淹水井筒上部井壁保護新技術(shù)

鄭彭生

(中國煤炭科工集團有限公司 杭州研究院，杭州 311201)

淹水井筒上部井壁保護新技術(shù)

鄭彭生

(中國煤炭科工集團有限公司 杭州研究院，杭州 311201)

為解決淹水井筒采用凍結(jié)法施工后井壁所面臨的安全問題，對井筒上部井壁保護的相關(guān)技術(shù)進行研究。以凍結(jié)壁為對象，采用現(xiàn)場實測和有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的綜合研究方法，提出新的凍結(jié)設(shè)計方案。在凍結(jié)壁達到設(shè)計要求后進行強制解凍，總結(jié)凍結(jié)壁的發(fā)展變化規(guī)律。結(jié)果表明:強制解凍能夠有效控制凍結(jié)壁的發(fā)展，從而減小其持續(xù)過快發(fā)展對井壁的影響。該結(jié)果可以直接服務(wù)于工程實踐，對工程設(shè)計有重要的理論和現(xiàn)實意義。

淹水井筒;強制解凍;凍結(jié)壁;井壁

凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，將地層中的水凍結(jié)，使天然巖土變成凍土，增加其強度和穩(wěn)定性，隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系，以便在凍結(jié)壁的保護下進行地下工程施工的特殊技術(shù)［1］。

在礦井和一些城市的地下工程中，采用凍結(jié)法施工完畢后，往往采取自然解凍，在這一過程中利用跟蹤注漿來控制融沉。自然解凍所產(chǎn)生的融沉時間過長，注漿效率不高。為了解決這一問題，強制解凍逐漸得到重視。強制解凍是利用熱傳導的基本原理，對采用凍結(jié)法施工后的土體進行人工強制快速解凍。常用的方法是利用先前用于凍結(jié)土體的凍結(jié)管，將凍結(jié)管中的低溫鹽水置換成熱鹽水，利用部分原來的凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)，進行熱鹽水循環(huán)，使凍土的溫度上升，土體中的冰融化，土體快速解凍［2－4］。強制解凍土體融沉固結(jié)的速度較快，跟蹤注漿更易控制，融沉帶來的不利影響得到有效控制［5］。目前，強制解凍技術(shù)還局限于小規(guī)模的市政工程，大規(guī)模的礦井凍結(jié)壁強制解凍應用極少。筆者以凍結(jié)壁為研究對象，提出新的凍結(jié)設(shè)計方案，待其達到設(shè)計要求后進行強制解凍。

1 工程概況

凍結(jié)壁、井壁和高垂直度凍結(jié)孔鉆孔問題被建井界稱為“兩壁一鉆”問題。凍結(jié)壁是鑿井過程中的臨時支護，既可以隔絕井內(nèi)外地下水的聯(lián)系，又可以抵抗水土壓力。凍結(jié)壁的過度發(fā)展是凍結(jié)管斷裂和井壁破裂的主要影響因素，直接決定了凍結(jié)法鑿井的安全性［6－8］。井壁應該具有足夠的強度、穩(wěn)定性和防水性，既要適應施工中承受特殊荷載和低溫的特點，又要滿足解凍后承受永久地壓和防水的功能。

某副井位于寧夏回族自治區(qū)中東部地區(qū)，距銀川市約90 km。井筒垂深578 m，凈直徑9 400 mm。井筒表土階段、含水層段、巖層破碎段、穿煤層段采用鋼筋混凝土井壁，其他正常段采用素混凝土井壁，混凝土設(shè)計強度等級C40;表土段井壁厚度800 mm，含水層段、巖層破碎段、穿煤層段井壁厚度700 mm，正常段井壁厚度600 mm。副井原定主要含水層采用地面預注漿，總注漿量7 580 m3。副井掘砌至251 m時探水孔出水，單孔涌水量達 20～60 m3/h，地面預注漿未達到預期堵水效果，經(jīng)過工作面注漿，涌水量未減小。井筒出水量加大導致井筒被淹，普通工法無法滿足施工條件，故未施工段改用凍結(jié)法施工。

區(qū)內(nèi)地層由老至新發(fā)育有:侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)、古近系(E)、第四系(Q)。第四系、古近系地層巖性以黏性土為主，為高液限土體，抗風化能力較差，吸水后具有較強膨脹性能，為不良工程土體。其中井筒穿越地層中侏羅系中統(tǒng)直羅組最厚，井筒檢查鉆孔揭露該地層厚度為338.40～347.30 m。上部主要為細粒砂巖、粉砂巖，夾粗、中粒砂巖。中下部以含礫粗粒石英長石砂巖為主。巖石飽和抗壓強度遠小于自然狀態(tài)或干燥狀態(tài)下的抗壓強度，軟化系數(shù)普遍小于0.75，最小為0。區(qū)內(nèi)巖石絕大部分為軟弱巖石，工程地質(zhì)條件較差。

2 上部井壁保護技術(shù)

由于凍結(jié)施工前井筒內(nèi)水位已經(jīng)上漲到接近靜水位，給井壁的保護帶來了很大的困難，同時，由于前期的注漿使井壁周圍地層的水分分布發(fā)生改變，凍結(jié)過程中會發(fā)生較大的不均勻凍脹，井壁承受較大的不均勻凍脹壓力。因此，上部井壁保護的關(guān)鍵技術(shù)是，凍土擴展范圍控制在井壁之外或凍土雖然到達井壁，但凍土溫度控制在－4℃以內(nèi)，保證井壁承受較均勻的凍脹壓力。

2.1 增大凍結(jié)圈徑

適當增大凍結(jié)圈徑，增加凍結(jié)管距荒徑的距離，減小對上部井壁的凍結(jié)影響，250 m以上凍結(jié)管距荒徑距離為3.4～3.6 m。

2.2 采用差異凍結(jié)

采用差異凍結(jié)方式，凍結(jié)管上部(230 m以上)直徑133 mm，下部(230 m以下)直徑159 mm。φ133 mm×6 mm凍結(jié)管較φ159 mm×6 mm凍結(jié)管減少17%的冷量傳遞，差異凍結(jié)可以有效減少上部冷量向井心方向的傳遞，減小凍土向井心方向的發(fā)展厚度。

2.3 使用泄壓孔

為有效釋放上部井壁外側(cè)的凍脹水，在凍結(jié)管圈徑以內(nèi)井壁以外打孔泄壓。泄壓孔共8個，可兼作測溫和熱循環(huán)孔使用，其中4個用以泄壓，另4個作為壓力溫度測孔。測量壓力使用專用凍脹壓力測量管和普通管段直接焊接即可。具體位置見圖1。

圖1 凍結(jié)孔、泄壓孔及測溫孔布置Fig.1 Layout of frozen holes，discharged pressure holes and temperature-observation holes

凍結(jié)前期，泄壓孔可用以監(jiān)測凍土發(fā)展速度，做測溫孔使用;凍結(jié)交圈后，為有效釋放上部凍脹水對井壁造成的壓力，做泄壓孔使用;凍結(jié)后期，當凍結(jié)零度線推進到泄壓孔時可將泄壓孔改作熱循環(huán)孔使用，進行熱水循環(huán)，強制解凍，以控制凍土發(fā)展。

2.4 熱鹽水循環(huán)強制解凍

8個泄壓孔可用于循環(huán)熱鹽水。在泄壓孔中放入φ89 mm×5 mm的套管，在套管中放入φ32 mm× 3 mm的鋼管，構(gòu)成熱鹽水去、回路循環(huán)。在凍結(jié)法施工過程中，井壁情況良好，未出現(xiàn)任何破損現(xiàn)象。

3 實測結(jié)果分析

凍結(jié)設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 凍結(jié)參數(shù)Table 1 Freezing parameters

2010年3月5日開機凍結(jié)，凍結(jié)過程中，凍結(jié)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)基本正常。副井井筒于5月18日開始試排水，5月21日正式排水;6月2日井筒內(nèi)水、泥漿全部排出;6月4日正式開挖，6月6日開始強制解凍;12月1日進行二次套壁，12月6日冷凍機停止運行。共凍結(jié)275 d。

3.1 鹽水溫度

冷鹽水去、回路溫度及溫差變化情況如圖2所示。

圖2 冷鹽水溫度變化Fig.2 Curves of cold brine temperature

凍結(jié)初期冷鹽水溫度逐步下降，由于熱負荷較大，冷鹽水去回路溫差較大。凍結(jié)39～90 d的積極凍結(jié)期內(nèi)，去路鹽水溫度保持在－22.8～－25.8℃;去回路溫差在3～4℃，并有減小的趨勢，反映出凍結(jié)管與井筒巖土體之間的熱交換正常，熱負荷逐漸降低。凍結(jié)90 d后轉(zhuǎn)入消極凍結(jié)期，直至275 d時凍結(jié)結(jié)束，期間任務(wù)是維持現(xiàn)有凍結(jié)壁的穩(wěn)定;去路鹽水保持在－18～－23.3℃。凍結(jié)第80 d開始強制解凍，熱鹽水溫度始終維持在30℃左右。

3.2 土體溫度

為了解不同時期凍結(jié)壁向內(nèi)向外發(fā)展情況，以FD1、FX8孔為例選取250 m以上不同巖層溫度測點進行分析，繪制降溫曲線，如圖3、4所示。

圖3 FD1測溫孔溫度Fig.3 Thermometer hole temperature of FD1

圖4 FX8測溫孔溫度

Fig.4 Thermometer hole temperature of FX8

凍結(jié)初期，土體溫度下降較快，隨著凍結(jié)時間延長，降溫速度逐漸變緩。不同巖性土體降溫曲線形態(tài)基本相同。

3.3 上部凍結(jié)壁凍脹力

以FX6、FX8泄壓孔為例繪制壓力變化曲線，如圖5、6所示。

泄壓孔壓力變化先后經(jīng)歷以下3個階段:開機凍結(jié)至凍結(jié)孔環(huán)向交圈前為第1階段。該階段測得的壓力基本平穩(wěn)，尚未受凍結(jié)影響。凍結(jié)孔環(huán)向交圈形成凍土環(huán)后，直至凍結(jié)壁內(nèi)部全面凍實前為第2階段。在這一階段，隨著凍土環(huán)間凍結(jié)鋒面的相對擴展，內(nèi)部未凍水凍脹變形受阻將誘發(fā)凍脹力，導致凍脹壓力急劇增長。凍結(jié)壁內(nèi)部基本凍實后繼續(xù)降溫，直至凍結(jié)結(jié)束為第3階段。在這一階段，巖層內(nèi)部基本無可凍水，內(nèi)部凍脹力不再增大，趨于穩(wěn)定。

圖5 FX6泄壓孔壓力Fig.5 Pressure of discharged pressure holes of FX6

圖6 FX8泄壓孔壓力Fig.6 Pressure of discharged pressure holes of FX8

4 數(shù)值模擬分析

為了進一步研究強制解凍對凍結(jié)壁向內(nèi)發(fā)展的控制作用，采用ANSYS軟件對凍結(jié)壁平均溫度和凍結(jié)壁有效厚度進行數(shù)值模擬。根據(jù)工程原型尺寸，將凍結(jié)溫度場簡化為平面問題求解，模型圓心在井筒中心，半徑為30 m，恒溫邊界為初始地溫。土體和井壁混凝土均采用PLANE55二維實體單元。模型網(wǎng)格劃分如圖7所示。

取深度為201 m層位中粒砂巖，其典型參數(shù)為:含水量20%，干密度2 050 kg/m3，導熱系數(shù)2.81 W/(m·K)，比熱1.405 kJ/(kg·K)，結(jié)冰溫度－2℃。凍結(jié)孔圈徑，凍結(jié)管直徑、外壁溫度均選取工程原型參數(shù)。對比分析單一凍結(jié)和強制解凍作用下凍結(jié)壁的變化情況。

圖7 模型網(wǎng)格劃分Fig.7 Mesh generation graph of model

圖8 凍結(jié)壁平均溫度Fig.8 Average temperature of frozen wall

圖9 凍結(jié)壁厚度Fig.9 Effective thickness of frozen wall

凍結(jié)開始后80 d內(nèi)，隨著凍結(jié)時間的增加，凍結(jié)壁平均溫度下降很快;凍結(jié)第85 d，鹽水溫度上升至－22℃，凍結(jié)壁平均溫度略有上升后呈緩慢下降趨勢。凍結(jié)第120 d鹽水溫度升至－20℃，凍結(jié)壁平均溫度略有上升后緩慢下降。

在整個凍結(jié)過程中，凍結(jié)壁厚度一直增大。凍結(jié)前期，凍結(jié)壁厚度增長較快，隨著凍結(jié)時間的增加，凍結(jié)壁厚度增長的速度有所減慢。

如果在凍結(jié)80 d后開始進行強制解凍，受強制解凍影響，凍結(jié)壁平均溫度基本穩(wěn)定。強制解凍對凍結(jié)壁厚度的影響較為顯著，強制解凍開始后，凍結(jié)壁厚度雖有所增大，但增大的速度明顯變緩。強制解凍可以有效控制凍結(jié)壁的發(fā)展，從而減小凍結(jié)壁持續(xù)快速發(fā)展對井壁的影響。

5 結(jié)論

(1)淹水井筒轉(zhuǎn)用凍結(jié)法鑿井后，須對上部井壁采取保護措施。加大凍結(jié)圈徑，采用差異凍結(jié)，使用泄壓孔并進行強制解凍可以把凍結(jié)壁的發(fā)展控制在安全范圍之內(nèi)。

(2)凍結(jié)初期，凍結(jié)壁內(nèi)外土體溫度下降較快，隨著凍結(jié)時間延長，降溫速度逐漸變緩。不同巖性土體降溫曲線形態(tài)基本相同。

(3)上部凍結(jié)壁凍脹力的發(fā)展變化規(guī)律可分為三個階段。凍結(jié)初期為初始地壓階段，凍結(jié)交圈期為急劇增長階段，凍結(jié)壁內(nèi)部凍實后為緩慢變化或基本穩(wěn)定階段。

(4)強制解凍可以有效控制凍結(jié)壁的發(fā)展，從而減小凍結(jié)壁持續(xù)快速發(fā)展對井壁的影響。

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New technique for protecting top wall of water-filled shafts

ZHENG Pengsheng
(Hangzhou Research Institute of China Coal Technology＆Engineering Group Corp，Hangzhou 311201，China)

Aimed at the safety problems of shaft walls resulting from the construction of the waterfilled by freezing method，this paper features a research on new techniques for protecting the top wall.The paper proposes new freezing design，based on the frozen wall and combing in situ measurement with finite element numerical simulation method，introduces the way forced thawing is performed when the frozen wall is up to the design requirement，and summarizes the law governing the development of frozen wall.The results indicate that forced thawing enables an effective constraint of the growth of frozen wall，thus reducing the effects of sustainable fast development upon shaft walls.The results capable of a direct use in practical projects，are of academic and practical importance to engineering design.

water-filled shaft;forced thawing;frozen wall;shaft wall

TD26.1

A

1671－0118(2011)04－0312－05

2011－06－01

鄭彭生(1983－)，男，江蘇省徐州人，助理工程師，碩士，研究方向:水工結(jié)構(gòu)、巖土工程，E-mail:zhengpengsheng31@ 163.com。

(編輯徐 巖)