脹應力并未在22h突增，24h后凍脹應力開始突增，兩小時增幅達到13.4kPa。該點溫度在凍結(jié)后6h已下降至冰點以下，但因主面附近凍結(jié)壁尚未形成，凍脹應力仍按原速率增長，24h后主面附近凍結(jié)壁形成，凍結(jié)壁交圈，該點凍脹應力快速增加。凍結(jié)壁交圈后，該處凍脹應力持續(xù)增長，增長時間很長，累計增幅達到86.1kPa。因此，主凍結(jié)孔圈界面凍脹力也應當重點監(jiān)控。

2.5 主凍結(jié)孔圈外側(cè)

根據(jù)S111測點實測結(jié)果分析，隨著凍結(jié)時間的延長主凍結(jié)孔圈外側(cè)溫度均呈緩慢降溫、快速降溫、較緩慢降溫、快速降溫四個階段，在降溫過程中凍脹應力呈緩慢增長、快速增長至峰值后、至峰值后回落至較低值三個階段。

在凍結(jié)開始后的前6h內(nèi)，主凍結(jié)孔圈外側(cè)的位置單位面積內(nèi)受到的冷凍作用要遠小于主凍結(jié)孔圈內(nèi)側(cè)，主凍結(jié)孔圈外側(cè)溫度下降速度要遠小于主凍結(jié)孔圈內(nèi)側(cè)。凍脹應力以0.6kPa/h的速度勻速增長。

凍結(jié)8h后，主凍結(jié)孔圈內(nèi)側(cè)土體的溫度下降至4℃以下，與主凍結(jié)孔圈外側(cè)土體形成溫差，主凍結(jié)孔圈內(nèi)側(cè)土體也會向主凍結(jié)孔圈外側(cè)土體傳遞冷量，外側(cè)土體溫度開始快速下降。凍脹應力以0.6kPa/h的速度勻速增長，該階段凍結(jié)壁還未向外發(fā)展至測點位置，凍脹應力增幅仍然較小。

凍結(jié)22h后，測點溫度先是下降速度趨緩，在凍結(jié)26h后溫度快速下降。該階段為凍結(jié)壁發(fā)展至交圈的關(guān)鍵階段，凍結(jié)管釋放的冷量大多被用于土體中水分形成冰晶。因此土體溫度下降速度先趨于平緩，凍結(jié)壁交圈后主凍結(jié)孔圈內(nèi)側(cè)土體溫度下降速度加快，隨后主凍結(jié)孔圈外側(cè)土體溫度下降。待凍結(jié)壁鋒面發(fā)展至測點位置時，即該測點溫度突破冰點后，凍脹應力增速顯著提高，每兩小時達到30.8kPa。凍結(jié)36h后，凍脹應力達到峰值86kPa。該階段土體溫度持續(xù)下降，外側(cè)未凍土體在凍脹力的擠壓下產(chǎn)生位移，而試驗桶內(nèi)總覆土僅0.5m，形成的地壓很小，無法約束凍脹后的土體產(chǎn)生位移，所以凍結(jié)壁外側(cè)凍脹應力快速消退了。

3 結(jié) 論

1)凍結(jié)過程中，凍脹應力增長速度及變化規(guī)律和最大凍脹應力值與凍結(jié)時間和所處在凍結(jié)壁的相對位置緊密相關(guān)。

2)凍結(jié)壁交圈前，凍結(jié)范圍內(nèi)的點即可測量到緩慢增長的凍脹應力，如果該點距離輔助凍結(jié)管較近，則該點溫度可能早于主凍結(jié)孔圈下降至冰點線以下，土體中水分形成冰晶，但凍脹應力無突破性增長。

3)凍結(jié)壁交圈后，土體的凍脹對井壁位置處土體有顯著的擠壓作用。凍結(jié)壁交圈后，凍結(jié)范圍內(nèi)的點即可測量到明顯的凍脹應力，即使距離凍結(jié)管較遠處，在溫度尚未下降至冰點前，孔隙水尚未形成冰晶時，亦會有較明顯凍脹應力。

4)主凍結(jié)孔圈和輔助孔之間主面和界面凍結(jié)壁都充分發(fā)展至交圈后，凍脹應力有突破性增長，同時該處主面和界面凍脹應力增加持續(xù)時間長，累計增幅大，應為檢測控制凍脹應力的重點位置。

5)凍結(jié)壁外側(cè)凍脹應力待凍結(jié)壁鋒面發(fā)展至該位置時，即該處溫度突破冰點后，凍脹應力增速顯著提高，如果原始地壓較小，位于淺層位置，則該處壓力可能引起上部土體產(chǎn)生位移而卸壓。