凍結法井壁修復施工過程對井塔結構的影響

蔡為益

（上海市市政公路工程檢測有限公司，上海 201100）

凍結法是通過人工干預將天然巖土變為凍土來達到提高其強度及穩定性的一種特殊施工方法。自1862 年誕生至今，以其可靠、施工靈活、適應性強等特點廣泛應用于地鐵隧道、礦山井筒中。凍結法施工過程中，對井壁結構以及混凝土性能有一定影響，許多學者也對凍結施工中的井壁進行過相關研究，例如，李方政等通過實例研究了不同時間節點下深部凍結井壁早期溫度應力變化規律；吳瑞東等通過實驗模擬了凍結法施工環境對混凝土性能的影響。在凍結施工期間，由于井壁溫差過高會產生溫度裂縫，對混凝土內部造成不可逆的損傷，影響井壁承載力，必然會對井塔結構造成影響。為保證井塔的結構安全，施工前需對井塔結構進行必要的檢測和監測。

1 工程概況

該煤礦井塔建成于1997 年，建筑面積約2310 ㎡，采用鋼筋混凝土箱型基礎，基底以下采用CFG 樁復合地基。井塔高71.000m，平面外緣尺寸16.5m×17.5m，塔身為鋼筋混凝土箱型斷面，標高19.0m 以下采用C30 混凝土，塔壁厚度為350mm；標高19.0m 以上采用C25 混凝土，塔壁厚度為250mm。井塔內設8 根600mm×1300mm 鋼筋混凝土壁柱，平面布置圖見圖1。本井塔所有樓面及位于各主要樓層上的局部房屋樓面均為現澆鋼筋混凝土梁板結構，屋面為現澆混凝土土井格梁板結構。

圖1 井塔平面布置圖

2 井塔現場外觀檢查

2.1 構件布置復核與尺寸檢測

依據《建筑結構檢測技術標準》對井塔內部鋼筋混凝土構件的外觀質量與尺寸等進行檢查，發現建筑物結構構件總體質量良莠不齊。井塔的實際布局基本符合原設計圖紙要求。井塔平面布置圖如圖1。

2.2 表觀質量檢查

井塔部分構件在裂縫顯微鏡下觀測每層的表層存在明顯開裂，大部分裂縫為表層混凝土開裂，部分裂縫沿鋼筋分布方向。部分構件由于潮濕環境造成鋼筋銹蝕嚴重，導致保護層混凝土破碎剝離。

3 混凝土強度檢測

采用回彈法和超聲—回彈綜合法檢測各類構件混凝土的抗壓強度。

3.1 回彈法檢測

根據相關規定，采用回彈法抽樣檢測。檢測結果取其平均值結果見表1。

表1 鋼筋混凝土構件混凝土抗壓強度分析推定值

結果顯示，一層到七層絕大多數墻、柱、梁的混凝土強度未達到原設計要求，墻、柱、梁的強度推定值相對原設計要求而言，降低一般在5MPa 左右。

3.2 超聲-回彈綜合法檢測

依據《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》與《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規程》，采用超聲儀和回彈儀對該工程混凝土進行抽樣檢測和校核，檢測數據匯總見表2。

表2 超聲-回彈綜合法檢測混凝土強度結果

由所得混凝土強度結果可知，絕大部分柱混凝土強度滿足混凝土強度原設計值，小部分柱混凝土強度略低于原設計值。

4 混凝土碳化分析

采用濃度為1%的酚酞酒精溶液測試該建筑結構混凝土構件的碳化深度，檢測結果見表3。檢測結果表明，該井塔的混凝土的平均碳化深度均達到15mm 以上，基本接近混凝土的保護層厚度，混凝土保護層基本上失去了對鋼筋的保護作用，增大了內部鋼筋銹蝕的風險。

表3 構件混凝土平均碳化深度

5 鋼筋復核檢測

采用PS200 型系統鋼筋探測儀，抽取部分框架梁和框架柱進行了鋼筋分布情況的檢測。根據檢測結果可以得到，混凝土柱、梁及墻內的鋼筋數量、直徑基本上與原設計圖紙一致。

6 井塔主體受力監測

應采用天寶S8 的免棱鏡全站儀。在井塔底部四角布設建筑物沉降監測點，在建筑物外立面的頂、底布設與全站儀配套的反射片分別進行沉降觀測與傾斜觀測。井塔基礎下沉情況如圖2。

圖2 井塔基礎下沉情況（2020 年10 月26 日）

根據當時測量數據，經綜合分析得出：

（1）整個在施工過程中及結束后，井塔存在整體下沉；結合井塔凍結施工時間情況，在凍結鉆孔施工到凍結階段、融凍開始階段出現下沉轉折情況，在凍結鉆孔施工階段、凍結階段期間井塔基本處于穩定階段，下沉變化不大，整體下沉基本穩定，融凍階段井塔較前面兩個階段出現明顯下沉。井塔在凍結融凍后，還將繼續下沉，需長期進行觀測。

（2）南北方向整體向北傾斜，基本上保持在0.2mm/m 以下；東西方向整體向東傾斜，即向東北方向傾斜，基本上保持在0.3mm/m 以下，東西方向傾斜略大于南北方向；其基礎整體傾斜在凍結、融凍階段，傾斜變化不大，基本保持穩定；在凍結施工階段，隨著施工進行，其基礎整體傾斜波動較大；融凍后基礎南北方向傾斜平均為0.1mm/m、東西方向傾斜平均為0.17mm/m。

7 井塔沉降監測

采用混凝土電阻應變片粘貼于監測部位，選用DH3816N 靜態數據采集儀進行數據采集，24 小時全天候不間斷監測，以確保數據監測的連續性，待施工結束完全穩定后進行最后的應變對比，看是否結構柱有較大變形。監測點位布置圖如圖3。

圖3 監測點位布置圖

從監測結果看：一層應變趨勢大致分為3 種變化類型，施工初期應變隨時間呈現明顯鋸齒形變化、應變逐漸遞增而后趨于平緩；施工后期應變降低且逐漸趨于穩定、應變波動很小且趨于穩定。七層應變趨勢大致分為2 種變化類型：在施工前期，應變隨時間變化呈小幅波浪狀在不斷遞增，與一層數據應變變化趨勢基本一致，均受凍結施工區域性影響，施工完畢后，應變均趨于穩定。

對主體結構應力變化結果看：一層監測結果與七層監測結果大體變化趨勢一致。對于一層監測結果來說，施工初期應力在不斷增大，柱子受壓，隨著時間推移應力變化逐漸趨于穩定，而后續應力變化幅度較小，基本處于一個靜力平衡的狀態。而對于七層結果來說，其應力也經歷過上升到穩定再到下降這樣交替變化最后處于一個靜力平衡的狀態，期間也有受施工影響出現轉折性波動以及鋸齒形變化，不過，變化幅度較小，總體還是處于一個穩定的變化趨勢。各監測位置應力變化峰值見表4。

表4 各檢測位置應力變化峰值

8 結語

（1）該煤礦主井塔結構構件總體質量良莠不齊，井塔部分構件表層存在較為明顯的開裂現象。混凝土密實度較差。一層到七層部分構件的混凝土強度未達到原設計要求，構件的強度推定值相對原設計要求而言，降低一般在5MPa 左右。（2）井塔的混凝土保護層基本上失去了對鋼筋的保護作用；混凝土柱、梁及墻內的鋼筋數量、直徑基本上與原設計圖紙一致，但存在一定程度銹蝕問題，應及時處理，避免進一步發展。（3）根據當時觀測情況，井塔在凍結融凍后，還將繼續下沉，需長期進行觀測。（4）在整個施工過程中及施工結束后，壁柱受力變化較小，應力增加最大值為3.35MPa，增加值在構件安全受力范圍內；同時整個施工期間結構總體受力保持均衡，井壁凍結施工造成的主體結構應力變化較小，對結構安全影響較小。