（矿业工程专业论文）深表土冻结设计研究及郭屯风井工程实践.pdf

摘要 冻结壁的安全性是深厚冲积层中冻结凿井的关键问题。它是“二壁一钻”核心 技术之一。其设计的合理性直接影响到外壁的安全，否则将会造成外壁破裂、断管， 甚至淹井。 论文首先开展了“深井冻结壁设计”的研究，认为在具体施工过程中，是要穿 过全部冲积层、风化带而进入完整基岩的工艺，因此，要根据不同深度、不同土性 的条件，从上向下将其分成不同段( 即粘弹性、粘弹塑性和粘塑性段) ，然后根据不 同的公式进行具体计算，确保整个井简掘砌施工即安全又经济。冻结壁设计是冻结 孔布鬓设计和其他冻结技术参数设计的基础。 冻结孔的布置直接影响冻结壁的厚度和强度，是确保冻结壁达到设计要求的关 键所在。本文开展的多圈冻结管布置研究，是在龙固副井等深厚表土冻结井的基础 上，根据井筒冻结和旌工的具体问题进行的，主要的目的是在保证冻结壁能够满足 设计要求的前提下，获得以下效果：既能确保深部冻结壁的厚度和强度，又能减小 上部冻结壁外侧“无效”厚度；既能保证冻结壁满足井筒安全掘砌得需要，又能有 利于井筒的提前开挖；既能防止井筒开挖初期不片帮，又能尽可能的减少深部冻土 入荒量，为掘砌施工创造有利条件，缩短凿井工期；既能保证冻结壁的均匀性，又 能尽量减少冻结壁内部冻胀应力；既能防止主冻结孔( 深孔) 距掘砌荒径较近而易 断管，又要尽量减少基岩段的“冻土”量。总之，合理的冻结孔布置是确保冻结法 凿井施工安全、快速、经济的关键所在。 论文进行的郭屯风井冻结方案设计，通过工程实践证实是合理的。 关键词：深厚冲积层，冻结法凿井，冻结壁计算，冻结方案优化 a b s t r a c t t h es e c u r i t yo ff r e e z i n gw a l li st h ek e yp r o b l e mo ff r e e z i n gs h a f ts i n k i n g i nd e e da l l u v i u m i ti so n eo ft h ek e yt e c h n 0 1 0 9 yo f ”t w ow a l l sa n do n eb o r e d ”t h er a t i o n a l i t yo fi t sd e s i g ni n f l u e n c e st h es e c u r i t yo ft h ew a l ld i r e c t l y ， o t h e r w i s ec a u s et h ew a l lt ob r e a k ，m a n a g eb r o k e n l y ， e v e nf l o o dt h ew e l l f i r s t l v t h et h e s i sr e s e a r c ht h e“d e s i g no ft h ed e e pw e l l ”，i nt h ec o u r s e o f c o n s t r u c t i n g ， t h e t e c h n o l o g y t h a t c r o s s i n g a 1 1a 1 1 e v i a t i o n 1 a v e r ，w e a t h e r i n gz o n eb u te n t e rt h ec r a f to fi n t a c tb a s e r o c ks h o u l db e a d o p t e d s o ，g u a r a n t e e i n gt h es a f t ya n de c o n o m yo ft h ew h 0 1 es h a f td i g g i n g ，t h e c a l c u l a t i o no ft h ef r e e z i n gs h a f tw a l1s h o u l dt a k ea c c o r d i n gt od i f f e r e n t d e d t h ，t h et e r m so fs o l i d ，t o p d o w nt od i v i d e di ti n t od i f f e r e n ts e c t i o n ( n a m e l y v i s c o p l a s t i c i t y ，g l u ep l a s t i c i t yo fp l a y i n ga n d9 1 u ep l a s t i c i t y ) ，t h 阜nc a r r y o nt h ec o n c r e t ec a l c u l a t i o na c c o r d i n gt od i f f e r e n tf o r m u l a e t h ed e s i g no f f r e e z i n gw a l li st h eb a s eo fa r r a n g e m e n to ff r e e z i n gh 0 1 ed e s i g na n do t h e r f r e e z i n gt e c h n i c a lp a r a m e t e rd e s i g n t h ea r r a n g e m e n to ff r e e z i n gh o l e si n f l u e r e n c e st h et h i c k n e s sa n d i n t e n s i t yo ff r e e z i n gw a l ld i r e c t l y ，g u a r a n t e e st ot h ek e yp o i n to ff r e e z i n g w a l lt h a tr e a c ht ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t o nt h eb a s i st h a ts u c hd e e pt o p s o i l a sl o n g g ua u x i l i a r ys h a f t ，e t c ，a c c o r d i n gt ot h ec o n c r e t ef r o z e na n d c o n s t r u c t i n gp r o b l e m s ，t h ist h e s isl a u n c ht h er e s e a t c ho ft h ea r r a n g e m e n to f m u l t i c i r c l eh o l e s t h em a i np u r p o s ei sb a s e do nt h ep r e m i s et h a tt h ef r e e z i n g w a l lc a nr e a c ht od e s i g n i n gr e q u i r e m e n t ，a n do b t a i n e dt h ef o l l o wr e s u l t s ：n o t o n l yg u a r a n t e et h et h i c k n e s sa n di n t e n s i t yo ff r e e z i n gw a l l 山u ta l s or e d u c e t h et o po u t s i d ef r e e z i n gw a l l“i n v a l i dt h i c k n e s s ”：n o to n l yg u a r a n t e et h e s a f e t yo ff r e e z i n gw a l li nd i g g i n gs h a f t ，b u ta l s oh e l pt oe x c a v a t es h a f ti n a d v a n c e ：n o to n l yp r e v e n te x c a v a t en o n f r e e z i n gs o i li ni n i t i a ls t a g e ，b u ta l s o r e d u c ea m o u n to fw a s t ef r e e z i n gs o i lo fd e e pd e p a r t 【i l e n t ，c r e a t et h ea d v a n t a g e f o rd i g g i n g ，s h o r t e nc o n s t r u c t i n gt i m e ：n o to n l yg u a r a n t e et h eh o m o g e n e i t yo f f r e e z i n gw a l l ，b u ta l s or e d u c et h eb l o a t e ds t r e s sw i t h i nt h ef r o z e ns o i l ：n o t o n l yp r e v e n tm a i n f r e e z i n g h o l e sf r o mb r o k e nb yt h en e a r e rd i s t a n c et o s i d e w a l l ，b u ta l s ot r yt or e d u c e“f r e e z i n gs o i l ” i nb a s er o c k i naw o r d ，a r e a s o n a b l ef r e e z i n ga r r a n g e m e n ti st h ek e yp o i n tf o rs a f t y ，f a s t ，e c o n o m yi n s h a f ts i n k i n gb yf r e e z i n g t h ef r e e z i n gc o n c e p t u a ld e s i g ni ng u o t u nv e n t i l a t i n gs h a f ti nt h i st h e s i s v e r i f i e si tt ob er e a s o n a b l et h r o u g he n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e yw o r d 8 ： d e e pa 1 1 u v i u m ， s h a f ts i n k i n gb yf r e e z i n g ， f r e e z i n g w a l l c a l c u l a t i o n ，f r e e z i n gp r o g r a h 珈eo p t i m i z a t i o n 独创性声明 本人声明所黑交的学位论文是、本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其德人已经发表蠛撰写过载研究成暴，也不包含受获褥囊 熊爨王左氅或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 俸的蔺志对本研究所敲瓣任讶贾献翡已在论文中律了龋确的谎胡著表示 谢意。 学位论文作者签名：多譬霉 签字日期：d6 年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽理正大学有保留、使髑学位论文的规 定，即：磺究生在校攻读学位期间论文王作的知识产权单位属予安徽理 工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，完诲论文被套阙孝偌耀；本人授权安徽理王大学可以将学位论文酶 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等受镧手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权 书) 学位论文像者签名： 字爹 导薅签名： | 协咖 签字日期：。；年i 月1 日签字强期：。6 年6 月矽日 深表土冻结设计研究及郭屯风井i 程实践 第1 章绪论 1 1 研究问题的提出 第1 章绪论 随着我国国民经济建设的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，对能源需求越 来越大。目前，我国能源仍有7 0 依赖于煤炭。据统计我国2 0 0 4 年原煤产量达到了 1 9 5 6 亿吨，比2 0 0 3 年净增2 亿吨，而专家估计我国煤炭的年需求量将达到2 8 亿吨 “1 。可见，煤炭生产的缺口很大，建设一批新的大型、特大型矿井已是我国经济建 设和发展的必须。但在新井建设中，首先面临着井筒穿越深厚不稳定表土地层的技 术难题。尤其在山东、安徽、河南、河北等省，表土覆盖层较薄的煤田已经开采， 新建矿井的煤层都处于深厚表土地层的覆盖之下。例如淮南地区丁集矿5 3 0 m 、顾北 矿4 6 3 m 、板集矿5 8 0 m 、口孜东5 9 0 m 、展沟矿6 2 0 m 、口孜西矿6 8 0 m ；淮北的涡阳矿 区在4 1 0 m 以上；河南的薛湖矿井4 1 0 m 、程树矿4 3 0 m 、赵【五i 矿5 2 2 m 、赵楼矿4 7 1 m ： 山东的济西矿4 5 8 m 、梁宝寺矿4 8 0 m 、龙匿i 矿5 6 7 7 m 、郭屯矿5 8 7 m ( 冻结深度7 0 2 m ) 、 万福矿井表土将达到7 0 0 m 等等”“”。 目前，我国通过深厚表地层的凿井方法主要有冻结法和钻井法。由于冻结法 施工适应性广、在施工过程中后续手段多、施工速度快，因此，在工程中得到更多 的应用。对煤矿井筒旌工来说，穿越表土地层深度的大小是反映井筒施工技术水平 高低的一个重要标志，冻结表土地层深度的大小又是反映冻结技术水平高低的一个 重要标志“”。目前，各主要使用冻结法凿井国家的最大冻结深度如下：英国为9 3 0 m ， 加拿大9 1 5 i t l ，波兰7 2 5 m ，中国6 5 0 m ，比利时6 3 8 m ，德国6 2 8 m ，前苏联6 2 0 m ，法国 5 5 0 m ，荷兰3 3 8 m 。目前，我国已建成的井简，最大冻结深度6 5 0 m ( 龙固煤矿) ，在建 井筒最大冻结深度7 0 2 m ( 郭屯煤矿) 。我国已成为世界上采用冻结法凿井最多的国家 和冻结深度最大的国家之一。 人工冻结法凿井的基本原理：在井筒开挖以前，在井筒周围钻造一圈或数圈钻 孔，并在钻孔内下放冻结管( 冻结器) ，利用人工制冷的方法，降低盐水( 冷媒剂) 温度，通过低温盐水在冻结管内循环吸收地层热量，使地层形成一个连续、封闭的 冻土结构冻结壁( 冻土墙) ，以抵抗地层的水土压力，隔绝地下水与井筒开挖工 作面的联系，在冻结壁的保护下进行井筒施工。冻结法的实质是将天然岩土中的水 冻结成冰，使天然岩土变成冻土，实现了可靠的隔水目的，从而大大提高了土体自 身的强度和稳定性“= 1 1 。 深厚表土地层冻结法凿井的技术核心是确保冻结壁的安全。为此，提高冻结壁 强度和稳定性，减小冻结壁的变形，防止冻结管断裂，是确保井筒施工安全的根本 措施。纵观我国冻结法凿井技术的发展，主要围绕着防止冻结管断裂问题，比如： 从防止冻结管断裂的内因上研究冻结造孔技术，防止冻结管偏斜过大，研究冻结管 材质、冻结管接头方式和接头的焊缝质量等；从外因上研究冻土的物理力学性能、 冻结壁形成特性、冻结壁的强度及其设计计算方法、冻结壁的变形特性及其稳定性 深表土冻结设计研究及郭屯风井工程实践 第1 章绪论 以及与凿井施工工艺的配合等。冻结管断裂造成工程经济损失是重大的、教训是惨 重的。目前我国冻结管断裂事故仍常有发生，比如近年来张北矿副井断管7 根、涡 北矿风井断管1 1 根、界沟矿主、副井断管4 根，最近顾北矿副井断管数量达到了3 6 根，占总冻结管数的一半等，五沟矿副井也发生了3 根断管。冻结法凿井中最严重 的工程事故是冻结管断裂，引起盐水泄漏，融化冻结壁，造成淹井事故，比如：淮 南谢桥副井1 9 8 4 年当井筒掘到2 3 9 m 时，由于发生冻结管断裂盐水漏失融化冻结壁， 造成涌砂冒泥淹井事故，使建井工期推迟两年，直接经济损失1 0 0 0 多万元“”。历史 上，我国煤矿立井冻结法凿井工程，因冻结管断裂融化冻结壁造成淹井事故曾发生 过多起，比如临涣主井( 1 9 7 7 年) 、钱家营副井( 1 9 7 9 年) 、芦岭矿副井( 1 9 6 1 年) 、 东庞副井( 1 9 7 7 ) ；吕家坨矿副井( 1 9 6 0 年) “”。冻结管断裂给工程安全带来了巨大 的威胁，同时带来了巨大的经济损失。 深厚表土冻结法凿井，表土地压大，要求冻结壁强度大、稳定性好，即要求增 大冻结壁厚度、提高冻土强度。根据目前的工程经验，表土深度2 5 0 4 5 0 m 时，冻 结壁设计厚度为4 7 0 m ，一般采用2 圈冻结管( 或主、辅管) 冻结方案；表土厚度 达到4 5 0 5 0 0 m 以上时，冻结壁设计厚度在7 0 m 以上，甚至达到l o m 以上“”，如淮 南丁集矿副井表土层厚度5 3 0 m ，冻结壁设计厚度1 1 2 m “1 、顾北副井冻结壁设计厚 度9 6 m ，冻结管设计为3 圈布置( 如龙固矿、丁集矿和顾北矿等) ，甚至更多圈( 如 郭屯矿冻结管布置圈为似4 圈，为目前国内之最) 。随着冻结管布置圈数的增加，冻 结费用也大幅度地提高。顾北矿表土地层厚度4 6 3 m ，冻结深度5 0 0 m ，平均每米井筒 冻结费达到了1 3 万元，郭屯矿表土地层厚度5 8 0 m ，冻结深度7 0 2 m “”，风井井筒冻 结费用达到1 1 亿元人民币，平均每米井筒冻结费用为1 5 7 万元。 深厚表土地层多圈管冻结下冻结壁的形成与单圈管冻结相比，至少在3 个方面 显示其复杂性：( 1 ) 冻结温度场计算的复杂性。多圈管冻结下温度场在井筒的径向 和环向上进行温度的叠加，使传统的单管冻结圆柱温度场的计算模型不再适合。( 2 ) 冻结壁形成的特殊性。多圈管冻结设计中一般冻结管圈距2 o 3 o m ，大于同圈冻结 管间距1 2 1 8 。因此，冻结壁的形成过程应该为：同圈冻土圆柱先交圈，而后两 个冻结圈再交合，即处于相邻两个冻结圈径中间的土最后冻结。根据多圈管冻结下 冻结壁的这一形成特点和冻土在形成过程中的水分迁移特性，在分析深井多圈管冻 结下冻结壁的形成中应该重点考虑二个问题：a 相邻两冻结圈之间土的水分迁移( 含 水量降低) ，使之形成的冻土强度降低，导致了冻结壁在形成过程中冻土本身强度的 非均匀性；b 同圈冻结孔交圈后，冻土沿冻结圈向两侧发展，造成相邻两圈之间的 土在形成冻土过程中，受到了内、外两个冻结圈的冻胀压力的作用，使该部分土在 有压条件下形成冻土。( 3 ) 多圈冻土圈的冻结压力作用，改变了冻结壁的内部应力 状态，在井筒开挖过程中冻结壁应力的卸载特性及整体冻结壁的承载力特性。 1 2 冻结法原理及工程应用 人工地层冻结法源于天然冻结现象，其目的主要是隔断地下水与施工工作面的 联系，保证岩土工程安全施工。早在1 9 世纪8 0 年代，英国工程师南威尔士就成功 2 深表土冻结设计研究及郭屯风井工程实践第1 章绪论 地运用了人工冻结技术来加固土壤。1 8 8 0 年，德国工程师波茨舒( f h p o e t s c h ) 提出 了人工冻结法原理并获得了专利，1 8 8 3 年首次将该技术应用于德国阿尔巴里德煤矿 井筒施工( 冻结深度为1 0 3 m ) ，并获得了成功。在此后的1 7 年里，人工冻结法用于 矿山施工达到6 0 次以上。该方法同时很快地被推广到城市土木工程施工中，例如： 1 8 8 6 年瑞典2 4 邢长的人行隧道建设工程；1 9 0 6 年横断法国塞纳一马恩省河底的地铁 工程；1 9 4 2 年巴西2 6 层大厦不均匀下沉的调整：1 9 6 8 年英国一上水管渠遂道工程： 1 9 7 3 年美国湖底取水竖井安装工程等。进入2 0 世纪9 0 年代后，国际上对人工地层 冻结技术的应用更为广泛，例如：1 9 9 1 年西班牙巴伦西亚地铁建设中，大量的采用 了冻结法施工，并获得好评：美国威斯康森州米尔沃基市在建设输洪大直径深隧道 含多种复杂地层的一段5 0 m 深竖井时，利用传统的支护方法出现了许多问题，因此， 采用冻结法形成一个直径为6 1 m 的冻土围堰，并控制了冻土围堰的变形，达到了支 护和止水效果；德国d u s s e l d o r f 市中心火车站附近地铁隧道要经过几座居民区建筑 和闹市街道，隧道顶部与建筑基础只有很小一段距离，在三段各4 0 m 长的隧道施工 中使用了人工冻结法，其中两条挖掘断面为4 5 m 2 ，冻土挡墙的厚度为1 5 m ，另一条 挖掘断面为9 6 m 2 ，冻土挡墙厚度为2 2 m ，整个工程施工获得了成功；日本名古屋在 建造一地下输电隧道时，需垂直连接两个不同直径的隧道，在连接处成功地应用了 人工冻结法，整个工程历时3 2 3 天：等等1 ”。 我国的人工地层冻结技术始于1 9 5 5 年，首次在开滦林西风井应用，并一举获得 了成功。随后，冻结法在煤矿井筒施工中得到了普遍的应用。冻结法在我国应用已 达5 0 年，据不完全统计利用冻结法开凿的煤矿井筒已达到了5 0 0 多个，累计长度超 过8 0 k m ，在工程实践中积累了丰富的实践经验”1 。 人工地层冻结法除了在煤矿立井凿井工程中得到了大量应用以外，我国在城市 地铁工程的旁通道施工、盾构掘进机进出洞施工、桥墩基础施工等工程中也大量应 用冻结法技术。2 0 世纪7 0 年代以来我国先后将冻结法应用到北京地铁、沈阳地铁 2 # 线、上海地铁1 # 线、广州地铁、深圳地铁、南京地铁等旁通道施工；在上海地铁 l # 线延安东路隧道盾构进出口、广州地铁中山纪念堂车站、南京地铁张府园车站等 的施工中也采用了冻结法施工；在桥墩基础工程施工中也有一些应用，比如：风台 斜拉桥桥墩基础旆工( 1 9 8 8 年) 、广州丫髻沙大桥桩基处理工程( 1 9 9 9 年) 、湖口大桥 东塔桩基( 1 9 9 8 年) 、润扬大桥南锚特大深基坑( 基础尺寸为7 0 5 m 5 2 5 m 2 9 m ， 并创造了冻结一排桩工法) 等：冻结法还在建筑基坑开挖中得到了应用，比如东海拉 尔水泥厂开挖上料仓基坑、南通钢厂沉淀池基坑等。人工地层冻结法具有独特的隔 水效果、适应任何复杂地质条件、使用灵活等特点，越来越受到岩土工程界的重视， 并广泛的被应用于复杂的岩土工程施工中。1 9 9 8 年在北京地铁国贸桥车站东侧的南 隧道，采用水平冻结方案( 长度4 5 m ) 取得成功。随即上海地铁2 号线的4 个旁通道 采用地层水平冻结和暗挖施工，解决了重要建筑物、交通要道和黄浦江下连通道暗 挖施工的技术难题。2 0 0 0 年广州地铁工程中海珠广场站至公园前站区间广东贸易中 心附近隧道、越秀地铁车站施工的相继成功等等”“1 。 深表土冻结设计研究及郭屯风井工程实践第1 章绪论 1 3 冻结法国内外研究现状 人工地层冻结过程是一个复杂的物理力学过程。冻土的形成实际上是土体中的水 在冻结温度的作用下，冻结成冰( 发生相变) ，并充塞岩土裂隙或孔隙、胶结固体土 颗粒的过程。土体在冻结过程中，除原位水冻结膨胀外，水分还源源不断地向冻结 锋面迁移、聚集并结晶。水分迁移将引起冻土发生较大的膨胀，膨胀量可达百分之 几十甚至到百分之几百。水分迁移、聚集和结晶过程在很大程度上受控于土体的性 质、温度场的状况、水溶质性质及应力场的条件，其热力学行为比其它松散介质更 复杂。 1 3 1 国内研究现状 我国冻结法凿井5 0 年的发展过程，大体经历了四个阶段： 第一、1 9 5 5 1 9 6 2 年引进推广阶段 冻结壁和井壁设计以及打钻、冻结、掘砌工艺基本上套用波兰和前苏联冻结凿井 的有关规程，此阶段施工井简1 9 个，累计冻结深度3 5 8 2 m ，最大冲积层和冻结深度 分别为1 5 4 8 和1 6 2 m 。主要问题是单层井壁漏水量大。 第二、1 9 6 3 1 9 8 8 年探索和发展阶段 从刑台主、副井冻结开始我国首次采用双层井壁结构。但是随着两淮矿区的开发， 断管、井壁破裂漏水甚至淹井事故的发生，不仅造成重大经济损失还严重危及施工 安全。为此，开展了一系列基础理论研究和工艺改革。 该阶段共施工井筒2 8 1 个，累计冻结深度5 0 0 0 0 m ，最厚冲积层和冻结深度为 3 5 8 5 m 和4 1 5 m 。此阶段经验与教训并存。断管与井壁破裂漏水等在防治措施上取得 了不少经验，但未得到有效根治，所以工程事故较多。 第三、1 9 8 9 1 9 9 9 年完善提高阶段 陈四楼主、副井的施工与技术攻关，使得该井建成后未断冻结管和井壁压坏漏水 现象( 但主井由于附加力的影响出现破裂) 。该阶段共旖工井筒1 1 0 个，累计冻结深 度2 0 0 0 0 m ，冲积层厚和冻结深度达到3 7 4 5 m 和4 3 5 j i 】。 此阶段还有少数冻结井发生断管( 祁南副井、张集中央风井) 、井壁压坏( 祁南 副井) 和井壁漏水注浆导至透水淹井( 金桥主井) 。 第四、进入2 1 世纪后的阶段 跨入2 1 世纪后，煤矿开发进入一个新高潮，2 0 0 1 年年开工的梁宝寺主、副、风 井，2 0 0 2 年开工的程村主、副井和济西主、副井。2 0 0 3 年开工的龙固副井、丁集主、 副、风井，2 0 0 4 年开工的赵固、赵楼和郭屯矿井，冲积层深度从3 7 0 m 5 8 7 4 m ，冻 结深度从4 6 1 7 0 2 m 。其中梁宝寺主井井壁破坏严重、丁集副井断管3 根、张北副井 断管7 根，又给深厚冲积层冻结井敲响了警钟。说明深厚冲积层冻结取得重大成绩 的同时仍有一些问题还需要进一步研究。 渌表土冻结设计研究及郭屯风井i 程实践 第1 章绪论 1 3 2 国外研究现状 根据冻结法原理可知，地层冻结法施工成败的关键是形成的冻结壁支挡结构的可 靠性，而冻结壁的力学性能又取决于冻土的力学性能，冻土的力学性能取决于冻土 的负温条件“”，可见研究冻结壁力学性能，首先应掌握冻结温度场的性状，掌握地 层的冻结特性。显然，冻结温度场的研究在人工地层冻结法中占具了首要的位置。 实际上冻土温度场的研究也是冻土生成条件、冻土工程、冻土环境、冻土改造和 利用以及冻胀预报等问题研究的基础，是研究冻土学的基础。 冻结温度场是一个含有相变的温度场，具有移动的内热源和复杂的边值条件，在 整个地层的冻结过程中冻结温度场随时间和空间而变化，是个不稳定温度场。研 究和掌握冻结温度场的目的是：1 求算冻土的强度，以计算冻结壁的厚度；2 检查 和确定冻结壁的形成情况及发展厚度；3 冻结冷量计算“”。 人们对冻土温度场的研究己有1 6 0 多年的历史“”，但早期由于测试手段的限制， 对冻土温度场的认识只是处于一种表面的和感知状态。直至2 0 世纪早期，俄国成立 了冻土研究委员会后，才开展了较为广泛的研究。2 0 世纪中叶( 1 9 4 5 1 9 6 0 和1 9 6 1 1 9 7 1 ) 又经历了两个较快的发展时期，先后开展了与温度场有关的热力学、热物理 学、土壤水热改良、工程建筑地基稳定性以及地球表面和岩石圈层的形成等方面的 试验研究和以解析解为主的理论计算研究。2 0 世纪7 0 年代后，计算机和数值方法在 前苏联冻土领域得到了广泛应用，使以前许多难以解决的具有复杂几何形状和地质 条件、考虑热质交换的非线性问题在深度和广度上都有了新的发展。真正开始理论 性研究并被公认为这门学科理论奠基人的是前苏联学者cymrmh ，m m ，在温 度场等热物理研究方面以kyp 月buebb a 为杰出代表。 北美、西北欧的一些国家和地区，与前苏联一样，由于自然资源的开发需要， 也推动了冻土温度场及其相关学科的研究进展。2 0 世纪初阿拉斯加金矿的开采和 1 9 4 2 年北美战备公路的严重冻害的出现，促进了对温度场理论上的较全面研究。在 加拿大，这项研究的蓬勃发展主要起源于对极地多年冻土区石油、天然气等资源的 开发。上世纪7 0 年代，这些国家相继进入了研究的高潮。除自然资源的开发需要外， 现代监测技术和计算机技术在冻土研究领域中的应用也加速了该学科的发展。 b o n a i c i n ac 和f a s a n aac ( 1 9 7 3 ) 求得了一维非线性温度场的数值解，同期，还开 展了与温度有关的其他问题的科学研究。 我国在冻土温度场的研究上起步相对较晚。上世纪5 0 年代，余力教授首次采用 水利积分仪对人工冻结法凿井温度场进行研究，根据园管稳定导热方程推导了计算 单管冻结时间的经验方程：徐枚( 1 9 6 2 ) 研究了天然细砂地基的温度场。此间的研 究，主要集中在开展室内、外观测和经验方程的建立方面。直至7 0 年代后期，才逐 渐开展非线性相变温度场的数值模拟( 郭兰波 ”，1 9 8 l ；丁德文”，1 9 8 2 ) 。1 9 8 3 年 深表土冻结设计研究及郭屯风井i 程实践 第1 章绪论 张燕等人就立井井筒的冻结壁温度场进行了有限元数值模拟计算；陈湘生、陈文豹、 汤志斌、王长生等人就许多矿区的不同冻结深度的井筒，对单圈冻结孔和双圈孔冻 结情况的冻结壁温度场进行了全面系统的工程实测，获得了冲积层深4 0 0 米以内的 冻结壁形成与解冻的规律与特性，并根据工程实测数据分析处理，建立了冻结壁平 均温度的经验计算公式( 陈斌公式) ，目前仍普遍应用于工程实际计算“。 上世纪8 0 年代后，世界各寒区先进国家对冻土研究的重视及相关学科的发展， 进一步推动了本学科向多维多相非线性问题和多场相互作用问题理论模型的建立和 求解、研究和应用现代化高效能及高精度的试验技术领域的发展。 就理论研究而言，冻土温度场研究己从早期的定性描述发展到了今天的利用计算机 进行三维数值分析和模拟。其间经历了以试验和实测为主的经验方程、均质一维、 二维线性稳定问题和一维非稳定问题的解析计算等。 随着科技的进步，人们在研究冻土冻结温度场的手段上已经有了根本性的提高， 借助大型有限元软件进行多种条件下二维、三维问题的温度场的数值模拟，已经成 为复杂工程冻结温度场计算与分析的主要方法；在温度场的监测上实现了计算机控 制自动温度数据采集和分析，大大提高了量测温度的精度和温度场性状分析的水平； 结合冻结法凿井信息化施工技术，笔者李晓军、张瑞等结合现场实测数据和复杂的 工程条件和可视化技术，利用半理论、半经验的方法，研发出了一套冻结法凿井冻 结温度监钡4 和温度场模拟分析软件( 1 9 9 7 年) ，实现了对任意深度条件下冻结壁平面 温度场的性状分析、冻结壁平均温度的计算、冻结壁强度校核和稳定性分析等。该 软件近年来淮南、淮北地区的二十几个井简冻结法凿井施工中发挥了积极的作用“” 4 】 1 4 深厚冲积层冻结凿井技术现状及存在问题 1 4 1 冻结壁的计算 我国冻结法凿并的地层主要为冲积层。冻结壁的设计是指在满足砂性土的强度 和粘性土中变形要求的厚度。其厚度计算的根据是地压、冻土热学和力学性质，井 简掘进直径、段高和裸露时间以及井壁结构与工艺等，实际上由于冻土热学和力学 耦合计算的影响因素很多，故一般采取热学和力学分别计算和相互检验的方法。 在深井粘土层中冻结壁的厚度与强度，往往是造成许多重大事故的主要原因， 因为粘土强度低、流变特性显著，而过去的设计中很少考虑到。浅井常用拉麦公式 和多姆克公式，均是按平面应变力学模型( 无限长) 来计算的，同时也都没有考虑 到冻土的流变特性( 即与时间有关的这一特征) ，对于深井应采用前苏联维亚诺夫和 扎列茨基提出的小段高( 空间结构) 的强度和变形公式。这个公式不仅考虑了强度， 深表土冻结设计研究及郭屯风井工程实践第1 章精捂 也考虑到变形。 前述浅井两公式分别是从弹性理论或弹塑性理论出现而得出的，没有考虑冻土 流变特性( 实际上应视为粘弹性或粘弹塑性) 。后一公式已考虑到冻土流变( 参数m 、 a ) 和掘砌工艺( 参数；、h 、t 、w ) ，按粘塑性来计算的，即用时空观点来分析认识 事物。它不但更新了冻结壁设计的传统理论及观念，同时为深井冻结信息化施工奠 定了理论基础。 1 4 2 冻结温度的计算 冻结壁厚度的边界过去都以o 温度线为界，即认为0 为土中孔隙水的结冰 温度，现根据龙固副井冻土试验，其冻结温度为一1 0 5 一4 2 8 ，另外，其值还随 地压增大而降低( 通常按o 0 7 5 m p a 计算) ，其冻结温度将是上述两者的叠加。 1 4 3 冻土抗压强度试验 1 9 8 9 年以前，我国一直采用5 0 5 0 5 0 m m 立方体试件按加载速率控制制式( 3 0 5 s ) 获得的无侧限瞬时抗压强度除以安全系数作为允许强度进行计算。此后，开 始采用国际规定的圆柱体( 6 1 8 1 5 0 m m ) 按恒应变速率( 1 m i n ) 加载方法获得 无侧限抗压强度( 一般经历数分钟) 再按井简施工工艺时间折算成长时强度进行计 算。 1 4 4 冻结壁变形 根据龙固副井和丁集主、副、风井实测资料分析，段高大于4 5 m 时，一般变形 量大于5 0 m m ，当段高缩小到2 3 m 时，变形量均较小( 一般为2 0 3 0 唧) ，为了安 全起见，在考虑不超过允许变形量( 5 0 m ) 的同时，还应考虑变形速率( 不应超过 3 岫h ) 。否则也将造成断管( 丁集副井断3 根) 。 1 4 5 外圈孔外侧冻结壁扩展范嗣 根据两淮多个井实测资料，冻结3 0 0 d 外侧冻结壁可发展2 3 m 、4 0 0 d 为3 5 m 。 由于深井地温高达十3 0 以上，冻结孔的布置圈直径达2 5 m 以上，而盐水温度则为一3 2 左右时，冻结壁向外发展不会超过3 m ，龙固副井实测为2 5 m 左右，丁集风井不超 过2 5 1 1 】。 1 4 6 其它方面的问题 l 、多圈孔布置 济西主、副井以前通常采用单排孔或主、辅孔两圈布置，而龙固副井( 冻结壁 7 深表土壤结设计研究及郭屯风井i 程实践 第1 章绪论 计算厚度为1 1 5 m ) ，首次采用三圈孔布罱，内圈孔圈径较大，尽管开挖前冻结时间 较长，在井筒施工初期仍然发生大量片帮，甚至抽帮，造成井壁下沉，影响了进度， 而丁集吸取了上述教训，内圈孔布置直径较小，从而减少了试挖前时间和片帮现象， 因此井筒掘砌速度较龙固为快。 根据实践，中圈孔深度应穿过冲积层进入不透水的基岩1 0 m 以上，外圈孔要穿 过冲积层进入强风化带5 m 以上，内圈孔深度取冲积层厚度的1 2 3 4 为好。但外 圈孔由于措施不力，局部冻结未能很好实现。 2 、新型钻机 龙固副井首次采用了t s j 一2 0 0 0 a 型钻机，6 台钻机共施工6 个月完成1 1 6 个孔 6 8 1 3 3 5 m ，平均台月效率1 8 9 2 6 m ，除中7 孔偏值( 1 3 7 1 m ) 超过允许靶域半径l j i l 的要求外，其余均满足设计要求，最大孔间距为2 8 7 m ( 位于外1 8 1 9 孔3 6 0 4 0 0 m 水平) 。 3 、螺杆冷冻机 龙固副井安装1 5 台k a 2 5 c 螺杆机和1 7 台8 a s 一1 7 活塞机，总装机容量2 2 4 8 1 0 4 k c a l h ，运转初期全部投入运转，显得冷冻机不足；丁集冷冻站基本上都采用了 螺杆机。蒸发式冷凝器的采用和新型水质处理装置，不仅大大节约了水资源，同时 冻结效率大大提高。 4 、施工过程的监测 冻结孔施工水平的提高不仅得益于新型钻机的应用，而且得益于新型螺杆钻 具、陀螺测斜仪及配套的纠偏应用软件的运用，使得深冻结孔偏斜率远远小于现行 规范中规定的最大值，大大提高了钻孔质量，为加快冻结奠定了基础。 5 、井筒掘砌速度 龙固副井于2 0 0 4 年4 月2 6 日试挖，6 月1 日正式开挖，2 0 0 5 年2 月1 2 日通 过5 6 7 7 m 冲积层，深部施工段高控制在2 2 5 3 m ，相应时间为2 4 4 8 h ，井帮温度 一1 7 一2 0 ，井帮变形较小，外壁平均掘砌速度为6 7 m ，而丁集则更快。 6 、与国际先进的差距 ( 1 ) 同样地质条件下，我国深井计算的冻结壁厚度偏厚，故相应的冻结孔数 也多。 ( 2 ) 钻机能力还比较低，台月效率不如英国、波兰的一半，靶域半径为l m ， 而国外为0 5 m 。 ( 3 ) 冷冻机虽然采用螺杆机，但仍然是串联式双级压缩，安装工作量大且时 间长，而国外大都采用移动机组，安装拆除比较方便。盐水温度还没有达到一4 0 。 ( 4 ) 井壁结构比较单一，均采用双层钢筋混凝土结构，故井壁偏厚。 8 深耒土冻结设计研究及郭屯风井工程实践第1 章绪论 1 5 本文主要研究工作 1 5 1 研究内容 1 深厚表土冻结壁的计算方法； 2 深厚表土冻结温度场的分布状态 3 深厚表土冻结方案设计； 4 深厚表土冻结温度场现场实测。 1 5 2 研究方法和技术路线 研究方法和技术路线如下： 人工冻土物理力学性能 冻结壁计算方法 i 多圈冻结孔设计方案 l 数值模拟与分析 l 现场实测与分析 9 深表土冻结设计研究及郭屯风井工程实践第2 章深井冻结壁设计研充 2 1 概述 第2 章深井冻结壁设计研究 近几十年来，人工地层冻结法已广泛应用于矿井、隧道、地铁、桥梁和深基坑等 工程建设中，尤其在矿井建设中已有百年历史。 人工地层冻结法是在不稳定含水地层等不利工程条件下进行施工时所采用的一 种特殊而有效的保护措施。借用此法在井巷四周建起临时结构体冻结壁，来提高 松散土强度和隔断地下水来保护施工的，为了建立既经济又能保证施工安全的冻结 壁，有必要对其水、温度、应力和位移场的耦合进行研究。 经大量工程实践和一系列的实测、实验和数值模拟结果，冻结壁的设计与控制在 冲积层浅于4 0 0 米深的矿井中已有了成熟的习惯的设计方法。但冲积层更深的矿井 ( 目前正在施工或刚竣工的有龙固、丁集、赵固和郭屯) 国内施工很少，深厚冲积 层冻结井的冻结壁设计更是人者见人、智者见智，缺乏系统性和突破点，尚需进一 步开展研究。本章将在重温“人工冻土的力学属性”、“人工冻土的强度与蠕变”的 基础之上，认真总结前人在“冻结壁的应力场和位移场”方面已取得的成果，找出 其与深厚冲积层冻结壁设计之间的最佳切入点，建立一套具有系统性、科学性、可 操作性的、适合我国深厚冲积层冻结壁设计的设计理念和计算方法。 2 2 人工冻土物理力学性能 冻结壁的设计，实际上是一个力学问题，它关系到人工冻土的强度和稳定性。既 是力学问题，究竟应当运用什么样的力学理论( 弹性、弹塑性、塑性或粘性) 来解 决。而人工冻土的某种变形特征和力学属性，都是在某种特定的条件下的具体表现， 这些条件主要是应力、时间和温度。 长期以来，人们一直将冻结壁视作为弹性体或弹塑性体，而且还做了很多简化( 均 质的无限长的厚壁圆筒) ，利用常用的拉麦和多姆克公式来进行计算，殊不知，此方 法中忽略了一个很重要的问题，就是人工冻土的流变属性。为此，我们应该就这一 课题进行更深入的研究，从而使我们从事的工程更科学台理。 2 2 1 冻土的弹性性质 弹性变形和应力之间的关系，在弹性理论中被认为是直线的，但是，这一直线 关系只有在应力不超过某一极限时才是正确的，否则就会发生脆性破坏或出现塑性 变形。 2 2 2 冻土的塑性性质 人工冻土在达到塑性阶段时还有能力继续工作。例如第三强度理论就认为，其 1 0 深表土冻结设计研究及郭屯风井i 程实践第2 章深井冻结壁设计研究 最大剪应力t 。，达到和大于某一极限值，其公式为 ，盯1 一盯3盯c r m “吖一2 彳2 芎 2 2 3 冻土的粘性性质 人工冻土在某一应力作用下，它不但发生弹性变形，而且还发生粘性流动，此时 人工冻土就应视为粘弹性体。粘弹体的人工冻土发生变形，究竟是以弹性变形为主， 还是以粘性流动为主，是以观察时间和人工冻土的松弛期的比较而定。 即松弛期f = ! e 式中：n 人工冻土的牛顿粘度 e 一人工冻土的剪切弹性模量 根据实验，冰n = 1 2 l o ”泊，并随着应力增加而逐渐减小，其松弛期为1 4 天。冻结亚砂土( 一1 0 ，w = 1 9 1 ) n = 1 9 1 0 ”，冻结粘土( 一1 0 ，w = 2 7 7 ) r l = o 9 l o ”二者的粘度和松驰期随温度升高而急剧下降。冻土中既含有冰又有未冻水，故 松弛期较冰短。 根据上述分析，我认为对人工冻土一定要考虑其流变特性，即把它视为粘弹性、 粘弹塑性和粘塑性更为合理，也更符合工程实践。 2 3 人工冻土的蠕变与强度 经实践证实冻土具有明显的流变性质，即在荷载作用下，应力与应变随时间而 变化，其特性包括蠕变和松弛二方面。蠕变，即冻土的变形在荷载不变的情况下随 时间而发展、松弛，即维持一定的变形量所需要的应力随着时间而减小，其强度也 随着荷载作用时间的延长而降低。 2 3 1 冻土蠕变 根据试验，不同荷载作用下人工冻土的蠕变曲线如图2 1 、2 2 所示。 0 1 置4 7 0 m p a a 乒37 7 m p 8 圈2 1 潘三东风井2 6 l _ 5 m ( 一15 ) 处壤土蠕变曲线 圈2 2 蠕变曲线 当应力小于长期强度极限时，变形随时间的发展呈衰减蠕变，反之即发育呈非 深表土冻结设计研究及郭屯风井工程实践第2 章深井冻结壁设计研究 衰减蠕变由图二可看出，当荷载作用时，首先产生初始的标准瞬时变形o a ，随后变 形速率逐渐减小，进入非稳定的蠕变阶段a b ，在衰减蠕变过程中，变形逐渐达到最 小值，变成常数丽进入第二蠕变阶段，即稳定的粘塑流动阶段b c ，随着变形的发 展，该阶段转变为速率增长的渐近流阶段c d ，最后以土体破坏而告终。 本构方程 单轴情况下为 o = ae “ 三轴情况下为 t = a 。r ” 当f ：单，= 3 5 时 3 l + m o = 3 2 一 蠕变方程，根据试验，冻结砂土的蠕变曲线具有明显的非稳定蠕变阶段，稳定 蠕变阶段和渐近流动阶段，而冻结粘土的蠕变过程除应力较大情况外，主要表现为 粘塑性蠕变阶段，基本上不出现渐近流动阶段。对于以上两种不同类型的蠕变，如 果只考虑其过程的前二个阶段，则可用统一的蠕变方程描述。 =