基于臨海第四系凍結(jié)孔布置研究分析

張成濤， 徐興保， 王建中

(1.萊州市瑞海礦業(yè)有限公司， 山東 萊州 261400； 2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 前言

萊州市瑞海礦業(yè)有限公司地處渤海海灣，位于三山島北部海域，西南部毗鄰三山島金礦，與新建的萊州港為鄰，其豎井工程均位于礦區(qū)東側(cè)海岸邊上，豎井井頸段采用凍結(jié)法施工。通過對(duì)主井、副井、進(jìn)風(fēng)井工程勘察鉆孔的巖心鑒別、原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)，根據(jù)地質(zhì)成因、形成時(shí)代、巖性組合、所處構(gòu)造部位、巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度以及巖體的滲透性，將鉆孔勘察深度范圍內(nèi)自上而下分為以下幾個(gè)工程巖組，井筒工程地質(zhì)特性見表1。

2 工程特點(diǎn)、難點(diǎn)

根據(jù)井筒工程勘察鉆孔柱狀圖及相關(guān)資料表明，本工程豎井凍結(jié)具有以下特點(diǎn)：

(1) 第四系松散堆積物巖段較淺，凍結(jié)深度不大。

(2) 第四系上部以砂土為主，滲透性強(qiáng)，孔隙水與海水具有水力聯(lián)系，受潮汐、海浪和海流的影響較大；豎井200 m范圍內(nèi)有多家水產(chǎn)養(yǎng)殖戶，生產(chǎn)抽吸用水量大。受這些因素的影響，井筒周圍的水位及水量波動(dòng)巨大。

(3) 凍結(jié)層結(jié)冰溫度-5 ℃左右，較常規(guī)地層低，凍結(jié)布孔時(shí)需給予足夠重視。

3 凍結(jié)方案

3.1 凍結(jié)方案確定原則

為了實(shí)現(xiàn)凍結(jié)壁快速交圈，保證井筒的安全掘砌，凍結(jié)方案應(yīng)遵循下述原則：

(1) 將凍結(jié)方案設(shè)計(jì)視為井筒凍結(jié)與掘砌工程的重要組成部分，把凍結(jié)與掘砌有機(jī)的結(jié)合起來，統(tǒng)籌兼顧。

表1 井筒工程地質(zhì)特性

(2) 在合理工期內(nèi)形成的有效凍結(jié)壁，能保證掘砌至任意水平時(shí)凍結(jié)壁厚度及強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

(3) 凍結(jié)孔的布置需滿足凍結(jié)壁厚度及強(qiáng)度的要求，防止片幫及下部凍結(jié)管距荒徑太近而發(fā)生斷裂，通過凍結(jié)孔的合理布置使凍結(jié)壁內(nèi)溫度分布盡可能均勻。

3.2 凍結(jié)孔布置方式

凍結(jié)溫度場(chǎng)受凍結(jié)孔布置方式的直接影響，主要影響因素包括凍結(jié)孔圈數(shù)、布置圈徑和凍結(jié)孔數(shù)量。淺部表土層一般采用單圈凍結(jié)孔，對(duì)于含鹽量高且地下水流速較大的情況，優(yōu)先選擇雙圈孔或多圈孔的布置方案。

3.3 凍結(jié)形式

常見的凍結(jié)形式：一次全深凍結(jié)、差異凍結(jié)、分段凍結(jié)和局部凍結(jié)。凍結(jié)形式關(guān)系到凍結(jié)速度、技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，以及凍結(jié)的成敗。應(yīng)全面分析井筒所在地層的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，同時(shí)應(yīng)結(jié)合冷凍設(shè)備和施工隊(duì)伍的技術(shù)水平進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，在保證施工安全的前提下，以取得最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益為原則。

3.4 凍結(jié)深度確定

凍結(jié)深度確定的原則：

(1)井筒凍結(jié)深度必須穿過沖積層、風(fēng)化帶，進(jìn)入不透水穩(wěn)定基巖10 m以上，或超過永久支護(hù)5～8 m。

(2)基巖涌水量較大時(shí)，經(jīng)論證后，應(yīng)加深凍結(jié)深度。

(3)凍結(jié)深度的確定也要參照鄰近凍結(jié)井筒的施工經(jīng)驗(yàn)。

3.5 凍結(jié)壁厚度的確定

沖積層厚度小于120 m，將含水砂層的凍結(jié)壁作為彈性體，按凍土強(qiáng)度條件，采用無限長厚壁圓筒拉麥計(jì)算公式。

(1)

式中：E——設(shè)計(jì)凍結(jié)壁有效厚度, m；

rw——凍結(jié)壁設(shè)計(jì)控制層處的井筒掘進(jìn)半徑，m；

ψ——系數(shù)，按第三強(qiáng)度理論時(shí)，ψ采用2，適用于粉砂、細(xì)砂和砂性土。按第四強(qiáng)度理論時(shí)，ψ采用1.732，適用于中砂、粗砂和砂礫層；

P——凍結(jié)壁徑向外荷載(P=0.013H，H為控制層地板埋深)，MPa；

σ′t——凍土單軸長時(shí)抗壓強(qiáng)度，MPa。

3.6 凍結(jié)孔布置圈直徑的確定

1) 單圈凍結(jié)孔布置圈直徑計(jì)算D0

按基巖段采用鉆爆法施工井筒

D0=D′1+2(1.2+Q′fh0)

(2)

式中：D0——主凍結(jié)孔布孔圈直徑，m；

D′1——基巖中井筒最大掘進(jìn)直徑，m；

Q′f——基巖段的凍結(jié)孔允許偏斜率，取3‰；

h0——井筒凍結(jié)深度，m。

2) 輔助凍結(jié)孔布置圈直徑計(jì)算Df

Df=D1+2(0.3En+QfHf)

(3)

式中：D1——沖積層中井筒最大掘進(jìn)直徑，m；

En——主凍結(jié)孔至井幫距離，m；

Qf——沖積層凍結(jié)孔允許偏斜率，取3‰；

Hf——輔助凍結(jié)孔深度，m。

3.7 凍結(jié)孔數(shù)量N

1) 主凍結(jié)孔

N=πD0/Ls

(4)

Ls為凍結(jié)孔開孔間距，當(dāng)凍結(jié)深度小于300 m時(shí)，采用1～1.3 m；當(dāng)凍結(jié)深度大于300 m時(shí)，采用1.2～1.35 m。

輔助孔開孔間距宜小于3.5 m。

3.8 水文孔的設(shè)計(jì)

(1) 水文孔應(yīng)布置在井筒內(nèi)，深入沖積層最下部的主要含水層，且含水層下部應(yīng)有隔水層，水文孔應(yīng)避開井筒中心線及鑿井提升位置，鉆孔不得偏出井筒凈徑[1-2]。

(2) 淺井凍結(jié)一般設(shè)置一個(gè)水文觀測(cè)孔，深井凍結(jié)應(yīng)設(shè)置1～3個(gè)水文觀測(cè)孔，根據(jù)不同含水層的水位高度分別確定水文孔深度，防止地下水串通。

3.9 測(cè)溫孔的設(shè)計(jì)

(1) 測(cè)溫孔布置在地下水流上方，凍結(jié)孔主面外側(cè)；布置在兩個(gè)凍結(jié)孔孔間距最大位置外側(cè)，凍結(jié)壁界面處。沖積層小于200 m布置2個(gè)測(cè)溫孔，沖積層大于200 m時(shí)應(yīng)布置3個(gè)測(cè)溫孔，地下水流下方布置一個(gè)或布置在井筒荒經(jīng)與凍結(jié)孔布置圈之間[3-4]。

圖1 進(jìn)風(fēng)井、副井及主井凍結(jié)孔布置圖

(2) 測(cè)溫孔布置距凍結(jié)孔布置圈的距離應(yīng)根據(jù)凍結(jié)壁厚度向外側(cè)發(fā)展的距離確定。

(3) 測(cè)溫孔深度與凍結(jié)深度相匹配。

3.10 凍結(jié)孔布置設(shè)計(jì)

主井采用雙排孔凍結(jié)的施工方案，主凍結(jié)孔深93 m，內(nèi)圈輔助孔進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層，孔深60 m。

副井井筒采用主圈孔加輔助孔的凍結(jié)方案，其中主圈孔采取長短管布置，長管至凍結(jié)深度，深80 m；短管過強(qiáng)風(fēng)化帶，深52 m；輔助孔過表土層第一層粉質(zhì)黏土層，輔助孔深40 m。

進(jìn)風(fēng)井凍結(jié)工程由于水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，距海很近，地下水流速達(dá)30 m/d(凍結(jié)孔全部施工完后，地勘單位測(cè)的流速為30 m/d，對(duì)水文孔進(jìn)行地下水流速測(cè)試進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)測(cè)為9 m/d)、含鹽量高，凍結(jié)難度大，采用主凍結(jié)孔凍結(jié)全深，在主孔內(nèi)外分別設(shè)一圈輔助凍結(jié)孔，即采用三圈孔凍結(jié)施工方案，主凍結(jié)深度為96 m。外圈輔助孔穿過粗礫砂層，進(jìn)入粉質(zhì)黏土層，孔深42 m，內(nèi)圈輔助孔凍結(jié)深度為42 m。進(jìn)風(fēng)井、副井及主井凍結(jié)孔布置如圖1所示，鉆孔布置參數(shù)見表2。

表2 鉆孔布置參數(shù)表

4 凍結(jié)效果

主立井積極凍結(jié)約30 d時(shí)，井筒掘砌單位為改裝吊盤施工，進(jìn)行了井筒試挖，下挖至靜水位處。主立井36 m處測(cè)溫孔溫度變化曲線如圖2所示， T1孔(距離凍結(jié)管750 mm)在開機(jī)70 d后，測(cè)點(diǎn)溫度仍維持在15 ℃左右，初步判斷凍結(jié)壁存在“開窗”現(xiàn)象，之后采取了增大流量、增加補(bǔ)孔的補(bǔ)救措施，并試圖在養(yǎng)殖戶抽水反方向施工降水井用于地下水位平衡但由于地層原因未完成，最終該點(diǎn)溫度降至4 ℃，井筒掘砌單位采取強(qiáng)挖手段通過該地層。

圖2 主立井36 m處測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線圖

副立井積極凍結(jié)期為48 d，開挖至-56 m水平時(shí)，井筒出水，涌水量達(dá)15.3 m3/h,造成井筒水位上漲至靜水位位置。后采取井筒工作面拋渣、注漿、壁后注漿封水等措施,耗時(shí)50 d，通過強(qiáng)挖手段通過了該涌水層。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，出水部位為井筒開挖剛通過凍結(jié)孔短腿段且尚未完全穿過風(fēng)化帶處，考慮為該處凍結(jié)壁未交圈，存在導(dǎo)水通道。

進(jìn)風(fēng)井為礦區(qū)內(nèi)施工最早的凍結(jié)井筒，采取了三圈孔布置，在凍結(jié)段井筒掘進(jìn)到底后，凍結(jié)站停止繼續(xù)輸送冷量維護(hù)凍結(jié)，在套壁開始階段沖積層段出現(xiàn)冒水現(xiàn)象，重新恢復(fù)凍結(jié)后完成井筒套壁工作。因施工單位未進(jìn)行具體數(shù)據(jù)測(cè)量和保存工作，不作贅述。懷疑開挖過程中凍結(jié)壁厚度偏薄，在停止冷量供應(yīng)、地下水流沖刷凍結(jié)壁和外層井壁水化熱三者共同作用條件下，凍結(jié)壁化凍過快所致。

5 結(jié)論

本工程豎井緊靠海邊，地下孔隙水與海水具有水力聯(lián)系，受潮汐、海浪和海流的影響較大，且附近養(yǎng)殖戶大量抽取地下水，造成地下水流速大，造成豎井凍結(jié)難以正常交圈。主井、副井采用兩圈布置，凍結(jié)時(shí)間長，凍結(jié)效果差，井頸施工總工期長；進(jìn)風(fēng)井采用了三圈凍結(jié)孔的布置方案，有效的解決的凍結(jié)壁交圈的問題，凍結(jié)時(shí)間較短，施工達(dá)到預(yù)期效果。

通過本工程三個(gè)豎井的凍結(jié)實(shí)例可以得出：近海類似條件下進(jìn)行凍結(jié)施工，要充分了解地下水的特點(diǎn)，充分優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過適當(dāng)增加凍結(jié)孔圈數(shù)、縮小凍結(jié)孔間距，能夠很好的解決因地下水流速過大造成的凍結(jié)效果不佳的問題。